DE1415661A1

DE1415661A1 - Halbleiter

Info

Publication number: DE1415661A1
Application number: DE19611415661
Authority: DE
Inventors: Lambertson Wingate Augustus; Caroll Paul Emmet
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax I LLC
Priority date: 1962-09-28
Filing date: 1961-08-07
Publication date: 1968-10-10
Also published as: DE1242802B; GB990147A; FR1376775A

Description

The Carborundum Company 4»8.1961

niagara tfalls, i.Y./USA

Halbleiter

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Widerstandskörper, insbesondere auf Thermistoren, mit einem einzigen ICr is tall aus Siliziumkarbid.

Unter Thermistoren sollaäm nachfolgenden elektrische JiderStandskörper verstanden werden, die gegenüber Temperaturänderungen in einen weiten Temperaturbereich hochempfindlich sind, d.h. der elektrische Widerstand der iiörper ändert sich in empfindlicher ¥eise mit Änderungen der Temperatur. Thermistoren, deren Widerstandsfl-Lliigkeit sich bei Anwachsen der Temperatur verringert, haben einen sogenannten negativen ■Temperatur-Widerstands-Koeffizienten.

Thermistoren werden weitgehend bei Vorrichtungen zur Temperaturmessung, und auch Temperaturkontrolle, benutzt, beispielsweise für den Ersatz von thermo-elektrischen Elementen, insbesondere für mittlere Temperaturen bis zu etwa 315 C. Hierbei haben die Thermistoren gegenüber thermo-elektrischen Elementen verschiedene Vorteile, weil sie hinsichtlich Temperaturänderungen empfindlicher sind als die letzteren. Weiterhin ergeben thermo-elektrische Elemente verhältnismässig schwache Anzeigen, die verstärkt werden müssen, um die Stromkreise zu betätigen. Thermistoren betätigen dagegen die Relais direkt, wodurch die Kosten der Steuergeräte gering gehalten werden. Thermistoren werden auch benutzt zum Ausgleich von Änderungen der Umgebungstemperatur, um die Genauigkeit

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des elektrischen Messgerätes über einen grossen bereich in Hake der Umgebungstemperatur beizubehalten. Weiterhin sind Thermistoren auch für zeitliche Verzögerungen anwendbar.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Thermistoren, und zwar derart, dass die Thermistoren aus einem einzigen Kristall von reinem Siliziumkarbid, oder aus einem besonders ausgewählten Siliziumkarbid hergestellt sind, wobei im ganzen Körper ein Element der Gruppe III A und W VA des periodischen Systems vorhanden ist. Dabei sind die elektrischen Anschlussleitungen an isolierten Punkten des Kristalls angeschlossen, und zwar ausschliesslich durch Hochtemperaturverschmelzung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert.

Fig.l zeigt schaubildlich einen Thermistor gemäss der Erfindung,

Fig» 2 zeigt in Draufsicht eine Vorrichtung mit einem Thermistor gemäss iug.l.

Erfindungsgemäss wird ein bestimmtes Siliziumkarbid in Form eines einzelnen Kristalls zwischen wenigstens zwei elektrischen Leitungen angeordnet und steht mit diesen •Leitungen in Kontakt. Die Teile werden dann beispielsweise durch Federspannung der elektrischen Leitungen in eine bestimmte gegenseitige Lage gebracht und danach so weit erhitzt, dass die elektrischen Leitungen mit den Kontakt punkten des Kristalls verschmelzen. Das Verschmelzen erfolgt zweckmässig in einer Schutzatmosphäre, wie beispielsweise Argon, Helium, Wasserstoff, oder in einem Vakuum, um ein Oxydieren der elektrischen Leitungen und des Siliziumkarbids zu verhindern»

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Das YersclunelZBn kann auf zwei verschiedene- Arten erfolgen. Bei einer" Art "werden die elektrischen Leitungen durch ihren eigenen Widerstand erhitzt,- indem man einen elektrischen Strom durchleitet und sie so auf die Yerschmelzungstemperatur "bringt,, und zwar solange, "bis das 7erschmelzen und die.Yerbindung hergestellt sind. Es kann auch, der elektrische Strom durch eine der elektrischen Leitungen j. dann.durch den kristall, und dann zurück zur anderen elektrischen Leitung geführt werden. .

der zweiten Art wird die ganze Vorrichtung in einen g Ofen eingebracht, und auf Yers climelzungs temperatur gebracht.

