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RELAIS SEMI-CONDUCTEURS.
La présente invention se rapporte aux relais électroniques et con- cerne plus spécialement les relais électroniques à commande utilisant un dis- positif semi-conducteur pourvu de plusieurs électrodes.
Il est courent, depuis de nombreuses années, d'utiliser, comme élé- ments de base de relais électroniques, des tubes électriques à décharge de ty- pes diverse Le thyratron est un tube électrique à décharge couramment employé dans les relais à commande. Si les thyratrons conviennent généralement dans les relais à commande d'une puissance relativement grande, ils présente plusieurs inconvénients quand on les utilise dans des refais qui ne peuvent agir que sur de très faibles puissances. Les défauts principaux sont le temps de remise en service relativement long (de l'ordre de plusieurs micro-secondas), les di- mensions relativement grandes et la complexité, et la héeessité d'une alimen- tation pour le chauffage du filament.
Les développements récents de la technique des semi-conducteurs ont donné lieu à l'apparition d'un nouvel appareil, dénommé transistor, capable de remplir certains rôles du tube à vide. Le transistor comprend un corps ou masse de matière semi-conductrice, du silicium ou du germanium, et trois élec- trodes y associéeso Deux de ces électrodes, dénommées 1-'émettrice et la col- lectrice, sont des électrodes de redressement, ayant habituellement la forme de sondes conductrices effilées, placées très près l'un de l'autre et en con- tact avec la matière semi-conductrice. La troisième électrode, dénommée élec- trode de base, est une électrode non-redresseurse appliquée en un autre endroit sur la masse semi-conductrice, habituellement une plaque en matière conductri- ce placée contre le bloc.
Le transistor a de très petites dimensions,, est de construction simple, n'exige pas d'alimentation de chauffage de filament et peut fonctionner à des niveaux de puissance extrêmement faibleso Ces caracté- ristiques incitent à trouver un moyen d'utiliser le transistor, ou un appareil analogue, comme élément de base d'un relais du type commandée
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L'invention a pour but principal de procurer un relais du type com- mandé utilisé à des niveaux de puissance très faibles qui emploiera, comme élé-
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ment de base, un appareil comprenant un corps ou bloc dEl matière semi-conduc- trice pourvu de trois électrodes.
L'invention ressortira clairement de la description suivante de - plusieurs de ses formes d'exécution préférées, représentées à titre d'exemple au dessin annexé.
La figure 1 est une vue schématique d'une photo-diode de pointe.-
La figure 2 est une courbe donnant la caractéristique collectrice d'une photo-diode de pointe telle que celle de la figure 1.
La figure 3 est une vue schématique d'un relais conforme à la présente inventiono
La figure 4 est .une courbe donnant la caractéristique collectrice du dispositif semi-conducteur de la figure 3, dans différentes conditions.
La figure 5 est une vue schématique d'un relais représentant une autre forme d'exécution de l'invention; et la figure 6 est une courbe donnant
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la caractéristique collectrice du dispositif semi-condùcteut de la figure 5, dans différentes conditions.
La figure 1 représente un dispositif connu sous le nom de photo- diode de pointe. Ce dispositif comprend un bloc 1 de matière semi-conductrice
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du type "N11 telle que du germanium, comportant une petite incrustation 2 de type "P"o En ce qui concerne le concept des matières "NIT et "B", on peut dire que si la matière est conductrice par excès d'électrons, elle est du type rrNrr, parce que les porteurs de courant agissent comme des charges négatives; si la conductibilité est due à des "trous". elle est du type "P", parce que les porteurs agissent comme des charges positives. Une électrode collectrice 3
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est plreég près de la frontière "P N", en contact avec l'incrustation 2. Une électrode de base 4 est appliquée sur la face opposée du bloc 1.
L'électrode collectrice 3, est polarisée positivement par rapport à l'électrode de base 4 au moyen d'une source de tension continue variable 5, en série avec une im-
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pédq1ce de charge 6. Si l'on porte le courant collecteur I en ordonnées et la tension collectrice V en abscisses, on obtient une caractéristique collec- trice avec une peinte de tension comme indiqué par la courbe à de la figure 2.
La valeur de la pointe positive de tension de la caractéristique collectrice
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dépend, comme on le sait, de la position de la sones collectrice et de sa pression sur l'incrustation. Si la sonde collectrice est convenablement posée, cette pointe peut être supprimée pratiquement en augmentant la pression de la sonde. La tension de pointe est aussi influencée par la température de la région de contact incrustation-sonde et par l'intensité de la lumière tom- bant sur la surface voisine du contact sonde-incrustation. C'est ce dernier phénomène qui a donné naissance à l'expression "photo-diode de pointe".
