AT208937B

AT208937B - Schaltelement und Schaltungen zum Betriebe desselben

Info

Publication number: AT208937B
Application number: AT494358A
Authority: AT
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1957-07-15
Filing date: 1958-07-12
Publication date: 1960-05-10

Description

Schaltelement und Schaltungen zum Betriebe desselben
Die Erfindung betrifft ein Schaltelement, das für Anwendung in elektrischen Schaltungen, insbesondere denjenigen, in denen Gleichrichtung von Wechselstrom während längerer oder kurzerer Zeit erwünscht ist, viele Vorteile bietet. Sie betrifft weiterhin Verfahren zum Benutzen dieses Schaltelementes, als auch Anwendungen dieses Schaltelementes in elektrischen Schaltungen.

Es sind Vorrichtungen mit asymmetrischer Leitfähigkeit bekannt, z. B. die halbleitenden Vorrichtungen, wie Kristalldioden, Transistoren u. dgl., in denen durch Anwendung eines Halbleitkörpers mit p-n-Übergang eine Gleichrichterwirkung erzielt wird. Nach ihrem Aufbau sind diese Vorrichtungen jedoch dauernd gleichrichtend, u. zw. in einer durch ihren Aufbau bedingten Richtung.

Die Erfindung bezweckt, unter anderem ein Schaltelement zu schaffen, das einfach durch elektrische Beeinflussung von einem symmetrischen Leitungszustand für Wechselstrom in einen asymmetrischen Leitungszustand für Wechselstrom überführt werden kann, wobei diese Beeinflussung gewünschtenfalls auch in umgekehrter Richtung durchgeführt werden kann. Sie beabsichtigt weiterhin, insbesondere ein solches Schaltelement zu schaffen, das einfach durch elektrische Beeinflussung nach Wunsch in einen symmetrischen Leitungszustand, einen asymmetrischen Leitungszustand mit Gleichrichtung in der einen Richtung, oder einen asymmetrischen Leitungszustand mit Gleichrichtung in der andern Richtung überführt werden kann.

Das Schaltelement nach der Erfindung besitzt in seiner einfachsten Form einen Körper, in dem eine aus einem Halbleiter bestehende Zone an eine aus einem Elektret bestehende Zone grenzt, wobei Mittel, im allgemeinen Kontakte auf dem Körper, zum Anlegen eines elektrischen Spannungsunterschiedes an den Elektret-Halbleiter-Übergang vorgesehen sind. Mit einem Elektret wird hier ein Isolierstoff, insbesondere ein Stoff gemeint, in dem Ionen oder Dipole beweglich sind, der vorzugsweise unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes eine elektrische Polarisation aufbaut und diese bei Beseitigung des Feldes während einer Zeit festhalten kann, die grösser ist als die dielektrische Relaxationszeit des Isolierstoffe, wobei unter dielektrischer Relaxationszeit das Produkt des spezifischen Widerstandes und der Dielektrizitätskonstante ce er. im M. K.

S.-System gemessen, zu verstehen ist. Die erwähnten Mittel bestehen zwar im allgemeinen aus Kontakten auf dem Körper ; in besonderen Fällen könnten aber eine oder mehrere Verbindungen mit dem Körper, z. B. mit Hilfe eines Elektronenbündels, oder bei Anwendung in der Mikrowellentechnik z. B. durch Zufuhrwellenröhren nach dem Schaltelement hergestellt werden. Der Halbleiter besitzt vorzugsweise einen grossen Unterschied in effektiver Beweglichkeit der beiden Arten von Ladungsträgern, d. h. das Verhältnis der effektiven Beweglichkeiten beträgt wenigstens 10 und vorzugsweise sogar mehr als 10.

Mit der effektiven Beweglichkeit einer Art von Ladungsträgern in einem Halbleiter wird die Beweglichkeit der freien Ladungsträger dieser Art gemeint, welche mit der Anzahl von freien Ladungsträgern dieser Art multipliziert und durch die Gesamtzahl der Ladungsträger dieser Art multipliziert und durch die Gesamtzahl der Ladungsträger dieser Art geteilt ist, wobei unter der Gesamtzahl die Summe der Anzahl freier Ladungsträger und der Anzahl an zwischen Valenzband und Leitungband liegenden Zwischenpegeln gebundener Ladungsträger dieser Art zu verstehen ist.

Ferner wird vorzugsweise ein Halbleiter verwendet, der insbesondere für die Art von Ladungsträgern mit der kleinen Beweglichkeit eine beträchtlich niedrigere Raumladungsspeicherfähigkeit besitzt als für die andere Art von Ladungsträgern, d. h. das Verhältnis der Raumladungsspeicherfähigkeiten für die beiden Arten von La-

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cmswird, dass im Halbleiter, aus dem die Zonen 1 und 2 bestehen, die effektive Beweglichkeit der Elektronen viel grösser ist als die der Löcher, und auch die Raumladungsspeicherfähigkeit für die Elektronen viel grösser ist als die der Löcher. Im Halbleiter wird dies z. B. durch das Vorhandensein einer grösseren An- zahl Zwischenpegel, sogenannte"hole-traps", bewirkt.