G-e^äss den-Zeichnungen, besteht der Shenuistor aus einem einzigen Kristall IC aus Siliziumkarbid, üer zwischen zwei elektrischen Leitungen 11 liegt. Die -eile.werden in einer bestimmten gegenseitigen Lage zueinander gehalten und .auf eine, deaf' ο b.ena:o gegebenen Arten, auf Yersclucelzunvstemperatur erhitzt, un die elektrischen Leitungen, mit isolierten Punkten des '^-ristalls zu verbinden, iie aus V¹Ig. 1 ersichtlich, wird dann ein Kügelcl:,en 12 aus keramischem Laterial oder Porzellan auf jeder Seite dvs Kristalls 10 angebracht, und zwar derart, dass dieses ,i-.ügelchen die elektrischen Leitungen um- {

hüllt. Las Lü^elclieii liartet dann aus und hält die Teile in einer bestimmten gegenseitigen Lage und verstärkt die ganze Vorrichtung. .. . .

•Jeraäss Fig. 2 ist der Kristall 10 aus oiliziurakarbid zwischen zv/ei isolierten elektrisclien. Leitungen 11 ein-

lZen, die auf. jeder Seite, des Kristalls von lien 12 eines kerariischeii -Zements gehalten vierden. Die landen 13 der elektrisclien -"eitungen sind der Atmosphäre ausgesetzt, Die anderen Enden der elektrischen X-eitun^ün führen in einen ,zv.'eil ext igen porzellan- · isolator 14, c.er ein Jeil eines ." iitorsucliuri^s erätes

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sein kann, von dem der Thermistor selbst wieder ein Teil ist.

IF¹Ur die Erfindung kommen die folgenden fünf Ar.ten von Siliziumkarbid-Kristallen in i'rage :

l) Reines Siliziumkarbid, womit theoretisch reines Siliziumkarbid verstanden sein soll. Dieses Material ist sehr widerstandsfähig und hat eine sehr hohe ^empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen. Der ,B-Wert ist 27600° K.

Der B-Wert ist die Messung der Widerstandsempfindlichkeit des Körpers gegenüber Temperaturänderungen in einem bestimmten Temperaturbereich, er wird errechnet aus der Pormel

2«, 303 10g E₁

B =

¹I -4

wobei R₁ der Widerstand in Ohm bei einer Temperatur T, ist, und R₂ der "fiderstand in Ohm bei einer Temperatur Tp, wobei T-. und Tp Kelvin-Iemperaturgrade sind. . .

2) Kompensiertes Siliziumkarbid. Hierunter wird verstanden ein Siliziumkarbid mit P- und ff-Unreinigkeiten in bestimmten Beträgen, und zwar in Spurenmengen von nur wenigen Teilen pro Million. Kompensiertes Siliziumkarbid hat eine Widerstandsfähigkeit von etwa 100 0hm=cm bis zu 10 0hm= cm bei Raumtemperatur, je nachdem wie das betreffende material kompensiert ist. Beispielsweise ist handelsübliches farbloses Siliziumkarbid ein kompensiertes iiaterial und hat einen B-Wert von etwa 2000° K. Farblose Kristalle erhält man durch Auswahl von handelsüblichem,grünen rohen Siliziumkarbid»

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3) Material der Iype P. Dieses Siliziumkarbid hat infolge positiver Ladungsträger eine elektrische leitfähig - , '' keit. Die positiven Ladungsträger ergeben sich aus der Abwesenheit von Elektronen (Löchern). Ein Halbleiter der P-Type enthält einen kleinen, aber sehr wirksamen Betrag einer dreiwertigen Unreinigkeit, wie beispielsweise Elemente der G-ruppe IIIA- des periodischen Systems. Dabei entsteht durch Bewegung der positiven elektrischen Ladungsträger eine Unreinigkeitshalbleitung. Hierzu gehören Bor, Aluminium und G-allium in Spurenmengen.

■

Handelsübliches schwarzes.Siliziumkarbid enthält Kristalle der P-Art, die gewöhnlich bei Raumtemperatur einen elektrischen ¥iderstand von etwa 0,1 bis 1 0hm=cm haben, je nach der konzentration der unreinigkeit.

Siliziumkarbidkristalle der P-Type mit einem Unreinigkeitsgrad, der .einen Widerstand von etwa IQ 0hm=cm ergibt, sind für '.thermistoren mit hoher Wattbelastung sehr brauchbar. Bei den Materialien der P-Type ergeben das Aluminium und das Bor B-Werte von etwa 2500 K.

4)· Material der-M-Type. Dies.Material ist ein Siliziumkarbid, bei dem die Bewegung der negativen Ladungs-.träger elektrische Leitfähigkeit ergibt. Der .Widerstand ist kleine und zwar etwa zwischen 0,01 bis 0,1 0hiu=em. Die Empfindlichkeit gegen· Temperaturänderungen ist gering. Das handelsübliche grüne Siliziumkarbid enthält Kristalle der I-Type, und die Anwesenheit von Stickstoff in Spuren beeinflusst die Eigenschaften der Η-Type, so dass der iötnrlert etwa 1250° K ist.