On a déterminé empiriquement que la pointe de la caractéristique collectrice se présente pratiquement toujours pour la même intensité de courant collecteur.
Une explication entièrement satisfaisant de ce phénomène n'a pas encore été donnée. On admet cependant en général que la lumière et la température influ- encent le nombre de porteurs de courant présents dans la matière semi-conduc- trice (des trous dans la bande saturée, des électrons dans la bande conductri- ce). Une théorie moderne de conduction dans les solides est donnée dans des ouvrages tels que "Crystal Rectifiers" de Torrey et Whitmer McGraw Hill, 1948 et on ne décrira pas ce phénomène davantage ici.
La photo-diode de pointe diffère de la diode semi-conductrice or- dinaire composée uniquement de matière de type "P" ou de type "N", en ce que la photo-diode de pointe a une résistance élevée dans les sens positif et né- gatif, pratiquement dans toute la région allant de l'origine jusqu'aux pointes.
Cette région est représentée limitée entre les points (a) et (b) de la courbe
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fA de la figure 2a La résistance inverse (la résistance de contact sonde-semi- conducteur dans le sens normal de faible courant) d'un semi-conducteur purement de type "N" - ou de type "P" peut être variée en plaçant une seconde électrode sonde et en injectant soit des trous soit des électrons dans la matière semi-
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conductrice. Ceci est le point principal de l'action du transiter.
Dans un
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transistor ordinaire de type "P"? la résistance inverse diminue par 1.jction d'électrons (ce qui se fait en polarisant l'électrode émettrice négativement par rapport à l'électrode de base, quand la tension collectrice est positive).
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Dans le cas d'un transistor de type ïNu.9 le même résultat est obtenu en injec- tant des trous (ce qui se fait en polarisant l'électrode émettrice positivement par rapport à l'électrode de base, quand la tension collectrice est négative).
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On notera donc que dans le cas d'une matière semi-conductrice du type gylt8 la résistance inverse est diminuée par l'injection d'électrons.
L'invention est basée sur la découverte du phénomène suivant : si la pression de la sonde collectrice sur une photo-diode de pointe est réglée de façon que la pointe de la caractéristique collectrice disparaisse pratique- ment tout-à-fait, et si une seconde sonde est placée sur la matière du type
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"Ni' dans le'voisinage de la frontière 8gN pB, on peut faire réapparaître la pointe en faisant passer des électrons de la seconde sonde dans la matière de
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type liN"" Ce phénomène est contraire aux prévisions, parce qu'il signifie que la résistance inverse de la matière de type "P" augmentée au lieu de diminuer, par l'injection d'électrons.
On a constaté aussi que si la polarisation néga- tive de la seconde sonde est graduellement augmentée (plus d'électrons injec-
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tés dans la matière de type ezel à travers la barrière séparant les matière de type 11911 et de type gaz), la tension de la pointe de la caractéristique col- lectrice augmente d'abord, atteint un plafond et redescend ensuite D-la#tre part, si la pression et la position de la sonde collectrice sont choisies de façon qu'une pointe apparaisse dès le début dans la caractéristique collectrice, l'amplitude de la pointe peut être diminuée par l'injection de trous dans la
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matière de type p9Nqg, venant de la seconde sonde. On a établi aussi que la ten- sion inverse de rupture d'une diode semi-conductrice ordinaire peut être variée par injection de porteurs de courant (trous ou électrons suivant le cas).
Conformément aux aspects larges de l'invention, cette découverte
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de pouvoir, dans le cas d'une photo-diode de pointe semi-conductrice? varier les pointes de la caractéristique collectrice en injectant des porteurs de cou- rant au moyen d'une seconde sondes (ou de varier la tension inverse de rupture, dans le cas d'une diode semi-conductrice ordinaire) est mise à profit pour réa- liser un dispositif de relais commande de type nouveau et perfectionné.
Comme le montre la figure 3, un dispositif de relais commandé peut être construit conformément à l'invention, en utilisant un bloc 11 en matière
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semi-conductrice de type 'pneu ayant- sur une face une petite incrustation 13 de type P19P La matière semi-conductrice peut être de tout type approprié mais consiste de préférence en germanium. L5înerustation de ttpe ePf est obtenue de préférence par un bombardement très puissant de particules d'un bloc semi- conducteur de type "N". Si on le désire, on peut cependant prélever des blocs
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cristallins de type YiN" avec des incrustations de type npu dans une grande mas- se de matière semi-conductricea Une sonde collectrice 15 pointue est mise en contact avec l'incrustation 13, dans le voisinage de la frontière "P-N" du bloc semi-conducteur 11.