Halbleiter, insbesondere Photoleiter, die diese Eigenschaft in hohem Masse aufweisen können. sind unter anderem die Chalkogenide, z. B. die Chalko- genide von Cadmium, insbesondere Cadmiumsulfid. Bei Cadmiumsulfid z. B. kann leicht ein Faktor 108 im Verhältnis der effektiven Beweglichkeiten von Elektronen und Löchern erreicht werden, wobei dann auch die Raumladungsspeicherfähigkeit für Elektronen sehr viel höher ist als für Löcher. Angenommen wird, dass mit den Enden der Zonen 1 und 2 die Metallkontakte 4 und 5 verbunden sind. Dies ist nicht unbedingt erforderlich.

Die Konfiguration nach Fig. la kann auch einen Teil eines Körpers bilden, der aus vielen halbleitenden Zonen mit aus einem Elektret bestehenden Zwischenschichten aufgebaut ist, wobei dann die Stromzuführung über weitere halbleitende Zonen oder aus einem Elektret bestehende Zo- nen erfolgt. Zwischen den Kontakten 4 und 5 wird ein Gleichspannungsunterschied mit dem in Fig. la angegebenen Vorzeichen angelegt, und dieser Gleichspannungsunterschied wird lange genug aufrechter- halten, um den Elektret in den polarisierten Zustand zu fUhren. In der Elektretschicht 3 bildet sich dann eine Polarisationsladung aus, wie sie in Fig. la dargestellt ist ; diese Polarisationsladung zieht Löcher zur
Neutralisierung aus der Zone 1 an und Elektronen aus der Zone 2.

Es entsteht somit eine Potentialvertei- lung im System, wie sie in Fig. Ib dargestellt ist, in der das Entgegengesetzte des elektrischen Poten- tials, E, senkrecht nach oben aufgetragen ist. An den Trennfläche 6 und 7 treten Potentialsprünge ssE1 und AE auf, wobei AE > AE, ist, infolge der Dipolladungen an den Trennfläche. Weiterhin tritt bei der Trennfläche 6 in der halbleitenden Zone 1 eine Raumladungsschicht gewisser Stärke auf, in der der verbleibende Teil der durch den polarisierten Elektret induzierten Raumladung in Zwischenpegeln gespeichert ist. Die Stärke dieser Raumladungsschicht ist unter anderem von der Raumladungsspeicherfähigkeit im Inneren des Halbleiters 1 abhängig.

An dieser Raumladungsschicht tritt ein Spannungsabfall AE auf, der insbesondere wegen seines Umfanges bedeutend grösser sein kann als die Sprünge ssE1 und an den Dipolschichten. Bei der Trennfläche 7 in der halbleitenden Zone 2 tritt eine solche Schicht nicht oder über nur eine vernachlässigbare Stärke auf infolge der grossen Raumladungsspeicherfähigkeit fUr Elektronen, so dass hinsichtlich des Potentialverlaufs zwischen Ladungen an der Oberfläche und Raumladung in der dünnen Volumenschicht kein Unterschied gemacht zu werden braucht. An der Elektretschicht 3 tritt somit ein Spannungsunterschied auf, der praktisch gleich dem angelegten Spannungsunterschied abzüglich der Summe der erwähnten Potentialsprünge AE,AE und AE ist.

Ohmsche Spannungsverluste über die halbleitenden Zonen sind dabei vernachlässigt. Die im Schaltelement auftretende Stromstärke steht in geradem Verhältnis zur Möglichkeit, dass Ladungsträger, in diesem Falle Elektronen, infolge einer Art von Tunneleffekt, durch die Elektretschicht 3 hindurchgehen, und diese Tunnelmöglichkeit wird mit zunehmender elektrischer Feldstärke im Elektret beträchtlich grösser. Wird nun die angelegte Spannung beseitigt, so behält die Elektretschicht seine Polarisationsladung während kUrzerer oder längerer Zeit, die unter anderem von der lonenbeweglichkeit im Elektret und der festhaltenden Wirkung der im Halbleiter induzierten Ladungen abhängig ist.

Wird in entgegengesetzter Richtung eine Spannung angelegt, d. h. wird die Zone l negativ gegenüber der Zone 2 gemacht, so bewegen sich in der halbleitenden Zone 1 die beweglichen Elektronen in Richtung der Trennfläche 6 und gleichen dort die Wirkung der umfangreichen positiven Raumladung sehr schnell aus. Dieser Vorgang kann auch bei nicht zu niedriger Frequenz leicht innerhalb der Zeitdauer (halben Periode) erfolgen, in der diese Polarität auftritt, während die Zuführung der weniger beweglichen Löcher in der Zone 2 zur Trennfläche 7 zu träge und unzulänglich ist, um bei nicht zu niedriger Frequenz innerhalb derselben Zeitdauer (halben Periode) eine nennenswerte Raumladung bei der Trennfläche 7 aufzubauen.

Die Dipolsprünge ssE1 und AE an den Trennflächen können nahezu gleich bleiben. Das Ergebnis ist ein Potentialverlauf, wie er in Fig. le dargestellt ist, in der wieder das Entgegengesetzte des elektrischen Potentials senkrecht nach oben aufgetragen ist. Die elektrische Feldstärke im Elektret ist für diese Stromrichtung merklich grösser als für die Stromrichtung nach Fig. Ib, was eine wesentlich grössere Tunnelmöglichkeit für die Elektronen mit sich bringt. Der Zustand nach Fig. 1c ist somit offenbar die Durchlassrichtung des Schaltelements, wenn es auf die Weise nach Fig. la polarisiert ist.

