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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung,
die nach Umwandlung in ihren leitenden Zustand aufgrund eines Spannungstoßes einschließlich Funkenentladung
in einer sehr kurzen Zeit in ihren nicht leitenden Zustand zurückkehrt,
und deren Herstellungsverfahren.
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Verwandte Hintergrundtechnik
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Eine Überspannungsschutzvorrichtung
einschließlich
einer Sperrung ist eine sehr wichtige Vorrichtung zum Schutz vielfältiger elektronischer
Geräte
vor einem Spannungsstoß einschließlich Funkenentladung.
Die Überspannungsschutzvorrichtung
ist ein allgemeiner Name von Gerätschaften,
die verwendet werden, um andere elektronische Geräte vor übermäßiger Spannung,
d.h. Spannungsstößen, zu schützen. Ein
Sperrer wird verwendet, um andere elektronische Geräte vor Funkenentladung
zu schützen,
d. h. vor extrem hohen Spannungen und großen Strömen. Der Sperrer ist eine der Überspannungsschutzvorrichtungen.
Der Ausdruck „Schutzvorrichtung" wird hier verwendet,
um Gerätschaften
zu bezeichnen, die dazu verwendet werden, um andere elektronische
Geräte
von übermäßigen Spannungen oder übermäßigen Strömen zu schützen. Die übermäßige Spannung
ist jedoch nicht nur auf äußerst hohe
Spannungen wie etwa Funkenentladungen eingeschränkt, sondern schließt geringe
Spannungen mit ein, wenn sie im Übermaß bezüglich einer
bestimmten Spannung vorliegt.
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Eine
Sperrung vom Glasrohrtyp ist herkömmlich verwendet worden. Sie
enthält
ein bestimmtes Gas zwischen zwei Elektroden in einem Glasrohr. Sie
ist nicht leitend, solange kein Spannungsstoß induziert wird. Wenn ein
Spannungsstoß oder
eine Funkenentladung induziert werden, beginnt eine Entladung und
das Gas zwischen den Elektroden ändert
sich und wird leitend. Strom gelangt durch die Sperrung, und wird
auf Erdung abgeleitet. Die Entladung hält nicht unmittelbar nach dem Nachlassen
des Spannungsstoßes
an. Die Sperrung kann bei anderen elektronischen Geräten nicht
vor kontinuierlichen Strömen
oder nächsten
Angriffen durch Stromstöße oder
Funkenentladungen schützen.
Es gab ernsthafte Probleme bei den benutzten Schutzvorrichtungen
vom Typ eines Glasrohrs und weiteren Typen. Eines der Probleme liegt
darin, daß eine
Schutzvorrichtung von ihrem Widerstandszustand in einen leitenden
Zustand in einer sehr kurzen Zeit wie etwa 0.03 μsec, ändern muß, wenn sie von einem Spannungsstoß angegriffen
wird. Ein weiteres Problem liegt darin, daß die Schutzvorrichtung von dem
leitenden Zustand zu dem originalen Widerstandszustand zurückkehren
sollte, wenn der Spannungsstoß vorbei
ist.
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Zur
Lösung
dieser Probleme wurde im Stand der Technik ein verbesserter Sperrer
vorgeschlagen (
Japanische
Patentveröffentlichung
Nr. 118361/1995 , „Molybdenum
Arrester" von Seita
Omori). Dieses verwendet eine Mehrzahl von Molybdänstangen,
deren Oberfläche
oxidiert war. Dieser Sperrer wird hier als „Molybdänsperrer" bezeichnet.
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Der
Molybdänsperrer
führt Strom
auf Erdung, wenn ein Spannungsstoß oder eine Funkenentladung
induziert wird. Der Molydänsperrer
ist sehr nützlich
und wirtschaftlicherweise effizient, da er die Änderung zwischen dem leitenden
Zustand und dem nicht leitenden Zustand automatisch wiederholt.
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Es
ist möglich,
andere Metalle als Molybdän in
der Schutzvorrichtung zu verwenden, die nach dem gleichen Prinzip
wie der Molybdänsperrer
arbeitet. Tantal, Chrom und Aluminium sind in derartigen Metallen
eingeschlossen.
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Es
besteht ein ernsthaftes Problem bei der verbesserten Schutzvorrichtung
von Omori, das in der Tatsache resultiert, daß die Schutzvorrichtung ein einfaches
Aufstapeln von einer Mehrzahl von Stangen verwendet, die widerstandsfähige Filme
auf ihren Oberflächen
haben.
