DE2112069A1

DE2112069A1 - Elektronischer Schalter

Info

Publication number: DE2112069A1
Application number: DE19712112069
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Haberland; Dieter Dr Schuoecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1972-09-21
Also published as: DE2112069B2; US3774084A; DE2112069C3; AT314022B

Description

Es sind "bereits zweipolige elektronische Schalter aus glasartigem Halbleitermaterial "bekannt (siehe z*B. USA-PS 3 343 004, DT-AS 1 261 252, DT-OS 1 933 831). Ein derartiges Halbleitermaterial kann aus verschiedenen Elementen der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems der Elemente bestehen, wie z.B. Blei, Phosphor, Arsen, Antimon, Schwefel, Selen, Tellur, Germanium, Silizium und anderen weniger häufig vorkommenden Elementen Ein derartiges Halbleitermaterial ist bekanntlich von einem Zustand kleiner Leitfähigkeit in einen Zustand großer Leitfähigkeit und umgekehrt umschaltbar. Um es bei einem elektronischen Schalter zu benutzen, wird es mit mehreren Kontaktelektroden versehen, die sperrschichtfrei auf das Halbleitermaterial aufgebracht sind. Es ergibt sich dann z.B. ein elektronischer Schalter, bei dem sieh beimAnlegen einer Spannung ein Pfad höherer Temperatur und damit großer elektrischer Leitfähigkeit bilden kann (siehe z.B. DT-AS 1 465 450). Es ist auch bekannt, mehrere solcher elektronischer Schalter in einem einzigen Halbleiterkörper zu vereinigen (siehe z.B. DT-AS 1 263 079 und 1 464 8S0), wobei die einzelnen Sehaltstrecken selbständig betrieben werden und einander, abgesehen davon, daß sie eine gemeinsame Elektrode aufweisen, nicht beeinflussen« Es ist auch bekannt, bei einem derartigen elektronischen Schalter zwei Paar.Kpntaktelektroden . vorzusehen, wobei da3 eine Paar von Elektroden zur Zuführung eines Steuerstromes bestimmt ist, durch den die zwischen dem anderen Paar von Elektroden liegende Schalterstrecke gesteuert wird (siehe DT-OS 1465 470). Hierbei wird der Strom, der über

VPA 9/610/1116 Hö/Kel

— 2 —

209839/0385

die gesteuerte Schaltstrecke fließt, mit Hilfe eines Gleichspannungssteller sign ales unterbrochen, das den Steuerelektroden zugeführt wird. Diese Unterbrechung bleibt auch nach Ende des Gleichspannungssignales erhalten (siehe a.a.O., Seite ΙΟ/Ή). Dieser j elektronische Schalter wirkt daher offensichtlich auch, als Speicherelement. Es ist auch ein anderes ähnlich aufgebautes Speicherelement, bekannt (siehe die Zeitschrift "Applied Physics Letters", Volumen 15, Nr. 1Oj Seite 323 bis 325, 15. November 1969)* bei dem nicht nur paarweise gegenüberstehende Elektroden vorgesehen sein können, da bei diesen» Speicherelement die Steuerfunktion und die Speicherfunktion auch mit Hilfe von drei nebeneinander liegenden Elektroden erzielt werden kann.

Eine nähere Untersuchung der Torgänge, die in einem infrage kommenden glasartigen Halbleitermaterial stattfinden, wenn seine elektrische Leitfähigkeit geändert wird, hat gezeigt, daß der damit zusammenhängende Speichereffekt mit einer Änderung des Aggregatzustandes des Ealtoleitermaterials zusammenhängt (siehe "Nachrichtentechnische Zeitschrift" 1970, Heft 9, Seite 449 bis 455). Wenn sich nämlich, wie bereits erwähnt, beim Anlegen einer Spannung ein Pfad höherer Temperatur und damit großer elektrischer Leitfähigkeit bildet, ändert sich dabei auch der Aggregatzustand, da ein Schmelzen auftritt, das bei Unterbrechung des Stromes von einem Auskristallisieren gefolgt v/erden kann, das der Schaltstrecke weiterhin eine große Leitfähigkeit gibt. Es hat sich dabei auch gezeigt, daß außer diesem mit Speichereffekt verbundenen Vorgängen auch ein reversibler Schalteffekt auftreten kann, der mit keiner Änderung des Aggregatzustandes verbunden ist. Dieser Effekt läßt sich ebenfalls für den Betrieb eines elektronische! zweipoligen Schalters ausnutzen. Der Zustand großer Leitfähigkeit wird dabei jedoch nur solange aufrecht erhalten, wie ein gewisser Mindeststrom fließt. Ein derartiger elektronischer Schalter unterscheidet sich daher von einem anderen bekannten durchschaltenden

VPA 9/610/1116 - -5 -

209839/0385

Speicherelement (siehe DT-OS 1 549 077), "bei dem zwar beim Betrieb keine Änderung des Aggregatzustandes auftritt, bei dem a"ber mit zunehmender Spannung zunächst eine sehr kleine, dann eine sehr große, und schließlich wieder eine sehr kleine elektrische leitfähigkeit auftritt (siehe a.a.O. Seite 3).

Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie ein elektronischer Schalter aus glasartigem Halbleitermaterial, das von einem Zustand kleiner elektrischer Leitfähigkeit in einen Zustand großer Leitfähigkeit und umgekehrt ohne Änderung seines Aggregatzustandes umschaltbar ist, derart verbessert werden kann, daß er vielseitiger als Msher anwendbar ist. Dabei wird davon ausgegangen, daß auf das Halbleitermaterial sperrschichtfrei mehrere Kontaktelektroden aufgebracht sind. Der elektronische Schalter ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zum Umschalten aus dem Zustand kleiner Leitfähigkeit in den Zustand großer Leitfähigkeit zunächst ein Kanal großer Leitfähigkeit zwischen einer Steuerelektrode und einer Grundelektrode durch einen über die ; Steuerelektrode und diejGrundelektrode fließenden Steuerstrom hervorgerufen wird, der sich bei Zunahme de^Steuerstromes räumlich verbreitert, daß bei hinreichender Verbreiterung des Kanals in Richtung zu einer besonderen Lastelektrode unter dem Einfluß einer an die Lastelektrode und die Grundelektrode angelegten HiIfsspannung, die für sich keinen Kanal hervorruft, aber sonst dem Steuerstrom entsprechend wirkt, ein die Lastelektrode und die Grundelektrode verbindender Kanal großer Leitfähigkeit für einen Laststrom über die Lastelektrode und die Grundelektrode entsteht, der bei Unterbrechung des Steuerstromes erhalten bleibt, bis durch Absenkung der Hilfsspannung unter eine Haltespannung vom Zustand großer Leitfähigkeit in den Zustand kleiner Leitfähigkeit umgeschaltet wird und der Laststrom unterbrochen wird.

Durch die Erfindung v/ird vorteilhafterv/eise aus einem inf rage kommenden zweipoligen elektronischen Schalter ein dreipoliger

VPA 9/610/1116 - 4 -

209839/0385

-A-

elektronischer Schalter gewonnen, der auch eine als Steuerelektrode wirkende Kontaktelektrode aufweist und der daher entsprechend wie eine Triode benutzt werdea kann. Dabei wird eine Rückwirkung vom Lastkreis auf den Steuerkreis weitgehend vermieden. Der neue elektronische Schalter läßt sich daher vielseitiger als ein zweipoliger elektronischer Schalter benutzen. Diese Vielseitigkeit wird noch durch die noch später anzugebenden zusätzlichen Ausgestaltungen vergrößert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Strom-Spannungs-Charakteristik für den bei der Erfindung ausgenutzten reversiblen Schalteffekt in glasartigem Halbleitermaterial. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen elektronischen Schalter, bei dem drei Kontaktelektroden vorgesehen sind.

Die Figuren 3 und 4 zeigen Beispiele für elektronische Schalter gemäß der Erfindung, bei denen mehr als drei Kontaktelektroden vorgesehen sind.

Wie bereits erwähnt, wird bei der Erfindung von einem zweipoligen elektronischen Schalter aus glasartigem Halbleitermaterial ausgegangen, der einen sogenannten reversiblen Schalteffekt aufweist. Ein derartiger elektronischer Schalter kann z.B. in Form eines Dünnfilmelementes aufgebaut werden. In Figur 1 ist schematisch die Strom-Spannungs-Charakteristik für den reversiblen Schalteffekt dargestellt. Fährt man auf dem kleine Leitfähigkeit be-

reffenden Ast RH der u-i-Kennlinie in Richtung größeren Stromes i, so erreicht man eine Schwellen spannung -%*β- bzw. einen Schwellen

"H X

, pg

strom *». Beim Überschreiten dieser Schwellenwerte springt der Widerstand des Schalters nachDurchlaufen des Bereiches negativen Widerstandes auf einen durch den dem Schalter vorgeschalteten Q Begrenzungswiderstand S&v- bestimmten Wert auf den Ast-Äfc-für ^Α5·5.