Tritt nun während der nächsten halben Periode wieder ein Feld in der ursprünglichen Richtung auf, so stellt sich innerhalb dieser halben Periode der Zustand nach Fig. Ib wieder ein, da wegen der kleinen Rekombinationschance zwischen freien Elektronen und an Zwischenpegel gebundenen Löchern im Volumen des Halbleiters die positive Raumladung, die zum Sprung AE in der vorherigen Periode führte, zwar ausgeglichen, jedoch nicht vernichtet war, und dadurch nach der Umpolung wieder ihre Wirkung auszuüben anfängt, sobald die beweglichen Elektronen nach dem Kontakt 4 abgeführt werden.

Symmetrische Leitfähigkeit tritt somit für Gleichstrom und Wechselstrom hinreichend niedriger Fre- quenz auf, während asymmetrische Leitfähigkeit für Wechselstrom höherer Frequenz auftritt. Der Grenz- frequenzbereich ist unter anderem von der Grösse des Unterschiedes in effektiver Beweglichkeit der bei- den Arten von Ladungsträgern abhängig, und diese Grösse wird durch die Wahl des Halbleiters und dessen
Dotierung bedingt. Es wird weiterhin bemerkt, dass die Durchlassrichtung des Stromes durch das System entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes ist, mit dem die Polarisierung erfolgt ist.

Es ist jetzt ohne Zweifel einleuchtend, dass ein Übergang vom asymmetrischen Leitungszustand in den symme- trischen Leitungszustand erreicht werden kann. abgesehen von der spontanen Depolarisierung, indem hinreichend lange Zeit ein Gleichspannungsfeld mit einem Vorzeichen entgegengesetzt zum Ursprünglichen angelegt wird, wobei zur Beschleunigung des Depolarisierungsvorgangs das Ganze vorzugsweise auf eine höhere Temperatur gebracht wird zwecks Erhöhung der Leitfähigkeit und Beweglichkeit der Zonen oder
Dipole des Elektreten. Diese Erhitzung kann von aussen her erfolgen ; es ist aber auch möglich, eine so hohe Stromstärke in entgegengesetzter Richtung durch das Schaltelement zu schicken, dass im Inneren des Systems hinreichende Wärme erzeugt wird.

Eine Umkehrung der Polarisierung des Elektreten kann auf gleiche Weise erfolgen und bewirkt eine Umkehrung des Gleichrichtsinnes des Schaltelementes. Obzwar die Wirkung des Schaltelementes nach der Erfindung an Hand der Konfiguration nach Fig. la erläutert wurde, ist sie naturgemäss nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. So kann mit einem Schaltelement nach der Erfindung, das nur eine halbleitende Zone und nur eine aus einem Elektret bestehende Zone besitzt, eine ähnliche Wirkung erzielt werden, nur mit dem Unterschied, dass neben dem symmetrischen Leitungszustand nur ein asymmetrischer Leitungszustand möglich ist. Weiterhin können statt der Elektronen die Löcher viel beweglicher im Halbleiter sein.

Weiterhin können die bereits erwähnten Faktoren in bestimmten Fällen in ihrem gegenseitigen Verhältnis verschieden sein und dennoch zur praktisch gefundenen Asymmetrie in der Leitfähigkeit eines solchen Systems führen. Im Vorhergehenden wurde ferner angenommen, dass die halbleitenden Zonen 1 und 2 aus gleichem Material hergestellt sind, mit andern Worten die gleiche Leitungsart und Leitfähigkeit besitzen. Es ist ohne weiteres einleuchtend, dass eine Differenz in der Leitfähigkeit zwischen den beiden halbleitenden Zonen am Auftreten des Effektes nach der Erfindung nichts ändert, und die Zonen beiderseits des Elektreten auch von entgegengesetzter Leitungsart sein können.

In diesem Falle wird die bekannte, sich daraus ergebende konstante Unsymmetrie der mit der Polarisation des Elektreten regelbaren Leitungsunsymmetrie überlagert und kann demnach bei depolarisiertem Zustand des Elektreten bereits eine Anfangs-Unsymmetrie wegen der Differenz in der Leitungsart vorliegen. Es ist auch möglich, dass in bestimmten Fällen noch andere als die bereits erwähnten Faktoren eine Rolle spielen. Unter den beschriebenen Verhältnissen ist aber die gegebene Erklärung am wahrscheinlichsten. Die Erfindung ist naturgemäss nicht an diese Erklärung gebunden.

Die Stärke, der spezifische Widerstand u. dgl. der Zonen, aus denen das Schaltelement aufgebaut ist, müssen naturgemäss derart gewählt werden, dass die Leitung und Polarisierbarkeit des Elektreten möglich ist. So wird vorzugsweise ein Elektret mit einem spezifischen Widerstand verwendet, der höher als 108 Q cm ist, da, obzwar die Zeit der spontanen Depolarisierung nicht gleich der dielektrischen Relaxationszeit ist. ein niedriger spezifischer Widerstand im allgemeinen die Zeit der spontanen Depolarisierung eines Elektreten abkürzt. Die Stärke der Elektretschicht muss derart gewählt werden, dass noch eine gute Tunnelmöglichkeit besteht, u. zw. vorzugsweise kleiner als l u, z. B. wenige Zehntel Mikron.

Glas-Emails haben sich als Elektret besonders geeignet erwiesen. Sie können pulverförmig mit halbleitenden Körnern erhitzt werden. bis Schmelzung oder Fliessen des Glas-Emails auftritt, so dass sie dann gleichzeitig als Bindemittel dienen.

