DE1918313A1 - Current control device - Google Patents
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Description
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Teleioa U&S6 Oase 145 rjtfe 38
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As/GAs / G
Energy Conversion Devices, Inc., 1675 West Maple Road, Troy, Michigan ( V.St.A. )Energy Conversion Devices, Inc., 1675 West Maple Road, Troy , Michigan (V.St.A.)
StromsteuereinrichtungCurrent control device
Die Erfindung betrifft eine Stromsteuereinrichtung für einen elektrischen Stromkreis mit einem Halbleitermaterial und mit diesem in Berührung befindlichen Elektroden, bei der das Halbleitermaterial einen hohen elektrischen Widerstand hat, der bei Auftreten einer Spannung oberhalb einer Schwellenspannung im wesentlichen augenblicklich auf einen niedrigen elektrischen Widers band absinkt, der wiederum bei einer Abnahme der Sbromstärke auf einen Wert unterhalb eines Mindest-IIaltesbromes im wesentlichen augenblicklich in den Zustand hohen elektrischen Widerstandes zurückgeführt wird, und gemäß der Erfindung besteht das Halbleitermaterial im wesentlichen aus Bor und einem seltenen Erdmetall, beispielsweise yttrium.The invention relates to a current control device for an electrical circuit comprising and in contact with a semiconductor material Electrodes in which the semiconductor material has a high electrical resistance, which at Occurrence of a voltage above a threshold voltage essentially instantaneously to one low electrical resistance decreases, which in turn increases with a decrease in sbrom strength a value below a minimum old bromine is essentially instantaneously returned to the state of high electrical resistance, and according to the invention, the semiconductor material consists essentially of boron and a rare one Earth metal, for example yttrium.
Die Erfindung steht in einer Beziehung zu der in dem am 6. September 1966 erteilten USA-Patent 3 271 5.91 offenbarten Erfindung (Ovshinsky).The invention is related to that in United States patent issued September 6, 1966 3 271 5.91 (Ovshinsky).
Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Stromsteuereinrichtung für die Durchführung der Stromsteuer- bzw. -schalt-The primary object of the invention is to provide an improved current control device for the implementation of the current control or switching
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funktionen im v/es entlichen, in der gleichen V/eise zu schaffen, wie dies mit. der Stromsteuereinrichtung gemäß dem genannten Patent geschieht. In diesem Zusammenhang wird jedoch ein abweichendes Halbleitermaterial verwendet, das im wesentlichen aus Bor und einem seltenen Erdmetall besteht. Obwohl bei diesem Halbleitermaterial mannigfaltige seltene Erdmetalle Verwendung finden können, werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn als seltenes Erdmetall Yttrium im Verein mit Bor verv/endet wird. Obwohl, genau gesprochen, die seltenen Erdmetalle nicht ausdrücklich Scandium, Yttrium und Lanthan im periodischen System umfassen, v/erden die letzteren, Elemente der Gruppe IHa des periodischen Systems, wegen ihrer chemischen Eigenschaften und wegen ihrer großen chemischen Ähnlichkeit mit seltenen Erdmetallen als solche eingestuft. Diese Elemente zu den seltenen Erdmetallen zu zählen, ist bekannt und in der Technik üblich.functions in the v / es, in the same way too create like this with. the current control device according to the said patent happens. In this context However, a different semiconductor material is used, which consists essentially of boron and a rare earth metal. Although there are various rare earth metals in this semiconductor material Can be used, particularly good results are achieved if yttrium is used as the rare earth metal ends in association with boron. Although, strictly speaking, the rare earth metals are not explicitly mentioned Scandium, yttrium and lanthanum in the periodic table include, the latter, elements of group IHa of the periodic table, because of their chemical properties and because of their great chemical similarity classified as such with rare earth metals. These elements belong to the rare earth metals counting is known and customary in the art.
