DE2002404C3

DE2002404C3 - Spannungsabhängiger Widerstand aus einer Isolierfolie mit darin eingebetteten Körnern aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2002404C3
Application number: DE2002404A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Hendrik Eindhoven Hagen (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-01-31
Filing date: 1970-01-20
Publication date: 1978-08-17
Also published as: US3670214A; FR2029777A1; BR7016353D0; DE2002404B2; BE745185A; DE2002404A1; GB1300142A; SE347383B; NL6901538A

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen Widerstand aus einer zusammenhängenden Folie aus elektrisch isolierendem Material, in die Körner aus Halbleitermaterial derart aufgenommen sind, daß die Körner auf beiden Folienoberflächen frei herausragen und die Folie auf beiden Oberflächen mit Metallkontaktschichten überzogen ist, die herausragende Teile von Körnern elektrisch leitend miteinander verbinden.

Diese nichtlinearen Widerstände sind wie Dioden ausgebildet. Sie werden jedoch in einem Betriebsspannungsgebiet verwendet in dem die Übergänge infolge des Tunneleffekts und/oder des Lawineneffekts in der Sperrichtung einen mit der Spannung nichtlinear zunehmenden Strom durchlassen.

Widerstände dieser Art sind bereits bekannt, z. B. aus der US-PS 32 10 831.

Der Autor dieser Patentschrift führt die Nichtlinearität dieser Widerstände auf die Spannungsabhängigkeit der von ihm verwendeten Halbleitermaterialien zurück, von denen lediglich Siliciumcarbid als solches in der Patentichrift genannt ist.

In der Regel ist der Widerstand von Halbleitermaterial jedoch nur dann spannungsabhängig, wenn es auf besondere Weise vorbereitet ist, z. B. durch die Einführung von PN-Übergängen. In der genannten US-Patentschrift ist jedoch nicht angegeben, wie die Nichtlinearität des Widerstandsmaterials, welche die erwünschte Spannungsabhängigkeit des Widerstandes herbeiführen sollte, erzielt wird. Mögliche, weise soll angenommen werden, daß auch bei den zusammengesetzten Widerständen nach der amerikanischen Patentschrift 32 10 831 die Nichtlinearität durch Ba-rieren bewirkt wird, wie dies bei einfachen spannungsabhängigen Widerständen der Fall ist, die mit zwei gleichrichtenden Metall-Halbleiterkontakten (Schottky-Übergängen) oder auch mit einem solchen gleichrichtenden und einem ohmschen Kontakt versehen sind.
Solche einfachen Widerstände sind aus der OE-PS 2 65 370 bekannt

Unabhängig davon leuchtet jedoch ein, daß der Aufbau der Widerstände nach der US-PS 32 10 831 den Vorteil hat daß, im Vergleich zu den Widerständer, nach der OE-PS 2 65 370, diese Widerstände einfacher und durch Verwendung verhältnismäßig kleiner Mengen von Halbleitermaterial hergestellt werden können.

Andererseits sind, wie in der OE-PS 2 65 370 erwähnt für den Zusammenbau spannungsabhängiger Widerstände Halbleitermaterialien mit einem Bandabstand von mindestens 1,IeV besonders gut geeignet, wobei dort die A"¹ B^v-Verbindung Galliumarsenid genannt ist Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den

spannungsabhängigen Widerstand der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß er bei Spannungen unterhalb von 10 V eine hohe Nichtlinearität d.h. eine steile Kennlinie besitzt und auch bei kleinen Abmessungen mit einer hohen Reproduzierbarkeit der Widerstandseigenschaften herstellbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale gelöst nämlich daß die Körner aus Galliumphosphid bestehen und eine Größe von maximal 150 μΐη aufweisen und daß mindestens eine der Kontaktschichten mit den herausragenden Körnerteilen gleichrichtende Metall-Halbleiterübergänge bildet.

Auf diese Weise zusammengebaute Widerstände haben eine besonders große Nichtlinearität, ähnlich wie die nach der OE-PS 2 65 370. Sie weisen diese jedoch auch bei wesentlich niedrigeren Betriebsspannungen als den in dieser Patentschrift angegebenen auf.

Dank der Verwendung halbleitender Körner von maximal 150 μΐη bei einer großen Körnerdichte auf der Folie auch bei kleinen Abmessungen der Folienoberfläehe lassen sich die die Widerstände, wegen der großen Anzahl von Elementen aus denen die Widerstände aufgebaut sind, mit großer Reproduzierbarkeit der Widerstandseigenschaften herstellen.

Der spezifische Widerstand der Halbleiterkörner läßt sich in bekannter Weise durch Zusatz von Donatoren und Akzeptoren einstellen.

Außer anderen Parametern, wie der Oberfläche der Kontaktschichten, der Dichte der Körner auf der Folie und der Größe und Zusammensetzung der Körner,

so ergibt diese Maßnahme die Möglichkeit der Einstellung der erwünschten Betriebsspannung der Widerstände.