Wird als Halbleiter in einem Schaltelement nach der Erfindung ein Photoleiter verwendet, so ist es möglich, die Leitungskennlinien dieses Schaltelementes durch Bestrahlung mit einer elektromagnetischen bder korpuskularen Strahlung zu beeinflussen, was für besondere Anwendungen Vorteile bieten kann.

Durch Anwendung eines Photoleiters mit einem grösseren Bandabstand, der einen so hohen Dunkelwiderstand, vorzugsweise grösser als 10 Q cm, z. B. 10 Q cm, besitzt, dass im unbestrahlten Zustand nahezu keine Leitung durch das Schaltelement auftritt, ergibt sich ausserdem noch der für bestimmte Anwendungen besonders nützliche Vorteil, dass es erst durch Bestrahlung mit einer elektromagnetischen oder korpuskularen Strahlung mehr oder weniger leitend gemacht werden kann, so dass noch eine zusätzliche Schaltungsfunktion gegeben ist. Für Polarisierung, Depolarisierung oder Umpolarisierung ist dann aber eine Bestrahlung im allgemeinen notwendig.

Im bestrahlten Zustand tritt dann symmetrische oder asymmetrische Leitung auf, entsprechend der vorhergehenden Polarisierung des Elektreten, während im unbestrahlen Zustand, trotz der Polarisierung. praktisch keine Leitung auftritt. Die Erfindung macht es auch möglich, ein Schaltelement zu erzielen, dessen Körper aus einer Schicht besteht, wobei Mittel, im all-

gemeinen Kontakte auf der Schicht, vorgesehen sind, um die Schicht von Stelle zu Stelle verschieden zu polarisieren. Es kann auf diesem Schaltelement ein bestimmtes Polarisationsmuster angebracht und festgehalten werden, das von Stelle zu Stelle mit Hilfe von Wechselstrom abgetastet werden kann. Eine Anwendungsmöglichkeit eines solchen Schaltelementes liegt z.

B. in der Gedächtnisschaltung, in der ein bestimmtes Gedächtnismuster während jeder gewünschten Zeitdauer gespeichert und gewünschtenfalls ausgelesen werden muss oder wieder gelöscht werden kann. Ein solches Schaltelement kann weiterhin mit einem Raster versehen sein, das eine von Stelle zu Stelle verschiedene Durchlässigkeit für Strahlung besitzt, wobei dann als Halbleiter ein Photoleiter mit einem so hohen Dunkelwiderstand verwendet ist, dass das System ohne Bestrahlung praktisch nicht leitfähig ist. Das Raster könnte z. B. aus einer undurchsichtigen Platte mit einer grösseren Anzahl äquidistanter Öffnungen bestehen. Bei Bestrahlung einer Öffnung kann dann der Leitungszustand der Schicht unterhalb dieser Öffnung ausgelesen werden. Bei Bestrahlung des Ganzen können sie alle gleichzeitig ausgelesen werden.

Weiterhin sind zahlreiche andere Anwendungen solcher Schaltelemente möglich.

Bemerkt wird, dass bei Schaltelementen, die aus einer grösseren Anzahl halbleitender Zonen und Elektretzonen aufgebaut sind und bei denen von Photoleitung Gebrauch gemacht wird, naturgemäss im allgemeinen ein strahlungsdurchlässiger Elektret verwendet wird.

Es werden jetzt einige Ausführungsbeispiele von Schaltelementen nach der Erfindung besprochen, die aufgebaut sind wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, wobei einige Kennlinien eines solchen Elementes an Hand von Fig. 3 erläutert werden.
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l :lithiumhaitigen Glas-Emailpulver (Korngrösse von der Ordnung von 10 u) in einem Volumenverhältnis von 4 : 1 tüchtig gemischt. Die Vorzugszusammensetzung eines solchen Gemisches enthält 10-30 Vol.-% Glas-Email und zum übrigen Teil halbleitenden, insbesondere photoleitenden Stoff. Die chemische
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nuten lang auf 6000C erhitzt wird.

Durch Festschmelzung der Glas-Emailkörner an die Cadmiumsulfidkörner, wobei die Glas-Emailkörner als Bindemittel wirksam sind, ergibt sich auf diese Weise eine zwar poröse, jedoch gut zusammenhängende Schicht, von der ein teilweiser Schnitt schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. In dieser Figur sind die Körner 10 die photoleitenden Körner, während mit 11 die dünnen Elektretschichten bezeichnet sind. Deutlichkeitshalber sind die Elektretschichten zwischen den photoleitenden Körnern übertrieben stark gezeichnet.

Auf die obere Seite der Schicht werden zwei linienförmige Elektroden in einem gegenseitigen Abstand von 0,5 mm in einer Länge von 2 cm aufgedampft, so dass der Raum zwischen den Elektroden 20. 0, 5. 0, 15 mm ? ist. Bei Messung im unbeleuchteten Zustand ergibt sich, dass der Strom durch das System sowohl für Gleichspannung bis 1000 V als auch Wechselspannung von 120 Hz bis zu einer Scheitelspannung von 1000 V kleiner als 10-5 A ist. Bei Beleuchtung mit weissem Licht mit einer Beleuchtungsstärke von 10 Lumen fliesst durch das Schaltelement bei einer Gleichspannung von 300 V zwischen den Elektroden ein Strom von 1, 3. 10-'A, u. zw. symmetrisch für die beiden Richtungen.