In der Zeichnung sind schematisch ein Ausfülirungsbeispiel der Erfindung und Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschaulichung des Betriebes derselben dargestellt. An exemplary embodiment is shown schematically in the drawing of the invention and current-voltage diagrams to illustrate the operation of the same.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Stromsteuereinrichtung gemäß der Erfindung im Reihenschluß in einem Laststromkreis;Fig. 1 is a schematic representation of a current control device according to the invention in Series connection in a load circuit;
Fig. 2 ist ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebes einer Stromsteuereinrichtung gemäß der Erfindung in einem G-leichstrom-Laststromkreis;Fig. 2 is an illustrative current-voltage diagram the operation of a current control device according to the invention in a DC load circuit;
Fig. 3 und 4 sind Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschaulichung des Betriebes der Stromsteuer- bzw. -schalteinrichtung gemäß der Erfindung bei Einbau derselben in einen Wechselstrom-Last-Stromkreis. 3 and 4 are current-voltage diagrams illustrating the operation of the current control and -switching device according to the invention when installed in an AC load circuit.
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In Pig. 1 ist die Stromsteuereinrichtung gemäß der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt ein Halbleitermaterial 11, das einen einzigen Leitfähigkeitstypus aufweist und einen hohen elektrischen Widerstand hat, sowie zwei Elektroden 12 und 13t die sich mit dem Halbleitermaterial 11 in Berührung befinden und mit diesem einen niedrigen elektrischen Übergangswiderstand haben. Die Elektroden 12 und 13 der Stromschalteinrichtung 1Ö verbinden diese in Reihe mit einem elektrischen Laststromkreis, der eine Belastung 14 enthält und zwei Klemmen 15 und 16 zum Zuführen von Energie zu diesen aufweist. Die Energiezufuhr kann wahlweise als Gleichspannung oder als Wechselspannung erfolgen.In Pig. 1, the current control device according to the invention is designated generally by 10. It comprises a semiconductor material 11 which has a single conductivity type and has a high electrical resistance, and two electrodes 12 and 13 t which are in contact with the semiconductor material 11 and which have a low electrical contact resistance therewith. The electrodes 12 and 13 of the current switching device 10 connect them in series to an electrical load circuit which contains a load 14 and has two terminals 15 and 16 for supplying energy to them. The energy can be supplied either as direct voltage or as alternating voltage.
Fig. 2 ist ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Veranschaulichung des Gleichstrombetriebes der Stromschalteinrichtung 10* Die Einrichtung befindet sich normalerweise in ihrem Zustand hohen elektrischen Widerstandes, und der Kurvenabschnitt 20 veranschaulicht die Charakteristik der Einrichtung beim Anlegen einer Gleichspannung an die Klemmen 15 und 16 und bei Erhöhung dieser Spannung. Der elektrische Widerstand der Einrichtung ist hoch und verhindert im wesentlichen den Stromdurchgang durch sie. Wenn die Spannung bis zu einer Schwellenspannung erhöht wird, sinkt der elektrische Widerstand in dem Halbleitermaterial von einem hohen Wert im wesentlichen augenblicklich auf mindestens einem Pfad zwischen den Elektroden 12 und 13 auf einen niedrigen Wert, und dieses im wesentlichen augenblickliche Umschalten wird durch den Kurvenabschnitt 21 veranschaulicht. Dadurch wird ein niedriger elektrischer WiderstandFig. 2 is a current-voltage diagram to illustrate the DC operation of the current switching device 10 * The device is normally in its high electrical resistance state, and the curve section 20 illustrates the characteristics of the device when a DC voltage to terminals 15 and 16 and when this voltage is increased. The electrical resistance the device is tall and essentially prevents current passage through it. When the tension is increased to a threshold voltage, the electrical resistance in the semiconductor material decreases from a high value substantially instantaneously on at least one path between electrodes 12 and 13 to a low value, and this essentially instantaneous switchover is illustrated by curve section 21. This results in a low electrical resistance