Une électrode de base 17 est appliquée sur la face oppo- sée du bloc 11 de manière à assurer un contact électrique d'une surface rela- tivement grande. Une impédance de sortie appropriée 18 ayant des bornes 19, 21 est mise en série avec une source de potentiel variable 23 entre l'électro- de collectrice 15 et l'électrode de base 17. Cette source de potentiel varia- ble est représentée par un potentiomètre 25 en shunt sur une batterie 27 ser- vent à polariser positivement l'électrode collectrice 15. Dans certains cas, on peut cependant utiliser une tension de polarisation de collecteur alterna- tive, comme il sera expliqué plus loin. Une seconde électrode pointue 29, dénommée ci-après électrode émettrice, est placée en contact.avec la matière de type "N", très près de 1'électrode collectrice 15.
Une impédance d'entrée 31 ayant des bornes 33, 35 est mise en série avec une source de potentiel con- tinu 37 entre les électrodes émettrice et de base, 29, 17. La source de poten- tiel continu est représentée, pour la facilité, sous la forme d'un potentiomè- tre 39 en shunt sur une paire de batteries 40, 41 reliées en série Le curseur 46 du potentiomètre 39 est connecté à la borne inférieure 35 de l'impédance d'entrée et le point de jonction 44 des batteries est relié à l'électrode de
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base 17.
La polarité de la source 37 est rendue au choix positive ou négative, suivant la position du curseur de potentiomètre 46. -Il faut remarquer que le dispositif décrit à l'instant est schématique et ne sert qu'à l'explication de certaines formes possibles de l'invention, ne pouvant pas servir nécessai- rement à représenter une forme commerciale déterminée possible de l'invention,,
Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 ressort le mieux de la courbe de la figure 4 où, pour les différentes conditions de fonctionne- ment, le courant collecteur I est porté en ordonnées et la tension collectrice E en abscisses. Une droite de charge B représente une tension collectrice Ecl et une impédance de charge de X ohms. Une droite de charge C représente une tension collectrice Ec2 et une impédance de charge de X ohms.
Si l'on veut appliquer une impulsion de commande aux bornes 19, 21 de 1-'impédance,de sortie 18, on règle la sonde collectrice 15 au point de vue position et pression de façon qu'en l'absence de polarisation de l'émettrice la pointe de la caracté- ristique de diode disparaisse pratiquement entièrement, comme le montre la cour- be D de la figure 4. On règle ensuite le curseur de potentiomètre 46 de manière a polariser négativement l'électrode émettrice 29 et à faire réapparaître la pointe de la caractéristique.
Cette polarisation négative est choisie telles que la courbe de caractéristique collectrice E soit coupée par la droite de charge en trois points au moins (c, d, e), le point de tension la plus élevée (c) se trouvant un rien en-dessous de la tension de pointe de la courbe E, de façon que (c) devienne le point de fonctionnement. 'On applique alors aux bornes 33, 35 de l'impédance d'entrée une impulsion positive d'amplitude suffisante pour réduire assez la tension de pointe de la caractéristique collectrice, que la droite de charge B coupe la caractéristique collectrice de diode., la courbe F à ce moment; en un seul point (e).
Le courant collecteur., qui avait une valeur re- lativement faible déterminée par la droite de charge B en (c), saute instanta- nément à un nouveau point de fonctionnement (e) déterminé par la droite de charge B et à une nouvelle valeur relativement grande. Ce saut de l'intensité du courant collecteur est pratiquement instantané. On a constaté en pratique que le courant collecteur passe d'une valeur de 1 milliampère à environ 10 mil- liampères en moins d'un dixième de microseconde. La variation de tension né- cessaire dans le cirquit émetteur pour réaliser ce déclenchement est un rien en-dessous de 1 volt.
Une fois le déclenchement réalisée on peut revenir à l'état initial après avoir rétabli la polarisation d'émettrice initiale, en réduisant la ten- sion collectrice au point que la droite de charge C coupe la caractéristique collectrice (courbe E) en un seul point (g)o Après réduction suffisante de la tension collectrice, le circuit est remis en service pratiquement instanta- nément (le temps de remise en service étant de l'ordre du temps de déclenche- ment, soit moins d'un dixième de microseconde). La tension collectrice peut être réduite automatiquement pour remettre le circuit en service normal, par divers procédés courants. Par exemple, à la figure 3, le condensateur 45 et la résistance 43 sont prévus dans ce but.
