DE1488833C3 - Steuerbare Halbleiterschaltvorrichtung zum Schalten von Wechselstrom - Google Patents

Steuerbare Halbleiterschaltvorrichtung zum Schalten von Wechselstrom

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DE1488833C3
DE1488833C3 DE1488833A DE1488833A DE1488833C3 DE 1488833 C3 DE1488833 C3 DE 1488833C3 DE 1488833 A DE1488833 A DE 1488833A DE 1488833 A DE1488833 A DE 1488833A DE 1488833 C3 DE1488833 C3 DE 1488833C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare Halbleitervorrichtung zum Schalten von Wechselstrom nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.
Eine derartige Halbleitervorrichtung ist bereits bekannt (FR-PS 13 34 395); sie weist eine Halbleiterschicht aus einem Material unter Verwendung von insbesondere Lithium auf, das bei Erreichen einer bestimmten Schwellentemperatur aus dem festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Diese Zustandsänderung wird von einer Änderung des spezifischen elektrischen Widerstands begleitet, weshalb man das Material durch Beheizen auch als Schaltvorrichtung verwenden kann. Nachteilig sind außer den äußeren
ίο Störquellen einer hohen Raumtemperatur, die die Schalt- oder Kippzeitpunkte verfälschen kann, vor allem die Trägheit. Schnellschaltungsvorgänge sind praktisch nicht möglich.
Darüber hinaus ist eine andere steuerbare Halbleiterschaltvorrichtung bekannt (DT-AS 1149 449 und 11 56 501). Das Halbleitermaterial besteht aus mehreren verschieden dotierten Schichten mit npn- oder pnp-Übergängen. Zwischen den elektrischen Anschlüssen ist eine Metallschicht an das Halbleitermaterial anlegiert.
Solche Halbleiterschaltvorrichtungen werden als sogenannte hyperkonduktive Dioden bezeichnet und zur Steuerung von Wechselstrom-Lastkreisen verwendet. Durch Überschreiten des Spannungsschwellwertes wird die Halbleitervorrichtung aus dem Sperrzustand verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstands in den Leitzustand verhältnismäßig niedrigen elektrischen Widerstands umgeschaltet; dabei handelt es sich weder um einen Zener- noch um einen Lawinenzusammenbruch, der lediglich in einer, nicht jedoch in beiden Stromrichtungen erfolgen kann. Zum Schalten von Wechselstrom besteht die bekannte Halbleiterschaltvorrichtung aus zwei hyperkonduktiven Dioden und zwei weiteren üblichen Halbleiterdioden, die in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet und zwischen die Speisespannungsquelle und die Last geschaltet sind. So kann über die eine hyperkonduktive Diode die eine Halbwelle und über die andere hyperkonduktive Diode die andere Halbwelle der Wechselspannung gelangen, sofern sie aus dem Sperrzustand in den Leitzustand mittels der Steuereinrichtung geschaltet sind. Obwohl die Verwendung einer derartigen steuerbaren Halbleiterschaltvorrichtung gegenüber üblichen Starkstromschaltelementen, wie Relais od. dgl., wegen ihres geringen Raumbedarfs und wegen des Fehlens bewegbarer Teile Vorteile bietet, ist der Aufwand von mindestens zwei hyperkonduktiven Dioden und zwei weiteren üblichen Dioden für den Wechselspannungsbetrieb höchst nachteilig, zumal auch das genaue symmetrische Schalten verlangt, daß sich genau entsprechende Halbleiterschaltvorrichtungen in der Gruppe verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Halbleiterschaltvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß im Wechselstrombetrieb ein praktisch unverzügliches Schalten ohne trägheitsbedingte erhebliche zeitliche Verzögerungen stattfindet. Dabei soll die Vorrichtung einfach herstellbar sein und keinen großen Raum beanspruchen.
do Die Erfindung besteht in der im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 genannten Merkmalsvereinigung.
Der terminus technicus »Schwellenspannung« wird im folgenden auch »Spannungsschweüwert« genannt.
Es ist zweckmäßig, die beiden Halbleiterschichten als Baueinheit derart auszubilden, daß die elektrische Verbindung zwischen denselben aus einem gemeinsamen, beide Halbleiterschichten tragenden Körper besteht, so daß die Baueinheit mit drei Elektroden,
einrichtung mit ihrem Ausgang parallel zu einer der beiden Halbleiterschichten geschaltet und ihre zum Einschalten der Halbleiterschaltvorrichtung abgebbare Spannung mindestens so groß bemessen ist, daß die an der anderen der beiden Halbleiterschichten im Sperrzustand anliegende Spannung größer als der Spannungsschwellwert dieser Halbleiterschicht wird.
Die Erfindung löst die obengenannte Aufgabe auf einfachste Weise, da praktisch ein einziges Halbleiterbauelement genügt, um die an einer Last anliegende Wechselspannung symmetrisch zu steuern, d. h. an- und abschalten zu können.
Es ist zweckmäßig, die beiden Halbleiterschichten als Baueinheit derart auszubilden, daß die elektrische Verbindung zwischen denselben aus einem gemeinsamen, beide Halbleiterschichten tragenden Körper besteht, so daß die Baueinheit mit drei Elektroden, nämlich den Lastelektroden und der Steuerelektrode, versehen ist und eine der Lastelektroden zum Anschluß des anderen Pols der Steuereinrichtung verwendet werden kann. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterschaltvorrichtung besteht auch darin, daß keine hochreinen und dann speziell dotierten Halbleitermaterialien mit npn- bzw. pnp-Übergängen hergestellt werden müssen, so daß sich die Erfindung auch durch niedrigere Herstellungskosten auszeichnet. Sie betragen daher praktisch nur einen Bruchteil der Herstellungskosten üblicher und auch der obengenannten hyperkonduktiven Halbleiterbauelemente. Die Erfindung ist in einem großen Frequenz- und Spannungsbereich üblicher Stromnetze, insbesondere bei Frequenzen von 50 bis 60 Hz und Spannungen von 110 bis 220 V verwendbar. In Abhängigkeit von physikalischen Zustandsgrößen, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck usw., kann daher eine Last bzw. ein Verbraucher, beispielsweise eine Heizwendel, ein Kompressor, eine Pumpe od. dgl., gesteuert und geregelt werden.
Als Steuereinrichtung dient vorzugsweise ein einen Widerstand enthaltender passiver Stromkreis, der parallel zur einen der beiden Halbleiterschichten geschaltet ist. Unter Widerstand ist hier nicht nur ein ohmscher Widerstand, sondern generell eine Impedanz zu verstehen.
Zweckmäßigerweise wird ein veränderbarer Widerstand verwendet, so daß über die Steuereinrichtung ein einfacher Eingriff in die Funktion der Halbleiterschaltvorrichtung möglich ist.
Für viele Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, im Ausgangskreis der Steuereinrichtung die Sekundärwicklung eines Transformators anzuordnen, dessen Primärwicklung über einen Schalter an die Spannungsquelle der Speisewechselspannung angeschlossen ist. Es können auch zwei Sekundärwicklungen je eines Transformators als Ausgangskreis der Steuereinrichtung dienen, indem die Primärwicklungen der Transformatoren über je einen Schalter an die Spannungsquelle der Speisewechselspannung angeschlossen sind. Vorteilhafterweise sind Sekundär- und Primärwicklungen jeweils zueinander parallel geschaltet. Bei mancher Anwendung ist es dagegen empfehlenswert, die Steuerwicklungen entgegengesetzt in Reihe und die Primärwicklungen parallel zueinander zu schalten.