große Leitfähigkeit. Die Restspannung *t» ist in diesem -Zustand VPA 9/610/11-16 ***** - 5 -

2098 3 9/0385

konstant* Solange jetzt ein bestimmter Haltestrom IH nicht unterschritten wird,, bleibt der Schalter niederohmlg. Beim Unterschreiten des Haltestroms iH springt der Widerstand jedoch wieder reversibel auf seinen ursprünglichen hohen Wert RH zurück. Dieses Rückschalten erfolgt in jedem Pail beim Unterschreiten von iH, und zwar unabhängig von der Stromabnahmegeschwindigkeit. Es ist also kein stromunabhängiger Speichereffekt vorhanden. Dasselbe Einschalt- und Rückschaltverhalten zeigt sich auch, wenn der Schalter mit einem Strom anderer Richtung betrieben wird, wie auch aus" der Strom-Spannungs-Charakteristik gemäß Figur 1 hervorgeht. Es handelt sich also um einen Schalter, der bidirektional ist und der daher auch mit Wechselstrom betrieben werden kann.

Gemäß der Erfindung wird nun ein derartiger zweipoliger elektronischer Schalter dadurch ausgestaltet, daß eine zusätzliche Kontaktelektrode vorgesehen wird, nämlich eine Steuerelektrode. In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen derartigen Schalter gezeigt. Auf der als Grundelektrode G dienenden Grundplatte ist die dünne Schicht M aus glasartigem halbleitermaterial aufgebracht und auf dieser Schicht befinden sich die Steuerelektrode S und die Lastelektrode I. Die Steuerelektrode S wird hier von der Lastelektrode L ringförmig umgeben. Die Grundeiektrode ist durch das Halbleitermaterial getrennt gegenüber den anderen beiden Kontaktelektroden angeordnet. Mit Hilfe der Spannung U1 kann über den Widerstand Rs ein über die Steuerelektrode S und die Grundelektrode L fließender Steuerstrom Is hervorgerufen werden. Über den Lastwiderstand Rl ist außerdem die Hilfsspannung U2 an die Lastelektrode L und die Grundelektrode G angelegt. Die Hilfsspannung

¹ U.S

U2 ist kleiner als die Schwellenspannung -we, aber größer oder gleich der H_altespannung uR. Unter.ihrem alleinigen Einfluß wird daher das Halbleitermaterial nicht in den Zustand großer Leitfähigkeit gebracht. Die Hilfsspannung U2 hat aber solche

VPA 9/610/1116 - 6 -

209839/0385

Polarität, daß sie sonst einem von der Spannung U1 hervorgerufenen Steuerstrom Is entsprechend wirkt. Zum Umschalten aus dem Zustand kleiner Leitfähigkeit in den Zustand großer Leitfähigkeit wird nun zunächst ein Kanal großer Leitfähigkeit zwischen der Steuerelektrode S und der Grundelektrode G- durch einen über diese beiden Kontaktelektroden fließenden Steuerstrom Is hervorgerufen, wozu die Spannung U1 hinreichend groß zu machen ist. Es zeigt sich, daß sich dieser Kanal bei Zunahme des Steuerstromes Is räumlich verbreitert und daß bei hinreichender Verbreiterung dieses Kanals in Richtung zu der Lastelektrode L hin unter dem Einfluß der angelegten Hilf sspannung U2 ein die Lastelektrode L und die Grundelektrode G verbindender Kanal großer Leitfähigkeit ent- of

IL · ts>s.-u

steht, so daß nunmehr ein Laststrom-i*- über die Lastelektrode L und die Grundelektrode G fließen kann,, der im wesentlichen durch den Lastwiderst and Rl begrenzt wird. Dieser Laststrom -ΐ-e· bleibt auch bei Unterbrechung des Steuerstromes erhalten. Er wird erst unterbrochen, wenn durch Absenkung der Hilfsspannung U2 vom Zustand großer Leitfähigkeit in den Zustand kleiner Leitfähigkeit umgeschaltet wird. Bei dem elektronischen Schalter gemäß

Il
Figur 2 kann also ein Last strom »ie- für einen bestimmten Stromkreis mit Hilfe eines davon unabhängigen Steuerstromes Is eingeschaltet werden.