1 zeigt schematisch den Sperrer (
10)
des Stands der Technik, der der von Omori (
Japanische Patentveröffentlichung Nr. 118361/1995 „Molybdenum
Arrester") vorgeschlagene
Molybdänsperrer
genannt wird.
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Der
Sperrer (10) enthält
zwei Molybdänstangen
(11), die hochohmige Oxidfilme (12) auf ihren Oberflächen aufweisen,
und Elektroden (13). Der Sperrer (10) verwendet
das Zusammenbruchs (breakdown) Phänomen an dem Übergang
zwischen den hochohmigen Filmen (12). Eine breakdown-Spannung
hängt in
großem
Maße von
der mikroskopischen Struktur des Übergangs ab. Das heißt, wie
in 2 gezeigt ist, kommen die hochohmigen Filme (12)
an den zwei Molybdänstangen
einander mikroskopisch gesehen Punkt für Punkt in Kontakt, obwohl
es den Anschein hat, daß sie
Linie für
Linie oder Fläche
für Fläche makroskopisch
in Kontakt sind.
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Es
gibt eine Luftschicht (21) mit einer Dicke von wenigstens
einigen Atomgrößen zwischen
den hochohmigen Filmen auf den zwei Molybdänstangen. Der breakdown geschieht
in dieser Luftschicht. Daher ist eine Spannungsoszillation wie in 4 mit einem
Oszilloskop beobachtet, wenn eine direkte Spannung auf die wie in 1 gezeigte
Sperrung aufgebracht wird, die von Omori vorgeschlagen wurde, und
zwar durch einen in 3 gezeigten Kreis (30).
Der Kreis (30) in 3 umfaßt eine
Spannungsquelle (31), eine Probe (32), Widerstände (33, 34), ein
Oszilloskop (35), und einen Amperameter (36).
In ähnlicher
Weise wird ein sehr scharfer Strompuls beobachtet, wenn eine Wechselspannung
auf die Omorische Sperrung aufgebracht wird. Diese Phänomene bedeuten,
daß die
Omorische Spannung nicht für praktische
Zwecke verwendbar ist. Es liegen keine Berichte über Testungen von Omorissperrungen
wie oben beschrieben vor, weder von Omori, noch von anderen. Die
oben beschriebene Tatsache bedeutet, daß es unmöglich ist, eine praktisch nützliche
Sperrung zu realisieren, soweit sie aus einfach aufgehäuften Molybdänstangen
zusammengesetzt ist. Mit anderen Worten ist es unmöglich, eine
praktisch nutzbare Überspannungsschutzvorrichtung
zu realisieren, solange sie breakdown Phänome in einer Luftschicht zwischen
zwei Oberflächen
verwendet.
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Es
ist daher erwünscht,
eine Überspannungsschutzvorrichtung
bereitzustellen, die nicht das breakdown Phänomen in einer Luftschicht
zwischen zwei Oberflächen
verwendet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nach
einem Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch
1 eine neue und einzigartige Überspannungsschutzvorrichtung
bereit. Diese Überspannungsschutzvorrichtung
umfaßt
im wesentlichen: eine Mehrzahl von Metallstäben, welche zu einem einzelnen
Körper
durch einen nicht unterbrochenen hochohmigen Film aus Halbleiterkristall
verbunden sind, so daß kein
Spalt zwischen benachbarten Metallstäben vorhanden ist; und Elektroden,
welche an den Endelementen der Metallstäbe, welche den einzelnen Körper bilden,
ausgebildet sind. So ist die Überspannungsschutzvorrichtung
der vorliegenden Erfindung derart hergestellt, daß keine Luftlücke zwischen
benachbarten der Metallstäbe besteht.
Als Ergebnis kann die Schutzvorrichtung der vorliegenden Erfindung
in einer solchen Weise betätigt
werden, daß die Überspannungsschutzvorrichtung
von einem nicht leitenden Zustand zu einem leitenden Zustand aufgrund
eines Zusammenbrechens der dem Halbleiterkristall zugeordneten Entleerungsregion ändern, wenn
die Spannung zwischen den Elektroden aufgrund eines Spannungsstoßes einen Schwellenwert überschreitet.
