DE1918339A1

DE1918339A1 - Elektrische Stromsteuereinrichtung

Info

Publication number: DE1918339A1
Application number: DE19691918339
Authority: DE
Inventors: Ovshinsky Stanford R
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1968-04-11
Filing date: 1969-04-10
Publication date: 1969-10-23
Also published as: US3571670A; FR2006064A1; GB1260192A; NL6905536A

Description

BR. R. POSCHENRIEDIR

8 μΙλι .':Γν 80 Case 144

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Tete on 44J/55 ^A

Energy Conversion. Devices, Inc., 1675 West Maple Road, Troy, Michigan (V. St. A.)

Elektrische Stromsteuereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Stromsteu'ereinrichtung für einen elektrischen Stromkreis mit einem Halbleitermaterial und in Berührung mit diesem befindlichen Elektroden, dessen Halbleitermaterial einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, der bei Auftreten einer Spannung oberhalb einer Schwellenspannung im wesentlichen augenblicklich auf einen niedrigen elektrischen Widerstand absinkt, der wiederum bei Auftreten einer Verminderung des Stromes unter einen Mindest-Haltestrom augenblicklich auf den hohen elektrischen Widerstand steigt. Gemäß der Erfindung besteht das Halbleitermaterial im wesentlichen aus Bor und Kohlenstoff, Silicium, Titan, Germanium, Zirkonium oder Hafnium.

Die Erfindung steht in Beziehung zu der durch das am 6. September 1966 erteilte USA-Patent 5 271 (Ovshinsky) geschützten Erfindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Stromsteuereinrichtung für die Ausübung von Stromsteuer- oder -schaltfunktionen im wesentlichen

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in der gleichen Weise zu schaffen, wie dies durch die Stromsteuereinrichtung gemäß dem genannten -.---Patent geschieht. In diesem Zusammenhang wird nach. der vorliegenden Erfindung ein anderes Halbleiter-.-., material verwendet, das im wesentlichen aus Bor- ■. und einem oder mehreren der Elemente Kohlenstoff, Silicium, Titan, Germanium, Zirkon oder Hafnium "besteht. Hervorragende Resultate v/erden erzielt, wenn Silicium und/oder Kohlenstoff im Verein mit Bor ver- wendet wird..

Auf der Zeichnung sind schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschäulichung der Wirkungsweise der Stromsteuereinrichtung gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Pig. 1 ist eine schematische Darstellung, einer Strömst euereinri chtung gemäß der Erfindung, die mit einem Lastatromkreis in Reihe geschaltet ist;

Fig. 2 ist ein Strom-Spannunga-Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweis? der Stromsteuer- bzw. schalteinrichtung gemäß der Erfindung für deren Anordnung in einem Gleichstrom-Last-. Stromkreis;

Pig. 3 und 4 sind Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Stromsteuereinrichtung bei Einbau derselben in einen Wechselstrom-Laststromkreis.

In Fig. 1 ist die Stromsteuereinrichtung gemäß der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Sie weist ein Halbleitermaterial 11 von einem einzigen Leit-

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fähigkeitstypus mit hohem elektrischen Widerstand und zwei in Berührung mit dem Halbleitermaterial befindliche Elektroden 12, 13 mit einem niedrigen elektrischen Übergangswiderstand auf. Mittels der Elektroden 12 und 13 der Stromschalteinrichtung ist diese in einem elektrischen LastStromkreis in Reihe geschaltet, der eine Belastung 14 und zwei Klemmen 15» 16 für die Energiezufuhr zu dieser aufweist. Die Energie kann wahlweise in Form einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung zugeführt werden.

Fig. 2 ist ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Stromschalteinrichtung 10 unter Gleichstrom. Die Einrichtung ist normalerweise in einem Zustand hohen elektrischen Widerstandes, und das Diagramm 20 zeigt die Charakteristik der Einrichtung bei Anlegen der Gleichspannung an die Klemmen 15 und 16 und bei Erhöhen derselben, wobei der elektrische Widerstand der Einrichtung hoch ist und den Stromdurchgang durch sie im wesentlichen sperrt. Wenn die Spannung bis zu einer Schwellenspannung erhöht wird, fällt der hohe elektrische Widerstand in dem Halbleitermaterial im wesentlichen augenblicklich auf mindestens einem Pfad zwischen den Elektroden 12 und 13 auf einen niedrigen Wert des elektrischen Widerstandes ab,, und dieses im wesentlichen augenblickliche Umschalten wird durch den KurvenabsGhnitt 21 veranschaulicht. Auf diese Weise wird ein Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes oder ein Leitfähigkeit s zustand geschaffen, der die Stromleitung