Fähere Untersuchungen über die Hervorrufung und die Entstehung des erwähnten Kanales großer Leitfähigkeit zeigen, daß hierfür jeweils Ladungsträger im Halbleitermaterial eingefangen werden, deren weiteres Vorhandensein dann durch Einhalten einer charakteristischen Mindeststromdichte gesichert wird. Dementsprechend wird auch ein Kanal jeweils durch Einhalten dieser charakteristischen Mindeststromdichte aufrecht erhalten. Dadurch werden jeweils zunächst eingefangene aber danach wieder weggeführte Ladungsträger ständig ersetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Schalter wird die Mindeststromdichte zunächst in dem durch den Steuerstrom hervorgerufenen Kanal zwischen Steuerelektrode S und Grundelektrode G erreicht. Bei Vergrößerung

VPA 9/610/H16 - 7 -

209839/0 38 5

des Steuerstromes breitet sich der Kanal aus, da die Stromdichte im wesentlichen gleich bleibt. Wenn der Kanal sich in das zwischen der Lastelektrode L und der Grundelektrode G liegende Gebiet ausdehnt, setzt der Laststrom ein, der dann sprungartig ansteigt. Dies geschieht also, wenn der. Steuerstrom die für das Durchschalten des Laststromkreises erforderliche Stärke erreicht hat. Vorher kann höchstens eine geringfügige Erhöhung des Stromes im Lastkreis eintreten. Das im Laststromkreis liegende Halbleitermaterial behält solange seine große Leitfähigkeit, wie dort die charakteristische Mindeststromdichte aufrecht erhalben bleibt. Erst wenn diese z.B. durch hinreichende Absenkung oder durch Abschaltung der Hilfsspannung unterschritten wird, wird das Halbleitermaterial in den Zustand kleiner Leitfähigkeit umgeschaltet.

TJm unbeabsichtigte Speichereffekte zu vermeiden, ist bei all diesen Vorgängen die Änderung des Aggregatzustandes zu vermeiden. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dafi eine gute Wärmeabfuhr vorgesehen ist, z.B. über die als Metallplatte ausgebildete Grundelektrode. WärmeStauungen, die den Aggregatzustand ändern könnten, können dadurch vermieden werden, daß der Laststrom jeweils durch hinreichend lange Pausen unterbrochen wird, in denen die vorher erzeugte Wärme abgeführt wird. Da der beim erfindungsgeinäßen Sehalter vorgesehene Umsehalteffekt nicht mit einer Änderung des Aggregatzustandes verbunden ist, ergibt es sich auch, daß der Umschaltvorgang jeweils nur verhältnismäßig wenig Zeit beansprucht. Dadurch wird auch der Betrieb des elektronischen Schalters mit Wechselstrom erleichtert. Der das Durchschalten des Schalters bewirkende UmsehaltVorgang kann durch Erhöhung des Steuerstromes abgekürzt werden.

Durch Aufteilung von Kontaktelektroden in mehrere Teilelektroden kann der erfindungsgemäße elektronische Schalter noch weiter ausgestaltet werden. Anhand der Figur 3 ist ein Beispiel dafür gezeigt, wie die Lastelektrode in mehrere Teilelektroden aufgeteilt v/erden kann. Die Figur 3 zeigt die Draufsicht des in Figur 2 gezeigten elektronischen Schalters. Demnach befindet sich

VPA 9/610/1116 209839/0385 -8-

auch hier auf der als Grundplatte dienenden Grundelektrode G eine Schicht M aus Halbleitermaterial, auf der sich dann die kreisförmige Steuerelektrode S befindet. Die Steuerelektrode S ist ringförmig von mehreren Ringsektoren bildenden Lastelektroden 11, L2...L8 umgeben. Mit Hilfe eines über die Steuerelektrode S und die Grundelektrode G fließenden Steuerstromes können hier statt eines nunmehr mehrere Laststromkreise gesteuert werden, über die z.B. unterschiedliche Lastströme fließen können.

In der Figur 4 ist ein Beispiel für einen elektronischen Schalter gezeigt, bei dem die Grundelektrode in zwei Teile aufgeteilt ist, von denen der eine Teil G1 der Steuerelektrode S und der andere Tei. G2 der Lastelektrode L gegenüberliegt, wobei dazwischen jeweils das Halbleitermaterial M liegt. Dabei liegen die Kontaktelektroden jeweils auf den Seiten eines Quaders aus dem Halbleitermaterial M. Mit Hilfe eines zwischen der Steuerelektrode S und der Grundelektrode GI fließenden Steuerstromes kann auch hier ein Kanal großer Leitfähigkeit entstehen, der zwischen der Lastelektrode L und der Grundelektrode G2. liegt. Dadurch kann ein'über diese beiden Kontaktelektroden fließender Laststrom eingeschaltet werden. Im übrigen kann dieser elektronische Schalter entsprechend wie die anderen bereits näher beschriebenen betrieben v/erden.