Das Arbeitsprinzip der vorliegenden Erfindung ist fundamental unterschiedlich
von demjenigen der Überspannungsschutzvorrichtung
bekannter Technik wie von Omori vorgeschlagen, bei dem die Schutzvorrichtung
arbeitet, von einem nicht leitenden Zustand zu einem leitenden Zustand
zu ändern,
basiert auf einer Entladung in einer Luftlücke zwischen mehreren Stangen.
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Bei
der Überspannungsschutzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise Molybdän als Hauptkomponente des Metallstabs
verwendet. Es ist aber ebenfalls möglich, Tantal, Chrom oder Aluminium
als die Hauptkomponente des Metallstabs zu verwenden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch
4 ein neues und einzigartiges Verfahren zur Herstellung der (wie oben
angegebenen) Überspannungsschutzvorrichtung
bereitgestellt. Dieses neue und einzigartige Herstellungsverfahren
der vorliegenden Erfindung umfaßt
im wesentlichen zwei spezielle Verfahrensschritte (d. h., erste
und zweite Oxidationsschritte). Bei dem ersten Oxidationsschritt
wird eine Mehrzahl von Metallstäben
oxidiert, so daß benachbarte
der Metallstäbe
miteinander kombiniert werden. Bei dem ersten Oxidationsschritt
werden die Mehrzahl von Metallstäben
zuerst in Kontakt miteinander gebracht, und dann werden diese Metallstäbe zu einem
einzelnen Körper
ohne jeglichen Spalt zwischen benachbarten Stäben gefertigt. Bei dem zweiten
Oxidationsschritt wird der einzelne, aus der Mehrzahl von Metallstäben zusammengesetzte
Körper
wiederum oxidiert, um einen hochohmigen Halbleiterfilm auf der gesamten
Oberfläche
des einzelnen Körpers
zu bilden. Und, in einem finalen Schritt werden Elektroden an den
Endmetallstäben
an entgegengesetzten Seiten des einzelnen Körpers gebildet. Die Anzahl
der Metallstäbe
in dem einzelnen Korbkörper
wird geeignet im Einklang mit dem Gebrauch der Überspannungsschutzvorrichtung
gewählt.
Gewöhnlich
beträgt die
Anzahl der Metallstäbe
2-4. In einigen Anwendungen ist es ebenfalls möglich, eine Mehrzahl von einzelnen
Körpern
zu verwenden, die elektrisch in Reihe verbunden sind.
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Wie
oben erwähnt,
ist ein bevorzugtes Metall für
den Metallstab Molybdän,
obwohl weitere Metalle wie etwa Tantal, Chrom und Aluminium verwendet werden
können.
In dem Fall, daß Molybdänstäbe in der Überspannungsschutzvorrichtung
verwendet werden, kehrt sie schnell von dem leitenden Zustand zu
dem originalen nicht leitenden Zustand in dem Moment zurück, bei
dem die Stoßspannung
(oder Funkenentladung) nachläßt, nachdem
die Vorrichtung einmal aufgrund des Spannungsstoßes in den leitenden Zustand
geändert worden
ist. Dies wird selbst dann verursacht, wenn der Molybdänoxidfilm
durch einen großen
Strom gebrochen ist, da Molybdän schnell
oxidiert, wenn es einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt ist. Die Überspannungsschutzvorrichtung
arbeitet so, um automatisch den Übergang zwischen
zwei Zuständen,
d. h. den nicht leitenden Zustand und dem leitenden Zustand) zu
wiederholen, in dem Fall, daß Molybdän verwendet
wird. Zusätzlich
kann eine Übergangsspannung
(eine Schwellenspannung), bei der die Überspannungsschutzvorrichtung
von dem nicht leitenden Zustand zu dem leitenden Zustand geändert wird,
in genauer Weise für
die neue Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung gesteuert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Überspannungsschutzvorrichtung
bekannter Technik, die zwei zylindrische Molybdänstäbe mit hochohmigen Filmen umfaßt, welche
gebildet wurden, indem jeder Stab vor dem Anhäufen getrennt oxidiert wurde.
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2 ist
eine schematische Ansicht des Zwischenraums zwischen den zwei Molybdänstäben mit oxidierten
Filmen auf ihrer Oberfläche.
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3 zeigt
schematisch einen Schaltkreis, der verwendet wurde, um die Überspannungsschutzvorrichtung
bekannter Technik zu testen.