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durch die Einrichtung ermöglicht. Der niedrige elektrische Widerstand ist um viele Zehnerpotenzen geringer als der hohe elektrische Widerstand. Der Leitfähigkeitszustand wird durch den Kurvenabschnitt 22 veranschaulicht, und es 1st zu erkennen, daß dieser von einer im wesentlichen linearen Strom-Spannungs-Charakter istIk nur wenig abweicht und daß auch die Abweichung von einer im wesentlichen konstanten Spannungscharakteristik nur gering ist. Dabei ist die Charakteristik für steigenden und fe fallenden Strom gleich. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß Strom bei einer etwa nahezu im wesentlichen konstanten Spannung geleitet wird. Im Leitfähigkeitszustand, bei dem also der Widerstand gering ist, hat das Halbleitermaterial einen Spannungsabfall, der nur einen kleinen Bruchteil des Spannungsabfalls im Sperrzustand mit hohem Widerstand In der Nähe der Schwellenspannung beträgt.

In dem Maß, in dem die Spannung abfällt, sinkt der Strom entlang der Linie 22, und wenn der Strom unter einen Mindest-Haltestrom absinkt, wird der niedrige Wert des elektrischen Widerstandes dee erwähnten mindestens einen Pfades auf den hohen Wert des elektrischen Widerstandes zurückgeführt, wie dies durch die Kuryenabschnitte 23, 23' veranschaulicht ist, so daß der Sperrzustand mit hohem elektrischem Widerstand wiederhergestellt wird. Beim GIeIchstrombetrleb erfolgt das umschalten von dem .Leitfähigkeitszustand mit niedrigem elektrischem Widerstand zum Sperrzustand mit hohem elektrischem Widerstand im Bereich dee Kurven-■ abschnittes 23S und beim Wechselstrombetrieb

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erfolgt es mitunter im Bereich des vollauegezogenen Kurvenabschnittes 23. In beiden Fällen jedoch wird der elektrische Widerstand von dem niedrigen Wert augenblicklich auf den hohen Wert gesteigert, wenn der Strom unter den MindesthalteBtrom sinkt.

Die Stromschalteinrichtung 10 gemäß der Erfindung ist in ihrem Betrieb symmetrisch, indem sie den Strom in beiden Richtungen im wesentlichen in gleichem Maß sperrt bzw. den Strom in beiden Richtungen im wesentlichen in gleichem Maß leitet, und das Umschalten zwischen dem Sperrzustand und dem Leitfähigkeitszustand erfolgt außerordentlich rasch. Im Fall des Wechselstrombetriebes würde die Strom-Spannungs-Gharakteristik für die zweite Halbperiode des Wechselstromes in dem Quadranten liegen, der dem in Fig. 2 dargestelltes gegenüberliegt. Das Verhalten der Vorrichtung bei Wechselstrombetrieb ist in Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Fig. 3 veranschaulicht die Einrichtung 10 im Sperrzustand, in dem die Spannungsspitze des Wechselstromes unterhalb der Schwellenspannung der Einrichtung liegt, und der Sperrzustand ist durch den Kurvenabschnitt 20 in beiden Halbperioden veranschaulicht. Wenn jedoch die Spannungsspitze des angelegten Wechselstromes über die Schwellenspannung der Einrichtung steigt, schaltet die Einrichtung im wesentlichen augenblicklich im Bereich der Kurvenabschnitte 21 zum Leitfähigkeitszustand um, der durch die Kurvenabschnitte 22 veranschaulicht ist, und die Einrichtung schaltet während jeder Halbperiode der angelegten Wechselspannung um. Wenn die angelegte Wechselspannung sich dem Wert ITuIl nähert, so daß der durch die Einrichtung

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fließende Stxom unter den Mindesthaltestrom sinkt, schaltet die Einrichtung im Bereich des Kurvenabschnittes 23 bzw. 23' vom Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes auf den Zustand hohen elektrischen Widerstandes zurück, der durch die Kurve 20 veranschaulicht ist, und dieses Umschalten erfolgt gegen Ende jeder Halbperiode.

Für eine gegebene Ausbildung der Einrichtung 10 kann der hohe elektrische Widerstand den Wert von 1 M-ß und der niedrige elektrische Widerstand etwa 10 Jl betragen, die Schwellenspannung kann ca. 100 V und der Spannungsabfall der Vorrichtung im Leitfähigkeitszustand weniger als 25 V betragen, und die Schaltzeiten können Hanosekunden oder weniger betragen.

