DE19510510C2

DE19510510C2 - Electronic switch for high voltages

Info

Publication number: DE19510510C2
Application number: DE1995110510
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Ing Schmolla
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2015-03-24
Also published as: DE19510510A1

Description

An elektronische Bauelemente werden beispielsweise im Kraftfahrzeug, und vor allem im Motorraum, besondere Anforderungen gestellt. Einerseits müssen die Halbleiterbauelemente hohe Temperaturen vertragen und andererseits werden an die Bauelemente extrem hohe Forderungen gestellt, falls hohe Spannungen direkt an einen Halbleiterschalter angelegt werden. Um die hohen Spannungen aufzunehmen, müssen i. allg. mehrere Halbleiterbauelemente in Reihe geschaltet werden. Das ist aufwendig und teuer. Eine Zerstörung von Bauelementen durch Überspannungen ist dennoch nicht mit Sicherheit auszuschließen.Electronic components are used, for example, in motor vehicles, and especially in the engine compartment, special requirements. On the one hand, the semiconductor components must have high temperatures tolerated and on the other hand, the components are extremely high Demands are made if high voltages are in direct contact with you Semiconductor switches are created. To the high tensions must record i. generally several semiconductor components in series be switched. This is complex and expensive. A destruction of Components caused by overvoltages are still not safe to exclude.

Feldemitter sind u. a. aus Veröffentlichungen von C. Spindt, aus dem Standford Research Institut bekannt. Sie werden bisher überwiegend für Displays verwendet. Field emitters are u. a. from publications by C. Spindt, from the Standford Research Institute known. So far they are mostly for Displays used.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 06 37 832 A1 ist eine elektronenemittierende Anordnung bekannt, welche aus einer kalten Kathode, Elektroden zur Modulation und einer Anode besteht. Diese Komponenten sind übereinander angeordnet und erlauben es einen Elektronenstrahl mittels eines Mikrowellensignals tranversal zu modulieren. Dieses modulierte Signal kann beispielsweise einer Antenne zugeführt werden. Die Anordnung wird vorzugsweise in Mikrotechnik ausgeführt und kann außer einem ersten Gitter auch ein fokussierendes Gitter enthalten. Ein solches Gitter kann beispielsweise durch eine Isolation mittels einer Schicht von 1,5 µm Stärke von SiO₂ gebildet werden. Die einzelnen Elemente bilden ein Array mit mehreren tausend Kathodenspitzen welche einen Strom von mehr als 10 µA erzeugen.From the European patent application EP 06 37 832 A1 is an electron-emitting Arrangement known, which consists of a cold cathode, electrodes for modulation and Anode exists. These components are arranged one above the other and allow one To modulate the electron beam transversely by means of a microwave signal. This modulated The signal can be fed to an antenna, for example. The arrangement is preferred executed in microtechnology and, in addition to a first grating, a focusing grating contain. Such a grid can, for example, be isolated by means of a layer of 1.5 µm thickness of SiO₂ are formed. The individual elements form an array with several thousand cathode tips which generate a current of more than 10 µA.

Aus dem amerikanischen Patent US 5,150,019 ist ebenfalls ein Array bekannt, welches aus Kaltkathoden und darüber angeordneten Gittern sowie einer Anode besteht. Die Gitter bestehen aus Metallschichten mit einer großen Anzahl von Löchern, welche einen Elektronenstrom durchlassen. Dieser Elektronenstrom wird durch die Vorspannung dieser Gitter gesteuert und erreicht die Anode, welche ebenso wie die Gitter durch jeweils eine isolierende Schicht voneinander getrennt sind. Das Bauelement wirkt als Ganzes wie eine Verstärker-Triode.An array is also known from US Pat. No. 5,150,019, which consists of Cold cathodes and grids arranged above and an anode. The grids exist from metal layers with a large number of holes, which an electron current let through. This electron current is controlled by the bias of these grids and reaches the anode, which, like the grid, each has an insulating layer are separated from each other. The component acts as a whole like an amplifier triode.

In der Patentschrift US 5,397,957 wird ein Verfahren beschrieben, um mittels der Mikrotechnik vakuumelekronische Bauelemente in Feldemittertechnik herzustellen. Es wird eine Struktur angegeben, welche für Dioden, Trioden, Tetroden, Pentode und ähnliche Strukturen besondere Vorteile bietet.In the US Pat. No. 5,397,957 a method is described for using microtechnology to produce vacuum electronic components using field emitter technology. It becomes a structure specified which are special for diodes, triodes, tetrodes, pentodes and similar structures Offers advantages.