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4 zeigt
beobachtete Stromoszillationen, wenn eine direkte Spannung auf die Überspannungsschutzvorrichtung
der bekannten Technik aufgebracht wird.
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5 ist
eine schematische Ansicht mehrerer Metallstäbe und eines Haltes, der verwendet
wird, um die Stäbe
zu oxidieren, wobei sie in Kontakt gehalten werden.
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6 ist
eine schematische Ansicht des Hauptelements der Überspannungsschutzvorrichtung,
das durch Oxidieren von mehreren Metallstäben gebildet wurde, wobei diese
in Kontakt gehalten wurden.
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7 ist
eine schematische Ansicht der Platte, auf dem das Hauptelement befestigt
ist.
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8 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die gebildet ist, indem
die Platte mit dem Hauptelement in das Gehäuse gesetzt ist, und indem Elektroden
und Elektrodenterminals an dem Hauptelement gebildet sind.
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9 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, nachdem ein Deckel auf das
Gehäuse
gesetzt wurde.
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10 ist eine schematische Querschnittsansicht
der Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, nachdem das Hauptelement, Oxidationsmittel und
Feuerwiderstandsmittel in das Gehäuse gesetzt wurden.
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11 ist
eine schematische Ansicht der Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Detail mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen hiernach erläutert.
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Bei
den folgenden Ausführungsformen
wurden zylindrische Molybdänstäbe verwendet.
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Bei
der ersten Ausführungsform
wurden vier Molybdänstäbe, deren
Durchmesser 2 mm und deren Länge
7 mm betrug, dazu verwendet, ein Hauptelement der Schutzvorrichtung
herzustellen.
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Bei
dem ersten Schritt wurden Molybdänstäbe mit Aceton
und dann mit Methylalkohol gespült. Danach
wurden diese mit hochreinem Wasser gespült und dann getrocknet.
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Bei
dem zweiten Schritt wurden die vier Molybdänstäbe oxidiert, um die Stäbe zu einem
einzelnen Körper
zu fertigen. Die Molybdänstäbe (101) wurden
auf einen Halter (100) gesetzt, wie in 5 gezeigt
ist. Die obere Fläche
des Halters (100) weist eine Schräge auf, so daß die Molybdänstäbe (101)
in dem Kontakt festgesetzt sind. Es wird bevorzugt, daß der Halter
aus einem hochreinen Quarz hergestellt ist. Der Halter mit den Molybdänstäben auf
seiner oberen Fläche
wurde in eine Ausrüstung
zur Oxidation gesetzt. In 5 ist der
Halter (100) gezeigt, wie er zwei Sätze der Molybdänstäbe (101)
an seiner oberen Fläche
hat. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß der Halter (100)
für mehrere
Sätze ausgelegt sein
kann.
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Die
erste Oxidation zur Fertigung der vier Molybdänstäbe in einen einzelnen Körper wurde
bei diesen Ausführungsformen
durchgeführt,
indem die Stäbe
bei 650°C
für 30
Minuten in einer Atmosphäre von
hochreinem Sauerstoff aufgeheizt wurden. Dies ist jedoch nur ein
bevorzugtes Beispiel, und es kann im Einklang mit verschiedenen
Verwendungsbestimmungen geändert
werden. Die Atmosphäre
kann ebenfalls geändert
sein. Zum Beispiel kann hochreiner Sauerstoff einschließlich hochreinen
Dampfes verwendet werden.
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Während die
erste Oxidation durchgeführt wurde,
um die vier Molybdänstangen
in einem einzelnen Körper
herzustellen, wurde ein dünner
hochohmiger Film auf der gesamten Fläche des aus den Stäben zusammengesetzten
Körpers
gebildet.
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Bei
dem dritten Schritt wurde die zweite Oxidation durchgeführt, um
zu bewirken, daß der
dünne hochohmige
Film auf der gesamten Fläche
des Körpers
dicker wird. Bei dieser Ausführungsform
wurde die Oxidation bei 550°C
für 5,5
Stunden durchgeführt.
Diese Bedingungen sollten gemäß den besonderen
Verwendungsbestimmungen geändert
werden. Der Körper
wurde in der Oxidationsausrüstung gehalten,
während
die erste Oxidation und die zweite Oxidation ausgeführt wurden.