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oder ein Zustand der Leitfähigkeit für die Stromleitung durch das Halbleitermaterial geschaffen. Der niedrige elektrische Widerstand ist um viele Zehnerpotenzen geringer als der hohe elektrische Widerstand. Der Zustand- der Leitfähigkeit wird durch den Kurvenabschnitt 22 veranschaulicht, und es ist zu erkennen,·daß eine gewisse Abweichung von einer im wesentlichen linearen Strom-Spannungs-Charakteristik sowie eine gewisse Abweichung von einer im wesentlichen konstanten Spannungscharakter\istik vorhanden ist und daß die Charakteristik für das Ansteigen und die Verminderung der Stromstärke die gleiche ist.. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Stromleitung etwa nahezu bei einer im wesentlichen konstanten Spannung erfolgt. Bei dem Zustand der Leitfähigkeit mit geringem Widerstand hat das Halbleitermaterial einen Spannungsabfall, der einen nur kleinen Bruchteil des Spannungsabfalls beträgt, der im Sperrzustand hohen Widerstandes in der Nähe der Schwellenspannung herrscht.or a state of conductivity for the power line created by the semiconductor material. The low electrical resistance is around many Powers of ten lower than the high electrical resistance. The state of conductivity will illustrated by the curve section 22, and it can be seen that a certain deviation from an essentially linear current-voltage characteristic and a certain deviation from an essentially constant voltage characteristic is present and that the characteristic for the increase and decrease in amperage is the same .. This means with others Words that the current conduction takes place approximately at an essentially constant voltage. at the state of conductivity with low resistance, the semiconductor material has a voltage drop, which is only a small fraction of the voltage drop, which is high in the off-state Resistance in the vicinity of the threshold voltage prevails.
In dem Maße, in dem die Spannung abnimmt, nimmt die Stromstärke im Bereich des. Kurvenabschnittes ab, und wenn der Strom unter einen Mindest-Haltestrom absinkt, wird in dem mindestens einen Pfad der niedrige elektrische Widerstand auf den hohen elektrischen Widerstand zurückgebracht, wie dies durch die Kurvenabschnitte 23j 23' veranschaulicht ist, und der Sperrzustand hohen Widerstandes wird wiederhergestellt. Beim Gleichstrombetrieb erfolgt das Umschalten von dem Zustand der Leitfähigkeit mit niedrigem elektrischen Widerstand auf den Sperr-.To the extent that the voltage decreases, the current intensity in the area of the curve section increases from, and when the current falls below a minimum holding current, the at least one path is the low electrical resistance brought back to the high electrical resistance like this by the curve sections 23j 23 'is illustrated, and the high resistance blocking state is restored. This is done with direct current operation Switching from the state of conductivity with low electrical resistance to the blocking state.
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zustand mit hohem elektrischen Widerstand im Bereich des Kurvenabschnittes 23' und manchmal, beim Wechselstrombetrieb, im Bereich des voll ausgezogenen Kurvenabschnittes 23. In beiden Fällen jedoch erfolgt der Übergang von dem niedrigen elektrischen Widerstand zu dem hohen elektrischen Widerstand augenblicklich, wenn die Stromstärke unter den Mindest-Haltestrom absinkt.state with high electrical resistance in the area of curve section 23 'and sometimes, in AC operation, in the area of the fully extended curve section 23. In both cases however, the transition is made from the low electrical resistance to the high electrical resistance instantly when the current drops below the minimum holding current.