Bei gleicher Beleuchtung fliesst bei einer Wechselspannung von 1000 V Scheitelspannung mit einer Frequenz von 120 Hz ein in beiden Richtungen symmetrischer Strom von 1, 3 mA.

Darauf wird bei gleicher Beleuchtung und bei einer Gleichspannung von 300 V das Schaltelement 5 Sekunden lang polarisiert und gleichzeitig auf 110 C erhitzt. Nach der Abkühlung wird sein Wechselstromverhalten geprüft. Bei gleicher Beleuchtung und bei einer Wechselspannung von 120 Hz mit einer Scheitelspannung von 1000 V ergibt sich, dass in Richtung der Polarisationsspannung die Stromstärke kleiner als 10. A ist und in der andern Richtung 5 mA beträgt, mit andern Worten, die Durchlassrichtung ist der Spannungsrichtung der Polarisierspannung entgegengesetzt.

Bei Messung mit Gleichspannung und Wechselspannung von wenigen Hz, jedoch im übrigen unter gleichen Verhältnissen, ergibt sich, dass das Schaltelement trotz der Polarisierung noch symmetrisch leitend ist, u. zw. beträgt für beide Richtungen die Stromstärke bei 300 V etwa 1, 3. 10-'A. Darauf wird das Schaltelement auf 1100C erhitzt und bei gleicher Beleuchtung wird eine Gleichspannung von 300 V mit einem zur Polarisierspannung entgegengesetzten Vorzeichen angelegt. Über den symmetrischen Leitungszustand wird das Schaltelement auf diese

Weise innerhalb 15 Sekunden in den asymmetrischen Leitungszustand mit entgegengesetztem Gleichrichtsinne überführt.

Bei Messung mit einer Wechselspannung von 1000 V und 120 Hz mit gleicher Beleuchtung ergibt sich, dass praktisch der gleiche Gleichrichtfaktor auftritt, nur sind die Durchlassrichtung und die Sperrichtung geändert.

Nach einem kontinuierlichen Betrieb von 3 Wochen ergab sich, dass die Messwerte sich kaum geändert hatten, was auf die Anwendung des lithiumhaitigen Glas-Emails als Elektret zurückzuführen ist, denn lithiumhaltige Glas-Emails weisen infolge der geringen Beweglichkeit der Lithiumionen eine sehr niedrige Ionenleitung auf. Folglich halten sie die Polarisation auch lange fest.

Beispiel 2: Ein gleiches Schaltelement wurde auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, nur mit dem Unterschied, dass statt eines lithiumhaltigen Glas-Emails ein natriumreiches Glas-Email verwendet wurde. Es wurden ähnliche Erscheinungen wie im Beispiel 1 gefunden. Nur die Stabilität war beträchtlich niedriger, mit andern Worten, die Depolarisierung hatte einen beträchtlich schnelleren Verlauf. Nach 7-tägigem kontinuierlichen Betrieb hatte der Gleichrichtfaktor von 1 auf 100 bis 1 auf 5 abgenommen. Es ist anzunehmen, dass dies auf die Anwendung eines natriumreichen Glas-Emails zurückzuführen ist, welches eine wesentlich höhere Ionenleitfahigkeit aufweist als das lithiumhaltige GlasEmail, so dass schnellere Depolarisierung erfolgt.

Beispiel 3* Ein anderes Schaltelement nach der Erfindung, das im übrigen auf gleiche Weise und mit gleicher Zusammenstellung wie im Beispiel 1 hergestellt wurde, wird mit einer Gleichspannung von 700 V unter Bestrahlung mit weissem Licht und einer Belichtungsstärke von 30 Lumen 10 Sekunden lang polarisiert. Es fliesst ein Strom von 3 mA, der im Inneren hinreichende Wärme entwickelt, um die Polarisierung des Elektreten schnell herbeizuführen, so dass eine Erhitzung von aussen her überflüssig ist. Darauf werden einige Wechselspannungskennlinien gemessen.

Ohne Beleuchtung ergibt sich, dass in beiden Richtungen bis 1000 V Scheitelspannung die Stromstärke kleiner als 10. 5 A ist. Bei einer Wechselspannung von 120 Hz wird der Zusammenhang zwischen der Scheitelspannung und dem Scheitelstrom in beiden Richtungen bei zwei verschiedenen Beleuchtungsstärken gemessen. In Fig. 3 sind die Kennlinien dargestellt. Die Scheitelspannung in Volt ist waagrecht linear aufgetragen, während senkrecht in linearem Massstab in Einheiten von 10-5 A nach oben der Scheitelstrom in der Durchlassrichtung und nach unten der Scheitelstrom in der Sperrichtung aufgetragen ist. Die Durchlassrichtung ist entgegengesetzt zur Richtung der Spannung, mit der das Schaltelement polarisiert wurde. Die Kennlinien 15 und 16 treten bei einer Beleuchtungsstärke von 9 bzw. 30 Lumen auf.

Bemerkt wird, dass, obwohl das Schaltelement nur bei 700 V polarisiert wurde, auch noch hei höheren Scheitelspannungen eine Gleichrichtung auftritt. Es ist jedoch einleuchtend, dass es im allgemeinen besser ist, das Schaltelement bei einer Wechselspannung (Scheitelspannung) zu betreiben, die kleiner, oder vorzugsweise sogar kleiner als die Hälfte der Spannung ist, mit der die Polarisierung erfolgte. Nach drei Wochen wurden einige Messpunkte der Kennlinien nochmals gemessen, wobei sich ergab, dass praktisch keine spontane Depolarisierung erfolgt war. Diese hohe Stabilität ist auf die Anwendung eines lithiumhaltigen Glas-Emails als Elektret zurückzuführen.