In der älteren Patentanmeldung P 14 64 574.0-33 (deutsche Auslegeschrift 1464 574) sind nähere Ausführungen über das Material und die Eigenschaften von Halbleitermaterialien gemacht, die zweckmäßigerweise bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen. Im folgenden werden noch einige Ausführungen zur Art und Herstellung eines solchen Halbleitermaterials, wofür (Art, Herstellung) hier kein Patentschutz begehrt wird, und des vermuteten physikalischen Verhaltens desselben gemacht.
Die Halbleiterschichten wirken — wie bereits ausgeführt — symmetrisch und haben daher keine Gleichrichterfunktion. Sie bestehen aus aktiven HaIbleitermaterialien von festem Zustand und beeinflussen den Stromdurchgang durch die Schichten im wesentlichen gleichmäßig in der einen oder in beiden Richtungen.
In ihren Sperrzuständen hohen Widerstandes können diese Materialien kristallinartige Materialien oder vorzugsweise Materialien des polymeren Typs mit polymeren Netzstrukturen u. dgl. sein, die in hohem Maße kristallisationshemmende, kovalente Bindungen und Vernetzungen aufweisen, die sich in einem örtlich organisierten, ungeordneten festen Aggregatzustand befinden, der im allgemeinen amorph (nicht kristallin) ist, die jedoch möglicherweise verhältnismäßig kleine Kristalle oder Ketten oder Ringsegmente aufweisen können, die durch die Vernetzung möglicherweise in regelloser Ausrichtung gehalten sein können. Diese polymeren Strukturen können ein-, zwei- oder dreidimensionale Strukturen sein. Obwohl zahlreiche unterschiedliche Materialien Anwendung finden können, können diese Materialien beispielsweise Telluride, Selenide, Sulfide, Oxyde oder im wesentlichen jedes Metall oder ein Nichtmetall oder eine Verbindung von Metallen oder ein Halbleitermaterial oder eine feste Lösung oder ein Gemisch derselben sein. Besonders gute Resultate wurden erzielt, wenn Tellur oder Selen verwendet sind.
Es wird angenommen, daß Zusatzmaterialien (Metalle, Metalloide, intermetallische Verbindungen oder Halbleiter), die Verbindungen bilden können, oder feste Lösungen oder Gemische mit den anderen Materialien in den Halbleitermaterialien von festem Zustand bewirken — oder die starke Neigung haben, zu bewirken —, daß eine Kristallisation in den Halbleitermaterialien behindert wird. Wahrscheinlich ist diese kristallisierungsbehindernde Neigung besonders ausgeprägt, wenn die Prozentzahlen der Materialien vom stöchiometrischen und eutektischen Verhältnis der Materialien verhältnismäßig weit abweichen und bzw. oder wenn die Materialien ihrerseits stark kristallisierungsbehindernde Eigenschaften haben, wie beispielsweise Arsen, Gallium od. dgl. Wenn folglich, wie hier, die Halbleitermaterialien stark kristallisationsbehindernde Eigenschaften haben, bleiben oder kehren sie in ihren hochdesorientierten Wirrzustand oder allgemein amorphen Zustand zurück.
Es folgen spezifische Beispiele einiger der Halbleitermaterialien in Gewichtsprozent, mit denen befriedigende Resultate bei Halbleiterschaltvorrichtungen mit Schwellwertverhalten erzielt wurden.
1. 25% Arsen und 75% eines Gemisches von 90% Tellur und 10% Germanium (auch mit Zusatz von 5 % Silicium),
2. 75 % Tellur und 25 «/0 Arsen,
3. 71,8% Tellur, 14,05% Arsen, 13,06% GaI-' Hum, Rest Bleisulfid,
4. 72,6 % Tellur, 14,2 % Arsen und 13,2 % Gallium,
5. 72,6 % Tellur, 27,4 % Galliumarsenid,
6. 85% Tellur, 12% Germanium und 3% Silicium,
7. 50% Tellur, 50 % Gallium,
8. 67,2% Tellur, 25,3% Galliumarsenid und 7,5 % n-Germanium,
9. 75 % Tellur und 25 % Silicium,
10. 75 % Tellur und 25 % Indiumantimonid,
11. 55 % Tellur und 45 % Germanium,
12. 45 % Tellur und 55 % Germanium,
13. 75 % Selen und 25 % Arsen,
14. 57,4% Tellur, 6,4% Germanium, 21,2% Arsen und 15,0 % Silicium,
15. 87 % Tellur und 13 % Aluminium,
16. 90% Tellur und 10 % Aluminium,
17. 86 % Tellur, 13 % Aluminium und 1 % Selen,
18. 50% Tellur und 50% Aluminium,
19. 50% Aluminiumtellurid und 50% Indiumtellurid und
20. 50 % Alluminiumtellurid und 50 % Galliumtellurid.
Zur Bildung der Halbleiterschichten werden die Ausgangsmaterialien ζ. B. in einem unglasierten Porzellanmörser zu einer gleichmäßig pulverförmigen Konsistenz in Luft oder unter Luftabschluß gemahlen und gründlich gemischt. Dann werden sie in einem geschlossenen Quarzrohr auf oberhalb des Schmelzpunktes des Materials mit dem höchsten Schmelzpunkt erhitzt und geschmolzen. Die geschmolzenen Materialien werden nun im Rohr abgekühlt und dann in Stücke gebrochen oder geschnitten. Die Stücke können auch in die richtige Form zurechtgeschliffen werden. Die geschmolzenen Materialien können auch aus dem Rohr in vorgewärmte Gräphitformen gegossen werden. Die gemischten, gepulverten Materialien können auch unter Drücken bis zu mindestens 70 kg/cm2 gepreßt und anschließend in geeigneter Weise erhitzt werden. Insbesondere bei Vorhandensein von Arsen hat es sich gezeigt, daß sich die Halbleiterschichten in einen unausgerichteten bzw. desorientierten regellosen oder allgemein in einem amorphen festen Zustand, dem Zustand hohen Widerstandes oder Sperrzustand, befinden. In diesen Fällen können während der Bildung der Körper bzw. Schichten blanke Elektroden eingebettet oder an deren Oberflächen angebracht werden, um die Halbleiterschaltvorrichtungen zu schaffen. Die Beeinflussung des elektrischen Stromes erfolgt in der Masse der Halbleitermaterialien.
In anderen Fällen hat es sich gezeigt, daß sich die in der oben beschriebenen Weise gebildeten Körper bzw. Schichten im kristallinartigen Zustand, der dem Zustand geringen Widerstandes oder hoher Leitfähigkeit entsprechen kann, befinden, und zwar wahrscheinlich wegen der langsamen Abkühlung der Halbleitermaterialien. In diesen Fällen ist es erforderlich, die Schichten, Körper oder deren Oberflächen in einen unausgerichteten oder allgemein amorphen Zustand überzuführen. Dies kann beispielsweise durch Verwendung unreiner Materialien, durch Zusatz von Verunreinigungen durch Einbringen von Oxyden in die Masse und bzw. oder in die Oberflächen oder Trennflächen, durch maschinelle Bearbeitung, durch Abstrahlen im Sandstrahlgebläse, durch Klopfen, Schlagen, Biegen, Ätzen oder durch Einwirken von Ultraschallwellen, durch Bildung physikalischer Gitterverformungen, durch Wärmebehandlung und schnelles Abschrecken oder durch Hochenergiebestrahlung mit öl-, ß- oder y-Strahlen, durch Sauerstoff, Salpetersäure oder Fluorwasserstoffsäure, Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Gold, Nickel, Eisen oder Mangan in Form von Einschlüssen, oder durch Ein-Schlüsse von Ionenverbindungen, die Alkali- oder Erdalkalimetall-Verbindungen enthalten, durch Behandlung mittels elektrischer Stromstöße oder durch Kombinationen dieser Maßnahmen erzielt werden. Auch wenn die Schichten bzw. Körper als Ganzes ίο in einer dieser Weisen in ihren unausgerichteten bzw. desorientierten oder allgemein amorphen festen Zustand übergeführt sind, können darin während der Bildung der Körper blanke Elektroden eingebettet werden. Die Beeinflussung des Stromes durch solche Halbleiterschaltvorrichtungen erfolgt ebenfalls in der Masse.