Die Stromschalteinrichtung IO gemäß der Erfindung ist hinsichtlich ihres Betriebes symmetrisch, indem sie im Sperrzustand den Durchgang des Stromes in beiden Richtungen im wesentlichen gleich sperrt und im Zustand der Leitfähigkeit den Strom in beiden Richtungen im wesentlichen gleich leitet, und das Umschalten zwischen dem Sperrzustand und dem Zustand der leitfähigkeit erfolgt außerordentlich rasch. Im Falle des Wechselstrombetriebes würde die Strom-Spanhungs-Charakteristik für die zweite Halbperiode des Wechselstromes sich im Quadranten befinden, der dem in Fig. 2 dargestellten gegenüberliegt. Der Wechselstrombetrieb der Einrichtung ist in Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Fig. 3 veranschaulicht die Einrichtung 10 in ihrem Sperrzustand, in dem die Spannungsspitze der Wechselspannung niedriger ist als die Schwellenspannung der Einrichtung, und der Sperrzustand wird durch den Kurvenabschnitt 20 in beiden Halbperipden veranschaulicht. Wenn jedochdie Spannüngsspitze der angelegten Wechselspannung über die Schwellenspannung der Einrichtung steigt, schaltet die Einrichtung im Bereich der Kurvenabschnitte 21 im wesentlichen augenblicklich auf den Zustand der Leitfähigkeit um, der durchThe current switching device IO according to the invention is symmetrical in terms of its operation by it blocks the passage of the current in both directions essentially equally in the blocking state and in the state of conductivity conducts the current essentially equally in both directions, and Switching between the blocked state and the conductive state takes place extremely well quickly. In the case of AC operation, the current-voltage characteristic would be for the second Half-period of the alternating current are in the quadrant opposite that shown in FIG. The facility is AC running illustrated in Figs. Fig. 3 illustrates the device 10 in its locked state, in where the voltage peak of the alternating voltage is lower than the threshold voltage of the device, and the blocking state is illustrated by the curve section 20 in both half-circles. However, if the Voltage peak of the applied alternating voltage rises above the threshold voltage of the device, the device switches in the range of the curve sections 21 essentially instantaneously to the state of conductivity, which by
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die Kurvenabschnitte 22 veranschaulicht wird, und die Einrichtung schaltet während jeder Halbperiode der angelegten Wechselspannung um. Bei Annäherung der angelegten Wechselspannung an den Wert Null, bei der die Stromstärke des durch die Einrichtung fließenden Stromes unter den Mindest-Haltestrom sinkt, schaltet die Einrichtung im Bereich der Kurvenabschnitte 23 bzw. 23' von dem Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes auf den Zustand hohen elektrischen Widerstandes um, der durch den Kurvenabschnitt 20 veranschaulicht wird, und dieses Umschalten erfolgt gegen Ende jeder Halbperiode.curve sections 22 is illustrated and the device switches during each half cycle the applied alternating voltage. When the applied alternating voltage approaches the value zero, at which the amperage of the current flowing through the device is below the minimum holding current decreases, the device switches from the low state in the region of the curve sections 23 or 23 ' electrical resistance to the state of high electrical resistance, which is caused by the Curve portion 20 is illustrated, and this switching occurs towards the end of each half cycle.
Für eine gegebene Ausbildung der Einrichtung 10 kann der hohe elektrische Widerstand ca. 1 M./2 und der niedrige elektrische Widerstand ca. 10-Q, die Schwellenspannung ca. 25 V und der Spannungsabfall über die Einrichtung im Zustand der leitfähigkeit weniger als 10 V betragen, und die Schaltzeiten sind in der Größenordnung von Nanosekunden oder darunter.For a given design of the device 10, the high electrical resistance can be approximately 1 M./2 and the low electrical resistance approx. 10-Q, the threshold voltage approx. 25 V and the voltage drop across the device in the state of conductivity be less than 10 V, and the switching times are on the order of nanoseconds or below.