Auch Phosphor und Arsen in Spuren beeinflussen das ■ Material der B-Iype. Die benutzten Materialien der E-Iype enthalten also Stickstoff, Phosphor und Arsen, die Elemente der Gruppe VA. sind.

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I¹Ur sehr niedrige Temperaturanzeige]!, etwa im Bereich der Temperatur von flüssigem Sauerstoff, ist Siliziumkarbid der B'-Type für Thermistoren brauchbar. In dem genannten Temperaturbereich ist der kleine Widerstand und die Empfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen von Vorteil. Das Siliziumkarbid der P-Type und der N-Type haben von den fünf behandelten !materialien den geringsten Widerstand, und der Widerstand hängt ab von der Konzentration der Unreinigkeiten. Aber die gleichen Anteile an Unreinigkeiten beim Siliziumkarbid der

»als P-Type ergeben einen grösseren Widerstand/bei dem Siliziumkarbid der Η-Type.Ebenso ist die Temperatur-' empfindlichkeit hinsichtlich des \7ider stand es bei der P-Type grosser als bei der H-Type.

5) Bor in fester Lösung mit Siliziumkarbid. Dieses Ma-■terial unterscheidet sich von dem Siliziumkarbid der P-Type. Das Bor enthaltende Siliziumkarbid der P-Type hat geringen Widerstand. Der Borgehalt beträgt unter 0,015έ. Aber Bor in fester lösung im Siliziumkarbid, bei einem Borgehalt über 15ε, ergibt einen höheren Widerstand wegen der Zerstörung des Siliziumkarbid-Gritter s.

Die Kristalle von Siliziumkarbid mit Bor in fester Lösung sind anders als die gewöhnlichen Siliziumkarbidkristalle. Die Kristalle haben ein fischschuppenähnliches Aussehen, während die Siliziumkarbidkristalle hexagonale Kristallflächen haben. Bei der Röntgenuntersuchung von Siliziumkarbidkristallen mit Bor in • fester Lösung schichten sich die Breehungslinien» Daraus geht hervor, dass das Kristallgitter des normalen Siliziumkarbids zerstört ist, und dass sich die Zwischenräume zwischen den einzelnen Atomen geändert haben» :

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Die Kristalle aus Siliziumkarbid mit Bor in fester .Lösung können auf zwei Arten gebildet werden. Einmal wird Siliziumkarbid in Anwesenheit von Bor rekristallisiert, oder es werden die kristalle direkt aus einer Mischung gebildet, die siliziumkarbidbildende Bestandteile hat, und zwar SiO₂ und -Johleiistoff, sowie den gewünschten Anteil "von Bor. Thermistoren aus Siliziumkarbid mit Bor in fester Losung haben B-Werte im Bereich von 1200° K bis etwa 1800° K. ■

Thermistoren aus Siliziumkarbid mit Bor in fester Lösung haben den, Vorteil, dass die elektrischen Eigenschaften sich bei kleinen Änderungen des Borgehaltes nicht wesentlich ändern. ¥ird beispielsweise 1 bis lOfo Bor der Mischung zugesetzt, vor Bildung der Kristalle durch .Rekristallisation, dann differieren die sich ergebenden Kristalle bei Bäumtemperatur hinsichtlich ihres Widerstandes nur sehr wenig. Durch die Zufügung von Bor ergibt sich ein Bcrgehalt von etwa 1 bis 3 Gewichtsprozent.

Beispiel I

Ein Paar elektrische Leitungen aus V/olfram mit ungefähr 0,125 mm Durchmesser wurden mit ihren Enden durch Punktvers chweis sung an die Enden von Hickelleitungen mit grösserem Durchmesser befestigt, und dazwischen wurde ein Kristall von kompensiertem Siliziumkarbid von etwa -

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0,7$^-.und einer Dicke von 0,25 ium angeordnet, wobei die grösseren Oberflächen des Kristalls die elektrischen Leitungen berührten.

Dann liess man einen Wechselstrom von 2,5 Amp. und 6-8 ToIt durch die Leitungen, bis'idiese ungefähr eine Temperatur von 1950° C hatten, und diese Temperatur wurde etwa 5 Sekunden beibehalten, um die Leitungen mit dem Kristall zu verschweissen. Dann liess man die Vorrichtung abkühlen, und an die elektrischen Leitungen, in der Eähe

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des Kris-tails, wurden Kügelchen eines keramischen Zements angebracht zwecks Verstärkung des Ganzen.

Der so hergestellte Thermistor hatte einen B-Wert von I860⁰ K."