Eine andere Art der Strombeeinflussung in der Masse besteht darin, daß in die Schichten oder Körper Elektroden eingebettet werden, die mit Ausnähme ihrer Spitzen mit einer elektrischen Isolation, beispielsweise einem Oxyd des Elektrodenmaterials, versehen sind. Dann werden den Elektroden Stromstöße zugeführt, um das wirksame Halbleitermaterial zwischen den unisolierten Spitzen der Elektroden zu veranlassen, den desorientierten oder im allgemeinen amorphen Zustand anzunehmen.
Die Strombeeinflussung durch die Halbleiterschaltvorrichtungen kann auch durch die Oberflächen oder Filme der Halbleitermaterialien bewirkt werden, und in diesem Falle werden besonders gute Wirkungen erzielt. Hiernach werden die Schichten bzw. Körper des Halbleitermaterials, die sich in ihrem organisierten kristallinartigen festen Zustand niedrigen Widerstandes befinden, an ihren Oberflächen in einer der obengenannten Arten behandelt, so daß lediglich Oberflächen oder Filme geschaffen werden, die sich in einem desorientierten oder allgemein amorphen festen Zustand befinden. An den Oberflächen oder Filmen derartiger behandelter Körper werden dann Elektroden angebracht. Da sich die Masse der Schichten bzw. Körper in dem geordneteren oder kristallinartigen festen Zustand befindet, die Oberflächen oder Filme sich dagegen in einem desorientierten oder allgemein amorphen Zustand (hohen Widerstandes oder im wesentlichen vollständiger Isolierfähigkeit) befinden, wird die Strombeeinflussung zwischen den Elektroden in der Hauptsache durch die Oberflächen oder Filme bewirkt.
Die Schichten aus den obengenannten Halbleitermaterialien können auch als Überzug oder Auftrag auf einer geeigneten glatten Unterlage hergestellt werden, die ein Leiter oder Nichtleiter sein kann. Das Aufbringen des Halbleitermaterials geschieht z. B. durch Aufbringen im Vakuum. Dabei werden auf der Unterlage dünne Schichten oder Filme des Halbleitermaterials erzeugt, die sich in einen desorientierten oder allgemein amorphen festen Zustand (des hohen Widerstandes oder der im wesentlichen vollständigen Isolierfähigkeit) befinden. Die Halbleitermaterialien von festem Zustand nehmen diesen Zustand normalerweise, wahrscheinlich wegen des schnellen Abkühlens der Materialien bei deren Auftragen, an. Sie können auch in einer der oben beschriebenen Arten schnell dazu veranlaßt werden, einen solchen Zustand anzunehmen. An den Schichten auf der Unterlage werden in geeigneter Weise Elektroden angebracht. Die Strombeeinflussung wird hier durch die Schichten bewirkt.
7 8
Wenn die Unterlage ein Leiter ist, erfolgt die so daß der Sperrzustand geschaffen wird. Es wird Strombeeinflussung durch die Schichten zwischen den ferner angenommen, daß die Halbleitermaterialien Elektroden und der Unterlage. Falls erwünscht, kann vom amorphen Typ bei den gewöhnlichen oder übdie Unterlage selbst eine Elektrode bilden. liehen Gebrauchstemperaturen einen höheren WiderWenn die Unterlage ein Nichtleiter ist, erfolgt die 5 stand, einen größeren, nichtlinearen, negativen ther-Strombeeinflussung entlang der Schichten zwischen mischen Widerstandskoeffizienten, einen niedrigeren den Elektroden. Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und eine größere
Eine besonders befriedigende Halbleiterschaltvor- Differenz der elektrischen Leitfähigkeit zwischen dem richtung, die äußerst genau und in der Herstellung Sperrzustand und dem Leiterzustand als Halbleiterreproduzierbar ist, wurde durch Aufdampfen eines io materialien vom kristallinen Typ haben und daher für dünnen Filmes von Tellur, Arsen und Germanium zahlreiche Anwendungsfälle der Erfindung geeigneter auf eine glatte Unterlage und durch Anbringen von sind. Durch geeignete Wahl der Materialien und ihrer Wolframelektroden an dem aufgebrachten Film er- Abmessungen können die hohen Widerstandswerte zeugt. Durch gleichzeitiges Aufbringen dieser Mate- vorausbestimmt werden, und sie können nach Belierialien wird ein gleichförmig fester Film gebildet. Der 15 ben mit Widerständen bis zu Millionen Ohm ausge-FiIm kann jedoch auch durch Aufbringen aufeinan- legt werden.
derfolgender Schichten von Tellur, Arsen, Germa- Wenn an die Halbleitermaterialien (entweder vom
nium, Arsen und Tellur gebildet werden, und dabei kristallinen oder vom amorphen Typ) der Vorrich-
werden die aufgebrachten Schichten auf eine Tempe- tung gemäß der Erfindung in deren Sperrzustand ein
ratur unterhalb des Sublimierungspunktes des Arsens 20 elektrisches Feld, beispielsweise an die Elektroden
erhitzt, um den Film zu vergleichmäßigen und zu be- eine Spannung angelegt wird, sinkt der elektrische
festigen. Widerstand mindestens in Teilen oder Pfaden des
Die Schichtendicken, ob sie nun durch eine Schich- Halbleitermaterials zwischen den Elektroden allmäh-
tenbehandlung oder durch Aufbringen von Schichten lieh und langsam in dem Maß, in dem das angelegte
auf Unterlagen gebildet sind, können sich in einem 25 Feld verstärkt wird, bis schließlich das angelegte
Bereich bis zu einigen Mikrometern, einigen Zehntel- Feld oder die Spannung einen Schwellenwert er-
millimetern und darüber liegen. reicht, bei dem, wie erwähnt, mindestens Teile des
Die Elektroden der Halbleiterschaltvorrichtung be- Halbleitermaterials bzw. mindestens ein Pfad zwistehen vorzugsweise aus Materialien mit hohem sehen den Elektroden im wesentlichen augenblicklich Schmelzpunkt, z. B. Tantal, Graphit, Niob, Wolfram 30 in den Leiterzustand niedrigen Widerstandes über- und Molybdän. Diese Elektroden sind gewöhnlich geführt werden, bei dem Strom geleitet wird. Ververhältnismäßig inert in bezug auf die verschiedenen mutlich verursacht das angelegte Schwellenfeld oder obengenannten Halbleitermaterialien. die Schwellenspannung ein plötzliches Auslösen,
Die Elektroden können auch an den Schichtober- einen Zusammenbruch oder ein »Umschalten« des
flächen angebracht werden, beispielsweise durch me- 35 Halbleitermaterials mindestens in den erwähnten
chanisches Anpressen, durch Anschmelzen, An- Teilen oder Pfaden, und dieser Zusammenbruch
schweißen, Anlöten, durch Aufdampfen od. dgl. Vor- kann ein elektrischer und bzw. oder ein thermischer
zugsweise wird nach Anbringen der Elektroden ein sein, wobei der von dem elektrischen Feld oder der
Spannungs- und Stromstoß an den Vorrichtungen zur Spannung verursachte elektrische Zusammenbruch
Wirkung gebracht, um den elektrischen Kontakt zwi- 40 dann ausgeprägter ist, wenn der Abstand zwischen
sehen den Elektroden und den Halbleitermaterialien den Elektroden gering, beispielsweise in der Größen-
in einwandfreien Zustand zu versetzen und zu be- Ordnung eines Bruchteils eines Mikrometers ist und
festigen. der von dem elektrischen Feld oder der Spannung
Die Halbleiterschaltvorrichtungen können auch verursachte thermische Zusammenbruch dann auseingekapselt werden. . 45 geprägter ist, wenn die Abstände zwischen den Elek-