Das Halbleitermaterial 11, das die obigen Schalttätigkeiten ausführt, besteht im wesentlichen aus Bor und einem oder mehreren der Elemente Kohlenstoff, Silicium, Titan, Germanium, Zirkon oder Hafnium. Besonders, gute Ergebnisse wurden bei Verwendung von Silicium mit Bor erzielt. Der Borgehalt sollte im Vergleich zum Siliciumgeh*lt hoch sein und sollte ca. 75 bis 86 Atom-# Bor oder darüber und ca. 25 bis 14 Atom-^ Silicium oder weniger betragen. Typische Beispiele eines Bor-Silicium-Halbleitermaterials sind Bor- (tri)-Silicid B,Si und Bor-(hexa)-Silicid B_ßSi.

Wenn Kohlenstoff, Titan, Germanium, Zirkon oder Hafnium mit Bor zusammen verwendet werden, sollten sie in einem Bereich von weniger als 20 Atom-$ verwendet werden, um die oben beschriebenen Schalt-

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funktionen durchzuführen. Verschiedene dieser Elemente können zum Teil für die anderen substituiert werden, so daß eine Bor-Silicium-Kohlenstoffverbindung od. dgl. geschaffen wird.

Bei der Herstellung des Halbleitermaterials gemäß der Erfindung können geeignete Mengen der Materialien in feinzerteilter Form vermischt und in einem lichtbogenofen oder mittels eines Elektronenstrahls auf eine hohe Temperatur in der Gegend von ca. 2000⁰C erhitzt werden, so daß eine Schmelze des Materials gebildet wird, die dann auf Raumtemperatur gekühlt wird. Dann können Stücke oder Lagen in den gewünschten Abmessungen von dieser geschmolzenen Masse abgesondert werden und zwischen die Elektroden zur Bildung der Stromschalteinrichtung gemäß der Erfindung eingefügt werden.

Stattdessen kann die geschmolzene oder gesinterte Masse zur Bildung von Stromsteuereinrichtungen gemäß der Erfindung mit das Halbleitermaterial berührenden Elektroden durch Zerstäuben (Kathodenzerstäubung) oder Elektronenstrahl vorgänge (Elektronenbeschuß) für die Aufbringung von Filmen oder Schichten des Halbleitermaterials auf geeigneten Trägern aufgebracht werden. Der Arbeitsschritt der Bildung der geschmolzenen Masse des Halbleitermaterials kann ausgelassen werden, und das Gemisch der geeigneten Elemente kann direkt in Lagen oder Filmen auf geeignete Träger aufgestäubt oder im Vakuum aufgedampft v/erden. Wenn das Halbleitermaterial in dieser Weise auf den Träger aufgestäubt oder niedergeschlagen ist, dürfte der Überzug

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in amorphem Zustand sein. Wenn die übrigen Elemente, die dem Bor zugesetzt werden, mit diesem normalerweise unverträglich sind, jedoch mit dem Bor aufgebracht werden, befindet sich das aufgebrachte Halbleitermaterial in amorphem Zustand.

Eine andere Möglichkeit zur Bildung der Stromsteuereinrichtung gemäß der Erfindung zur Erzielung der oben beschriebenen Schaltcharakteristik besteht darin, daß die geschmolzene Masse in ein feinverteiltes Pulver umgewandelt wird, das zwischen die Elektroden gebracht werden kann oder das nach Verdichtung zu Pellets (Tabletten) zwischen die Elektroden gebracht werden kann oder in einen geeigneten Lack eingearbeitet und in der Form von Lagen oder Filmen an den Elektroden angebracht werden kann.

Da Bor ein Element ist, das fähig 1st, polymere Strukturen zu bilden, ist anzunehmen, daß das Bor im Verein mit den übrigen, im Verein mit ihm verwendeten Elementen ein Halbleitermaterial von polymerer Struktur, sei es kristallin oder amorph, bildet.

Die Elektroden 12 und 13 können aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt, gebildet sein, das nicht ungünstig mit dem Halbleitermaterial 10 reagiert, beispielsweise Tantal, Graphit, Niob, Wolfram, Molybdän od. dgl. Diese Elektroden sind gewöhnlich in bezug auf das genannte Halbleitermaterial verhältnismäßig inert.

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Es ist anzunehmen, daß der beim Umschalten aus dem Zustand hohen elektrischen Widerstandes in den Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes durch die angelegte Spannung auftretende Zusammenbruch im wesentlichen ein elektrischer Zusammenbruch ist, so daß der Vorgang der Stromleitung im Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes eine elektroniflche Stromleitung ist.