Das Halbleitermaterial 11, das die obigen Schalttätigkeiten ausführt, besteht im wesentlichen aus Bor und einem seltenen Erdmetall gemäß obiger Betrachtung und Einstufung, beispielsweise Scandium, Yttrium, lanthan, Cerium, Praseodymium, Neodyaium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium (Cassiopeum). Den seltenen Erdmetallen können Zusätze zugegeben werden oder die seltenen Erdmetalle können teilweise durch Zusätze ersetzt werden, wie Silicium und bzw. oder Kohlenstoff od. dgl. Besonders gute Ergebnisse wur-The semiconductor material 11, which performs the above switching operations, consists essentially of Boron and a rare earth metal according to the above considerations and classification, for example scandium, Yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodyaium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium and Lutetium (Cassiopeum). Additives can be added to the rare earth metals or the rare earth metals can be partially replaced by additives, such as silicon and / or Carbon or the like. Particularly good results were
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den erzielt, wenn Yttrium im Verein mit Bor verwendet wird. Der in Atom-$ ausgedrückte Borgehalt sollte im Vergleich zum Gehalt an Yttrium oder anderen seltenen Erdmetallen hoch sein, beispielsweise im Bereich von mindestens 50 Atom-$ Bor und in einem Bereich von 50 AtonH$ oder weniger Yttrium. Vorzugsweise sollte der Bereich des Borgehaltes in Atom-fo ca. 75 1° oder darüber betragen. Ein typisches Beispiel für ein Bor-Yttrium-Halblei terraat er ial ist Yttriumboridobtained when yttrium is used in conjunction with boron. The boron content expressed in atomic $ should be high compared to the content of yttrium or other rare earth elements, for example in the range of at least 50 atomic $ boron and in the range of 50 atomic $ or less yttrium. The range of the boron content in at om-fo should preferably be approx. 75 1 ° or above. A typical example of a boron-yttrium semicon terial is yttrium boride
Wenn andere seltene Erdmetalle im Verein mit Bor verwendet werden, sollen sie in einem Bereich von unter 50 Atom-$ und vorzugsweise unter 25 Atom-^ verwendet werden, damit die oben beschriebenen Schaltfunktionen bestens erfüllt werden. Verschiedene dieser Elemente können die anderen für die Verwendung im Verein mit Bor teilweise ersetzen.When other rare earth metals are used in conjunction with boron, they are said to be in a range of below 50 atom- $ and preferably below 25 atom- ^ can be used so that the switching functions described above are optimally fulfilled. Different these elements can partially replace the others for use in conjunction with boron.
Bei der Herstellung der Halbleitermaterialien gemäß der Erfindung können geeignete Mengen der Materialien in feinverteilter Form gemischt und in einem Lichtbogenofen oder in einem Elektronenstrahlschmelzofen auf hohe Temperaturen in der Gegend von ca. 2000 C zur Bildung einer geschmolzenen Masse des Materials erhitzt werden, die dann bei Raumtemperatur abkühlen gelassen wird. Stücke oder Schichten von den gewünschten Abmessungen können dann von dieser Masse abgespalten und zur Bildung der Stromschalteinrichtung gemäß der Erfindung zwischen die Elektroden eingefügt werden.In preparing the semiconductor materials according to the invention, suitable amounts of the materials can be used in finely divided form and mixed in an electric arc furnace or in an electron beam melting furnace to high temperatures in the region of approx. 2000 C to form a molten mass of the material which is then allowed to cool at room temperature. Pieces or layers of the ones you want Dimensions can then be split off from this mass and form the current switching device according to the invention are inserted between the electrodes.
Stattdessen kann die geschmolzene Masse für den Auftrag von Eilmen oder Schichten des Halbleitermaterials auf geeignete Träger zur Bildung der Instead, the molten mass can be used for the application of films or layers of the semiconductor material on suitable carriers to form the
- S- S.