Es wird angenommen, daß die allgemein amor- troden größer sind. Für manche kristallartige Matephen, polymerartigen Halbleitermaterialien bedeu- rialien können die Abstände zwischen den Elektrotende ladungsträgerhemmende Zentren sowie einen den so klein sein, daß keine Sperrschicht-Gleichverhältnismäßig großen Energieabstand aufweisen, richtung und keine pn-Übergangswirkung auftreten daß sie wegen der amorphen Struktur und der vor- 5° kann, weil die Abstände geringer sind als die Uberhandenen ladungsträgerhemmenden Zentren eine ver- gangslänge oder Sperrschichthöhe. Die »Umschalthältnismäßig kleine durchschnittliche freie Weglänge zeit«, die zum Umschalten aus dem Sperrzustand in für die Ladungsträger, große räumliche Potential- den Leiterzustand erforderlich ist, ist außerordentlich Schwankungen und verhältnismäßig wenig freie La- kurz und beträgt weniger als einige Mikrosekunden. dungsträger aufweisen, so daß der Sperrzustand ho- 55 Der elektrische Zusammenbruch kann darauf zuhen Widerstandes zustande kommt. Es wird außer- rückzuführen sein, daß die Ladungsträger unter dem dem angenommen, daß auch die kristallinartigen Ma- Einfluß des angelegten elektrischen Feldes oder der terialien in ihrem Sperrzustand hohen Widerstandes Spannung rasch freigegeben werden, sich vermehren bedeutende ladungsträgerhemmende Zentren aufwei- und lawinenartig geleitet werden. Dies kann die Folge sen und wegen der Kristallgitterstruktur eine ver- 60 einer äußeren oder inneren Feldemission, einer von hältnismäßig große mittlere freie Weglänge für die den ladungsträgerhemmenden Zentren (Fallen, ReLadungsträger und daher eine verhältnismäßig hohe kombinationszentren od. dgl.) oder von Valenzbän-Beweglichkeit der Ladungsträger aufweisen, daß je- dem herrührenden Stoß- oder Kollisionsionisation, doch wegen der vorhandenen bedeutenden ladungs- die der bei der Entladung einer Gasentladungsröhre trägerhemmenden Zentren, wegen eines verhältnis- 65 auftretenden sehr ähnlich ist, oder einer Vermindemäßig großen Energieabstands und wegen der gro- rung der Höhe oder einer Abnahme der Breite der ßen räumlichen Potentialschwankungen nur verhält- möglichen Potentialschwellen sein. Auch ein Tunnismäßig wenig freie Ladungsträger vorhanden sind, neleffekt od. dgl. kann möglich sein. Es wird an-
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genommen, daß die örtliche Anordnung der Atome höheren Energiezuständen angeregt sind, Bänder von
und ihre räumliche Beziehung zueinander in den geringerer wirksamer Masse und infolgedessen höhe-
Kristallgittern in Materialien vom kristallinen Typ rer Beweglichkeit als bei niedrigeren Temperaturen
und die örtliche Anordnung und räumliche Beziehung und elektrischen Feldstärken belegen. Die Möglich-
zwischen den Atomen oder kleinen Kristallen oder 5 keit des Tunneleffektes steigt mit geringerer wirk-
Ketten- oder Ringsegmenten in den Materialien vom samer Masse und höherer Beweglichkeit. Es ist auch
amorphen Typ bei diesem Zusammenbruch von sol- möglich, daß eine Raumladung erzeugt werden kann,
eher Art sind, daß mindestens ein minimaler durch- da die Ladungsträger unterschiedliche Massen und
schnittlicher oder mittlerer freier Pfad für die La- Beweglichkeiten haben können und da ein inhomo-
dungsträger geschaffen wird, die durch das elektrische io genes elektrisches Feld erzeugt werden könnte, das
Feld oder die Spannung freigesetzt werden, die aus- die Beweglichkeit von Ladungsträgern in regenerati-
reichend ist, um eine angemessene Beschleunigung ver Art von einem zu einem anderen Wert kontinu-
der freien Ladungsträger unter der Wirkung des an- ierlich anheben könnte. In dem Maß, in dem die
gelegten elektrischen Feldes oder der Spannung zu Stromdichten der Vorrichtungen abnehmen, nehmen
gestatten, um die Stoß- oder Kollisionsionisation und 15 auch die Beweglichkeiten der Stromträger ab und in-
die elektrische Auslösung zu ermöglichen. Es wird folgedessen die Möglichkeiten zu, daß sie eingefan-
ferner angenommen, daß ein solcher minimaler mitt- gen werden. Im Leiterzustand wären die Stromträger
lerer freier Pfad für die Ladungsträger bei der amor- in höherem Maß energiebehaftet als ihre Umgebung
phen Struktur inhärent vorhanden ist und daß der und würden daher als »heiß« anzusehen sein. Es ist
Leiterzustand sowohl bei amorphen als auch bei 20 ungeklärt, an welchem Punkt die vorhandenen Mino-
kristallinen Zuständen weitgehend von der örtlichen ritätsträger einen Einfluß auf die Stromleitung haben
Anordnung abhängt. Wie oben ausgedrückt, kann könnten, jedoch besteht eine Möglichkeit, daß sie bei
in der kristallinen Struktur eine verhältnismäßig gewissen kritischen Niveaus eintreten und vorherr-
große mittlere freie Weglänge für die Ladungsträger sehen, d. h. Majoritätsträger werden,
vorhanden sein. 25 Es wird ferner angenommen, daß die Größe der
Der thermische Zusammenbruch kann auf eine Zunahme der mittleren freien Weglänge für die Joulsche Erwärmung von mindestens Teilen oder Ladungsträger im amorphartigen Halbleitermaterial Pfaden des Halbleitermaterials durch das angelegte und die erhöhte Beweglichkeit der Ladungsträger von elektrische Feld oder die Spannung zurückzuführen der Größe der Zunahme der Temperatur und der sein, wobei das Halbleitermaterial einen im wesent- 30 Feldstärke abhängen, und es ist möglich, daß die liehen nichtlinearen, negativen thermischen Wider- erwähnten, mindestens vorhandenen Teile oder Pfade standskoeffizienten und einen minimalen Wärmeleit- einiger der amorphartigen Halbleitermaterialien elekfähigkeitskoeffizienten hat und der Widerstand der irisch aktiviert und bis mindestens auf eine kritische mindestens vorhandenen Teile oder Pfade des Halb- Übergangstemperatur, beispielsweise eine Glasüberleitermaterials bei einer solchen Erwärmung schnell 35 gangstemperatur, bei der eine Erweichung aufzutreten abnimmt. In dieser Hinsicht wird angenommen, daß beginnt, erhitzt werden. Infolge einer solchen Zueine solche Abnahme des Widerstandes eine Er- nähme der mittleren freien Weglänge der Ladungshöhung des Stromes und eine rasche Erwärmung träger werden die von dem angelegten elektrischen durch Joulsche Wärme der mindestens vorhandenen Feld oder der Spannung erzeugten und freigegebenen Teile oder Pfade des Halbleitermaterials zur Folge 40 Ladungsträger schnell freigegeben und unter der Wirhat, so daß die Ladungsträger thermisch freigegeben kung des angelegten elektrischen Feldes oder der werden und von dem angelegten elektrischen Feld Spannung vermehrt und lawinenartig geleitet, so daß oder der Spannung in dem mittleren freien Pfad be- der Leiterzustand niedrigen Widerstandes geschafschleunigt werden, so daß eine lawinenartige rasche fen und aufrechterhalten wird.