Die Atmosphäre
in der Ausrüstung
wurde von Sauerstoff zu hochreinem Stickstoff geändert, nach der ersten Oxidation
und bis zu einer Temperatur in der Ausrüstung, die 550°C erreicht.
Die zweite Oxidation wurde ebenfalls unter hochreinem Sauerstoff
durchgeführt.
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6 zeigt
schematisch das Hauptelement (200), d. h. den aus den vier
Molybdänstäben (101) nach
der Vollendung der zweiten Oxidation zusammengesetzten Körper. In 6 ist
ein hochohmiger Film (201) auf der gesamten Fläche und
Bereichen an den Zwischenräumen
zwischen den Molybdänstäben gebildet.
Der Film (201) ist aus Molybdänoxid hergestellt, und besteht
durchgehend auf der gesamten Oberfläche und an den Zwischenräumen. Das heißt, es gibt
keinen Spalt zwischen den Molybdänstäben und
in dem Film. Während
eine Dicke des durch die Oxidation bei 550° für 5,5 Stunden gebildeten Films
tatsächlich
etwa 20 μm
beträgt,
ist die Dicke in 6 zur klareren Darstellung übertrieben
dargestellt.
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Bei
dem vierten Schritt wurde das aus vier Molybdänstäben zusammengesetzte Hauptelement (200)
mit einem Kleister (302) auf einer Platte (301) befestigt,
wie in 7 gezeigt ist, um das Hauptelement mechanisch
stabil zu machen. Die Platte (301) kann aus jeglichem Material
hergestellt sein, die elektrischen Widerstand aufweist und wärmeresistent
ist. Der Kleister (302) kann ebenfalls aus jedem Material hergestellt
sein, der elektrischen Widerstand aufweist. Es wird bevorzugt, einen
Kleister zu verwenden, der bei Erhärtung nicht schrumpft. Es wird
ebenfalls bevorzugt daß nur
der Bodenbereich des Hauptelements (200) mit dem Kleister
befestigt ist, so daß der
Kleister (302) die Bildung von Elektroden in dem nächsten Schritt
nicht behindert, und daß ein
Oxidationsmittel das Hauptelement in so vielen Abschnitten wie möglich kontaktiert,
wenn das Hauptelement und das Oxidationsmittel in ein Gehäuse gesetzt
werden.
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Bei
dem fünften
Schritt wird die Platte (301), auf der das Hauptelement
(200) befestigt worden ist, in dem Gehäuse (400) wie in 8 gebunden.
Dann wurden Elektroden (401) an den zwei Endteilen der Molybdänstäben des
Hauptelements (200) gebildet. Die Elektroden (401)
wurden auf den Endteilen mit Lötmetall
aus Indium festgeklemmt. Diese Elektroden können mit anderen Materialien
wie etwa elektrisch leitenden Kleistern festgemacht werden. Es wird
jedoch bevorzugt, daß kein
Verfahren bei hohen Temperaturen zur Bildung der Elektroden (401)
erforderlich ist. Bei dieser Ausführungsform wurden die Elektroden
(401) gebildet, indem zwei Elektrodenterminals (402)
mit Lötmetall
aus Indium an den am weitesten zentralen Teilen der Molybdänstäbe aufgesteckt
wurden. Die Elektrodenterminals wurden aus dünnen Platten aus Messing hergestellt.
Die Elektrodenterminals (402) hatten eine derartige Länge, daß sie sich
bis außerhalb
des Gehäuses
(400) erstrecken und sie mit Einrichtungen außerhalb
des Gehäuses
(400) elektrisch verbunden sind. Die Elektrodenterminals
(402) können
aus anderen elektrisch leitenden Materialien wie etwa Kupfer hergestellt werden.
Das Gehäuse
(400) wurde in dieser Ausführungsform aus wärmebeständigen Plastiken
hergestellt. Es kann jedoch aus anderen Materialien wie etwa Keramiken
hergestellt werden, solange diese elektrisch isolierend und wärmeresistent
sind.