Obwohl oben nur einige Ausführungsformen der Erfindung erläutert wurden, sind Abwandlungen derselben anhand der obigen Offenbarung für den Fachmann ohne Abweichen vom Erfindutigsgedanken möglich.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

( 1./Stromsteuereinrichtung für einen elektrischen '—' Stromkreis mit einem Halbleitermaterial und mit diesem in Berührung befindlichen Elektroden, bei dem das Halbleitermaterial einen hohen elektrischen Widerstand hat, der einen Sperrzustand schafft, bei dem der Stromdurchgang durch die Einrichtung im wesentlichen gesperrt wird und der bei Auftreten einer Spannung oberhalb einer Schwellenspannung auf mindestens einem Pfad zwischen den Elektroden auf einen um Zehner-potenzen kleineren elektrischen Widerstand absinkt, bei dem ein Leitfähigkeitszustand herrscht, in dem Strom durch die Einrichtung geleitet wird und in dem der Spannungsabfall durch das Halbleitermaterial nur einen Bruchteil des Spannungsabfalles in dem Sperrzustand mit hohem elektrischen Widerstand in der Nähe der Schwellenspannung beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen aus Bor und einem oder mehreren der Elemente Kohlenstoff, Silicium, Titan, Germanium, Zirkon und Hafnium besteht.
2. Stromsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Material im wesentlichen aus Bor und Silicium besteht.
3. Stromsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen aus Bor und Kohlenstoff besteht«

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4. Strömsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen aus Bor, Silicium und Kohlenstoff besteht.
5. Stromsteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen amorph ist»
6. Stromsteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens ■ eine Pfad des Halbleitermaterials bei Auftreten einer Abnahmejder Stromstärke bis unter einen Mindest-Haltestrom augenblicklich aus dem Leifähigkeitszustand mit niedrigem elektrischem Widerstand in den Sperrzustand mit hohem elektrischem Widerstand zurückgeführt wird.
7. Stromsteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Pfad des Halbleitermaterials bei Auftreten einer Abnahme der Stromstärke bis unter einen Mindest-Haltestrom augenblicklich aus dem Leitfähigkeitszustand mit niedrigem elektrischem Widerstand in den Sperrzustand mit hohem elektrischem Widerstand zurückgeführt wird*
8. Stromsteuereinrichtung für einen elektrischen Stromkreis mit einem Halbleitermaterial und mit diesem in Berührung befindlichen Elektroden, bei dem das Halbleitermaterial einen hohen elektrischen Widerstand hat, der einen Sperrzustand

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schafft, bei dem der Stromdurchgang durch die Einrichtung im wesentlichen gesperrt wird und der bei Auftreten einer Spannung oberhalb einer Schwellenspannung im wesentlichen augenblicklich auf mindestens einem Pfad zwischen den Elektroden auf einen um Zehnerpotenzen kleineren elektrischen Widerstand absinkt, bei dem ein Leitfähigkeitszustand herrscht, bei dem Strom durch die Einrichtung geleitet wird und bei dem der Spannungsabfall durch das Halbleitermaterial nur einen Bruchteil des Spannungsabfall» in dem Sperrzustand mit hohem elektrischen Widerstand in der Nähe der Schwellenspannung beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen amorph ist und im wesentlichen aus Bor und einem Zusatz besteht, der normalerweise mit dem Bor unverträglich ist, jedoch in amorpher Form mit dem Bor aufgetragen bzw. niedergeschlagen wird.
9. Stromsteuereinrichtun^iach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Pfad des Halbleitermaterials bei Auftreten einer Abnahme der Stromstärke bis unterhalb eines Mindest-Haltestromes augenblicklich aus dem Leitfähigkeitezustand mit niedrigem elektrischen Widerstand in den SperrzuBtand mit hohem elektrischen Widerstand zurückkehrt.
10. Stromsteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrzustand jait hohem elektrischen Widerstand während jeder Halbperiode einer Wechselspannung bei Auftreten

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eines Momentanwertes der Spannung, der oberhalb einer Schwellenspannung liegt, in den Leitfähigkeitszustand niedrigen elektrischen Widerstandes geändert wird, und daß der Leitfähigkeitszustand niedrigen elektrischen Widerstandes während jeder Halbperiode eines Wechselstromes bei Auftreten des Momentanwertes der Stromstärke unterhalb eines Mindesthaltestromes in den Sperrzustand mit hohem elektrischen Widerstand zurückgeführt wird.
11. Stromsteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrzustand mit hohem elektrischen Widerstand während jeder Halbperiode einer Wechselspannung bei Auftreten eines Momentanwertes der Spannung, der oberhalb einer Schwellenspannung liegt, in den Leitfähigkeitszustand niedrigen elektrischen Widerstandes geändert wird, und daß der Leitfähigkeitszustand niedrigen elektrischen Widerstandes während jeder Haxbperiode eines Wechselstromes bei Auftreten des Momentanwertes der Stromstärke unterhalb eines Mindesthaltestromes in den Sperrzustand mit hohem elektrischen Widerstand zurückgeführt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

I e e r s e i t e