Vakuummikroelektronische Bauelemente werden allgemein in dem Buch: Advances in Electronics and Electron physics, Vol. 83 (1992), S. 67-75 (Artikel von Bondie und Spindt) und in IEEE Trans. Electron Devices Vol. 38 2368-2372 (1991) vorgestellt. Vacuum microelectronic devices are generally described in the book: Advances in Electronics and Electron physics, Vol. 83 (1992), pp. 67-75 (article by Bondie and Spindt) and in IEEE Trans. Electron Devices Vol. 38 2368-2372 (1991).

description Electronic switch for high voltages

Der Feldemitter, ein Bauelement der Vakuummikroelektronik, nutzt die gesteuerte Emission von Elektronen aus einer Metallspitze oder -kante ins Vakuum. In der Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines Feldemitters mit Feldemissionskathode dargestellt. Die Metallspitze befindet sich in einem hohen elektrischen Feld auf Raumtemperatur.The field emitter, a component of vacuum microelectronics, uses the controlled emission of electrons from a metal tip or edge into the vacuum. In FIG. 2, the basic structure of a field emitter is illustrated with field emission cathode. The metal tip is in a high electrical field at room temperature.

Durch die Form der Metallspitze sind Feldstärkeüberhöhungen bis in den Bereich einiger 10⁷ V/cm möglich. Diese Feldstärken reichen für Elektronen aus, um den Potentialberg in der Höhe der Austrittsarbeit zu durchtunneln.Due to the shape of the metal tip, field strength increases are possible up to Range of some 10⁷ V / cm possible. These field strengths are sufficient for Electrons out to the potential mountain at the height of the work function tunnel through.

Wegen des geringen Abstands der Kathodenspitze zum Rand des Gate-Lochs und des wesentlich größeren Abstands zur Anode bei Spannungen in der gleichen Größenanordnung an beiden Elektroden, bestimmt im wesentlichen die Gate-Spannung die für die Feldemission an der Kathode herrschende Feldstärke. Because of the small distance of the cathode tip to the edge of the gate hole and the much greater distance to the anode in the event of voltages in the same size arrangement on both electrodes, determined in essentially the gate voltage for the field emission at the cathode prevailing field strength.

Die Elektronen werden nach dem Austreten aus der Spitze bereits in Kathodennähe auf einen merklichen Teil der Endgeschwindigkeit beschleunigt.The electrons are already in after exiting the tip Cathode proximity to a noticeable part of the final speed accelerates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Schalter anzugeben, bei dem das Ausgangspotential V1 einem Eingangspotental V2 folgt, wenn die Schalterfunktion "Schalter geschlossen" freigegeben ist.The invention has for its object an electronic switch specify, in which the output potential V1 an input potential V2 follows when the switch function "Switch closed" is enabled.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.The object is achieved by the features specified in claim 1 solved. Further training is contained in the subclaims.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Schalters ist in der Fig. wiedergegeben. Die Eingangsspannung V2 ist immer positiv. Die Ausgangsspannung V1 ist bei geschlossenem Schalter immer positiv. Bei geöffnetem Schalter kann am Ausgang eine Spannung V1 anliegen, die einige 10 kV groß sein kann und negativ ist. Im geöffneten Schaltzustand darf der Leckstrom höchstens einige nA betragen. Die Ausgangsspannung V1 kann größer oder kleiner als die Eingangsspannung V2 sein (bipolare Schaltfunktion). Die Steuerspannung für die Zustände offen und geschlossen soll im Bereich zwischen 0 V und maximal einigen 100 V liegen. Der anzugebende Schalter muß unter den genannten Bedingungen seine Schalterfunktion erfüllen und er muß in vakuummikroelektronischer Technik darstellbar sein.The principle of the switch according to the invention is shown in the figure . The input voltage V2 is always positive. The output voltage V1 is always positive when the switch is closed. When the switch is open, a voltage V1 can be present at the output, which can be a few 10 kV and is negative. When the switch is open, the leakage current may not exceed a few nA. The output voltage V1 can be higher or lower than the input voltage V2 (bipolar switching function). The control voltage for the open and closed states should be in the range between 0 V and a maximum of a few 100 V. The switch to be specified must fulfill its switch function under the conditions mentioned and it must be able to be represented in vacuum microelectronic technology.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1 Beschaltung des bipolaren Schalters; Fig. 1 wiring of the bipolar switch;

Fig. 2 Realisierung eines bipolaren Schalters mit zwei Feldemittertrioden; FIG. 2 shows the realization of a bipolar switch with two Feldemittertrioden;

Fig. 3 Prinzip des Potentialfolgers mit Feldemitter und Fig. 3 principle of the potential follower with field emitter and

Fig. 4 Anwendungsbeispiel Zündanlage mit Potentialfolger mit Feldemittern. Fig. 4 Application example ignition system with potential follower with field emitters.

