DE1488834B2

DE1488834B2 - ARRANGEMENT FOR CONTROLLING THE CURRENT IN A LOAD CIRCUIT DEPENDING ON A PHYSICAL SIZE

Info

Publication number: DE1488834B2
Application number: DE19651488834
Authority: DE
Inventors: Stanford R Bloomfield Hills Mich Ovshinsky (V St A )
Original assignee: Energy Conversion Devices Ine , Troy,Mich (VStA)
Priority date: 1964-04-10
Filing date: 1965-04-09
Publication date: 1973-02-15
Also published as: DE1488834A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung des Stromes in einem von einer Quelle im wesentlichen konstanter Betriebsspannung gespeisten Laststromkreis in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe mittels eines in Reihe mit dem Laststromkreis liegenden Halbleiterelementes ohne Steuerelektrode, das im Laststromkreis zwei stabile Arbeitspunkte, und zwar je einen Arbeitspunkt bei hohem und bei niedrigem elektrischen Durchlaßwiderstand, und einen dazwischen liegenden instabilen Bereich aufweist, und dessen elektrische Charakteristik durch unmittelbare Einwirkung der physikalischen Größe derart änderbar ist, daß sich je nach dem Wert der physikalischen Größe einer der Arbeitspunkte einstellt.The invention relates to an arrangement for controlling the current in one of a source im essential constant operating voltage fed load circuit depending on a physical Size by means of a semiconductor element in series with the load circuit without a control electrode, that in the load circuit two stable working points, one working point each at high and low electrical resistance, and an unstable one in between Area, and its electrical characteristics due to the direct action of the physical Size can be changed in such a way that, depending on the value of the physical size, one of the Sets working points.

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1963, S. 132 bis 138). Als Halbleiterelement dient ein sogenannter PTC-Widerstand mit einem Bereich positiven Temperaturkoeffizientens. Die elektrische Charakteristik dieses aus Bariumtitanat bestehenden Elements weist einen von der Spannung Null mit der Spannung ansteigenden Ast der Strom-Spannungs-Charakteristik auf. Bei einem bestimmten Strom biegt die Charakteristik mit zunehmender Spannung in einen hyperbolischen Ast nach unten um. Wird eine Schwellenspannung am unteren Ende dieses hyperbolischen Astes überschritten, dann wird dieses als Thermistor dienende Element zerstört. Wird der Arbeitspunkt auf den ansteigenden Ast bei niedrigen Spannungen eingestellt und wird dafür gesorgt, daß sich der hyperbolische Ast durch eine Temperaturänderung nach unten verschiebt, so wird bei einer von dem eingestellten Arbeitspunkt abhängigen Verschiebung an ein Arbeitspunkt auf dem hyperbolischen Ast eingestellt. So wird das Element durch Temperaturerhöhung vom Zustand niedrigen Widerstands in den Zustand hohen Widerstands umgeschaltet. Soll das EIement vom Zustand hohen Widerstands in den Zustand niedrigen Widerstands umgeschaltet werden, dann ist es erforderlich, die Umgebungstemperaturen weit unter dem Gefrierpunkt zu halten, sofern die Anordnung vorübergehend nicht vollständig vom Netz getrennt wird, damit das Element abkühlen kann. Da solche Maßnahmen höchst unerwünscht sind, ist es bekannt, durch zusätzliche Relais das Umschalten in den Leitzustand zu erleichtern.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung solcher Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Anordnung dahingehend zu verbessern, daß sie bei Überschreiten von Schwellenspannungen nicht zerstört wird und daß sowohl das Umschalten vom Sperr- in den Leitzustand als auch das Umschalten vom Leit- in den Sperrzustand mit einfachen Mitteln möglich ist.Such an arrangement is already known ("Electronic Rundschau" magazine, 1963, pp. 132 to 138). A so-called PTC resistor with a range of positive temperature coefficients is used as the semiconductor element. The electrical characteristics of this barium titanate element have a branch of the current-voltage characteristic that rises from zero voltage with voltage. At a certain current, the characteristic bends downward into a hyperbolic branch with increasing voltage. If a threshold voltage is exceeded at the lower end of this hyperbolic branch, then this element serving as a thermistor is destroyed. If the operating point is set to the rising branch at low voltages and it is ensured that the hyperbolic branch is shifted downwards due to a temperature change, an operating point on the hyperbolic branch is set in the case of a shift depending on the set operating point. The element is switched from the low resistance state to the high resistance state by increasing the temperature. If the element is to be switched from the high resistance state to the low resistance state, then it is necessary to keep the ambient temperature well below freezing point, unless the arrangement is temporarily completely disconnected from the mains so that the element can cool down. Since such measures are highly undesirable, it is known to make switching to the control state easier by using additional relays.
The invention aims to avoid such disadvantages. It is based on the task of improving the above-mentioned arrangement so that it is not destroyed when threshold voltages are exceeded and that both switching from the blocking to the conducting state and switching from the conducting to the blocking state is possible with simple means.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durchThis object is achieved according to the invention with an arrangement of the type mentioned at the beginning

die Verwendung eines Halbleiterelementes mit einer Strom-Spannungs-Charakteristik, deren Schwellenspannung durch die physikalische Größe änderbar ist und bei der sich der elektrische Durchlaßwiderstand unabhängig von der Stromrichtung bei Verminderung der Schwellenspannung unter die anliegende Betriebsspannung im wesentlichen plötzlich und sprunghaft vermindert und bei Abfall des Stromflusses unter einen Schwellenstrom im wesentlichen plötzlich und sprunghaft erhöht.the use of a semiconductor element with a current-voltage characteristic, its threshold voltage can be changed by the physical quantity and in which the electrical forward resistance regardless of the direction of the current when the threshold voltage is reduced below the applied voltage Operating voltage is reduced essentially suddenly and abruptly and when the current flow drops increases substantially suddenly and abruptly below a threshold current.

Mit anderen Worten findet das Umschalten vom Sperr- in den Leitzustand dadurch statt, daß die am Halbleiterelement anliegende Spannung die Schwellenspannung mindestens erreicht. Da eine im wesentlichen konstante Betriebsspannung anliegt, macht man sich die Eigenschaft des Halbleiterelements zunutze, seine Schwellenspannung in Abhängigkeit von der physikalischen Größe zu ändern. Es ist dann lediglich erforderlich, die physikalische Größe so weit zu ändern, daß die Schwellenspannung die anliegende Spannung erreicht oder unterschreitet, um in den Leitzustand umzuschalten. Dabei findet keine Zerstörung des Halbleitermaterials statt; Soll in den Sperrzustand zurückgeschaltet werden, dann ist der durch das Halbleiterelement fließende Strom lediglich so weit zu vermindern, daß er unter einen Schwellenstrom gelangt. Die Verhältnisse sind symmetrisch, d.h., daß das Um- und Zurückschalten von der Stromrichtung unabhängig ist.In other words, the switchover from the blocking to the routing state takes place in that the am The voltage applied to the semiconductor element has at least reached the threshold voltage. Because one essentially constant operating voltage is applied, one makes use of the property of the semiconductor element, to change its threshold voltage depending on the physical quantity. It is then only required to change the physical quantity so far that the threshold voltage is the applied Voltage reached or undercut to switch to the control state. There is no destruction of the semiconductor material instead; If you want to switch back to the locked state, then it is through the semiconductor element only to reduce the current flowing so far that it is below a threshold current got. The relationships are symmetrical, i.e. switching and switching back from the Current direction is independent.

Es empfiehlt sich, ein Halbleiterelement mit einer solchen Strom-Spannungs-Charakteristik zu verwenden, bei der sich der Schwellenstrom in der Nähe vom Stromwert Null befindet. Dadurch ist es möglich, im Leitzustand bis zu sehr niedrigen Strömen zu verbleiben und erst dann in den Sperrzustand umzuschalten, wenn der Strom praktisch den Wert Null erreicht hat.It is recommended to use a semiconductor element with such a current-voltage characteristic, at which the threshold current is close to the current value zero. This makes it possible to use the To remain conductive state down to very low currents and only then to switch to the blocking state, when the current has practically reached zero.

Für das Halbleiterelement können Halbleitermaterialien verwendet werden, die bereits vorgeschlagen wurden (deutsche Auslegeschrift 1 464 574). Als Halbleitermaterialien können Telluride, Selenide oder Sulfide von im wesentlichen jedem beliebigen Metall, Nichtmetalle, intermetallische Verbindungen, feste Lösungen oder deren Gemische verwendet werden. Besonders gute Wirkungen werden mit solchen Grundmaterialien wie Selen, Schwefel und insbesondere Tellur erzielt, die sehr ungewöhnliche Atomstrukturen und chemische Eigenschaften haben. Es wird angenommen, daß Verbindungen dieser Materialien sowie Verbindungen dieser mit anderen Materialien Ketten- oder Polymertypen sind, die eine kovalente Bindung aufweisen. Es ist anzunehmen, daß dies ein wichtiger Faktor dafür ist, daß solche Halbleitermaterialien verschiedene Zustände annehmen. Diese sind einerseits ein sehr ungeordneter oder im allgemeinen amorpher fester (nichtkristalliner) Zustand mit hohem elektrischem Widerstand, bei dem möglicherweise verhältnismäßig kleine Kristalle vorhanden sind, die möglicherweise regellos darin ausgerichtet sind (die verhältnismäßig kleinen Kristalle sind wahrscheinlich kleiner als etwa 0,1 μπι und zeigen bei Röntgendiffraktion eine Pulveranordnung), und andererseits ein vorübergehender und in höherem Maße durch Ordnung ausgezeichneter fester Zustand mit niedrigem Widerstand, bei dem möglicherweise verhältnismäßig große Kristalle vorhanden sind (die wahrscheinlich größer als etwa 0,1 μΐη sind und bei Röntgendiffraktion ein Kristallmüster zeigen). Möglich ist auch ein vorübergehender geschmolzener Zustand, bei dem Kristallite von höherer Schmelztemperatur vorhanden sein können und der ebenfalls ein Zustand geringen Widerstandes ist. Es wird angenommen, daß eine kristallisierungshindernde Neigung besonders dann ausgeprägt ist, wenn die Prozentanteile der Grundmaterialien und der mitwirkenden Materialien verhältnismäßig entfernt sind von den stöchiometrischen und eutektischen Verhältnissen der Materialien und bzw. oder wenn die mitwirkendenSemiconductor materials that have already been proposed can be used for the semiconductor element (German Auslegeschrift 1 464 574). Tellurides, selenides can be used as semiconductor materials or sulfides of essentially any metal, non-metals, intermetallic compounds, solid solutions or mixtures thereof can be used. Particularly good effects are achieved with such Basic materials like selenium, sulfur and especially tellurium achieved the very unusual atomic structures and have chemical properties. It is believed that compounds of these materials as well as compounds of these with other materials are chain or polymer types, the one have covalent bond. It can be assumed that this is an important factor in that such Semiconductor materials assume different states. These are, on the one hand, a very disorderly or generally amorphous solid (non-crystalline) state with high electrical resistance in which there may be relatively small crystals that may be randomly aligned in it are (the relatively small crystals are probably smaller than about 0.1 μπι and show a powder arrangement in X-ray diffraction), and on the other hand a temporary and higher one Dimensions by order excellent solid state with low resistance where possibly relatively large crystals are present (which are probably larger than about 0.1 μΐη and at X-ray diffraction to show a crystal mast). A temporary molten state is also possible, in which crystallites of higher melting temperature can be present and which is also a State of low resistance. It is believed to have an anti-crystallization tendency is particularly pronounced when the percentages of the basic materials and those involved Materials are relatively distant from the stoichiometric and eutectic ratios of the Materials and / or if the contributors

ίο Materialien selbst stark kristallisierungshindernde Eigenschaften haben, wie beispielsweise Germanium, Arsen, Gallium od. dgl. Wenn die Halbleitermaterialien stark kristallisationshindernde Eigenschaften haben, kehren sie leicht wieder in ihren in höherem Maße regellosen oder allgemein amorphen festen Strukturzustand zurück.ίο Materials themselves strongly impede crystallization Have properties such as germanium, arsenic, gallium or the like. If the semiconductor materials have strong crystallization-preventing properties, they easily return to their higher levels Measures random or generally amorphous solid structural state.