Es hat sich gezeigt, daß Widerstände mit überraschend günstigen Eigenschaften, d. h. mit einer besonders hohen Nichtlinearität bei niedriger Spannung, auf der Basis von Halbleiterkörnern aus Galliumphosphid erhalten werden, wie an Hand des nachfolgenden Beispiels erläutert wird.

Folien, in die Körner aus Halbleitermaterial in Form einer ein-korn-dicken Schicht aufgenommen sind, können bekanntlich auf verschiedene Weise hergestellt werden.

Die Körner werden z. B. zu diesem Zweck auf ein Substrat ausgebreitet und dann in einem Film flüssigen Kunststoffes eingebettet, oder in eine plastische Folie

f>^r> gegebenenfalls unter Erwärmung eingepreßt. Darauf werden die Kornoberflächen, z. B. durch Schleifen, Lösen oder Abätzen, örtlich frei von dem isolierenden Kunststoff gemacht, damit Kontaktschichten ange-

bracht werden können. Bei diesen Verfahren ist es selbstverständlich nicht einfach, Folien herzustellen, in denen die Körner in Form einer ein-korn-dicken Schicht in einer gleichmäßigen Verteilung bestimmter Dichte liegen.

Bei der Herstellung der Widerstände nach der Erfindung wird daher ein an sich bereits bekanntes Verfahren bevorzugt, bei dem auf einem Substrat eine Klebeschicht z. B. aus einem Kautschukleim angebracht wird, worauf die Körner ausgestreut werden. Nach dem Entfernen der Körner, die nicht an der Klebeschicht haften, entsteht eine gleichmäßige, dichte Schicht mit der Dicke eines Kornes (Philips Technische Rundschau 29 (1968) H. 9/10, Seiten 42 bis 45).

Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind, daß nach dem Einbetten der Körner in einem Film isolierenden Kunststoff die gebildeten Folien sich bequem von dem Substrat entfernen lassen und daß außerdem durch einfaches Abwaschen der Klebeschicht die Körner auf der betreffenden Seite der Folien bereits frei herausragen und mit den erforderlichen Kontaktschichten versehen werden können. Die Kornoberfläche auf der anderen Seite der Folien können z. B. durch Lösen oder Abätzen zum Anbringen der Kontakte frei gemacht werden.

Für die Zusammensetzung der Folien kommtn verschiedene thermoplastische und thermo-erhärtende Materialien mit guten Isoliereigenschaften in Betracht. Zu bevorzugen sind jedoch Polyester und insbesondere Polyurethane, die außer guten mechanischen und isolierenden Eigenschaften eine gute Haltbarkeit aufweisen.

Zum Erzielen günstiger, reproduzierbarer Widerstandseigenschaften ist es selbstverständlich wichtig, daß von Halbleiterstoffen großer Reinheit ausgegangen wird.

Die Kontaktschichten können durch Aufdampfen, gegebenenfalls in einem elektrischen Felde (Aufstäuben) angebracht werden. Bekanntlich kommen viele Metalle, z. B. Gold, Platin, Silber, Kupfer und Aluminium, zur Bildung von gleichrichtenden Metall-Halbleiterübergängen in Betracht.

Die Ausbeute an spannungsabhängigen Widerständen guter Qualität kann durch einige Maßnahmen bei der Herstellung erheblich verbessert werden.

Es wurde festgestellt, daß durch Ionenbombardement der Folienoberfläche in einer Gasentladung vor dem Anbringen der Kontaktschichten Widerstände mit stark verringertem Rauschen erhalten werden können.

Ferner wurde festgestellt, daß eine Formierung der kontaktierten Widerstandsiolie mittels eines Stromstoßes eine günstige Wirkung ausübt. Möglicherweise werden schlechte Stellen in aen Widerständen, die z. B. durch die Bildung ohmscher Kontakte auf einigen Halbleiterkörnern entstanden sind, durch einen Stromstoß weggebrannt.

Obgleich es möglich ist, die Widerstandsfolie mit einer gleichrichtenden und einer ohmschen Kontaktschicht auszubilden, wird meistens bevorzugt, die Widerstände auf beiden Seiten mit gleichrichtenden Kontaktschichten zu versehen, da die einseitige Anbringung ohmscher Kontaktschichten die Herstellung erschwert.

Die Herstellung von Widerständen nach der Erfindung kann sich z. B. wie folgt vollziehen:

Es wird von einerr. Pulver reinen Galliumphosphids mit einem Zinkzusatz von 5 ppm ausgegangen, wodurch da« Pulver p-leitend im und einen spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm · cm bei 2O⁰C aufweist. Es wird eine Fraktion mit einer Korngröße von 40 bis 60 μπι ausgesiebt.
Auf einem Glassubstrat wird eine Schicht eines Kautschukleims angebracht, auf welche die Galliumphosphidkörner gleichmäßig ausgebreitet werden. Nach dem Trocknen unter leichter Erwärmung werden die nicht haftenden Körner mittels eines weichen Pinsels entfernt.