Schließlich ist es aucli möglich, die Steuerelektrode in mehrere Teilelektroden aufzuteilen und damit eine Mehrfachsteuerung zu ermöglichen.

Auch für den erfindungsgemäßen elektronischen Schalter kommen als Bestandteile des glasartigen Halbleitermaterials die bereits im einzelnen angegebenen Elemente infrage. Pur einen in Dünnfilmtechnik hergestellten elektronischen Schalter hat sich ein Halbleitermaterial aus 70 Gew.-Prozent Te, 15 Gew.-Prozent As, 5 Gew.-Prozent Ge und 10 Gew.-Prozent Si als besonders geeignet erwiesen.

A- Figuren
Patentansprüche

.VPA 9/610/1116 209839/0386 -9-

Claims

Patentansprüche

1.^Elektronischer Schalter aus glasartigem Halbleitermaterial, das von einem Zustand kleiner elektrischer Leitfähigkeit in einen Zustand großer Leitfähigkeit und umgekehrt ohne Änderung seines Aggregatzustandes umschaltbar ist und auf das sperrschichtfrei mehrere Kontaktelektroden aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umschalten aus dem Zustand kleiner Leitfähigkeit in den Zustand großer Leitfähigkeit zunächst ein Kanal großer Leitfähigkeit zwischen einer Steuerelektrode (S) und einer G-rundelektrode (Gr) durch einen über die Steuerelektrode (S) und die Grundelektrode (G) fließenden Steuerstrom hervorgerufen wird, der sich bei Zunahme des Steuerstromes räumlich verbreitert, daß bei hinreichender Verbreiterung des Kanals in Richtung zu einer besonderen Lastelektrode (L) unter dem Einfluß einer an die Lastelektrode (L) die Grundelektrode (G) angelegten Hilfsspannung (Ü2), die für sich keinen Kanal hervorruft, aber sonst dem Steuerstrom entsprechend wirkt, ein die Lastelektrode (L) und die Grundelektrode (G) verbindender Kanal großer Leitfähigkeit fütfeinen Laststrom über die Lastelektrode (L) und die Grundelektrode (G) entsteht, der bei Unterbrechung des Steuerstromes erhalten bleibt, bis durch Absenkung der Hilfsspannung (U2) unter eine Haltespannung vom Zustand großer Leitfähigkeit in den Zustand kleiner Leitfähigkeit umgeschaltet wird und der Laststrom unterbrochen wird.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal jeweils durch Einfangen von Ladungsträgern im Halbleitermaterial (M) hervorgerufen und durch Einhalten einer charakteristischen Mindestetromdichte aufrecht erhalten wird.

J, Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Aggregatzustandes durch gute Wärmeabfuhr vermieden ist.

9/610/1116 - 10-

209839/0385

4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Aggregatzustandes dadurch vermieden ist, daß der Laststrom durch Pausen unterbrochen wird.

5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastelektrode in mehrere Teilelektroden (L1, L2 L8) aufgeteilt ist.

6. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode in mehrere Teilelektroden aufgeteilt ist.

7. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grun'delektrode in mehrere Teilektroden (GI, G2) aufgeteilt ist.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (S) von der Lastelektrode (L) ringförmig umgeben ist und daß die Grundelektrode (G) durch das Halbleitermaterial (M) getrennt gegenüber den anderen beiden Kontaktelektroden liegt (Pig.2).

9· Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (S) ringförmig von mehreren Ringsektoren bildenden Lastelektroden (L1, L2...L8) umgeben ist und daß die Grundelektrode (G) durch das Halbleitermaterial (M) getrennt gegenüber den anderen Kontaktelektroden liegt (Fig.3).

10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelektrode in zwei Teilelektroden (G1, G2) aufgeteilt ist, von denen der eine Teil der Steuerelektrode (S) und der andere Teil der Lastelektrode (L) vom Halbleitermaterial (M) getrennt gegenüber liegt (Pig.4).

VPA 9/610/1116 - 11 -

209839/0385

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden (G1, G2, S, I) auf den Seiten eines Quaders aus dem ÖaTbleitermaterials (n) liegen (Fig.4).

12. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus Tellur, Arsen, Germanium und Silizium "besteht.

VPA 9/610/Π 16

209839/0385

Leerseife