Im folgenden werden einige Beispiele einiger für das Halbleiterbauelement gut verwendbarer Materialien angegeben. (Alle Prozentzahlen beziehen sichThe following are some examples of some of the materials that can be used well for the semiconductor device specified. (All percentages relate

auf Gewichtsteile.) : :on parts by weight.)::

25% Arsen und 75% eines Gemisches aus ...... 90% Tellur und 10% Germanium; auch mit25% arsenic and 75% of a mixture of ...... 90% tellurium and 10% germanium; also with

Zusatz von 5% Silizium; « 75% Tellur und 25% Arsen;Addition of 5% silicon; «75% tellurium and 25% arsenic;

71,8% Tellur, 14,05% Arsen, 13,06% Gallium71.8% tellurium, 14.05% arsenic, 13.06% gallium

und Rest Bleisulfid;and the remainder is lead sulfide;

72,6% Tellur, 17,2% Arsen und 13,2% Gallium; 76,6% Tellur, 27,4% Galliumarsenid; 85% Tellur, 12% Germanium und 3% Silizium; 50% Tellur, 50% Gallium;
67,2% Tellur, 25,3% Galliumarsenid und72.6% tellurium, 17.2% arsenic, and 13.2% gallium; 76.6% tellurium, 27.4% gallium arsenide; 85% tellurium, 12% germanium and 3% silicon; 50% tellurium, 50% gallium;
67.2% tellurium, 25.3% gallium arsenide and

7,5% n-Germanium;
75 % Tellur und 25 % Silizium; 75% Tellur und 25 % Indiumantimonid; 55 % Tellur und 45 % Germanium; 45% Tellur und 55 % Germanium; 75% Selen und 25% Arsen;
87% Tellur und 13 % Aluminium; 90 % Tellur und 10 % Aluminium-So % Tellur, 13% Aluminium, 1% Selen; 50% Tellur, 50% Aluminium; 50% Aluminiumtellurid und 50% Indmmtellurid; 50% Aluminiumtellurid und 50% Galliumtellurid.7.5% n-germanium;
75% tellurium and 25% silicon; 75% tellurium and 25% indium antimonide; 55% tellurium and 45% germanium; 45% tellurium and 55% germanium; 75% selenium and 25% arsenic;
87% tellurium and 13% aluminum; 90% tellurium and 10% aluminum-So% tellurium, 13% aluminum, 1% selenium; 50% tellurium, 50% aluminum; 50% aluminum telluride and 50% indmm telluride; 50% aluminum telluride and 50% gallium telluride.

Die genannten Halbleitermaterialien haben negative thermische Widerstandskoeffizienten, und diejenigen, die Selen, Silizium und Galliumarsenid enthalten, haben besonders hohe negative thermische Widerstandskoeffizienten und sind daher besonders gut für die Zwecke der Erfindung geeignet. Auch Silbertellurid hat einen hohen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten und kann, ebenso wie Selen, Silizium und Galliumarsenid anstatt der genannten Halbleitermaterialien oder zusätzlich zu diesen zur Erzielung des gewünschten hohen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten verwendet werden. Halbleitermaterialien dieser Art können z. B. dadurch hergestellt werden, daß die Ausgangsmaterialien in einem unglasierten Porzellanmörser zu einer gleichmäßigen pulverförmigen Konsistenz, insbesondere im Beisein von Luft (wenn das Vorhandensein beträchtlicher Oxydmengen in den fertigen Halbleiterelementen gewünscht wird) zermahlen und gründlich vermischt werden. Dann wird die Mischung in einem dicht verschlossenen Quarzrohr bis über den Schmelzpunkt des Materials mit dem höchsten Schmelzpunkt erhitzt. Die Schmelze wird im Rohr gekühlt, dann inThe semiconductor materials mentioned have negative thermal resistance coefficients, and those which contain selenium, silicon and gallium arsenide have particularly high negative thermal Resistance coefficients and are therefore particularly well suited for the purposes of the invention. Even Silver telluride has a high negative thermal resistance coefficient and, like selenium, can Silicon and gallium arsenide instead of or in addition to the mentioned semiconductor materials for Achievement of the desired high negative coefficient of thermal resistance can be used. Semiconductor materials of this type can, for. B. be prepared in that the starting materials in an unglazed porcelain mortar to a uniform powdery consistency, in particular in the presence of air (if the presence of considerable amounts of oxide in the finished semiconductor elements is desired) grind and mix thoroughly. Then the mixture becomes in one tightly sealed quartz tube to above the melting point of the material with the highest melting point heated. The melt is cooled in the tube, then in

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Stücke gebrochen oder geschnitten. Die Stücke werden nun auf die richtige Form zur Bildung von Körperchen oder Körnchen geschliffen. Die Schmelze kann zur Bildung der Körperchen auch aus dem Rohr in vorgewärmte Graphitformen gegossen werden. Statt dessen können die gemischten gepulverten Materialien unter Drücken bis zu mindestens 70 kp/cm² so lange gepreßt werden, bis die gepulverten Materialien vollständig kompakt geworden sind; die vollständig kompakt gewordenen Materialien können dann erwärmt werden.Pieces broken or cut. The pieces are now ground to the correct shape to form corpuscles or granules. The melt can also be poured from the tube into preheated graphite molds to form the corpuscles. Instead, the mixed powdered materials can be pressed under pressures of up to at least 70 kgf / cm ² until the powdered materials have become completely compact; the completely compacted materials can then be heated.

Insbesondere dann, wenn in den Körpern Arsen vorhanden ist, hat es sich gezeigt, daß die Körper sich in ihrem ungeordneten oder allgemein amorphen festen Zustand, dem Zustand hohen Widerstandes oder Sperrzustand, befinden. Während der Bildung der Körper können blanke Elektroden in diese eingebettet und bzw. oder an deren Flächen angebracht werden.In particular, when arsenic is present in the bodies, it has been shown that the bodies themselves in their disordered or generally amorphous solid state, the state of high resistance or locked state. During the formation of the body, bare electrodes can be embedded in them and / or are attached to their surfaces.

In anderen, und zwar den häufigsten Fällen hat es sich gezeigt, daß sich die Körper gewöhnlich in ihrem stärker geordneten oder kristallinen festen Zustand, also dem Leitzustand geringen Widerstandes befinden, was wahrscheinlich auf das langsame Abkühlen der Halbleitermaterialien -während der Bildung der Körperchen zurückzuführen ist. In diesen Fällen ist es erforderlich, die Körperchen oder Teile derselben oder deren Flächen in ihrem ungeordneten Zustand überzuführen. Dies geschieht beispielsweise unter Verwendung von unreinen Materialien, durch Zusatz von Verunreinigungen, Einschließen von Oxyden in die Masse und bzw. oder in die Oberflächen, mechanisch durch maschinelle Bearbeitung, Sandstrahlen, Schlagen, Stoßen, Biegen, Ätzen oder Einwirkung von Ultraschallwellen, metallurgisch durch Bildung physikalischer Gitterverformungen durch Wärmebehandeln und Abschrecken oder durch Hochenergiebestrahlung mit α-, β- oder y-Strahlen, chemisch durch Einfügen von Sauerstoff, Salpeter- oder Fluorwasserstoffsäure, Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Gold, Nikkei, Eisen, Mangan oder Ionenverbindungen, einschließlich Alkali- oder Alkalierdmetallverbindungen, elektrisch durch pulsierenden Strom oder durch Kombination dieser Maßnahmen. Sind die Körperchen in den ungeordneten Zustand übergeführt, dann können blanke Elektroden während der Bildung der Körperchen darin eingebettet werden. In die Körperchen können auch solche Elektroden eingebettet werden, die, mit Ausnahme ihrer Spitzen, mit elektrischer Isolierung, beispielsweise mit einem Oxyd des Elektrodenmaterials überzogen sind. Dann werden an den Elektroden Stromstöße zur Wirkung gebracht, die das wirksame Halbleitermaterial zwischen den unisolierten Spitzen der Elektroden veranlassen, seinen ungeordneten Sperrzustand anzunehmen. Besonders gute Wirkungen bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden dann erzielt, wenn die Oberflächen der Körper aus dem Halbleitermaterial, die sich in ihrem ausgerichteten kristallinen festen Zustand befinden, in einer der oben angegebenen Arten behandelt werden, so daß Halbleiteroberflächen oder -schichten geschaffen werden, die sich in ihrem ungeordneten Zustand befinden. Die Elektroden werden in geeigneter Weise an den Oberflächen derart behandelter Körper angebracht. Da sich die Masse der Körper in dem stärker geordneten oder kristallinen Leitzustand, die Oberflächen oder Schichten sich dagegen im ungeordneten Sperrzustand befinden, erfolgt die Stromsteuerung zwischen den Elektroden in der Hauptsache durch die genannten Oberflächen oder Schichten. Anstatt Körper zu bilden, können die Halbleitermaterialien auch auf eine geeignete glatte Unterschicht als Überzug beispielsweise im Vakuum aufgebracht werden, so daß sich dann auf der Unterlage in der Regel Halbleiterschichten befinden, die sich in ihrem ungeordneten oder im allgemeinen amporphen festen Zustand befinden, wahrscheinlich deshalb, weil die Materialien beim Aufbringen schnell abgekühlt werden. Eine besonders befriedigende Methode, die außerordentlich genau und in der Herstellung leicht wiederholbar ist, besteht im Aufdampfen eines dünnen Filmes aus Tellur, Arsen und Germanium auf eine glatte Unterlage und durch Anbringen von Wolframelektroden an dem aufgebrachten Film. Der Film kann durch gleichzeitiges Aufbringen dieser Materialien oder durch Aufbringen aufeinanderfolgender Lagen von Tellur, Arsen, Germanium, Arsen und Tellur gebildet werden. Im letzten Falle werden die aufgebrachten Schichten auf eine Temperatur unterhalb des Sublimierungspunktes des Arsens erhitzt, um den Film zu vergleichmäßigen und zu befestigen. Die Dicke der Oberflächen oder Schicht bzw. Filme kann in der Größenordnung von einigen Zehntausendsteln Zoll bis zur Dicke von mehreren Hundertstem Zoll und darüber betragen.In other, and indeed the most common, cases it has been shown that the bodies are usually in their more ordered or crystalline solid state, i.e. the conduction state of low resistance, which is probably due to the slow cooling of the semiconductor materials during the formation of the corpuscles . In these cases it is necessary to transfer the corpuscles or parts thereof or their surfaces in their disordered state. This is done, for example, by using impure materials, by adding impurities, including oxides in the mass and / or in the surfaces, mechanically by machining, sandblasting, hitting, pushing, bending, etching or the action of ultrasonic waves, metallurgically by formation physical lattice deformations through heat treatment and quenching or through high-energy radiation with α, β or y rays, chemically through the addition of oxygen, nitric or hydrofluoric acid, chlorine, sulfur, carbon, gold, nickel, iron, manganese or ionic compounds, including alkali or alkaline earth metal compounds, electrically by pulsating current or by a combination of these measures. If the corpuscles are disordered, then bare electrodes can be embedded therein during the formation of the corpuscles. Electrodes which, with the exception of their tips, are coated with electrical insulation, for example with an oxide of the electrode material, can also be embedded in the corpuscles. Current surges are then applied to the electrodes, which cause the active semiconductor material between the uninsulated tips of the electrodes to assume its disordered blocking state. Particularly good effects in the arrangement according to the invention are achieved when the surfaces of the bodies made of the semiconductor material, which are in their aligned crystalline solid state, are treated in one of the ways indicated above, so that semiconductor surfaces or layers are created which are are in their disordered state. The electrodes are attached in a suitable manner to the surfaces of bodies treated in this way. Since the mass of the body is in the more ordered or crystalline conductive state, while the surfaces or layers are in the disordered blocking state, the current control between the electrodes is mainly carried out by the surfaces or layers mentioned. Instead of forming bodies, the semiconductor materials can also be applied to a suitable smooth sub-layer as a coating, for example in a vacuum, so that then, as a rule, semiconductor layers are located on the base which are in their disordered or generally amorphous solid state, probably for this reason because the materials are quickly cooled when they are applied. A particularly satisfactory method, which is extremely precise and easily reproducible in production, consists in the vapor deposition of a thin film of tellurium, arsenic and germanium on a smooth surface and by attaching tungsten electrodes to the applied film. The film can be formed by applying these materials simultaneously or by applying successive layers of tellurium, arsenic, germanium, arsenic and tellurium. In the latter case, the applied layers are heated to a temperature below the sublimation point of arsenic in order to even out and fix the film. The thickness of the surfaces or layers or films can be on the order of tens of thousands of an inch to several hundredths of an inch and more.

Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem guten elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Tantal, Graphit, Niob, Wolfram und Molybdän. Solche Elektroden sind gewöhnlich auch verhältnismäßig inert gegenüber den obengenannten Halbleitermaterialien.The electrodes are preferably made of a good electrical conductor, preferably made of materials high melting point, e.g. B. tantalum, graphite, niobium, tungsten and molybdenum. Such electrodes are usually also relatively inert to the aforementioned semiconductor materials.

Wenn die Elektroden nicht in die Körperchen eingebettet werden, können sie an den Oberflächen oder Filmen der Körperchen oder an den auf die Unterlagen aufgebrachten Oberflächen oder Filme beispielsweise durch mechanisches Anpressen, Anschmelzen, Anlöten oder Aufdampfen angebracht werden. Vorzugsweise wird nach Anbringen der Elektroden auf das Halbleiterelement ein Spannungs- oder Stromstoß zur Wirkung gebracht, um den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und den Halbleitermaterialien in einwandfreien Zustand zu versetzen und zu befestigen. Die Stromsteuervorrichtungen können, wenn erwünscht, verkapselt werden.If the electrodes are not embedded in the corpuscles, they can be attached to the surfaces or For example, filming the corpuscles or on the surfaces or films applied to the substrates be attached by mechanical pressing, melting, soldering or vapor deposition. Preferably after attaching the electrodes brought on the semiconductor element a voltage or current surge to the effect to the electrical To put contact between the electrodes and the semiconductor materials in perfect condition and to attach. The current control devices can be encapsulated if desired.

Als physikalische Größe dient vor allem die Temperatur, doch hat sich gezeigt, daß die Halbleiterelemente auch durch andere physikalische Größen, insbesondere durch Druck, durch Feuchtigkeit und durch Lichtenergie hinsichtlich der Schwellenspannung gut beeinflußbar sind.The temperature above all serves as a physical quantity, but it has been shown that the semiconductor elements also through other physical quantities, in particular through pressure, through moisture and the threshold voltage can be easily influenced by light energy.

Obwohl sich die Erfindung sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom-Laststromkreise eignet, lassen sich insbesondere Wechselstromverbraucher sehr gut steuern. Bei einem derartigen, auf Wärme ansprechenden Wechselstromsteuersystem gehen mindestens Teile des Halbleitermaterials zwischen den Elektroden, wenn sie sich in ihrem Leitzustand oberhalb einer unteren Schwellenspannung befinden, im wesentlichen augenblicklich und intermittierend während jeder Halbperiode der im wesentlichen konstanten Wechselspannung in ihren Sperrzustand über, wenn sich der Momentanwert des Wechselstromes dem Nullwert nähert, d. h. den Schwellenstrom unterschreitet, und zwar für die Dauer von Intervallen, die in dem Maß größer bzw. kleiner werden, in dem die Anordnung unter bzw. über denAlthough the invention applies to both direct current and alternating current load circuits AC consumers in particular can be controlled very well. With such a AC control systems responsive to heat interpose at least portions of the semiconductor material the electrodes when they are in their conductive state above a lower threshold voltage are essentially instantaneous and intermittent during each half cycle of the essentially constant alternating voltage into its blocking state when the instantaneous value of the Alternating current approaches zero, d. H. falls below the threshold current for the duration of intervals that become larger or smaller as the arrangement is below or above the

niedrigen Temperaturwert abgekühlt oder erwärmt wird. Auf diese Weise kann das prozentuelle Verhältnis zwischen Entregung und Erregung des Wechselstromverbrauchers entsprechend der Temperatur der Anordnung oberhalb des niedrigen Temperaturwertes verändert werden, so daß eine Modulation der dem Wechselstromverbraucher zugeführten durchschnittlichen elektrischen Energie ermöglicht wird.low temperature value is cooled or heated. This way the percentage ratio can be between de-excitation and excitation of the AC consumer according to the temperature of the Arrangement can be changed above the low temperature value, so that a modulation of the dem AC consumers supplied average electrical energy is made possible.

Nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist das Halbleiterelement mit einem elektrischen Heizelement ausgerüstet, durch das im eingeschalteten Zustand das Halbleiterelement bis über eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar und im ausgeschalteten Zustand abkühlbar ist, und ist für die Ein- und Ausschaltung des Heizelements ein elektrischer Steuerstromkreis vorgesehen.According to a particular embodiment of the invention, the semiconductor element is provided with an electrical heating element equipped, through which the semiconductor element in the switched-on state up to a predetermined Temperature can be heated and when switched off can be cooled, and is for the on and Switching off the heating element provided an electrical control circuit.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Darin zeigtSome exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. In it shows

F i g. 1 ein Schaltschema einer Anordnung gemäß der Erfindung mit einem auf Temperaturänderungen ansprechenden Halbleiterelement von festem Aggregatzustand, F i g. 1 is a circuit diagram of an arrangement according to the invention with a temperature change appealing solid state semiconductor element,

F i g. 2 ein Schaltschema ähnlich F i g. 1 zur Veranschaulichung einer Anordnung, bei der das wärmeempfindliche Halbleiterelement mittels eines Steuerstromkreises gesteuert ist, der ein zur Anordnung gehörendes elektrisches Heizelement aufweist,F i g. 2 shows a circuit diagram similar to FIG. 1 for illustration an arrangement in which the heat-sensitive semiconductor element by means of a control circuit is controlled, which has an electrical heating element belonging to the arrangement,

F i g. 3 bis 6 Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Halbleiterelementen,F i g. 3 to 6 representations of different embodiments of semiconductor elements,

F i g. 7 eine Strom-Spannungs-Charakteristik zur Veranschaulichung des Verhaltens des Halbleiterelements bei Veränderungen der daran angelegten Gleichspannung,F i g. 7 shows a current-voltage characteristic to illustrate the behavior of the semiconductor element in the event of changes in the DC voltage applied to it,

F i g. 8 bis 10 Strom-Spannungs-Charakteristika zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Halbleiterelements bei dessen Einbau in einen Wechselstrom-Laststromkreis, von denen F i g. 8 zur Veranschaulichung des Sperrzustandes, F i g. 9 zur Veranschaulichung eines Leitzustandes in der Gegend oder oberhalb der oberen Schwellenspannung und Fig. 10 zur Veranschaulichung des abgewandelten Leitzustandes bei Annäherung an die untere Schwellenspannung dient,F i g. 8 to 10 current-voltage characteristics to illustrate the mode of operation of the semiconductor element when it is installed in an AC load circuit, of which F i g. 8 for illustration the lock state, F i g. 9 to illustrate a control status in the area or above the upper threshold voltage and FIG. 10 to illustrate the modified conducting state serves when approaching the lower threshold voltage,

Fig. 11 eine Spannungs-Temperatur-Charakteristik des Halbleiterelements,11 shows a voltage-temperature characteristic of the semiconductor element,

Fig. 12 ein Schaltschema ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung eines auf Druck ansprechenden Halbleiterelements, FIG. 12 shows a circuit diagram similar to FIG. 1 for illustration a pressure sensitive semiconductor element,

F i g. 13 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform einer auf Druck ansprechenden Anordnung gemäß F i g. 12,F i g. Figure 13 is a schematic cross section of one embodiment of a pressure responsive assembly according to FIG. 12,

Fig. 14 eine Spannungs-Druck-Charakteristik des Halbleiterelements nach Fig. 12 und 13,14 shows a stress-pressure characteristic of the semiconductor element according to FIGS. 12 and 13,

F i g. 15 ein Schaltschema ähnlich F ig. 1 zur Veranschaulichung eines auf Feuchtigkeit ansprechenden Halbleiterelements,F i g. 15 a circuit diagram similar to FIG. 1 for illustration a moisture-sensitive semiconductor element,

Fig. 16 eine Spannungs-Feuchtigkeits-Charakteristik des Halbleiterelements von Fig. 15,16 shows a stress-humidity characteristic of the semiconductor element of Fig. 15,

Fig. 17 ein Schaltschema ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung eines lichtempfindlichen Halbleiterelements, FIG. 17 shows a circuit diagram similar to FIG. 1 for illustration a photosensitive semiconductor element,

Fig. 18 eine Spannungs-Licht-Charakteristik des Halbleiterelements von Fig. 17.FIG. 18 shows a voltage-light characteristic of the semiconductor element of FIG. 17.