Beispiel 4: Ein Schaltelement wurde auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, nur mit dem Unterschied, dass ein halbleitendes n-Art-Cadmiumsulfidpulver mit einem spezifischen Widerstand von 10-5 Q cm verwendet wurde. Vor der Polarisierung dieses Schaltelementes wurde mit einer Wechselspannung von 120 Hz (Scheitelspannung 140 V) in beiden Richtungen ein Scheitelstrom von 1 mA gemessen. Wegen des verhältnismässig niedrigen spezifischen Widerstandes ist hier eine Beleuchtung überflüs- sig. Darauf wurde das Schaltelement mit einer Gleichspannung von 300 V ohne Beleuchtung 10 Sekunden lang polarisiert, wobei eine interne Wärmeentwicklung von 1, 5 W auftrat, die sich für eine schnelle Polarisierung als hinreichend erwies.

Nach der Abkühlung floss bei einer Wechselspannung von 120 Hz mit einer Scheitelspannung von 140 V in der Sperrichtung eine Stromstärke von 10-4 A, während in der Durchlassrichtung eine Stromstärke von 3. 10-8 A auftrat. Die Sperrichtung fiel wieder mit der Richtung zusammen, in der die Polarisationsspannung angelegt war. Für Gleichspannung war die Leitung symmetrisch. Nach drei Wochen hatten sich die Messwerte kaum geändert.

Bei Anwendung von Cadmiumselenid wurden ähnliche Erscheinungen festgestellt.

Die Schaltelemente nach der Erfindung, insbesondere die symmetrisch aufgebauten Schaltelemente lach der Erfindung, sind für mehrere Anwendungen in Schaltungen brauchbar. Wie sich aus dem Vorstelenden ergibt, läuft im allgemeinen bei einem Schaltelement gemäss der Erfindung der Stromweg haupt- ! ächlich über einen oder mehrere Halbleiter-Elektret-Übergänge. Die Schaltelemente gemäss der Erfinlung können denn auch insbesondere Anwendung finden in Schaltungen, in denen der Leitungszustand sines oder mehrerer solcher Übergänge ausgenutzt wird, z. B. ein oder beide asymmetrische Leitungszutände für Wechselstrom. Sie können im'polarisierten Zustand als Gleichrichtelement für Wechselstrom

nicht zu niedriger Frequenz verwendet werden.

Ihre strahlungsempfindlichen Eigenschaften machen sie als strahlungsempfindliche Schalter mit symmetrischer oder asymmetrischer Leitung für Wechselstrom geeignet. Das Besondere der Schaltelemente nach der Erfindung kommt aber besser zur Geltung in Schaltungen, in denen nur zeitweise ein symmetrischer Leitungszustand gewünscht ist, oder in denen Umschaltung von einem Gleichrichtsinn auf den andern erwünscht ist. In solchen Schaltungen sind dann Mittel, insbesondere eine oder mehrere Gleichspannungsquellen, zur Polarisierung, Depolarisierung oder Umpo- larisierung eines Schaltelementes, vorgesehen. In der Schaltung sind dann vorzugsweise auch Mittel zur
Erhitzung des Schaltelementes enthalten, um die Übergänge von einem Leitungszustand auf den andern schnell herbeizuführen.

Diese Mittel können getrennt von den Polarisiermitteln in die Schaltung aufge- nommen sein, mit andern Worten, die Erhitzung des Schaltelementes erfolgt dann von aussen her. In an- dern Fällen kann es vorteilhaft sein, sie in die Mittel aufzunehmen, mit denen formiert wird, mit andern
Worten, das angelegte Feld wird dann so stark gewählt, dass hinreichende innere Wärmeableitung durch das angelegte Feld im Schaltelement erfolgt. Das Depolarisieren kann aber auch spontan ohne Beeinflussung von aussen her erfolgen. Die spontane Depolarisierung wird dann aber vorzugsweise dadurch beschleunigt, dass in die Schaltung Mittel zur äusseren Erhitzung des Schaltelementes aufgenommen werden.

Schaltungen, die Schaltelemente enthalten, in denen ein Photoleiter mit einem sehr hohen Dunkelwiderstand verwendet ist, besitzen auch Mittel zur Bestrahlung solcher Schaltelemente. Die Schaltungen nach der Erfindung besitzen auch im allgemeinen Wechselspannungsquellen, die den Leitungszustand der Schaltelemente bewirken.

Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die als Gedächtnisschaltung verwendbar ist, wird an Hand von Fig. 4 näher erläutert.

In Fig. 4 ist ein Prinzipschema dargestellt, in dem ein symmetrisches Schaltelement nach der Erfindung mit 20 bezeichnet ist. Mit der Elektrode 21 des Schaltelementes ist der Widerstand 22 verbunden, zu dem ein aus den Kondensatoren 23, 24 und der Induktivität 25 bestehendes Tiefpassfilter parallelgeschaltet ist. Mit der andern Elektrode 26 sind zwei parallelgeschaltete Zweige verbunden, von denen der eine aus einem Schalter 27 und einer Gleichspannungsquelle 28 besteht, deren Spannung veränderlich und insbesondere umschaltbar ist, während der andere Zweig aus'einem Schalter 29 und der Wechselspannungsquelle 30 besteht, die eine Wechselspannung solcher Frequenz liefert, dass sie vom Tiefpassfilter 23, 24,25 nicht durchgelassen wird. Zwischen den Klemmen 31,32 wird die Informationsspannung Vi abgenommen.