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Im
sechsten Schritt wurde eine Mischung (501), die aus einem
Oxidationsmittel und einem feuerbeständigen Mittel zusammengesetzt
ist, in das Gehäuse
(400) eingeführt,
in dem das Hauptelement (200) befestigt worden ist, und
ein Deckel (502) für das
Gehäuse
(400) wurde mit Kleister wie in 9 gezeigt
befestigt. Dann wurde das Gehäuse
(400) in ein Vakuumgefäß gesetzt,
und das Innere des Gehäuses
wurde durch ein in dem Deckel (502) gebildetes Loch (503)
unter Unterdruck gesetzt. Kleister wurde um das Loch (503)
angeordnet. Nachdem der Druck innerhalb des Gehäuses (400) 133, 32
10–3 Pa (10–3 Torr)
erreicht wurde, wurde das Gehäuse
(400) abgedichtet, indem der Kleister (504) erwärmt wurde, um
ihn zu schmelzen und das Loch zu schließen. Durch das Abdichten des
Gehäuses
wurde die Überspannungsschutzvorrichtung
(600) gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung fertiggestellt. Querschnittsansichten
der fertiggestellten Überspannungsschutzvorrichtung
(500) sind schematisch in den 10(a) und 10(b) gezeigt. Die in 10(a) gezeigte
Querschnittsansicht ist ein entlang der Linie A- A' in 9 genommener
Schnitt, und die in 10(b) gezeigte
ist entlang der Linie B-B' genommen.
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Die
fertiggestellte Überspannungsschutzvorrichtung
(600) änderte
von einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand durch
Anwendung eines Stoßes
von 4000 V. Dies bedeutet, daß die Überspannungsschutzvorrichtung
(600) in genügender
Weise als eine Überspannungsschutzvorrichtung dient.
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Wenn
die Mischung (501), die durch Mischen von Caliumchlorat
als ein Oxidationsmittel und Silica als ein feuerbeständiges Mittel
in einem Gewichtsverhältnis
von 1:3 erhalten wurde, in das Gehäuse (400) mit dem
Hauptelement (200) eingefüllt wurde, wurde die Überspannungsschutzvorrichtung
(600) wiederhergesellt, selbst wenn ein Impuls von 4500
V aufgebracht wurde, und ein Strom von 300 A floss.
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Obwohl
der hochohmige Film auf den Molybdänstäben aus einem durch Oxidation
von Molybdän gebildeten
Halbleiterkristall hergestellt wurde, kann der Halbleiterkristall
durch andere Verfahren wie etwa Wachstum durch Aufdampfen, Sputtering
und Vakuumverdampfen hergestellt werden.
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11 zeigt
schematisch die Überspannungsschutzvorrichtung
(1000) gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Hauptelemente (1200, 1201)
elektrisch miteinander verbunden. Jedes Element war das gleiche
wie das Hauptelement der ersten Ausführungsform, und es war aus
vier Molybdänstäben zusammengesetzt.
Eine Verbindungselektrode (1001) wurde zwischen den zwei
Hauptelementen (1200, 1201) angeordnet, um die
Elemente elektrisch in Reihe zu schalten. An der bezüglich der Verbindungselektrode
(1001) entgegengesetzten Seite des ersten Hauptelements
(1200) wurde ein Elektrodenterminal (1002) gebildet,
welches sich bis zum Außenraum
des Gehäuses
(1400) erstreckt. Das Elektrodenterminal (1002)
wurde durch die wie oben betreffend die erste Ausführungsform
erläuterte Verfahren
gebildet. An der bezüglich
der Verbindungselektrode (1001) entgegengesetzten Seite
des zweiten Hauptelements (1201) wurde ein Elektrodenterminal
(1003) gebildet, welches sich zur Außenseite des Gehäuses (1400)
erstreckt. Die zwei Hauptelemente (1200, 1201)
und die Verbindungselektrode (1001) wurden jeweils miteinander
unter Verwendung von elektrisch leitendem Kleister verbunden. Die
Hauptelemente (1200, 1201) wurden durch das gleiche
Verfahren wie oben betreffend die erste Ausführungsform beschrieben befestigt.
Ein Oxidationsmittel und ein feuerbeständiges Mittel wurden in das Gehäuse (1400) ähnlich wie bei
der ersten Ausführungsform
eingeführt.
Das Gehäuse
(1400) wurde durch das gleiche Verfahren abgedichtet, wie
durch das betreffend die erste Ausführungsform gezeigte.
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Die Überspannungsschutzvorrichtung (1000)
gemäß der zweiten
Ausführungsform änderte von
einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand durch Anwendung
eines Impulses von 8000 V und ihre Funktion bestand selbst bei einem
Impuls von 9000 V und einem Stromfluss von 600 A.