Gemäß F i g. 1 ist der Laststromkreis 10 an die Klemmen 11, 12 einer im wesentlichen konstanten Wechselstromquelle angeschlossen. Er weist einen Lastwiderstand 13, z. B. einen Widerstand, eine Spule, eine Motorwicklung, ein Magnetventil, eine Relaiswicklung od. dgl., auf. In Reihe zum Lastwiderstand 13 ist mittels Leitungen 15, 16 ein beispielsweise auf Wärme ansprechendes Halbleiterelement 14 von festem Aggregatzustand geschaltet. Es hat einen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten und versorgt den Verbraucher bzw. Lastwiderstand 13 mit Energie bzw. unterbricht die Energiezufuhr zu diesem in Abhängigkeit von der daran zur Wirkung gebrachten Wärme. Das heißt, daß das Halbleiterelement 14According to FIG. 1, the load circuit 10 to the terminals 11, 12 is a substantially constant one AC power source connected. It has a load resistor 13, e.g. B. a resistor, a coil, a motor winding, a solenoid valve, a relay winding or the like. In series with the load resistance 13, by means of lines 15, 16, is a semiconductor element 14 from, for example, sensitive to heat fixed state of aggregation switched. It has a negative coefficient of thermal resistance and supplies the consumer or load resistor 13 with energy or interrupts the energy supply to it depending on the heat applied to it. That is, the semiconductor element 14

ίο in Abhängigkeit von den Temperaturbedingungen der Umgebung den Verbraucher steuern kann. Dieser kann seinerseits, wenn erwünscht, die Umgebungstemperatur beeinflussen, d. h., es kann eine Regelung der gesamten Anordnung erfolgen. Wenn die Temperatur der Umgebung auf einen vorherbestimmten Wert ansteigt, wird dem Lastwiderstand 13, z.B. eines Kühlaggregats vom Halbleiterelement 14, Energie zugeführt, so daß die Temperatur der Umgebung vermindert wird. Nimmt die Temperatur der Umgebung auf einen vorherbestimmten Wert ab, dann wird der Lastwiderstand 13 unter Strom gesetzt, und auf diese Weise kann die Umgebungstemperatur auf einen Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden.ίο depending on the temperature conditions the environment can control the consumer. This can in turn, if desired, the ambient temperature affect, d. That is, the entire arrangement can be regulated. When the temperature of the surroundings increases to a predetermined value, the load resistor 13, e.g. Cooling unit from the semiconductor element 14, energy supplied so that the temperature of the environment is reduced will. If the temperature of the environment decreases to a predetermined value, then the Load resistor 13 is energized, and in this way the ambient temperature can be reduced to one Value can be kept within a certain range.

Gemäß F i g. 2 wird das Halbleiterelement 14 mittels eines zugehörigen elektrischen Heizelements 18 gesteuert, das in einen Steuerstromkreis 19 geschaltet ist, der seinerseits an zwei Klemmen 20, 21 einer Steuerspannungsquelle angeschlossen ist. In Reihe mit dem Steuerstromkreis 19 befindet sich ein Schalter 22, der das elektrische Heizelement 18 im eingeschalteten Zustand mit Energie versorgt und im ausgeschalteten Zustand abschaltet. Ist der Schalter 22 eingeschaltet und steht das elektrische Heizelement 18 unter Strom, dann wird das Halbleiterelement 14 auf einen vorherbestimmten Wert erhitzt, so daß der Lastwiderstand 13 mit Energie gespeist wird. Wenn der Schalter 22 ausgeschaltet ist, ist die Stromzufuhr zum Heizelement 18 unterbrochen, und das Halbleiterelement 14 von festem Zustand wird auf einen vorherbestimmten Wert abgekühlt und macht den Verbraucher stromlos. Auf diese Weise bildet also die Anordnung nach F i g. 2 eine Relaiseinrichtung zum An- und Abschalten des Verbrauchers entsprechend der Schaltstellung des Schalters 22. Der Steuerstromkreis 19 ist vom Laststromkreis 10 unabhängig und kann ein Stromkreis von im Vergleich zum Laststromkreis 10 geringer Spannung oder geringer Leistung sein.According to FIG. 2 is the semiconductor element 14 by means of an associated electrical heating element 18 controlled, which is connected to a control circuit 19, which in turn is connected to two terminals 20, 21 one Control voltage source is connected. In series with the control circuit 19 is a switch 22, which supplies the electrical heating element 18 with energy when switched on and when switched off State switches off. If the switch 22 is switched on and the electrical heating element 18 is energized, then the semiconductor element 14 is heated to a predetermined value so that the load resistance 13 is fed with energy. When switch 22 is off, power is supplied to the heating element 18 is interrupted, and the semiconductor element 14 of the solid state is changed to a predetermined Cooled down value and makes the consumer de-energized. In this way, the arrangement reproduces F i g. 2 a relay device for switching the consumer on and off according to the switching position of the switch 22. The control circuit 19 is independent of the load circuit 10 and can be a circuit of low voltage or low power compared to load circuit 10.

Gemäß F i g. 3 kann das Halbleiterelement 14 einen als Unterlage dienenden Körper 25 aus elektrisch leitfähigem Material aufweisen. Er kann z. B. eine Metallunterlage oder Halbleitermaterial im strukturgeordneten oder kristallinen festen Aggregatzustand, dem Leitzustand mit niedrigen elektrischen Durchlaßwiderstand sein. Auf dem Körper 25 befindet sich eine Schicht 26 aus Halbleitermaterial in festem aber ungeordneten oder allgemein amorphen Aggregatzustand, also im Sperrzustand hohen elektrischen Widerstandes mit im wesentlichen vollständiger Isolierfähigkeit. An der Schicht 26 ist eine Elektrode 27 angebracht, die die Schicht 26 elektrisch leitend berührt und mit der Leitung 15 verbunden ist. Die Leitung 16 ist mit dem leitenden Körper 25 verbunden, der als Elektrode wirkt. Die Leitungen 15, 16 verbinden die Schicht 26 des Halbleitermaterials in Reihe mit dem Laststromkreis 10 (F i g. 1 und 2), der sich von der Leitung 15 durch die Elektrode 27, die Schicht 26 und den Körper 25 zur Lei-According to FIG. 3, the semiconductor element 14 can have a body 25 made of electrically have conductive material. He can z. B. a metal base or semiconductor material in the structurally ordered or crystalline solid state, the conduction state with low electrical Be forward resistance. A layer 26 of semiconductor material is located on the body 25 solid but disordered or generally amorphous physical state, i.e. high electrical in the blocked state Resistance with essentially complete insulating capability. On layer 26 is an electrode 27 attached, which touches the layer 26 in an electrically conductive manner and is connected to the line 15 is. The line 16 is connected to the conductive body 25, which acts as an electrode. The lines 15, 16 connect the layer 26 of the semiconductor material in series with the load circuit 10 (FIG. 1 and 2), which extends from the line 15 through the electrode 27, the layer 26 and the body 25 to the line

309 507/119309 507/119

9 109 10

tung 16 erstreckt. Die Steuerung erfolgt durch die gibt es wahrscheinlich bevorzugte Punkte zwischendevice 16 extends. The control is carried out by the there are probably preferred points between

Schicht 26, die das eigentliche wirksame Halbleiter- den Elektroden 27, 29, 31, 32, die von einem gerin-Layer 26, which is the actual effective semiconductor the electrodes 27, 29, 31, 32, which are of a small

element bildet. geren Widerstand sind als der Rest des Halbleiter-element forms. resistance than the rest of the semiconductor

Das Halbleiterelement 14 von F i g. 4 ist ähnlich materials. An diesen Stellen wird mehr Strom zum dem von F i g. 3, weist aber darüber hinaus eine 5 Fließen kommen, was zur Folge hat, daß eine erzweite filmartige Schicht 28 des Halbleitermaterials höhte Erwärmung an diesen Punkten auftritt. Wenn von festem Zustand auf, die sich ebenfalls im struk- die an das Halbleitermaterial angelegte Spannung die turell ungeordneten oder amorphen Zustand, also Schwellenspannung E/_s erreicht, werden vermutlich ebenfalls im Sperrzustand hohen Widerstandes be- mindestens Teile des Halbleitermaterials zwischen findet. Hier ist ebenfalls eine Elektrode 29 an der io den Elektroden 27, 29, 31, 32 auf eine kritische Tem-Schicht 28 angebracht und an der Elektrode 29 ist peratur erhöht, bei der sie im wesentlichen augendie Leitung 16 angeschlossen. Wenn also das Halb- blicklich einen geänderten Zustand nämlich den Leitleiterelement 14 in den Laststromkreis 10 von F i g. 1 zustand niedrigen Widerstandes annehmen. Es wird oder 2 eingeschaltet wird, sind die Schichten 26, 28 angenommen, daß dieser Zustand ein vorübergehenin Reihe geschaltet. Der Laststromkreis 10 erstreckt 15 der und mehr geordneter (unter Umständen ein gesich von der Leitung 15 durch die Elektrode 27, die schmolzener) Zustand ist. Das im wesentlichen Schicht 26, den Körper 25, die Schicht 28 und die augenblickliche Umschalten aus dem Sperrzustand Elektrode 29 zur Leitung 16. hohen Widerstandes in den Leitzustand niedrigenThe semiconductor element 14 of FIG. 4 is similar to materials. At these points, more current is fed to that of FIG. 3, but also shows a 5 flow, which has the consequence that a second film-like layer 28 of the semiconductor material increased heating occurs at these points. If, from the solid state, the voltage also applied to the semiconductor material in the structure reaches the turally disordered or amorphous state, i.e. threshold voltage E / _s , at least parts of the semiconductor material are presumably also found in the blocking state with high resistance. Here, too, an electrode 29 is attached to the electrodes 27, 29, 31, 32 on a critical Tem layer 28, and the temperature of the electrode 29 is increased, at which point it is essentially connected to the line 16. So if the half-look a changed state namely the conductive element 14 in the load circuit 10 of FIG. 1 Assume a low resistance state. If it is turned on or 2 is turned on, layers 26, 28 are assumed to be that state in a momentary series. The load circuit 10 extends 15 and more orderly (possibly a face from the line 15 through the electrode 27, which is molten) state. The essentially layer 26, the body 25, the layer 28 and the instantaneous switching from the blocking state electrode 29 to the line 16. high resistance to the conductive state low

Die Anordnung des Halbleiterelements 14 nach Widerstandes ist durch die unterbrochene Linie 36 F i g. 5 ist ähnlich jenem nach F i g. 3 und 4, jedoch 20 angedeutet. Im Leitzustand bleibt die Spannung U ist hier nur eine einzige Schicht 26 des Halbleiter- am Halbleiterelement im wesentlichen konstant auf materials vorhanden und beide Elektroden 27 und 29 dem Wert U_M, wenn auch der Strom I gemäß der sind an dieser angebracht. Der Laststromkreis er- Kurve 37 in weiten Grenzen steigen und fallen kann, streckt sich von der Leitung 15 durch die Elektrode Es wird angenommen, daß die leitenden Teile zwi-27, die Schicht 26, den Körper 25, die Schicht 26 und 25 sehen den Elektroden 26, 29, 31, 32 an Querschnitt die Elektrode 29 zur Leitung 16. Hier sind also zwei in dem Maße zu- und abnehmen, in dem die Strom-Schichten des Halbleitermaterials in Reihe mit dem stärke steigt oder fällt, so daß diese zur Schaffung des Laststromkreis 10 geschaltet. Da bei den Vorrichtun- Zustandes im wesentlichen konstanter Spannung U₁₁ gen nach F i g. 4 und 5 zwei in Reihe geschaltete erhitzt und gekühlt werden. Wenn aber der Strom Schichten 26, 28 verwendet werden, ist der gesamte 30 durch das Halbleitermaterial auf einen kritischen Sperrwiderstand dieser Anordnung größer als der der Wert, den Schwellenstrom /_s, absinkt, dürfte keine Anordnung nach Fig. 3, bei der nur eine einzige ausreichende Stromstärke mehr vorhanden sein und Schicht 26 des Halbleitermaterials verwendet wird. nicht mehr genügend Wärme entwickelt werden, umThe arrangement of the semiconductor element 14 after the resistor is shown by the broken line 36 F i g. 5 is similar to that of FIG. 3 and 4, but 20 indicated. In the conductive state, the voltage U remains only a single layer 26 of the semiconductor material is essentially constant on the semiconductor element and both electrodes 27 and 29 have the value U _M , even if the current I according to the is attached to this. The load circuit - curve 37 can rise and fall within wide limits, extends from the line 15 through the electrode. It is assumed that the conductive parts between 27, the layer 26, the body 25, the layer 26 and 25 see the Electrodes 26, 29, 31, 32 on the cross-section of the electrode 29 to the line 16. Here two are increasing and decreasing to the extent that the current layers of the semiconductor material in series with the strength increases or decreases, so that these to Creation of the load circuit 10 switched. Since with the device state essentially constant voltage U ₁₁ according to FIG. 4 and 5 two in series are heated and cooled. If, however, the current layers 26, 28 are used, the entire 30 through the semiconductor material to a critical blocking resistance of this arrangement is greater than the value that the threshold current / _s drops sufficient amperage must be present and layer 26 of the semiconductor material is used. no longer enough heat to be developed