Freigabe, Vermehrung und Leitung von Ladungsträ- 45 Die Spannung über die Vorrichtung ist in deren
gern und somit ein Zusammenbruch auftritt und daß, Leiterzustand im wesentlichen konstant, auch wenn
speziell im amorphen Zustand, die Überlappung von der Strom möglicherweise stark zu- bzw. abnimmt. In
Bahnen wegen der Art der örtlichen Anordnung un- diesem Zusammenhang wird angenommen, daß der
terschiedliche Nebenbänder in der Bandstruktur er- Querschnitt der leitfähigen Fäden, Bahnen oder
zeugen können. 50 Pfade zwischen den Elektroden bei Zu- und Ab-
Es wird auch angenommen, daß der so hervor- nähme des Stromes derart entsprechend zu- bzw. abgerufene Strom zwischen den Elektroden beim (elek- nimmt, daß während der Stromleitung ein Zustand irischen und/oder thermischen) Zusammenbruch im wesentlichen konstanter Spannung erhalten bleibt, mindestens in Teilen oder Bahnen des Halbleiter- Wenn die Stromstärke des durch die mindestens vormaterials zwischen den Elektroden eine im wesent- 55 handenen Teile oder Pfade des Halbleitermaterials liehen augenblickliche Erwärmung durch Joulsche fließenden Stromes auf einen zum Aufrechterhalten Wärme herbeiführt, so daß bei so erhöhten Tempe- des Stromes erforderlichen Mindestwert, den Halteraturen und unter dem Einfluß des elektrischen FeI- strom, der nahezu Null beträgt, abnimmt, bzw. unter des oder der Spannung weitere Ladungsträger frei- diesen sinkt, dürfte die Stromstärke nicht mehr ausgegeben werden, sich vermehren und lawinenartig 60 reichen, um diese Pfade oder Bahnen in ihrem Leigeleitet werden, so daß eine hohe Stromdichte und terzustand zu erhalten, so daß diese dann im wesentder Leiterzustand niedrigen Widerstandes geschaffen liehen augenblicklich in ihren Sperrzustand hohen werden, welche letzterer bei einer weitgehenden Ver- Widerstandes zurückgeschaltet werden oder zurückminderung der angelegten Spannung erhalten bleibt. kehren. Wenn dieser Zustand auftritt, werden also die Es ist möglich, daß die Steigerung der Beweglichkeit 65 stromleitenden Fäden, Bahnen oder Pfade zwischen der Ladungsträger bei höheren Temperaturen und den Elektroden unterbrochen. Die Abnahme der höheren elektrischen Feldstärken auf die Tatsache Stromstärke unter den Haltestrom kann dadurch herzurückzuführen ist, daß die Ladungsträger, da sie zu beigeführt werden, daß die angelegte Spannung auf
einen niedrigen Wert gesenkt wird. Die mindestens vorhandenen Teile oder Pfade des Halbleitermaterials können abermals im wesentlichen augenblicklich in ihren Leiterzustand zurückgeführt werden, in dem sie abermals durch die daran angelegte Spannung zur Stromleitung angeregt werden. Das Verhältnis der Widerstände im Sperrzustand und dem Leiterzustand ist außerordentlich hoch und beträgt beispielsweise mehr als 100 000:1. Im Leiterzustand kann der Widerstand, bestimmt von dem kleinen Spannungsabfall über die Vorrichtung, bis hinab zu 1 Ohm oder weniger und der Haltestrom für die Vorrichtung nahezu Null betragen.
Die Erfindung ist in einigen Ausführungsformen an Hand der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Darin zeigt
F i g. 1 ein beidseitig kontaktiertes Halbleiterbauelement in einem Wechselstromkreis mit einer Speisespannungsquelle und einem Verbraucher,
F i g. 2 und 3 Beispiele von sinusförmigen Spannungs- und Stromkurven in dem Stromkreis nach Fig.l,
Fig.4 die Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelements von F i g. 1,
F i g. 5 eine steuerbare Halbleiterschaltvorrichtung nach der Erfindung unter Verwendung von zwei Halbleiterschichten und einer Steuereinrichtung,
F i g. 6 eine Halbleiterschaltvorrichtung mit drei Elektroden am Halbleiterbauelement,
F i g. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drei Elektroden,
F i g. 8 eine Halbleiterschaltvorrichtung mit einem veränderbaren Widerstand,
F i g. 9 eine Halbleiterschaltvorrichtung nach Art von F i g. 6, bei der die Beeinflussung der Leitfähigkeit des Halbleiterbauelements durch ein einziges Steuersignal bewirkt wird,
Fig. 10 eine Halbleiterschaltvorrichtung nach F i g. 9, bei der die Beeinflussung der Leitfähigkeit des Halbleiterbauelements durch zwei Spannungsquellen bewirkt wird, die zu einer »ODER«-Schaltung geschaltet sind, und
Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform von F i g. 9, bei der die Beeinflussung der Leitfähigkeit des Halbleiterbauelements mittels zweier Spannungsquellen bewirkt wird, die zu einer »UND«-Schaltung geschaltet sind.
Gemäß Fig. 1 ist ein vereinfachter Lastkreis mit einem Körper 10 versehen, der mannigfaltige Formen annehmen kann und Halbleitermaterial als dünne Schicht oder Film aufweist oder aus solchem vollständig oder teilweise aus solchem Material besteht. Der Körper 10 hat zwei Elektroden 12-12', mittels deren er mit einem Verbraucher oder einer Last 14 und mit einer Spannungsquelle 16 elektrisch leitend verbunden ist. Die Spannungsquelle 16 ist eine Wechselspannungsquelle, deren Spannung einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf hat. Die Last 14 ist in F i g. 1 als Widerstand dargestellt.
Gemäß Fig. 2 und 3, die die Sinuskurven für Spannung und Strom im Stromkreis nach Fig.l zeigen, steigt der Strom I1 von Null an, wenn während der ersten Halbperiode nach Anschalten der Spannungsquelle 16 die von dieser gelieferten Spannung U1 zum ersten Mal den oberen Spannungsschwellwert Uscllw0 erreicht. Der Strom I1 folgt anschließend dem sinusförmigen Verlauf der angelegten Spannung U1 bis zu einem Punkt in der Nähe von Null, bei dem der Strom I1 einen vorgegebenen Wert, den Haltestrom, unterschreitet und die Halbleiterschaltvorrichtung vorübergehend in einen Sperrzustand zurückkehrt. Bei jeder folgenden Halbperiode nimmt die Vorrichtung zu einem Zeitpunkt die Leitfähigkeit wieder auf, der vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem die angelegte Spannung U1 den oberen Spannungsschwellwert Usclnvo bei einer Spannung erreicht, die als untere Schwellenspannung Usclwu bezeichnet
ίο wird. Diese untere Schwellenspannung Uschwn kann wesentlich niedriger als die obere Schwellenspannung Usc!lwo ausgelegt werden, insbesondere wenn das aktive Halbleitermaterial eine nennenswerte Dicke hat, bei der die Wärmestreuung geringer als die ideale ist. Für das Vorhandensein einer unteren Schwellenspannung Uschnm können jedoch möglicherweise noch andere Faktoren als die Temperatur verantwortlich sein. Die Halbleitervorrichtung wird als in ihrem Leiterzustand befindlich angesehen, obwohl sie bei jeder Halbperiode augenblicklich in ihren Sperrzustand zurückkehrt. Wenn jedoch der Maximalwert der Wechselspannung unter das Niveau der unteren Schwellenspannung UscInvu gesenkt wird, wird der Leiterzustand nicht bei jeder Halbperiode wiederhergestellt, und die Vorrichtung wird dann als im Sperrzustand befindlich angesehen. Nachdem die Vorrichtung nichtleitend geworden ist, kann sie so lange nicht wieder leitend werden, bis der Maximalwert der angelegten Wechselspannung mindestens die obere Schwellenspannung Uschw0 erreicht. Bleibt die Wechselspannung U0 mit ihrem Spitzenwert unter der Schwellenspannung, dann fließt auch kein Strom (Z2=O).