Weiterhin wird vorausgesetzt, dass die Mittel 27,28, mit denen die Polarisierung durchgeführt wird, eine so grosse elektrische Feldstärke im Schaltelement bewirken, dass eine für schnelle Polarisierung hinreichende Wärme im Schaltelement entwickelt wird.

Beim Schliessen des Schalters 29 tritt die von der Quelle 30 erzeugte Wechselspannung am Schaltelement 20 auf, und wenn letzteres noch nicht polarisiert ist, tritt eine symmetrische Wechselspannung am Widerstand 22 auf, die aber vom Tiefpassfilter 23,24, 25 nicht durchgelassen wird, so dass, wenn sich das Schaltelement im symmetrischen Leitungszustand befindet, zwischen den Klemmen 31,32 kein Spannungsunterschied auftritt.

Wird der Schalter 27 geschlossen, so wird das Schaltelement 20 in einer bestimmten Richtung polarisiert, so dass es in nur einer Richtung stromdurchlässig ist. Nur die am Widerstand 22 auftretende Gleichspannungskomponente wird vom Filter durchgelassen, und zwischen den Klemmen 31 und 32 entsteht somit ein Gleichspannungsunterschied mit einem bestimmten Vorzeichen. Wird dann die Spannungsquelle 28 umgeschaltet, so wird das Schaltelement zunächst depolarisiert und dann in entgegengesetzter Richtung polarisiert.

Dies bewirkt eine Umkehrung des Gleichrichtsinnes des Schaltelementes 20, so dass mit dem Vorzeichen der Gleichspannungskomponente am Widerstand 21 sich auch das Vorzeichen der Informationsspannung Vi wechselt. Auf für eine Gedächtnisschaltung übliche Weise ausgedrückt, kann somit die von den Mitteln 27,28 herrührende Information insbesondere in drei verschiedenen Zuständen dem Gedächmiselement derart aufgedrückt werden, dass es einen symmetrischen, einen in der einen Richtung asymmetrischen, oder einen in der andern Richtung asymmetrischen Leitungszustand annehmen kann, der vom Abtastmechanismus 29, 30 als Nullspannung, Spannung mit dem einen Vorzeichen, Spannung mit dem andern Vorzeichen an die Klemmen 31,32 weitergegeben werden und dort weiter verarbeitet werden können.

Es ist auch möglich, in die Schaltung noch eine Lichtquelle aufzunehmen ; dies kann insbesondere Vorteile bieten, wenn im Schaltelement 20 ein Photoleiter mit einem so hohen spezifischen Widerstand verwendet ist, dass ohne Beleuchtung praktisch keine Leitung durch das Schaltelement möglich ist. Durch Regelung der Beleuchtung kann das System nach Wunsch in den wirksamen oder unwirksamen Zustand gebracht werden, oder es kann ein bestimmter gewünschter wirksamer Leitungszustand eingestellt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Körper enthält, in dem eine aus einem Halbleiter bestehende Zone an eine aus einem Elektret bestehende Zone grenzt, wobei Mittel, im allgemeinen Kontakte auf dem Körper. zum Anlegen eines elektrischen Spannungsunterschiedes an den Elektret-Halbleiter-Übergang vorgesehen sind.

2. Schaltelement nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper wenigstens drei Zonen enthält, die in solcher Lage liegen, dass zwei aus einem Halbleiter bestehende Zonen durch eine aus einem Elektret bestehende Zone getrennt sind, wobei Mittel, im allgemeinen Kontakte auf dem Körper, zum Anlegen eines elektrischen Spannungsunterschiedes zwischen diesen halbleitenden Zonen vorgesehen sind.

3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine grössere Anzahl halbleitender Teilchen enthält, die durch Elektret an ihrer gegenseitigen Kontaktstelle getrennt sind.

4. Schaltelement nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, dass der Elektret die halbleitenden Teilchen mechanisch bindet.

5. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleiter die beiden Arten von Ladungsträgern einen grossen Unterschied in effektiver Beweglichkeit besitzen.

6. Schaltelement nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der effektiven Beweglichkeiten der einen Art von Ladungsträgern gegenüber der andern grösser als 10 ist.

7. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter für die eine Art von Ladungsträgern eine beträchtlich höhere Raumladungsspeicherfähigkeit besitzt als für die andere.

8. Schaltelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter für die Art von Ladungsträgern mit der kleinsten effektiven Beweglichkeit die kleinste Raumladungsspeicherfähigkeit besitzt.

9. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter ein Photoleiter ist.

10. Schaltelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Photoleiter im unbestrahlten Zustand einen so hohen spezifischen Widerstand besitzt, dass in einem solchen Zustand durch das Schaltelement nahezu keine Leitung möglich ist.

11. Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer Schicht besteht, und Mittel, im allgemeinen Kontakte auf dem Körper, vorgesehen sind, um den Körper von Stelle zu Stelle verschieden polarisieren zu können.

12. Schaltelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer Schicht besteht. die mit einem Raster versehen ist, das eine von Stelle zu Stelle verschiedene Durchlässigkeit für Strahlung besitzt.

13. Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter, bzw. der Photoleiter, ein Chalkogenid ist.