Gemäß F i g. 6 sind auf einer Unterlage 30 aus diese Teile in ihrem Zustand niedrigen Widerstandes elektrisch isolierfähigem Material, beispielsweise Glas, 35 oder im wesentlichen vollständiger Leitfähigkeit zu in geringem Abstand zwei Elektroden 31, 32 ange- erhalten, so daß diese im wesentlichen augenblicklich bracht. Die Schicht 26 aus Halbleitermaterial im un- in ihren ungeordneten oder amorphen Strukturzugeordneten oder allgemein amorphen Strukturzustand stand hohen Widerstandes und im wesentlichen vollist an der Unterlage 30 über die Elektroden 31, 32 ständiger Isolierfähigkeit zurückkehren. Dieses im angebracht. Die Leitungen 15, 16 sind mit den Elek- 40 wesentlichen augenblickliche Umschalten in den troden 31, 32 verbunden, und der Laststromkreis 10 Sperrzustand ist durch die Rückkehrkurve 38 veranerstreckt sich von der Leitung 15 durch die Elek- schaulicht. Die Abnahme der Stromstärke bis unter trode 31, entlang der Schicht 26 und durch die Elek- den Schwellenstrom /_s kann dadurch herbeigeführt trode 32 zur Leitung 16. Auf diese Weise ist die werden, daß die an die Elektroden 26, 29, 31, 32 der , -Schicht 26 zwischen den Elektroden 31, 32 in Reihe 45 Vorrichtung angelegte Spannung auf einen Wert unter VJ in den Laststromkreis 10 geschaltet. V_n vermindert wird. Das Halbleitermaterial kannAccording to FIG. 6 are on a base 30 made of these parts in their state of low resistance electrically insulating material, for example glass, 35 or essentially complete conductivity to two electrodes 31, 32 at a short distance, so that these are essentially instantaneous. The layer 26 made of semiconductor material in its disordered or amorphous structure, or generally amorphous structure state, had a high resistance and was essentially fully returned to the substrate 30 via the electrodes 31, 32 of constant insulating capacity. This im attached. The lines 15, 16 are connected to the electrodes 40 essential instantaneous switching in the electrodes 31, 32, and the load circuit 10 blocking state is caused by the return curve 38 extending from the line 15 through the electrical light. The decrease in current intensity down to below electrode 31, along layer 26 and through the electrodes threshold current / _s can thereby be brought about from electrode 32 to line 16. In this way, the electrodes 26, 29, 31, 32 - Layer 26 between electrodes 31, 32 in series 45 device is switched to a value below VJ in load circuit 10. V _{n is} decreased. The semiconductor material can

Wie bereits oben ausgeführt, wird angenommen, mindestens teilweise abermals im wesentlichen äugen- j daß sich die Halbleitermaterialien der Schichten 26, blicklich in den Leitzustand zurückgeführt werden, ! 28 normalerweise in einem in hohem Maße desorien- wenn es abermals durch die angelegte Spannung ge- I tierten bzw. amorphen Strukturzustand befinden. Sie 5° nügend erhitzt wird. Die Strom-Spannungs-Charak- ; können durchaus auch verhältnismäßig kleine Kri- teristik der F i g. 7 ist nicht maßstäblich, sondern ^: stalle aufweisen, die dann wahrscheinlich regellos dient lediglich der Veranschaulichung, denn das Verdarin ausgerichtet sind und in diesem festen Struk- hältnis des Sperrwiderstandes zum Leitwiderstand turzustand einen hohen elektrischen Durchlaßwider- beträgt gewöhnlich mehr als 100 000. Im Leitzustand stand und insofern im wesentlichen einen Nichtleiter 55 kann der Widerstand ein Ohm oder noch weniger bebilden. Durch geeignete Wahl von Materialien können tragen, und der Schwellenstrom I₅ kann daher nahezu die hohen Widerstandswerte der Halbleitermaterialien Null sein.As already stated above, it is assumed, at least in part, again essentially, that the semiconductor materials of the layers 26 can be returned to the conductive state,! 28 normally in a highly disordered state if it is again determined by the applied voltage or in an amorphous structural state. It is sufficiently heated to 5 °. The current-voltage character; relatively small criteria of FIG. 7 is not to scale, but rather ^{: have} stalls, which are then probably randomly used only for illustration, because the Verdarin are aligned and in this fixed structure of the blocking resistance to the conduction resistance turzustand a high electrical forward resistance is usually more than 100,000. In the conduction state stood and insofar essentially a dielectric 55, the resistance can form an ohm or even less. With a suitable choice of materials can wear, and the threshold current I ₅ can therefore be almost zero, the high resistance values of the semiconductor materials.

z. B. auf Werte bis zu mehreren Millionen Ohm ge- Die Strom-Spannungs-Charakteristiken sind umbracht werden. kehrbar und im allgemeinen vom Widerstand desz. B. to values of up to several million ohms. The current-voltage characteristics are broken will. reversible and in general from the resistance of the

Werden derartige Anordnungen in Reihe in einen 60 Verbrauchers unabhängig. Sie sind auch davon un-If such arrangements are in series in a 60 consumer independent. You are also un-

Laststromkreis 10 geschaltet, an den eine veränder- abhängig, ob Gleich- oder Wechselstrom verwendetLoad circuit 10 switched to which one changeable depending on whether direct or alternating current is used

liehe Gleichspannung angelegt wird, so verhalten sie wird.borrowed DC voltage is applied, it will behave.

sich gemäß F i g. 7. Bei der Spannung Null befindet Die Art und Weise, in der die Anordnung nach deraccording to FIG. 7. When the voltage is zero The manner in which the arrangement is located after the

sich das Halbleitermaterial in festem Zustand immer Erfindung in einem Laststromkreis 10 arbeitet, derThe semiconductor material in the solid state is always invention in a load circuit 10 that works

in seinem Sperrzustand hohen Widerstandes. Wird 65 mit Wechselspannung (Fig. 1 und 2) betrieben ist,in its high resistance blocking state. If 65 is operated with AC voltage (Fig. 1 and 2),

die angelegte Spannung erhöht, dann erhitzt sich das ist durch die Strom-Spannungs-Charakteristika derthe applied voltage increases, then heats up that is due to the current-voltage characteristics of the

Halbleitermaterial und sein Widerstand nimmt längs F i g. 8 bis 10 veranschaulicht. Befindet sich dasSemiconductor material and its resistance increases along F i g. 8-10 illustrated. Is that

der Kurve 35 allmählich ab. Im Halbleitermaterial Halbleiterelement 14 im Sperrzustand und ist die an-the curve 35 gradually decreases. In the semiconductor material semiconductor element 14 in the blocking state and the other

J2J2

gelegte Wechselspannung geringer als die Schwellenspannung U_s, dann verbleibt die Anordnung im Spsrrzustand hohen Widerstandes, wie durch die Kurve 39 in F i g. 8 gezeigt.If the alternating voltage applied is lower than the threshold voltage U _s , the arrangement then remains in the high resistance state, as shown by curve 39 in FIG. 8 shown.

Wenn jedoch die angelegte Wechselspannung mindestens gleich der Schwellenspannung Uc ist, schaltet die Anordnung im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand, der durch die Kurven 40 in F i si. 9 veranschaulicht ist. Die Kurven 40 sind gegenüber der Mittellinie geringfügig seitlich versetzt; die⁰- verdeutlicht den geringen Widerstand von etwa 1 Ohm oder weniger, den das Halbleiterelement 14 im Zustand niedrigen Widerstandes hat. Es nimmt gemäß den Kurven 41 seinen Sperrzustand hohen Widerstandes während jeder Halbperiode der Wec^se^na*¹"¹"¹? intermittierend an, sobald sich die Wechselspannung dem Nullwert nähert, d. h. sobald der Strom momentan während jeder Halbperiode den Schwellenstrom /_ς unterschreitet. Anschließend an jede momentane T Jnterbrechung des Stromflusses während einer halben Periode wird infolge des steigenden Momentanwertes der Spannung der angelegten Wechselspannung über die Schwellenspannung U_s hinaus das Halbleitermaterial wieder erhitzt, so daß das Halbleiterelement 14 veranlaßt wird, im v/esentlichen augenblicklich während ieder anderen Halbperiode wieder zu leiten.If, however, the applied alternating voltage is at least equal to the threshold voltage Uc , the arrangement switches essentially instantaneously to the conductive state, which is indicated by the curves 40 in F i si. 9 is illustrated. The curves 40 are offset slightly laterally with respect to the center line; the ⁰ - indicates the low resistance of about 1 ohm or less that the semiconductor element 14 has in the low resistance state. According to the curves 41, it takes its high resistance blocking state during each half cycle of the Wec ^ se ^ na * ¹ " ¹ " ¹ ? intermittently as soon as the alternating voltage approaches zero, ie as soon as the current momentarily falls below the threshold current / _ς during each half cycle. Subsequent to each instantaneous interruption of the current flow during half a period, the semiconductor material is heated again as a result of the increasing instantaneous value of the voltage of the applied alternating voltage above the threshold voltage U _s , so that the semiconductor element 14 is caused, mostly instantaneously during the other half period to lead again.

Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Zustand niedrigen Widerstandes und ist die angelegte Wechselspannung geringer als die Schwellenspannung (im folgenden als obere Schwellenspannung bezeichnet), dann werden die intermittierenden Zeitabschnitte in der Nähe des Nullpunktes der Wechselstromperiode, bei denen sich die Anordnung im Sperrzustand befindet, Remäß den Kurven 41 von F i g. 10 verlängert, so daß ein in ausgeprägterer Weise abgewandelter Leitzustand geschaffen wird. Durch Verändern der angelegten Wechselspannung relativ zur oberen Schwellenspannung kann also das Verhältnis der Sperrdauer und der Leitfähigkeitsdauer während jeder Halbperiode der Wechselspannung und somit die durchschnittliche Stromzufuhr zum Laststromkreis 10 eingestellt werden. Wenn aber die angelegte Wechselspannung um einen vorherbestimmten Wert geringer wird als die obere Schwellenspannune, dann wird die Sperrdauer während jeder Halbperiode so lang und der Widerstand so hoch, daß die angelegte Wechselspannung nicht genügend Energie erzeugt, um den Widerstand zu überwinden und das Halbleiterelement 14 wieder leitfähig zu machen. Dieser Spannungswert, bei dem die Anordnung innerhalb der Wechselstromperiode nicht wieder leitend wird, sei im folgenden als »untere Schwellenspannung« bezeichnet. Ist die Anordnung wieder nichtleitend, d. h. sperrend geworden, dann kann sie erst dann wieder leitend werden, wenn die angelegte Wechselspannung mindestens so groß wird, wie die obere Schwellenspannung, damit die Kurven 40, 41 nach F i g. 9 erzeugt werden können.The semiconductor element 14 is in the low resistance state and is the applied AC voltage lower than the threshold voltage (hereinafter referred to as the upper threshold voltage), then the intermittent periods of time near the zero point of the alternating current period, in which the arrangement is in the locked state, according to the curves 41 of FIG. 10 extended, so that a more pronounced modified control state is created. By changing the applied alternating voltage relative to the upper threshold voltage can thus be the ratio of Blocking duration and the conductivity duration during each half cycle of the alternating voltage and thus the average current supply to the load circuit 10 can be adjusted. But if the applied AC voltage becomes lower than the upper threshold voltage by a predetermined value, then the blocking period during each half cycle is so long and the resistance so high that the applied AC voltage does not generate enough energy to overcome the resistance and the semiconductor element 14 to make it conductive again. This voltage value at which the arrangement is within the alternating current period does not become conductive again, is referred to below as the "lower threshold voltage". If the arrangement is again non-conductive, i. H. become blocking, then it can only then again become conductive when the applied alternating voltage is at least as great as the upper threshold voltage, so that the curves 40, 41 according to FIG. 9 can be generated.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich das Halbleiterelement 14 normalerweise im Sperrzustand hohen Widerstandes befindet. Bei Erreichen oder Überschreiten der oberen Schwellenspannung schaltet es im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand um. Es kann im wesentlichen augenblicklich in den Sperrzustand zurückschalten, wenn die angelegte Wechselspannung geringer ist als die untere Schwellenspannung. Bei Anlegen einer Wechselspannung oberhalb der unteren Schwellenspannung weist das sich im Leitzusiand befindende Halbleiterelement 14 einen abgewandelten Zustand der Stromleitfähigkeit auf, der vom Wert der angelegten Wechselspannung im Vergleich zur unteren Schwellenspannung abhängt.In summary, it can be said that the semiconductor element 14 is normally in the blocking state high resistance. When the upper threshold voltage is reached or exceeded it switches to the control state essentially instantaneously. It can be essentially instantaneous switch back to the blocking state if the applied AC voltage is lower than the lower one Threshold voltage. When applying an alternating voltage above the lower threshold voltage If the semiconductor element 14 which is in the conductive state has a modified state of the current conductivity on the value of the applied AC voltage compared to the lower threshold voltage depends.

Die oberen und unteren Schwellenspannungen hängen vom Widerstand des Halbleitermaterials in dessen Sperrzustand ab: Die Schwellenwerte sind um so niedriger, ie höher der Widerstand ist. Wie oben zum Ausdruck gebracht, haben die Halbleitermaterialien von festem Zustand bei diesen Vorrichtungen einen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten. Dementsprechend ändern sich die obere und untere Schwellenspannung mit den Temperaturen in der durch Kurven42, 43 in Fig. 11 veranschaulichten Weise, indem die Schwellenspannungen bei steigender Temperatur abnehmen und umgekehrt.The upper and lower threshold voltages depend on the resistance of the semiconductor material in its locked state from: The threshold values are lower, the higher the resistance is. As above In other words, the semiconductor materials have a solid state in these devices a negative coefficient of thermal resistance. The upper and change accordingly lower threshold voltage with the temperatures in that illustrated by curves 42, 43 in FIG. 11 Way, in that the threshold voltages decrease with increasing temperature and vice versa.

example 1

Zur Veranschaulichung sei angenommen, daß das Halbleiterelement 14 gemäß F i g. 1 der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird und daß erwünscht ist, daß die Anordnung ihre Stromregelfunktion im Wechselstrom-Laststromkreis 10 bei einer Umgebungstemperatur von etwa 38° C ausüben soll. Bei einer Temperatur von 35° C habe das Halbleiterelement 14 einen Sperrwiderstand von 1,05 ΜΩ, eine obere Schwellenspannung von 105 V und eine untere Schwellenspannung von 100 V. Bei 38° C sei der Sperrwiderstand 1,0 MΩ, die obere Schwellenspannung 100 V und die untere Schwellenspannung 95 V. Mit diesen gegebenen Größen sei angenommen, daß die an dem Laststromkreis 10 angelegte Wechselspannung 100 V ist, wie durch die unterbrochene Kurve 44 in F i g. 11 angedeutet ist. Die unterbrochenen Linien 45, 46 entsprechen den Temperaturen von 38 bzw. 35° C.For illustration, it is assumed that the semiconductor element 14 according to FIG. 1 the ambient temperature and that it is desirable that the arrangement perform its current regulating function in the AC load circuit 10 should exercise at an ambient temperature of around 38 ° C. At one temperature of 35 ° C, the semiconductor element 14 has a blocking resistance of 1.05 ΜΩ, an upper threshold voltage of 105 V and a lower threshold voltage of 100 V. At 38 ° C, the blocking resistance is assumed 1.0 MΩ, the upper threshold voltage 100 V. and the lower threshold voltage 95 V. With these given quantities it is assumed that the Load circuit 10 applied AC voltage is 100 V, as indicated by the broken curve 44 in FIG. 11th is indicated. The broken lines 45, 46 correspond to the temperatures of 38 and 35 ° C.

Ist die Temperatur niedriger als 38° C (beträgt der Sperrwiderstand mehr als 1,0 ΜΩ) und befindet sich daher die obere Schwellenspannung über der angelegten Wechselspannung von 100 V, dann bleibt das Halbleiterelement 14 im Sperrzustand hohen Widerstandes. Steigt die Temperatur auf über 38° C an, dann nimmt der Sperrwiderstand bis auf 1,0 ΜΩ ab, und die obere Schwellenspannung sinkt auf 100 V, also auf den Wert der angelegten Wechselspannung von 100 V. In diesem Augenblick wird die Anordnung im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand niedrigen Widerstandes umgeschaltet und sie versorgt den Lastwiderstand (Verbraucher) 13 mit Strom. Das Halbleiterelement 14 bleibt weiterhin leitfähig und hält den Verbraucher unter Strom, bis die Temperatur auf 35° C absinkt. Wenn dies eintritt, wird der Sperrwiderstand auf 1,05 ΜΩ erhöht. Die untere Schwellenspannung steigt auf 100 V entsprechend der angelegten Wechselspannung vom gleichem Wert.If the temperature is lower than 38 ° C (the blocking resistance is more than 1.0 ΜΩ) and is Therefore, if the upper threshold voltage is above the applied AC voltage of 100 V, then it remains the semiconductor element 14 in the blocking state of high resistance. If the temperature rises above 38 ° C on, then the blocking resistance decreases to 1.0 ΜΩ, and the upper threshold voltage drops to 100 V, so to the value of the applied alternating voltage of 100 V. At this moment the arrangement essentially instantaneously switched to the low resistance conductive state and they supplies the load resistor (consumer) 13 with current. The semiconductor element 14 remains conductive and keeps the consumer energized until the temperature drops to 35 ° C. When this happens the blocking resistance is increased to 1.05 ΜΩ. The lower threshold voltage increases accordingly to 100 V. the applied alternating voltage of the same value.

Infolgedessen schaltet das Halbleiterelement 14 dann bei Unterschreiten des Schwellenstromes 7_S im wesentlichen augenblicklich in den Sperrzustand zurück und unterbricht die Energiezufuhr zum Verbraucher. As a result, the semiconductor element 14 then switches back essentially instantaneously to the blocking state when the current _{7 S falls below the threshold and interrupts the energy supply to the consumer.}

Auf diese Weise arbeitet der negative thermische Widerstandskoeffizient des Halbleitermaterials im Verein mit der im wesentlichen konstanten angelegten Wechselspannung zusammen, um den Lastwiderstand 13 im Laststromkreis 10 entsprechend der Umgebungstemperatur mit Energie zu speisen oderIn this way, the negative thermal coefficient of resistance of the semiconductor material works in Combine with the essentially constant applied alternating voltage together to increase the load resistance 13 to feed in the load circuit 10 according to the ambient temperature with energy or

die Zufuhr zu unterbrechen. Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Leitzustand zwischen der oberen und unteren Schwellenspannung, dann kann auch der Stromdurchgang im Laststromkreis 10 entsprechend der Temperatur geändert werden.interrupt the supply. The semiconductor element 14 is in the conductive state between the upper and the lower threshold voltage, then the current passage in the load circuit 10 can also be corresponding the temperature can be changed.

Wird die Anordnung gemäß F i g. 2 mittels eines Heizelements 18 anstatt durch die Umgebungstemperatur erwärmt, dann wird das Halbleiterelement 14 vorzugsweise bei im Verhältnis zur Umgebungstemperatur hohen Temperaturen betrieben, so daß sie schnell erhitzt und abgekühlt und die obere und untere Schwellenspannung in bezug auf die im wesentlichen konstante angelegte Wechselspannung schnell geändert werden können. Die Ansprechzeit ist dadurch sehr gering und die Anordnung sehr empfindlich. If the arrangement according to FIG. 2 by means of a heating element 18 instead of the ambient temperature heated, then the semiconductor element 14 is preferably at relative to the ambient temperature operated at high temperatures so that they are quickly heated and cooled and the top and lower threshold voltage with respect to the substantially constant applied alternating voltage can be changed quickly. The response time is very short and the arrangement is very sensitive.

Die Anordnung kann gemäß F i g. 12 bis 14 auch in Abhängigkeit von daran zur Wirkung gebrachten Druckbedingungen betrieben werden. In dieser Hinsicht haben die Halbleitermaterialien einen im wesentlichen negativen Druck-Widerstands-Koeffizienten, d. h. der Widerstand nimmt bei zunehmendem Druck ab. Es ist anzunehmen, daß die Verminderung des Widerstandes eine Folge einer Verdichtung des Materials ist und daß der zur Wirkung gebrachte Druck in den Materialien Zustände erzeugen kann, die einen geordneteren oder kristallinen Zustand begünstigen. Die Anordnung kann dabei direkt dem Druck der Umgebung (F i g. 12) oder mechanisch unter Druck gesetzt werden. Im letzten Fall kann die Anordnung der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung entsprechen. Der Körper 25 wird von einem elektrischen Nichtleiter 48 in einem Gehäuse 49 getragen. Die flexible Membrane 50 ist zwischen dem Gehäuse 49 und einem Deckel 52 befestigt und mit einem Kolben 51 aus elektrisch nichtleitendem Material ausgestattet, der an der Elektrode 27 angreift. Eine Kammer 34 innerhalb des Deckels 32 oberhalb der Membrane 50 ist über eine Leitung 53 an eine steuerbare Druckquelle angeschlossen, so daß das Halbleiterelement 14 der mechanischen Einwirkung des in der Kammer 54 erzeugten Druckes ausgesetzt ist und dessen Widerstand umgekehrt proportional zum Druck verändert werden kann.The arrangement can according to FIG. 12 to 14 also depending on what is brought into effect Pressure conditions are operated. In this regard, the semiconductor materials essentially have one negative pressure-drag coefficient, d. H. the resistance increases with increasing Pressure off. It can be assumed that the reduction in resistance is a consequence of the compression of the Material and that the pressure brought into effect can create states in the materials which favor a more ordered or crystalline state. The arrangement can be directly to the Ambient pressure (Fig. 12) or mechanically pressurized. In the latter case, the Arrangement of the in F i g. 3 correspond to the device shown. The body 25 is powered by an electric Insulator 48 carried in a housing 49. The flexible membrane 50 is between the housing 49 and a cover 52 attached and equipped with a piston 51 made of electrically non-conductive material, which engages the electrode 27. A chamber 34 within the lid 32 above the membrane 50 is connected via a line 53 to a controllable pressure source, so that the semiconductor element 14 is exposed to the mechanical action of the pressure generated in the chamber 54 and its resistance can be changed inversely proportional to the pressure.