F i g. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik der Einzelschicht 2 für die positive und negative Halbperiode der angelegten Wechselspannung. Es ist zu bemerken, daß die Einzelschicht 2 Strom mit nennenswerter Stromstärke zu leiten beginnt, wenn der Momentanwert der angelegten Spannung die betreffende Schwellenspannung Uschw erreicht. Die an die Einzelschicht 2 angelegte Spannung sinkt dann plötzlich — gemäß der Übergangskurve 19 von der Sperrzustandskurve 18 zur Leiterzustandskurve 17 — auf einen sehr niedrigen Wert. Die Leiterzustandskurve 17 ist gegenüber der Ordinate (Spannung=Null) geringfügig versetzt. Sie läßt den geringen Widerstand der Einzelschicht 2 und den kleinen, im wesentlichen konstanten Spannungsabfall über diese im Leiterzustand erkennen. In diesem Zustand hat die Einzelschicht 2 ein konstantes Verhältnis zwischen Spannungs- und Stromänderungen, und der Spannungsabfall beträgt einen geringen Bruchteil des Spannungsabfalls über das aktive Halbleitermaterial der Einzelschicht 2 im Sperrzustand derselben, und der niedrige Spannungsabfall über diese in deren Leiterzustand ist oberhalb des Haltestromes der gleiche für Zu- und Abnahme des Momentanwertes der Stromstärke. Aus F i g. 4 ist auch zu erkennen, daß die Einzelschicht 2 den Sperrzustand bei jeder HaIbperiode der angelegten Wechselspannung augenblicklich wieder annimmt, wenn der Momentanwert der Stromstärke unter den Haltestrom abfällt. Nach jeder solchen momentanen Unterbrechung des Stromes bei einer Halbperiode wird in der nächsten Halbperiode der Leiterzustand wiederhergestellt, wenn der Momentanwert der angelegten Wechselspannung die betreffende Schwellenspannung bzw. den Spannungsschwellenwert erreicht.
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Gemäß F i g. 5 sind zwei Einzelschichten 2, T zwi- zustand zurück, wenn der hindurchfließende Strom sehen der Spannungsquelle 16 einer sinusförmigen auf einen niedrigen Wert in der Nähe von Null ab-Wechselspannung mit einem Effektivwert der gelie- sinkt. Die Leitfähigkeit wird an irgendeinem Punkt ferten Spannung von 110 V (Spitze 155 V) und einer während der nächsten Halbperiode wieder aufgenom-Last 14 in Reihe geschaltet. Jede Einzelschicht 2, 2' 5 men, wenn die Spannungsbedingungen des Stromweist einen dauernd leitfähigen Körper 10 a, 10 α' aus kreises es zulassen. Beim Ausschalten des Schalters Metall od. dgl. oder einem inaktiven und leitfähigen 25 geht der momentane Sperrzustand der Einzel-Halbleitermaterial und eine aktive gegebenenfalls als schichten 2, 2' in einen dauernden Sperrzustand über, Film ausgebildete Halbleiterschicht 10 έ, 10 δ' auf. denn durch Ausschalten des Schalters 25 wird die Jede Halbleiterschicht 10 b, 106' hat eine daran an- io von der Spannungsquelle 16 gelieferte Spannung von gebrachte Elektrode 12, 12', die die eine der Klem- der in Reihe geschalteten Einzelschicht 2' abgeschalmen der zugeordneten Vorrichtung bildet. Die andere tet. Diese vermindert im Verein mit dem nun geöff-Klemme jeder Einzelvorrichtung kann von dem leit- neten Stromkreis die Spannung an den Klemmen der fähigen Körper 10 a, 10 a' gebildet sein. Die Körper Einzelschicht 2 bis unterhalb des unteren Spannungs-10 a, 10 a' sind mittels eines Leiters 23 elektrisch leit- 15 schwellwertes.
fähig verbunden, und die Klemmen 12, 12' derselben Die Einzelschichten 2, 2' können gemäß F i g. 6 sind mittels je eines Leiters 22, 22' mit einer Klemme zweckmäßigerweise durch eine einzige Baueinheit 2" der Spannungsquelle 16 und mit der einen Seite der ersetzt werden. Wie dargestellt, hat die Baueinheit 2" Last 14 verbunden. Die andere Seite der Last 14 und nur eine Halbleiterschicht 10 b, die auf einem Kördie andere Klemme der Spannungsquelle 16 sind 20 per 10 a aufgelegt ist. Die äußere Oberfläche der durch einen Leiter 23' verbunden. Es wird angenom- Halbleiterschicht 10 b weist zwei im Abstand vonmen, daß jede der Einzelschichten 2, 2' einen oberen einander angeordnete Elektroden 12, 12' auf, die in Spannungsschwellenwert der Spitzenspannung von ihrer Funktion den Elektroden 12 und 12' nach 90 V (Effektivwert 63,6 V) und einen unteren Span- F i g. 5 entsprechen und ebenso zwischen die Spannungsschwellenwert der Spitzenspannung von 86 V 25 nungsquelle 16 und die Last 14 geschaltet sind. Die (Effektivwert 59,6 V) hat. Es ist daher augenschein- Steuereinrichtung 24 besteht aus dem Schalter 25 lieh, daß die von der Spannungsquelle 16 gelieferte und dem Widerstand 27. Die Steuereinrichtung ist Spannung nicht ausreicht, um die Einzelschichten 2, zwischen eine der Elektroden 12 und den Körper 10 a 2' von selbst zum »Kippen« zu bringen, da diese geschaltet, der eine gemeinsame Klemme für die beiSpannung die Summe der oberen Spannungsschwell- 30 den Abschnitte der Halbleiterschicht 10 b in der werte der Halbleiterschichten 10 ft, 106' nicht über- Nähe der Elektroden 12, 12' bildet, die wie zwei geschreitet. Die von der Spannungsquelle 16 gelieferte trennte Einzelschichten wirken, die in Reihe hinterSpannung überschreitet jedoch den oberen Span- einander geschaltet sind. Auf diese Weise fließt der nungsschwellwert jeder einzelnen der Halbleiter- Verbraucherstrom durch die Baueinheit 2" in hinterschichten 10 b, 10 b'. 35 einandergeschalteten Leitungswegen, einschließlich
Zwischen eine der Klemmen 12 einer der Einzel- des Leitungsweges, bestehend aus einer der Elektroschichten 2, 2' und den gemeinsamen Leiter 23, der den 12, dem benachbarten Abschnitt der Halbleiterdie Körper 10 a, 10 a' verbindet, ist eine Steuerein- schicht 10 b und dem Körper 10 a, und einschließlich richtung 24 geschaltet, so daß die Halbleiterschicht des Leitungsweges, bestehend aus dem Körper 10 a, 10 b parallel und die Halbleiterschicht 10 b' in Reihe 40 dem Abschnitt der Halbleiterschicht 10 b gegenüber zur Steuereinrichtung 24 geschaltet sind. Diese weist der Elektrode 12' und aus der Elektrode 12'.