14. Schaltelement nach Anspruch 13-, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter, bzw. der Photoleiter, ein Chalkogenid von Cadmium ist.

15. Schaltelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter bzw. der Photoleiter Cadmiumsulfid ist.

16. Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektret einen spezifischen Widerstand von wenigstens 108 Q cm besitzt.

17. Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektretschicht dünner als l u ist.

18. Schaltelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektret aus einem Glas-Email besteht.

19. Schaltelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektret aus einem lithiumhaltigen Glas-Email besteht.

20. Schaltelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektret aus einem natriumreichen Glas-Email besteht.

21. Schaltelement nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Photoleiter ein radioaktiver Stoff, z. B. radioaktives Kobalt, eingebaut ist.

22. Schaltelement nach Anspruch 3 oder 4 und einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis21, beidem als Elektret ein Glas-Email verwendet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom vorhandenen Stoff im Körper 10-30 Vol.-% aus Glas-Email bestehen. <Desc/Clms Page number 9>

23.. Verfahren zum Benutzen eines Schaltelementes nach einem der vorhergehenden Anspruche, da- durch gekennzeichnet, dass das Schaltelement durch Polarisierung des Elektreten in einem bestimmten Frequenzbereich überführt wird.

24. Verfahren zum Benutzen eines Schaltelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement durch Depolarisierung des Elektreten von einem asymmetrischen Leitungszustand für Wechselstrom in einem bestimmten Frequenzbereich in einen symmetrischen Lei- tungszustand Überführt wird.

25. Verfahren zum Benutzen eines Schaltelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement durch Umpolarisierung des Elektreten von dem einen asymme - trischen Leitungszustand für Wechselstrom in einem bestimmten Frequenzbereich in den ändern asymme- trischen Leitungszustand überführt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisieren, Depolarisieren oder Umpolarisieren mit Hilfe eines elektrischen Gleichspannungsfeldes erfolgt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass während des Polarisierens, Depolari- sierens oder Umpolarisierens das Schaltelement mit Hilfe äusserer Heizmittel auf eine höhere Tempera- tur erhitzt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Gleichspannungsfeld selbst eine hinreichende Wärmeableitung im Schaltelement während des Polarisierens, Depolarisierens oder Umpolarisierens bewirkt.

29. Verfahren zum Depolarisieren eines Schaltelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement mit Hilfe äusserer Heizmittel zur spontanen Depolarisierung angeregt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, zum Benutzen eines Schaltelementes nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement während des Polarisierens, Depolarisierens oder Umpolarisierens zwecks Herabsetzung des spezifischen Widerstandes des Photoleiters bestrahlt wird.

31. Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektret sich im polarisierten Zustand befindet.

32. Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es für Wechselstrom in einem bestimmten Frequenzbereich asymmetrische Leitfähigkeit aufweist.

33. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und 31 und 32, dadurch gekennzeichnet, dass darin der Stromweg hauptsächlich über einen oder mehrere Halbleiter-Elektret-Übergänge verläuft.

34. Schaltung zum Betriebe von Schaltelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mittel vorgesehen sind, durch die eines oder mehrere der Schaltelemente derart polarisiert werden können, dass die betreffenden Schaltelemente eine asymmetrische Leitfähigkeit für Wechselstrom in einem bestimmten Frequenzbereich aufweisen.

35. Schaltung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mittel vorgesehen sind, durch die eines oder mehrere der Schaltelemente derÅart polarisiert werden können, dass sie eine symmetrische Leitfähigkeit aufweisen.

36. Schaltung nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mittel vorgesehen sind, durch die eines oder mehrere der Schaltelemente vom einen asymmetrischen Leitungszustand in den andern umpolarisiert werden können.

37. Schaltung nach einem der AnsprUche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel aus einer Gleichspannungsquelle bestehen, die am Schaltelement einen elektrischen Spannungunterschied erzeugt.

38. Schaltung nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mittel zur äusseren Erhitzung eines oder mehrerer der Schaltelemente vorgesehen sind.

39. Schaltung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte elektrische Feld durch Wärmeentwicklung eine hinreichende Erhitzung bewirkt.

40. Schaltung nach Anspruch 35. dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel aus einem oder mehreren äusseren Heizelementen bestehen.

41. Schaltung nach einem der Ansprüche 34 bis 40, die ein oder mehrere Schaltelemente nach einem oder mehreren der Ansprüche 9. 10 und 12 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mittel zur Bestrahlung eines oder mehrerer dieser Schaltelemente während des Polarisierens, Depolarisierens oder Umpolarisierens vorhanden sind. <Desc/Clms Page number 10>

42. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 34 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass darin eine oder mehrere Wechselspannungsquellen liegen, die an einem oder mehreren der polarisierten, depolarisierten oder umpolarisierten Schaltelemente einen elektrischen Spannungsunterschied erzeugen können.

43. Schaltung nach Anspruch 42, die ein oder mehrere Schaltelemente nach einem der Ansprüche 9, 10 und 12 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mittel zur Bestrahlung eines oder mehrerer dieser Elemente vorgesehen sind, an dem bzw. an denen eine Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung erzeugt.

44. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 34 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oder mehrere Schaltelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und 31 bis 33 als Gedächtniselement enthält.

45. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 34 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass darin der Leitungszustand für Wechselstrom eines oder mehrerer Schaltelemente gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 und 31 bis 33 durch Anlegen einer Wechselstrom-bzw. Wechselspannungs- quelle ausgenutzt wird.