ίο Darauf wird das Substrat mit den anhaftenden Körnern in eine Lösung polyurethan-bildender Bestandteile getaucht. Nach dem Abtropfen wird in der Luft getrocknet und während ³A Stunde auf 150°C in einem Luftstrom erwärmt, um das Polyurethan teilweise zu erhärten.

Die Folie wird darauf von dem Glassubstrat entfernt und die auf einer Seite vorhandene Leimschicht durch Spülen in einem Gemisch aus Xylen und Benzin gelöst. Darauf wird noch sorgfältig mit einer Seifenlösung, Wasser und Alkohole in dieser Reihenfolge gewaschen und darauf getrocknet

Urn die Körner auch auf der anderen Folienoberfläche frei zu machen, wird während einiger Minuten mit einer 5% alkoholischen KOH-Lösung geätzt. Darauf wird mit Alkohol und entionisiertem Wasser gewaschen. N?.~h dem Trocknen wird die Folie während 1,5 Stunden auf 150⁰C ausgehärtet.

Ein Stück der so erhaltenden Folie 1 wird, wie dies schematisch in F i g. 1 der Zeichnung angedeutet ist, zwischen zwei Metallmasken 2 und 3 vo;i 80 · 32 mm² festgeklemmt, die mit 40 kreisförmigen Öffnungen mit einem Durchmesser von 5 mm versehen sind.

Das Ganze wird in einer Metallglocke 4 untergebracht, die nach Entlüftung mit Argon bis zu einem Druck von etwa 0,1 mbar gefüllt wird.

Mittels einer Spannung zwischen den Masken 2,3 und der Glocke 4 wird eine Gasentladung eingeleitet, wodurch die von den Masken frei gelassenen Folienoberflächen einem Ionenbombardement ausgesetzt werden. Bei einem Abstand zwischen den Masken 2, 3 und der Glocke 4 von 200 mm wurde bei einer ange'jgten Spannung von 500 V die Entladung während 15 Minuten beibehalten.

Nach erfolgter Abkühlung der Folie 1, die durch den Ionenbombardement etwas erwärmt worden ist, und nach dem Leeren der Glocke 4 wird mittels der Heizspiralen 5 und 6 Aluminium bis zu einer Schichtdicke von etwa 1 μπι aufgedampft.

Nach dem Aufteilen der Folie ergeben sich dann Produkte, die entsprechend der schematischen Durchschnittsdarstellung von Fig.2 aus einer isolierenden Folie 10 bestehen, in der Körner 11 aus Galliumphosphid eingebettet sind und die auf beiden Seiten mit A'uminiunschichten 12 und 13 versehen ist.

Diese Widerstände, die aus einem Stück von 8 -8 mm² bestehen, auf dem beiderseits kreisförmige Kontaktschichten von 5 mm Durchmesser vorhanden sind, werden einem Stromstoß (etwa 1 see) von 200 mA zwischen den Kontaktschichten ausgesetzt.

Die erhaltenen Widerstände weisen eine Kennlinie nach Fig.3 auf. Die Nichtlinearität bleibt im Spannungsgebiet zwischen 3 und 5 V sehr hoch das Rauschen ist niedrig und im Betrieb weisen sie praktisch keine Schwankungen auf.

h'> Die Reproduzierbarkeit ist außerdem sehr gut. Bei einer Belastung mit 11/inA zeigte sich, daß die an zehn Widerständen gemessenen Spannungen zwischen 4.31 und4,54 Viagen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsabhängiger Widerstand aus einer zusammenhängenden Folie aus elektrisch isolierendem Material, in die Körner aus Halbleitermaterial derart aufgenommen sind, daß die Kömer auf beiden Folienoberflächen frei herausragen und die Folie auf beiden Oberflächen mit Metallkontaktschichten überzogen ist, die herausragende Teile von Körnern elektrisch leitend miteinander verbinden, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale, nämlich daß die Körner (11) aus Galliumphosphid bestehen und eine Größe von maximal 150 um aufweisen und daß mindestens eine der Kontaktschichten (12,13) mit den herausragenden Körnerteilen gleichrichtende Metall-Halbleiterübergänge bildet

Z Verfahren zur Herstellung eines spannungsabhängigen Widerstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß nach Aufnahme der Körner (11) die Oberflächen der isolierenden Folie (10) in einer Gasentladung einem Ionenbombardement ausgesetzt werden und daß erst dann die Kontaktschichten (12,13) aufgedampft werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Oberflächen mit Kontaktschichten (12, 13) versehenen Widerstände einem Stromstoß ausgesetzt werden, um die Kontakte zwischen den Körnern (11) und den Kontaktschichten (12,13) zu formieren.