Feldemitter der Vakuummikroelektronik weisen hohe Isolationswiderstände zwischen den Elektroden auf. Die Isolationswiderstände werden durch die Eigenschaften der Elektrodenträgermaterialien bestimmt. Field emitters in vacuum microelectronics have high insulation resistances between the electrodes. The insulation resistances are through determines the properties of the electrode carrier materials.

Bei geeigneter Ausbildung der Geometrie des Feldemitters und Wahl der Abstände kann die Anode hohe Spannungen gegenüber den übrigen Elektroden aufnehmen. Wegen ihrer Eigenschaften eignen sich Feldemitter zur Darstellung von hochisolierenden Schalterfunktionen mit großen Potential wechseln.With a suitable formation of the geometry of the field emitter and choice of The anode can have high voltages compared to the rest Pick up electrodes. Because of their properties are suitable Field emitter for displaying highly insulating switch functions with great potential.

Die Realisierung eines bipolaren Schalters mit zwei Feldemittertrioden ist in der Fig. 2 dargestellt. Ein Feldemitter, bestehend aus Feldemissionskathode, Steuerelektrode oder Gate und Anode, weist bei der Realisierung des im Potential frei floatenden Schalters die im folgenden beschriebenen Nachteile auf. Angenommen die Schaltverbindung würde zwischen Anode 2, 3 und Kathode 4, 6 hergestellt. Die positive Schalterspannung zwischen Anode und Kathode könnte dann nicht unter den Wert der Steuerspannung zwischen Gate 5 und Kathode absinken, ohne daß ein Gate-Strom fließt. Es muß außerdem sichergestellt werden, daß beim Anliegen der hohen negativen Spannung V1 der Schalter offen bleibt. Die Steuerspannung VG am Gate 5 müßte hohe negative Werte annehmen, was einen erheblichen Zusatzaufwand bedeutet.The implementation of a bipolar switch with two field emitter triodes is shown in FIG. 2. A field emitter, consisting of field emission cathode, control electrode or gate and anode, has the disadvantages described below in the implementation of the switch floating in potential. Assuming the switching connection would be established between anode 2 , 3 and cathode 4 , 6 . The positive switch voltage between the anode and cathode could then not drop below the value of the control voltage between gate 5 and cathode without a gate current flowing. It must also be ensured that the switch remains open when the high negative voltage V1 is applied. The control voltage VG at the gate 5 would have to assume high negative values, which means a considerable additional effort.

Die angeführten Nachteile werden vermieden, wenn die Anode A1 des Feldemitters in Fig. 3 als Sekundärelektronenemitter ausgeführt wird und eine weitere Anode A2 hinzugefügt wird. Bei dem entstandenen Potentialfolger mit Feldemitter folgt im stromlosen unbelasteten Fall (IA1=0, IK nicht =0) das Potential an der Anode A1 dem Potential an der Anode A2. An der Anode A2 liegt eine positive Gleichspannung 7, der beispielsweise eine Wechselnutzspannung 9 überlagert wird.The disadvantages mentioned are avoided if the anode A1 of the field emitter in FIG. 3 is designed as a secondary electron emitter and a further anode A2 is added. In the potential follower with field emitter created, the potential at anode A1 follows the potential at anode A2 in the de-energized, unloaded case (IA1 = 0, IK not = 0). At the anode A2 there is a positive direct voltage 7 , for example an alternating useful voltage 9 is superimposed.

Die Summe beider Spannungen bildet die zu schaltende Eingangsspannung. Ist das Potential an A2 höher als an A1, werden durch den Sekundärelektroneneffekt von A1 mehr Elektronen emittiert, als von der Kathode K stammende aufgefangen werden. Das Potential an A1 wird positiver. Ist das Potential an A2 niedriger als an A1, werden weniger Elektronen emittiert als von der Kathode K stammende aufgefangen werden. Das Potential an A1 wird negativer. Der stationäre Fall, daß das Potential an A1 gleich dem an A2 ist, stellt sich ein, wenn von A1 gleich viel Elektronen emittiert wie aufgefangen werden. Damit ist der Schalter geschlossen. Die Beschreibung gilt streng genommen für den stromlosen Fall I_A1 = 0. The sum of both voltages forms the input voltage to be switched. If the potential at A2 is higher than at A1, more electrons are emitted by the secondary electron effect of A1 than are collected by the cathode K. The potential at A1 is becoming more positive. If the potential at A2 is lower than at A1, fewer electrons are emitted than those from the cathode K are collected. The potential at A1 becomes more negative. The stationary case, that the potential at A1 is equal to that at A2, arises when the same number of electrons are emitted from A1 as are collected. The switch is now closed. Strictly speaking, the description applies to the currentless case I _A1 = 0.