einen normalerweise ausgeschalteten Schalter 25 in F i g. 7 zeigt eine andere körperliche Ausbildung Reihe mit einem Widerstand 27 auf, dessen Ohmwert einer Baueinheit 2 a, die an Stelle der Baueinheit 2" geringer als der Wechselstrom-Sperrwiderstand der nach F i g. 6 verwendbar ist. Sie weist einen leitfähi-Halbleiterschicht 106 der parallelgeschalteten Ein- 45 gen Körper 10 a und die Halbleiterschichten 106, zelschicht2, jedoch wesentlich größer als der Wech- 106' an dessen gegenüberliegenden Seiten auf. Die selstrom-Leiterwiderstand der Halbleiterschicht 106' Elektroden 12, 12' sind an je einer der Außenflächen ist, so daß bei Leitfähigkeit der Einzelschicht 2 der der Halbleiterschichten 10 6, 10 6' angebracht. Die Stromkreis nur wenig oder gar keinen Strom auf- Elektroden 12, 12' sind an die Spannungsquelle 16 nimmt. Wenn sich die Einzelschichten 2, 2' anfäng- 50 und die Last 14 angeschlossen. Der Körper 10 a zwilich in ihren Sperrzuständen befinden und der Schal- sehen den Halbleiterschichten 10 6, 10 6' wirkt als ter 25 eingeschaltet wird, beträgt der Spannungsabfall Schaltklemme der Halbleiterschaltvorrichtung wie über den Widerstand 27 wesentlich weniger als die bei der Baueinheit 2" in Fig. 6.
Hälfte der Speisespannung von der Spannungsquelle F i g. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung 16; der Wechselstromwiderstand der Last 14 ist als 55 zum Regeln der Grenzen einer veränderlichen Zuso gering angenommen, daß er vernachlässigt werden Standsgröße, deren Wert durch die Stromzufuhr zur kann. Die an den Klemmen der in Reihe geschalte- Last 14 erhöht oder vermindert wird. Die Last 14 ist ten Einzelschicht 2' angelegte Spannung reicht daher z. B. eine Heizwendel, ein Kühlkompressormotor, ein aus, um die Halbleiterschicht 106' in ihren leitfähi- Be- oder Entfeuchtermotor oder eine Relaiswicklung gen Zustand zu versetzen. Der Wechselstromwider- 60 zur Steuerung eines solchen. Der Stromkreis dieser stand des Widerstandes 27 ist so groß, daß durch Ausführungsform weist einen von der veränderlichen den Stromkreis nur wenig Strom fließt. Praktisch un- Zustandsgröße abhängigen Widerstand 27' auf, der mittelbar nach dem »Kippen« der Einzelschicht 2' die Leitfähigkeit der Halbleiterschichten 106 der wird auch die Einzelschicht 2 leitfähig, denn dann Baueinheit 2" steuert. Wenn die Stromzufuhr zur tritt im wesentlichen die gesamte, von der Spannungs- 65 Last 14 zu einer Erhöhung des Wertes der veränderquelle 16 gelieferte Spannung am Widerstand 17 auf. liehen Zustandsgröße führt, muß der Widerstand 27' Wie bereits angedeutet, kehren die Halbleiterschich- einen positiven Koeffizienten haben, und wenn die ten 10 6, 10 6' in jeder Halbperiode in ihren Sperr- Stromzufuhr zur Last 14 zu einer Verminderung des
15 16
Wertes der veränderlichen Zustandsgröße führt, muß weise in einer Weise, bei der nach einleitender Leit-
der Widerstand 27' einen negativen Koeffizienten fähigkeit der Abschnitte der Leitfähigkeitswinkel der-
haben. Hierbei ist erwünscht, daß der obere und der selben in jeder Halbperiode wesentlich weniger als
untere Spannungsschwellwert so nahe wie möglich 180° beträgt, also so nahe wie möglich bei 90° liegt,
beieinanderliegen, um eine gute Regelung zu erzielen. 5 Gemäß F i g. 9 wird die Leitfähigkeit der Bau-
Wie im Falle der F i g. 5 und 6 hat der Widerstand einheit 2" durch wahlweises Herbeiführen des Vor-27' zweckmäßigerweise einen Widerstandswert, der handenseins oder Fehlens einer einzigen Steuerweit oberhalb des Wechselstrom-Leitfähigkeitswider- spannung im Steuerkreis beeinflußt. Er weist einen Standes der Halbleiterschicht bzw. des betreffenden Widerstand 27" auf, der in Reihe mit einer Sekundär-Abschnitts derselben liegt, die bzw. der mit der io wicklung 29 b eines Transformators 29 geschaltet ist. Steuereinrichtung parallel geschaltet ist, so daß bei Es sei angenommen, daß der Wert des Widerstandes Stromleitung im Steuerstromkreis ein geringer oder 27" genügend groß ist, daß bei Fehlen einer in der gar kein Laststrom fließt. Hier wird angenommen, Sekundärwicklung 296 induzierten Steuerspannung daß der Wechselstromwiderstand der Last 14 im die an den in Reihe geschalteten Abschnitt der HaIb-Vergleich zum Wechselstrom-Sperrwiderstand der 15 leiterschicht 10 b zwischen der Elektrode 12' und dem Baueinheit 2" und des Widerstandes 27' vernachläs- Körper 10 a angelegte Spannung unterhalb des oberen sigbar ist. Wie bei der Beschreibung der Ausfüh- und des unteren Spannungsschwellwertes liegt und rungsform nach F i g. 6 angedeutet, muß der Wider- genügend klein ist, so daß der Spannungsabfall über stand 27' zum Einleiten der Leitfähigkeit der beiden diesen Widerstand unter dem unteren Spannungs-Abschnitte der Halbleiterschicht 10 b einen Wert 20 schwellwert des parallelgeschalteten Abschnittes der haben, der genügend unterhalb des Wechselstrom- Halbleiterschicht 10 b zwischen der Elektrode 12 Sperrwiderstandes des parallelgeschalteten Abschnitts und dem Körper 10 a liegt. Falls erwünscht ist, die liegt, so daß durch die Spannungsteilung zwischen Baueinheit 2" leitfähig zu machen, wird ein mit der dem Widerstand 27' und dem in Reihe geschalteten Primärwicklung 29 a des Transformators 29 in Reihe Abschnitt der Halbleiterschicht 106 die Spannung 25 geschalteter Schalter 30 eingeschaltet, so daß in der über diesem Abschnitt auf einen Wert oberhalb des Sekundärwicklung 29 b eine Spannung induziert wird, oberen Spannungsschwellwertes derselben festgelegt die zu der von der Spannungsquelle 16 der angelegwird, ten Spannung gelieferten Spannung in einer additiven
Falls die Spannungsquelle 16 einen Spitzenwert Beziehung steht, so daß die Spannung an dem in von 155 V (Effektivwert 110 V) hat, der obere Span- 30 Reihe geschalteten Abschnitt der Halbleiterschicht nungsschwellwert (Spitzenspannung) jedes der Ab- 10 b auf den oberen Spannungsschwellwert oder darschnitte der Halbleiterschicht 10 b bei 90 V (Effektiv- über angehoben wird. Die Primärwicklung 29 a des wert etwa 64 V) liegt und der Wechselstrom-Sperr- Transformators 29 kann mit der von der Spannungswiderstand jedes Abschnittes 1ΜΩ beträgt, hat der quelle 16 gelieferten Spannung gespeist werden, in Reihe geschaltete Abschnitt einen Spannungsabfall 35 Wenn dieser Abschnitt in den leitfähigen Zustand von 90 V, wenn der Widerstand 27' einen Wert von übergeführt wird, reicht der Spannungsabfall über 720 000 Ω hat. Dabei wird angenommen, daß die Zu- den Widerstand 27" mit der oder ohne die in der sammensetzung der Halbleiterschicht 10 b so be- Sekundärwicklung 29 b induzierte Spannung aus, um schaffen ist, daß sich der Wechselstrom-Sperrwider- den parallelgeschalteten Abschnitt der Halbleiterstand und die Spannungsschwellwerte desselben bei 40 schicht 10 b in den leitfähigen Zustand zu versetzen. Änderungen der Umgebungsbedingungen praktisch Nach Beseitigung der Spannung in der Sekundärnicht ändern. wicklung 29 b kehrt die Baueinheit in ihren Sperr-
Wird der in Reihe geschaltete Abschnitt leitend, so zustand zurück, denn es ist angenommen, daß der tritt im wesentlichen die gesamte angelegte Spannung Widerstandswert des Widerstandes 27" so groß ist, am Widerstand 27' und dem parallelgeschalteten Ab- 45 daß er den leitfähigen, in Reihe geschalteten Abschnitt auf, so daß dieser in den leitfähigen Zustand schnitt nichtleitend macht.