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Stromschalteinrichtung gemäß der Erfindung mit Elektroden, die sich mit dem Halbleitermaterial in Verbindung befinden, durch Elektronenstrahlvorgänge oder Kathodenzerstäubung verarbeitet.werden. Der Arbeitsschritt der Bildung der geschmolzenen bzw« ge-r sinterten Masse des Halbleitermaterials kann entfallen, und das Gemisch der geeigneten Elemente kann . direkt in Schichten oder Filmen auf geeignete Träger aufgestrahlt oder -durch Vakuumaufdampfen aufgebracht v/erden, \ierm das Halbleitermaterial in dieser Weise auf einen Träger aufgesprüht oder niedergeschlagen ist, dürfte es in einem amorphen Zustand aufgebracht sein. Auch wenn die übrigen Elemente, die dem Bor zugesetzt sind, normalerweise mit. diesem unverträglich sind, jedoch mit dem Bor aufgebracht werden, befindet sich das aufgetragene Halbleitermaterial in einem amorphen Zustand. Eine andere Möglichkeit zur Bildung der Stromschalteinrichtung gemäß der Erfindung zur Erzielung der oben erwähnten Schalttätigkeit besteht darin, die geschmolzene Masse in ein feinverteiltes Pulver umzuwandeln, das zwischen den Elektroden angebracht oder in einem geeigneten Lack eingearbeitet und in Form von Schichten oder Filmen auf die Elektroden aufgebracht wird.Current switching device according to the invention with electrodes, which are in connection with the semiconductor material, processed by electron beam processes or cathode sputtering. The work step of forming the melted or sintered mass of the semiconductor material can be omitted, and the mixture of the suitable elements can be used. irradiated directly in layers or films on suitable carriers or applied by vacuum vapor deposition, if the semiconductor material is sprayed or deposited in this way on a carrier, it should be applied in an amorphous state. Even if the other elements that are added to the boron, usually with. are incompatible with this, but are applied with the boron, the applied semiconductor material is in an amorphous state. Another possibility of forming the current switching device according to the invention to achieve the above-mentioned switching activity is to convert the molten mass into a finely divided powder that is attached between the electrodes or incorporated in a suitable lacquer and applied in the form of layers or films to the electrodes will.
Da Bor ein Element ist, das polymere Strukturen au bilden vermag, ist anzunehmen, daß das Bor im Verein mit den mit ihm zusammen verwendeten seltenen Erdmetallen ein Halbleitermaterial mit einer polymeren Struktur, sei es kristallin oder amorph, bildet.Since boron is an element that builds polymeric structures can form, it can be assumed that the boron is combined with the rare ones used with it Earth metals a semiconductor material with a polymeric structure, be it crystalline or amorphous, forms.
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Die Elektroden 12 und 13 können aus einem beliebigen elektrisch, leitfähigen Material, vorzugsweise einem mit hohem Schmelzpunkt, gebildet sein, das mit dem Halbleitermaterial 11 nicht ungünstig reagiert, beispielsweise !Tantal, Graphit, Niob, Wolfram, Molybdän od. dgl. Diese Elektroden sind gewöhnlich, in bezug auf das genannte Halbleitermaterial verhältnismäßig inert.The electrodes 12 and 13 can be of any one electrically conductive material, preferably one with a high melting point, be formed, the does not react unfavorably with the semiconductor material 11, for example! tantalum, graphite, niobium, Tungsten, molybdenum or the like. These electrodes are common with respect to the semiconductor material mentioned relatively inert.
Es wird angenommen, daß der beim Umschalten aus dem Zustand hohen elektrischen Widerstandes in den Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes auftretende, durch die angelegte Spannung hervorgerufene Zusammenbruch im wesentlichen ein elektrischer Zusammenbruch ist und daß der Stromleitvorgang in dem Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes ein elektronischer Leitvorgang ist.It is assumed that when switching from the high electrical resistance state to the low electrical resistance caused by the applied voltage Breakdown is essentially an electrical breakdown and that the current conducting process in the state of low electrical resistance is an electronic conduction process.
Obwohl für die Zwecke der Veranschaulichung einige Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, kann der Fachmann anhand der obigen Offenbarung Abwandlungen ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken in mannigfaltiger Weise vornehmen.Although some embodiments of the invention have been described for the purpose of illustration, the person skilled in the art can use the above disclosure to make modifications without departing from the concept of the invention perform in a variety of ways.
- Patentansprüche -- patent claims -
- 10 -- 10 -
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Claims (6)
aus dem Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes augenblicklich in den Zustand hohen elektrischen Widerstandes übergeführt wird, so daß der
Sperrzustand wiederhergestellt wird.7 · Current control device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one path ■ of the semiconductor material which is in the conductivity state when a reduction in the current strength occurs below a minimum holding current
is instantly transferred from the state of low electrical resistance to the state of high electrical resistance, so that the
Lock state is restored.
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