Die Wirkungsweise der Anordnung in Abhängigkeit vom Druck ist im wesentlichen die gleiche wie die Wirkungsweise in Abhängigkeit von der Temperatur. The operation of the arrangement as a function of pressure is essentially the same as the mode of action depending on the temperature.

Example 2

Es sei angenommen, daß das Halbleiterelement 14 einem Umgebungsdruck (Fi g. 12) oder dem Druck in der Kammer54 (Fig. 13) ausgesetzt ist und seine Stromsteuerfunktion Wechselspannungs-Laststromkreis 10 bei einem Druck von etwa 3,5 kp/cm² ausüben soll. Bei einem Druck von 3,16 kp/cm² kann das Halbleiterelement 14 einen Sperrwiderstand von 1,05 ΜΩ, eine obere Schwellenspannung von 105 V und eine untere Schwellenspannung von 100 V haben. Bei 3,5 kg/cm² kann sie einen Sperrwiderstand von 1,0 ΜΩ und eine obere Schwellenspannung von 100 V und eine untere Schwellenspannung von 95 V haben. Mit diesen gegebenen Größen sei angenommen, daß die am Laststromkreis 10 angelegte Spannung eine Wechselspannung von 100 V ist, wie dies in Fig. 14 durch die unterbrochene Linie 44 veranschaulicht ist. Die unterbrochenen Linien 45 bzw. 46 entsprechen den Drücken 3,5 bzw. 3,16 kp/cm².It is assumed that the semiconductor element 14 is exposed to ambient pressure (Fig. 12) or the pressure in the chamber 54 (Fig. 13) and is to perform its current control function AC load circuit 10 at a pressure of about 3.5 kgf / cm ² . At a pressure of 3.16 kp / cm ² , the semiconductor element 14 can have a blocking resistance of 1.05 Ω, an upper threshold voltage of 105 V and a lower threshold voltage of 100 V. At 3.5 kg / cm ² , it can have a blocking resistance of 1.0 ΜΩ and an upper threshold voltage of 100 V and a lower threshold voltage of 95 V. Given these quantities, it is assumed that the voltage applied to the load circuit 10 is an AC voltage of 100 V, as illustrated in FIG. 14 by the broken line 44. The broken lines 45 and 46 correspond to the pressures 3.5 and 3.16 kp / cm ^2, respectively.

Befindet sich die Anordnung im Sperrzustand und beträgt der Druck weniger als 3,5 kp/cm², dann liegen der Sperrwiderstand oberhalb 1,0 ΜΩ und die obere Schwellenspannung oberhalb der angelegten Wechselspannung von 100 V. Die Anordnung verbleibt somit im Sperrzustand. Wenn der Druck auf 3,5 kp/cm² ansteigt, nimmt der Sperrwiderstand ab und erreicht 1,0 ΜΩ; die obere Schwellenspannung sinkt auf 100 V, d. h. bis auf die angelegte Wechselspannung ab. In diesem Augenblick wird das Halbleiterelement 14 im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand umgeschaltet, so daß der Lastwiderstand 13 unter Strom gesetzt wird. Das Halbleiterelement 14 bleibt leitend und erhält die Energiezufuhr zum Verbraucher aufrecht, bis der Druck auf 3,16 kp/cm² absinkt. Wenn dies eintritt, steigen der Sperrwiderstand des Halbleiterelements 14 auf 1,05 ΜΩ und die untere Schwellenspannung auf 100 V entsprechend der angelegten Wechselspannung von gleichem Wert an. Infolgedessen schaltet das Halbleiterelement 14 im wesentlichen augenblicklich in den Sperrzustand um und macht den Verbraucher im Laststromkreis 10 stromlos.If the arrangement is in the blocking state and the pressure is less than 3.5 kp / cm ² , the blocking resistance is above 1.0 ΜΩ and the upper threshold voltage is above the applied AC voltage of 100 V. The arrangement thus remains in the blocking state. When the pressure increases to 3.5 kp / cm ² , the blocking resistance decreases and reaches 1.0 ΜΩ; the upper threshold voltage drops to 100 V, ie down to the applied alternating voltage. At this moment, the semiconductor element 14 is switched essentially instantaneously into the conductive state, so that the load resistor 13 is energized. The semiconductor element 14 remains conductive and maintains the energy supply to the consumer until the pressure drops ^{to 3.16 kg / cm 2.} When this occurs, the blocking resistance of the semiconductor element 14 increases to 1.05 ΜΩ and the lower threshold voltage increases to 100 V in accordance with the applied AC voltage of the same value. As a result, the semiconductor element 14 switches essentially instantaneously to the blocking state and de-energizes the consumer in the load circuit 10.

Auf diese Weise bewirkt der negative Druck-In this way, the negative pressure

Widerstands-Koeffizient des Halbleitermaterials im Verein mit der im wesentlichen konstanten angelegten Wechselspannung ein An- und Abschalten des Verbrauchers entsprechend dem auf die Vorrichtung einwirkenden Druck. Wenn sich das Halbleiterelement 14 oberhalb der unteren Schwellenspannung im Leitzustand befindet, bewirkt es ferner eine Abwandlung des Stromdurchganges durch den Laststromkreis 10 entsprechend dem einwirkenden Druck.Coefficient of resistance of the semiconductor material in association with the substantially constant applied AC voltage switching the consumer on and off according to the device applied pressure. If the semiconductor element 14 is above the lower threshold voltage im Conducting state, it also causes a modification of the passage of current through the load circuit 10 according to the applied pressure.

Den Betrieb der Anordnung unter Feuchtbedingungen veranschaulichen Fig. 15 und 16. Hierbei sind die Halbmaterialien im wesentlichen wasserunlöslich und weisen die Eigenschaft eines negativen Feuchtiskeits-Widerstandskoeffizienten auf. Falls es erwünscht ist diese Eigenschaft zu erhöhen, können im wesentlichen auf Feuchtigkeit ansprechende Widerstandsmaterialien zusätzlich oder als Ersatz hinzugefügt werden. Derartige feuchtigkeitsempfindliche Widerstandsmaterialien sollten ebenfalls im wesentlichen wasserunlöslich oder nur geringfügig wasserlöslich sein und vorzugsweise eine Löslichkeit von weniger als 15 Teilen je 100 Teile kaltes Wasser, oder, noch besser, eine Löslichkeit von weniger als 8 Teilen je 100 Teile kaltes Wasser haben. Unter derartigen Materialien sind beispielsweise Lithiumverbindungen,wieLithiumcarbonat,Lithiumhydroxyd, Lithiumorthosilikat, Lithiumsulfat, Lithiumacetat, Lithiummetasilikat, Lithiummetaborat, Lithiumfluorid, Lithiumoxyd, Lithiumorthophosphat und Gemische beliebiger zwei oder mehrerer derselben, die einen großen negativen Feuchtigkeits-Widerstands-Koeffizienten haben.FIGS. 15 and 16 illustrate the operation of the arrangement under humid conditions the semi-materials are essentially insoluble in water and have the property of a negative Moisture resistance coefficient. If you want to increase this property, you can Resistance materials that are essentially moisture responsive in addition to or as a replacement to be added. Such moisture sensitive resistor materials should also essentially be insoluble in water or only slightly soluble in water and preferably a solubility of less than 15 parts per 100 parts of cold water, or better yet, a solubility less than Have 8 parts per 100 parts of cold water. Such materials include, for example, lithium compounds such as lithium carbonate, lithium hydroxide, Lithium orthosilicate, lithium sulfate, lithium acetate, lithium metasilicate, lithium metaborate, lithium fluoride, Lithium oxide, lithium orthophosphate, and mixtures of any two or more of the same, the one have large negative coefficients of moisture resistance.

Die Wirkungsweise der Anordnung in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit ist im wesentlichen die gleiche wie die temperaturabhängige Wirkungsweise.The mode of operation of the arrangement as a function of the humidity is essentially that same as the temperature-dependent mode of action.

Example 3

Es sei angenommen, daß die Anordnung derjenigen von F i g. 6 entspricht, bei der die Schicht 26 des Halbleitermaterials zwischen den Elektroden 31, 32 in Reihe in den Laststromkreis 10 eingeschaltet und der Feuchtigkeit in der Umgebung des feuchteabhängigen Halbleiterelements 14 ausgesetzt ist. Es seiAssume that the arrangement is similar to that of FIG. 6 corresponds, in which the layer 26 of the Semiconductor material switched between the electrodes 31, 32 in series in the load circuit 10 and the moisture in the vicinity of the moisture-dependent Semiconductor element 14 is exposed. Be it

15 1615 16

ferner angenommen, daß die Anordnung ihre Strom- Widerstands-Koeffizienten, und diese sowie Selen undalso assumed that the arrangement has its current resistance coefficients, and these as well as selenium and

Steuerfunktion im Laststromkreis 10, gemäß F i g. 15 Bleisulfid können ersatzweise oder zusätzlich zu denControl function in the load circuit 10, according to FIG. 15 Lead sulfide can be used as a substitute for or in addition to the

bei einem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung oder genannten Halbleitermaterialien verwendet werden,are used in the case of a moisture content of the environment or named semiconductor materials,

einer relativen Feuchtigkeit derselben von etwa 50 % um einen hohen negativen Licht-Widerstands-Koeffi-a relative humidity of the same of about 50% by a high negative light resistance coefficient

ausüben soll. Bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 45 ⁰Zo 5 zienten zu erzielen.should exercise. To be achieved at a moisture content of 45 ⁰ Zo 5 cients.

betrage der Sperrwiderstand 1,05 ΜΩ, die obere Die Wirkungsweise der Anordnung in Abhängig-the blocking resistance is 1.05 ΜΩ, the upper one.

Schwellenspannung 105 V und die untere Schwellen- keit von Licht ist im wesentlichen die gleiche wie dieThe threshold voltage is 105 V and the lower threshold of light is substantially the same as that

spannung 100 V. Wirkungsweise in Abhängigkeit von Temperatur.voltage 100 V. Mode of operation depending on temperature.

Bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 5O°/o betrage .With a moisture content of 50%.

der Sperrwiderstand 1,0 ΜΩ, die obere Schwellen- io Beispiel 4the blocking resistance 1.0 ΜΩ, the upper threshold io example 4

spannung 100 V und die untere Schwellenspannung Ähnlich der in F i g. 6 dargestellten Anordnung seivoltage 100 V and the lower threshold voltage Similar to that in FIG. 6 is the arrangement shown

95 V. Mit diesen gegebenen Größen sei angenommen, angenommen, daß die Schicht 26 aus Halbleitermate-95 V. With these given quantities it is assumed that the layer 26 of semiconductor material

daß die an den Laststromkreis 10 angelegte Spannung rial zwischen den Elektroden 31, 32 in Reihe in denthat the voltage applied to the load circuit 10 rial between the electrodes 31, 32 in series in the

eine Wechselspannung von 100 V ist (unterbrochene Laststromkreis 10 geschaltet und dem Licht in deran AC voltage of 100 V is (interrupted load circuit 10 switched and the light in the

Linie 44 in Fi g. 16). Die unterbrochenen Linien 15 Umgebung ausgesetzt ist. Es sei angenommen, daßLine 44 in Fig. 16). The broken lines 15 surrounding area is exposed. Assume that

45, 46 entsprechen Feuchtigkeitsgehalten von 50 das Halbleiterelement 14 seine Steuerfunktion im45, 46 correspond to moisture contents of 50, the semiconductor element 14 its control function in

bzw. 45 %>. Laststromkreis 10 (F i g. 17) bei einer Beleuchtungs-or 45%>. Load circuit 10 (Fig. 17) for a lighting

Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Sperr- stärke von 1,00 Im/cm² ausüben soll. Bei einer Bezustand und beträgt der Feuchtigkeitsgehalt weniger leuchtungsstärke von 0,95 Im/cm² kann die Anordals 50%, dann betragen der Sperrwiderstand mehr 20 nung einen Sperrwiderstand von im wesentlichen als 1,0 ΜΩ und die obere Schwellenspannung mehr 1,05 ΜΩ, eine obere Schwellenspannung von 105 V als die angelegte Wechselspannung von 100 V. Die und eine untere Schwellenspannung von 100 V haben. Anordnung verbleibt im Sperrzustand. Steigt der Bei 1,00 Im/cm² kann sie einen Sperrwiderstand von Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung auf 50% an, im wesentlichen 1,0 ΜΩ, eine obere Schwellenspandann sinken der Sperrwiderstand auf 1,0 ΜΩ und 25 nung von 100 V und eine untere Schwellenspannung die obere Schwellenspannung auf 100 V, d. h. auf von 95 V haben. Die an den Laststromkreis 10 angedie angelegte Wechselspannung vom gleichen Wert legte Spannung sei eine Wechselspannung von 100 V ab. Sofort schaltet das Halbleiterelement 14 in den (unterbrochene Linie 44 in F i g. 18). Die unterbro-Leitzustand um. Es setzt den Verbraucher unter chenen Linien 45, 46 entsprechen den Werten von Strom und bleibt leitend bis der Feuchtigkeitsgehalt 30 1,00 bzw. 0,95 Im/cm².If the semiconductor element 14 is in the blocking strength of 1.00 lm / cm ² . With a condition and the moisture content is less luminosity of 0.95 Im / cm ² , the arrangement can be 50%, then the blocking resistance is more than 20 voltage, a blocking resistance of essentially 1.0 ΜΩ and the upper threshold voltage is more than 1.05 ΜΩ, have an upper threshold voltage of 105 V as the applied AC voltage of 100 V. The and a lower threshold voltage of 100 V have. Arrangement remains in the locked state. At 1.00 ^{lm / cm 2} , the blocking resistance of the moisture content of the environment increases to 50%, essentially 1.0 ΜΩ, an upper threshold range, the blocking resistance drops to 1.0 ΜΩ and a voltage of 100 V and a lower threshold Threshold voltage have the upper threshold voltage at 100 V, ie at 95 V. Let the AC voltage of the same value applied to the load circuit 10 be an AC voltage of 100V. Immediately the semiconductor element 14 switches to (broken line 44 in FIG. 18). The interrupted control state around. It places the consumer under lines 45, 46 corresponding to the values of electricity and remains conductive until the moisture content 30 is 1.00 and 0.95 lm / cm ^2, respectively.

auf 45% absinkt. Wenn dies eintritt, steigen der Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Sperr-Sperrwiderstand auf 1,05 ΜΩ und die untere Schwel- zustand und beträgt die Beleuchtungsstärke weniger lenspannung auf 100 V entsprechend der angelegten als 1,00 Im/cm², dann beträgt der Sperrwiderstand Wechselspannung von gleichem Wert an. Infolge- mehr als 1,00 ΜΩ, d. h., daß sich die obere Schweldessen schaltet die Anordnung im wesentlichen äugen- 35 lenspannung über den Wert der angelegten Wechselblicklich wieder in den Sperrzustand zurück. Sie spannung von 100 V legt. Steigt die Beleuchtungsunterbricht die Energiezufuhr zum Verbraucher. stärke auf über 1,00 Im/cm² an, dann sinken derdrops to 45%. When this occurs, the semiconductor element 14 in the blocking resistance increases to 1.05 ΜΩ and the lower threshold state and if the illuminance is less lens voltage to 100 V corresponding to the applied than 1.00 Im / cm ² , then the Blocking resistance alternating voltage of the same value. As a result, more than 1.00 Ω, that is to say that the upper threshold switch instantly switches the arrangement back to the blocking state, essentially via the value of the applied alternation. It applies a voltage of 100 V. If the lighting increases, the energy supply to the consumer is interrupted. strength to over 1.00 Im / cm ² , then decrease

Auf diese Weise bewirken die negativen Feuchtig- Sperrwiderstand auf 1,0 ΜΩ und die obere Schwelkeits-Widerstands-Koeffizienten des Halbleitermate- lenspannung auf 100 V entsprechend dem gleichen rials des Halbleiterelements 14 im Verein mit der im 40 Wert der angelegten Wechselspannung ab. In diesem wesentlichen konstanten angelegten Wechselspannung Augenblick wird das Halbleiterelement 14 im wesentdas An- und Abschalten des Lastwiderstandes 13 im liehen augenblicklich in den Leitzustand umgeschal-Laststromkreis 10 entsprechend der auf die Anord- tet. Es wird nunmehr der Verbraucher im Laststromnung einwirkenden Feuchtigkeit. Während sich das kreis 10 mit Energie gespeist und das Halbleiter-Halbleiterelement 14 im Leitzustand befindet, bewirkt 45 element bleibt leitend, bis die Beleuchtungsstärke auf es eine Abwandlung des Stromdurchganges im Last- 0,95 Im/cm² absinkt. Wenn dies eintritt, steigen der Stromkreis 10 entsprechend der die Vorrichtung be- Sperrwiderstand auf 1,05 ΜΩ und die untere Schweleinflussenden Feuchtigkeit. lenspannung auf 100 V entsprechend dem Wert vonIn this way, the negative moisture blocking resistance to 1.0 ΜΩ and the upper weakness resistance coefficient of the semiconductor material voltage to 100 V corresponding to the same rials of the semiconductor element 14 in conjunction with the 40 value of the applied AC voltage. In this essentially constant applied alternating voltage instant, the semiconductor element 14 is essentially switched on and off of the load resistor 13 in the load circuit 10 in accordance with the switching on and off. It is now the consumer in the load current acting moisture. While the circuit 10 is fed with energy and the semiconductor semiconductor element 14 is in the conductive state, the 45 element remains conductive until the illuminance on it changes the current passage in the load 0.95 Im / cm ² . When this occurs, the circuit 10 increases in accordance with the blocking resistance to 1.05 Ω and the lower simmering-influencing moisture. lens voltage to 100 V corresponding to the value of

Die Anordnung kann auch gemäß Fig. 17 und 18 100 V der angelegten Wechselspannung an. Infolgeentsprechend den auf die einwirkenden Beleuchtungs- 50 dessen schaltet das Halbleiterelement 14 im wesentzuständen betrieben werden. In diesem Falle haben liehen augenblicklich in den Sperrzustand zurück und die Halbleitermaterialien negative Licht-Widerstands- macht den Verbraucher im Laststromkreis 10 wieder Koeffizienten. Halbleiter, die Selen und Bleisulfid stromlos.The arrangement can also, according to FIGS. 17 and 18, apply 100 V of the applied alternating voltage. As a result The semiconductor element 14 essentially switches on the lighting 50 acting on it operate. In this case, the loan will be instantly returned to the locked state and the semiconductor materials negative light resistance makes the consumer in the load circuit 10 again Coefficients. Semiconductors containing selenium and lead sulfide electroless.

enthalten, haben besonders gute negative Licht- Auf diese Weise bewirkt der negative Licht-Wider-Widerstands-Koeffizienten und sind für diesen Zweck, 55 stands-Koeffizient des Halbleitermaterials im Verein speziell in dem an Infrarot angrenzenden Bereich des mit der im wesentlichen konstanten angelegten Wech-Lichtspektrams, besonders geeignet. Silbertellurid, selspannung die An- und Abschaltung des Lastwider-Bleiselenid, Kadmiumsulfid, Zinkselenid und Kad- Standes 13 im Laststromkreis 10 entsprechend dem miumselenid haben ebenfalls hohe negative Licht- auf das Halbleiterelement 14 einwirkenden Licht.contain, have particularly good negative light- In this way, the negative light-resistance-coefficient causes and are for this purpose, 55 stand coefficient of the semiconductor material in association especially in the region of the infrared light spectrum bordering on infrared with the essentially constant applied alternating light spectrum, particularly suitable. Silver telluride, selvoltage the switching on and off of the load resistance lead selenide, Cadmium sulfide, zinc selenide and Kad stand 13 in the load circuit 10 according to the Medium selenides also have high levels of negative light - light acting on the semiconductor element 14.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for controlling the current in a load circuit fed by a source of essentially constant operating voltage as a function of a physical variable by means of a semiconductor element in series with the load circuit without a control electrode, which has two stable operating points in the load circuit, one operating point each at high and with a low electrical forward resistance, and an unstable range in between, and the electrical characteristics of which can be changed by the direct action of the physical variable in such a way that one of the operating points is established depending on the value of the physical variable, characterized by the use of a semiconductor element with a current -Voltage characteristic, the threshold voltage (U _s ) of which can be changed by the physical variable and in which the electrical forward resistance is independent of the current direction when the threshold voltage (U _s ) is reduced below the an The operating voltage is essentially suddenly and abruptly reduced and when the current flow falls below a threshold current (/ _s ) it is increased essentially suddenly and abruptly.

2. Arrangement according to claim 1, characterized by the use of a semiconductor element with such a current-voltage characteristic that the threshold current (/ _s ) is in the vicinity of the current value zero.

3. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the operating voltage an alternating voltage is used.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a device for setting the operating voltage according to the desired values of the state variable, in which the semiconductor element passes from one to the other, and vice versa, tilts.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Semiconductor element responds to the physical quantity temperature.

6. arrangement 'according to claim 5, characterized in that that the temperature is the temperature surrounding the semiconductor element.

7. Arrangement according to claim 5 and 6, characterized in that the thermal coefficient of resistance of the semiconductor element is negative.

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the semiconductor element (14) with an electrical heating element (18) is equipped, through which the Semiconductor element can be heated to above a predetermined temperature and is switched off State can be cooled, and that an electrical one for switching the heating element on and off Control circuit (19 to 22) is provided (Fig. 2).

9. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor element responds to the physical quantity pressure.

10. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor element responds to the physical quantity of moisture.

11. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor element responds to the physical quantity of light energy.