Beispiel II

Bin Paar elektrische Leitungen aus Wolfram mit einem Durchmesser von etwa 0,125 mm wurden an ihren Enden durch Punktverschweissung mit den Enden von Ixekelleitungen mit grösserem Durchmesser verbunden, und es wurde ein * Kristall mit den gleichen Abmessungen wie in I aus Siliziumkarbid in fester Lösung mit Bor dazwischen angebracht, wobei die grösseren Oberflächen in .Berührung mit dem Kristall waren. Der Anteil des Bors betrug etwa drei Gewichtsprozent. Der Kristall wurde durch Jf'ederwirkung •der elektrischen Leitungen festgehalten.

Dann wurden die Leitungen mi-t Wechselstrom von 2,5 Amp. und 6 bis 8 Volt auf etwa 1950° G erhitzt, und diese Hitze wurde etwa 5 Sekunden lang beibehalten, um die Leitungen mit dem Kristall zu verschweissen. Dann wurde das Ganze abgekühlt, und es wurden in der Iahe des Kristalls an den κ Leitungen Kügelchen eines keramischen Zements angebracht, um die Festigkeit des Ganzen zu erhöhen. -

Der Thermistor hatte einen 3-Wert von 1500° K.

Der Betrag der Elemente der Gruppe IIIA - VA in den Siliziumkarbidkristallen kann erfxndungsgemäss bis zu des Gewichts des Kristalls betragen.

Püf die Erfindung werden elektrische Leitungen ganz bestimmter Materialien verwendet. Am besten sind Leitungen

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aus im wesentlichen reinem Wolfram und aus reinem, Tantale Es können a "ber auch Wolf ram- Tantal-Legierungen verwendet werden, gegebenenfalls mit anderen Legierungsmetallen.
Hhenium, Molybdän und Iridium sind auch brauchbar, ebenso Bisen, Kobalt, Mickel, Ehodium und Platin. Werden jedoch die letztgenannten Metalle benutzt, dann muss in den
Zwischenraum etwas freies Silizium hinzugefügt werden,
weil sich sonat zwischen dem Metall und dem Kristall eine Graphitsehicht bildet, die die Bindung schwächt.

Zwecks Bildung eines Thermistors können.;·· die elektrischen _Λ

Leitungen an den gegenüberliegenden,-!lachen des Kristalls angebracht werden. Aber die Leitungen können auch an den gegenüberliegenden Kanten des Kristalls oder an isolierten Stellen auf einer Hache.des Kristalls angebracht werden. Bei der Zusammensetzung des Thermistors wird der Kristall vorzugsweise durch iTederwirkung der elektrischen Leitungen gehalten, so dass keine besondere Tragkonstruktion vorhanden ist, 'die ien Thermistor verunreinigen könnte.

Pat entansprüche

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Claims

1) Thermistor, dadurch, gekennzeichnet, dass er aus einem einzigen Kristall aus reinem Siliziumkarbid besteht, oder aus einem Siliziumkarbid, das mit einem Element, der Gruppe IIIA und VA modifiziert ist, und dass die' elektrischen leitungen nur durch Verschmelzung mit isolierten Punkten des Kristalls verbunden sind.

2) Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen leitungen im wesentlichen aus reinem Wolfram bestehen.

3) Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die .elektrischen leitungen aus einer Wolfram-Tantal-Legierung bestehen.

4) Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:^ dass die elektrischen Leitungen aus im wesentlichen reinem Tantal bestehen.

5) Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristall aus Siliziumkarbid mit Bor in fester Lösung besteht, wobei der Anteil an Bor etwa 1$ bis etwa 5$ des Gewichtes des Siliziumkarbids beträgt.

6) Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall aus· farblosem Siliziumkarbid besteht und

eine Grosse hat von. etwa .0,75 μ χ 0,25 mm Diokeyund dass mit isolierten Stellen des Kristalls elektrische '■ Leitungen aus Wolfram mit einem Durchmesser von etwa " 0,075 mm ausschliesslioh durch Verschmelzung verbunden. sind.

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7) 'Thermistor nach. .Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Stellen des Kristalls auf dessen grösseren Flächen liegen.

8) Thermistor nach -Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet,

dass der Int eil an Bor etwa 3 Gewichtsprozent "beträgt,

2 und die- G-rösse des Kristalls etwa 0,75 mm χ 0,25 mm Dicke ist, und dass die "beiden elektrischen Leitungen aus Wolfram "bestehen, einen Durchmesser von 0,075 mm haben und ausschliesslich durch Verschmelzung mit

isolierten Stellen des Kristalls, verbunden sind. "

9) Thermistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,' dass die isolierten Stellen an den gegenüberliegenden grösseren Flächen des Kristalls liegen.

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