übergeführt wird. Die somit auftretende Stromzufuhr Gemäß F i g. 10 sind bei einer Abwandlung der zur Last 14 hat eine Änderung des Wertes der be- Ausführungsform von F i g. 9 zwei Spannungsquellen treffenden veränderlichen Zustandsgröße zur Folge, in eine »ODER«-Schaltung geschaltet. Sie dienen zur durch die der Wert des Widerstandes 27' erhöht wird. 50 Beeinflussung des Leitfähigkeitszustandes der Bau-Wenn der Widerstand 27' erhöht wird, nimmt der einheit 2". Der Widerstand 27' ist in Reihe mit einem Winkel der Leitfähigkeit der Baueinheit 2" allmäh- parallelen Stromkreis geschaltet, der die Sekundärlich gegen 90° hin ab, bei welchem Winkelwert die wicklung 29 b' eines Transformators 29' enthält. Die Halbleiterschaltvorrichtung in einen kontinuierlichen Primärwicklungen 29 a und 29 a' der Transforma-Sperrzustand übergeht. Die Änderung des Wertes des 55 toren 29, 29' sind über Schalter 30,30' angeschlossen, Widerstandes 27', die erforderlich ist, um die Vor- die durch veränderliche Zustandsgrößen beeinflußbar richtung nichtleitend zu machen, hängt mindestens sind, die die betreffende »ODER«-Funktion einer gezum Teil, wenn nicht vollständig, von dem unteren eigneten Steuerspannungsquelle, beispielsweise dem Spannungsschwellwert der Abschnitte bzw. der Halb- Ausgang der Spannungsquelle 16, zuführen sollen, leiterschicht 10 b ab. Je näher diese Spannungs- 60 Wenn entweder der Schalter 30 oder der Schalter 30' schwellwerte beisammenliegen, um so kleiner ist die geschlossen ist, wird in der Sekundärwicklung 29 b Änderung des Wertes des Widerstandes 27' zwischen oder 29 b' eine Spannung induziert, die die Baudem leitfähigen und dem nichtleitfähigen Zustand einheit 2" in der beschriebenen Weise leitfähig macht, der Baueinheit 2", und um so enger liegen die obere Wenn die Schalter 30 und 30' ausgeschaltet werden, und die untere Grenze der zu überwachenden ver- 65 wird die Baueinheit 2" nichtleitend,
änderlichenZustandsgröße beisammen.Für die maxi- Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 sind die male Genauigkeit der Regelung durch den Wider- Sekundärwicklungen 29 b, 29 b' der Transformatoren stand 27' arbeitet das Halbleitermaterial Vorzugs- 29 und 29' in einer logischen »UND«-Schaltung ge-
schaltet. Die Sekundärwicklungen 29 b, 29 b' der Transformatoren 29, 29' sind mit dem Widerstand 27" in Reihe geschaltet. Die in jeder der Sekundärwicklungen 29 b, 29 b' induzierte Spannung beträgt die Hälfte der in den Sekundärwicklungen 29 b bzw. 29b, 29b' der Ausführungsform nach Fig. 9 und 10
induzierten Spannung. Wenn also beide auf die veränderliche Zustandsgröße ansprechenden Schalter 30, 30' eingeschaltet sind, werden in beiden Sekundärwicklungen 29 b, 29 b' Spannungen induziert, die den leitfähigen Zustand der Baueinheit 2" herbeiführen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Steuerbare Halbleitervorrichtung zum Schalten von Wechselstrom, bei der eine beidseitig kontaktierte Halbleiterschicht mit symmetrischem Strom-Spannungsverhalten in Reihe in einen Wechselstromlastkreis geschaltet und ein Steuerkreis zum Verändern der elektrischen Leitfähigkeit der Halbleiterschicht aus einem Zustand hohen elektrischen Widerstands in einen Zustand niedrigen elektrischen Widerstands vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Halbleiterschicht (106) eine weitere beidseitig kontaktierte Halbleiterschicht (106') in Reihe in den Lastkreis geschaltet und für beide ein Halbleitermaterial verwendet ist, das eine Schwellenspannung, bei deren Überschreiten das Kippen in den Zustand niedrigen elektrischen Widerstands stattfindet, und einen Haltestrom aufweist, bei dessen Unterschreiten das Zurückkippen in den Zustand hohen elektrischen Widerstands stattfindet, und daß die Schwellenspannung jeder Halbleiterschicht (10/?, 106") kleiner als der Wert der Speisewechselspannung, jedoch die Summe der Schwellenspannungen größer als der Wert der Speisewechselspannung ist, und daß ferner der parallel zu der einen Halbleiterschicht (106) geschaltete Steuerkreis (24) eine so große Steuerspannung zum Umschalten an die betreffende Halbleiterschicht (106) anlegt, daß die an der anderen Halbleiterschicht (tOb') im Zustand hohen elektrischen Widerstands anliegende Spannung größer als die Schwellenspannung derselben wird.
    2. Halbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen den beiden Halbleiterschichten (106) aus einem gemeinsamen, beide Halbleiterschienen tragenden Körper (10a) besteht.
    3. Halbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeiehnet, daß der Steuerkreis einen veränderbaren Widerstand (27') aufweist.
    4. Halbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des Steuerkreises die Sekundärwicklung (296) eines Transformators (29) liegt, dessen Primärwicklung (29a) über einen Schalter (30) an die Spannungsquelle (16) der Speisewechselspannung angeschlossen ist ( F i g. 9).
    6. Halbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des Steuerkreises zwei Sekundärwicklungen (296, 296') je eines Transformators (29, 29') liegen, deren Primärwicklungen (29a, 29a') über je einen Schalter (30, 30') an die Spannungsquelle (16) der Speisewechselspannung angeschlossen sind (Fig.lOundil).
    6. Halbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (296, 296') und die Primärwicklungen (29a, 29a') jeweils zueinander parallel geschaltet sind (Fig.10).
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