Am Prinzip des sich an A2 annähernden Potentials A1 ändert sich im strombehafteten Fall IA1<<0 nichts. Aufgrund des Schaltwiderstands tritt ein stromabhängiger Spannungsabfall zwischen A1 und A2 auf.The principle of the potential A1 approaching A2 changes in current case IA1 << 0 nothing. Due to the switching resistance occurs a current-dependent voltage drop between A1 and A2.

Die Schalterverbindung zwischen A1 und A2 wird elektronisch unterbrochen, wenn durch die Steuerspannung VG am Gate G die Feldemission beendet wird.The switch connection between A1 and A2 becomes electronic interrupted when the control voltage VG at gate G Field emission is ended.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines Potentialfolgers in einer Zündanlage mit Feldemitterschalter. Die Zündspannung UZ versorgt nacheinander mehrere Zündkerzen über Feldemitterschalter. Ist die Zündspannung UZ = OV wird der Speicherkondensator 11 über den Potentialfolger 12 mit einer positiven Spannung für den Feldemitterschalter 13 aufgeladen. Die Aufladeeingangsspannung V2 ist einige 100 V groß und die Schalterfunktion des Potentialfolgers befindet sich im Zustand geschlossen durch eine positive Steuerspannung VG. Nach der Aufladung des Kondensators 11 wird der Potentialfolger durch die Steuerspannung VG = 0 geöffnet. V2 kann ebenfalls gleich null werden. Die Zündspannung UZ ändert ihren Wert auf UZ = -30kV. Die Spannung auf dem Speicherkondensator 11 schließt den Feldemitterschalter 13, der durch einen Stromfluß die Zündspannung an der Zündkerze 14 aufbaut, bis es zur Zündung kommt. Wenn die Zündspannung UZ wieder den Wert 0 V angenommen hat, wird der Speicherkondensator über den Potentialfolger 12 entladen und der Feldemitterschalter 13 geöffnet. Fig. 4 shows an example of application of a potential follower in an ignition system with a field emitter switch. The ignition voltage UZ supplies several spark plugs in succession via field emitter switches. If the ignition voltage UZ = OV, the storage capacitor 11 is charged via the potential follower 12 with a positive voltage for the field emitter switch 13 . The charging input voltage V2 is a few 100 V in size and the switch function of the potential follower is in the closed state by a positive control voltage VG. After the capacitor 11 has been charged, the potential follower is opened by the control voltage VG = 0. V2 can also become zero. The ignition voltage UZ changes its value to UZ = -30kV. The voltage on the storage capacitor 11 closes the field emitter switch 13 , which builds up the ignition voltage at the spark plug 14 by means of a current flow, until ignition occurs. When the ignition voltage UZ has returned to 0 V, the storage capacitor is discharged via the potential follower 12 and the field emitter switch 13 is opened.

Claims

1. Electronic switch for high voltages with a cathode, a control electrode and an anode of a field emitter, characterized in that a field emitter ( 13 ) by a vacuum microelectronic potential follower in field emitter technology with a field emission cathode (K) and a control electrode (G) for activating the potential follow-up function is controllable, and that the potential follower ( 12 ) has, besides an anode (A1) for generating secondary electrons, an anode (A2) for collecting the secondary electrons, which concentrically surrounds the anode (A1).

2. Electronic switch according to claim 1, characterized in that the potential V _{A1 of} the first anode (A1) follows the potential V _{A2 of} the second anode (A2) when the positive control voltage VG is applied to the control electrode (G).

3. Electronic switch according to claim 1 or 2, characterized, that it controls a field emitter as a potential follower.

4. Electronic switch according to one of claims 1 to 3, characterized, that he has a field emitter in an ignition system as a potential follower controls.

5. Electronic switch according to one of claims 1 to 3, characterized, that the voltage (VG) at the control electrode (G) between 0 and Is 400 V.

6. Electronic switch according to one of claims 1 to 3 or 5, characterized, that the switch is closed when the potential at the anode (A1) has approached the potential of the anode (A2).

7. Electronic switch according to one of claims 1 to 3 or 5, characterized, that the switch is interrupted when the control voltage (VG) on the control electrode in the range of VG from - 100 V to + 100 V the field emission ended.