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Die Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der ersten
und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigte nicht die Spannungs- oder Stromoszillationen
wenn eine Gleichspannung aufgebracht wurde, welche die von Omori
vorgeschlagene Molybdänsperrung
zeigte. Diese Tatsache bedeutet, daß es keine Luftlücke in keinem
Teil des Stromwegs für
die Überspannungsschutzvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt.
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Die Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der ersten
und zweiten Ausführungsform
hatte eine Fehlercharakteristik innerhalb von ± 2%, wenn diese unter den
gleichen Bedingungen für
jeden Fall hergestellt wurden. Andererseits hatten die Charakteristiken
der von Omori vorgeschlagenen Sperrung, die praktisch unter den
gleichen Bedingungen hergestellt wurden, eine Ungleichmäßigkeit
von bis zu ± 20%.
Ein Grund dafür
liegt darin, daß die
Zwischenraumstruktur zwischen den Molybdänstäben nicht auf atomarer Größenordnung
kontrolliert werden kann, da die Sperrung von Omori eine Struktur
aufweist, bei der die Mehrzahl von Molybdänstäben einfach aneinandergelegt
sind. Ein weiterer Grundliegt darin, daß die auf den Zwischenraum
zwischen den Molybdänstaben
aufgebrachte Kraft nicht steuerbar ist, ebenfalls weil die Molybdänstäbe einfach
aneinandergelegt sind. Sowohl die atomare Struktur des Zwischenraums
als auch die auf den Zwischenraum aufgebrachte Kraft hat Wirkungen
auf die elektrischen Eigenschaften, einschließlich des Zusammenbruchs. Die Überspannungsschutzvorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung haben keine Probleme wie etwa Stromoszillation und Nichtgleichförmigkeit
von Charakteristiken verursacht, weil diese keine Unterbrechung
in dem Stromweg aufwiesen.
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Das
Funktionsprinzip, nach dem die Schutzvorrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung arbeiten, wird wie folgt betrachtet. Die Schaltfunktion von
einem nicht leitenden Zustand zu einem leitenden Zustand geschieht,
da ein Zusammenbruch in der Verarmungsregion des Halbleiterkristalls
in dem Molybdänoxidfilm
auf der Oberfläche
der Molybdänstäbe und in
den Bereichen zwischen den Stäben
geschieht, wenn ein elektrisches Feld oberhalb einer Schwelle induziert
wird. Andererseits ändert
die von Omori vorgeschlagene Sperrung ihren Zustand von einem nicht
leitenden zu einem leitenden Zustand aufgrund von Entladungen in
der Luftlücke
zwischen den Molybdänstäben, wenn
ein elektrisches Feld eine Schwelle erreicht. Dies ist klar in der
Patentanmeldung von Omori beschrieben, daß die Schaltfunktion auf Entladung
basiert. Entladung ist nicht der Grund für die Schaltfunktion in dem
Fall der Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das heißt,
das Prinzip der Schaltfunktion der Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist fundamental unterschiedlich von der Schaltfunktion
der Omorischen Sperrung.
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Es
ist möglich,
daß ein
Teil des Stromwegs aufgrund von Hitze unterbrochen wir, wenn eine
aufgebrachte Spannung groß ist
und ein Stromfluß groß ist, wenn
die Schutzvorrichtung ihren Zustand von einem nicht leitenden zu
einem leitenden ändert.
In einem solchen Fall wird die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung schnell wieder hergestellt, da das Molybdän in einer
oxidierenden Umgebung schnell oxidiert. Dies ist ähnlich wie
bei der von Omori vorgeschlagenen Sperrung.
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Die Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist nicht die folgenden Probleme der von Omori vorgeschlagenen Sperrung
auf:
- 1) Schlechte Eigenschaften wie Stromoszillation
- 2) Schlechte Steuerbarkeit, und
- 3) Schlechte Reproduzierbarkeit bei Herstellung.
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Das
Prinzip der Schaltfunktion von einem nicht leitenden Zustand in
einen leitenden Zustand der Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung basiert auf einem Zusammenbruch in der Verarmungsregion
des Halbleiterkristalls. Es ist vollständig unterschiedlich von der von
Omori vorgeschlagenen Sperrung, bei der die Schaltunktion auf einer
Luftentladung beruht.