La résistance 43 est interposée en- tre l'électrode de base 17 et la borne négative de la source de potentiel col- lecteur 23 et le condensateur 45 est mis en shunt sur la source de potentiel 23 et la résistance 43. Dans ce cas, le circuit peut être utilisé comme oscil- lateur à relaxation. Un tel oscillateur peut être commandé ou à oscillations entretenues; en réglant convenablement la polarisation soit de l'émettrice soit de la collectrice. Le circuit peut aussi être remise en service automatiquement en utilisant un potentiel collecteur alternatif.
Si la polarisation de l'émettrice est initialement suffisamment négative, on peut avoir déjà à ce moment la tension de pointe maximum de la caractéristique collectrice indiquée par la courbe G de la figure 4, de sorte qu'une augmentation de la polarisation dans le sens négatif provoquera une diminution de la tension de pointée La polarisation de l'émettrice peut être rendue assez négative pour que la tension de pointe soit celle de la courbe E.
Dans ce cas, le circuit peut être commandé ou déclenché en appliquant aux bor- nes 33, 35 de l'impédance d'entrée une impulsion de commande- négative suffisan- te pour réduire encore la pointe de tension à celle de la courbe F. Le courant collecteur saute alors d'une valeur relativement faible (c) à une valeur rela- tivement élevée (e) On conçoit facilement que le dispositif de la figure 3
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peut être arrangée dans les limites de ses paramètres, de façon à fonctionner comme n'importe quel circuit de commande classique. Il peut aussi fonctionner comme un oscillateur à relaxation ou un générateur d'impulsions.
Si on le dé- sire on peut obtenir les mêmes résultats, toutes les polarités étant cependant renversées; en utilisant un bloc semi-conducteur de type "P" avec une incrus- tation de type "N" sur une face.
Le dispositif de la figure 3 peut être amené à fonctionner d'une autre manière en réglant (diminuant) la pression de l'électrode collectrice de manière qu'une pointe apparaisse initialement dans la caractéristique col- lectrice Dans ce cas, le curbeur de potentiomètre 46 est réglé de façonà polariser l'électrode émettrice 29 positivemento Cette polarisation positive tend à diminuer la pointe de tension de la caractéristique collectrice et elle peut être réglée de façon que la pointe corresponde à celle de la courbe E de la figure 4.
Si 1?on applique à ce moment aux bornes 33, 35 de l'impédance d'entrée une impulsion de commande positive suffisante pour réduire la pointe de tension de la caractéristique collectrice au point que la droite de charge B coupe la courbe de caractéristique collectrice F en un point unique (e),le circuit sera à nouveau déclenché, et le courant collecteur sautera instantané- ment dune valeur relativement faible à une valeur relativement élevée, comme il a été dito On peut, comme dans le cas de fonctionnement précédent, utiliser un bloc semi-conducteur de type "P" avec une incrustation de type "N", mais toutes les polarités sont renversées,
La figure 5 représente un transistor ordinaire comprenant un bloc 47 de matière semi-conductrice de type "N" avec les électrodes classiques émet- trice, collectrice et de base 49,
51 et 53. Une impédance d'entrée 55 ayant les bornes 57, 59 est mise en série avec une source 61 de potentiel continu variablereprésentée par un potentiomètre 63 en shunt sur la batterie 65, en- tre les électrodes émettrice et de base 49, 53. Une impédance de sortie 67 ayant les bornes 69, 71 est mise en série avec une source 73 de potentiel con- tinu variable, représentée par une batterie 75 en shunt sur un poteptiomètre 77, entre les électrodes collectrice et de base 51; 53. Pour faire du circuit de la figure 5 un circuit commandé, l'électrode collectrice 51 est polarisée né- gativement d'une valeur déterminée Ec3,indiquée au graphique de la figure 6.
Une droite de charge H représentée à la figure 6, correspond à une impédance de sortie de X ohms et à une tension collectrice Ec3. Une autre droite de char- ge K correspond à une tension collectrice Ec4 et une impédance de sortie de X ohms. La polarisation de l'émettrice est ensuite rendue suffisamment positive pour que la courbe de tension de pointe L de caractéristique collectrice coupe la droite de charge H au moins en trois points (h, k, n) à la figure 6.
Le circuit peut alors être déclenché en appliquant une impulsion positive suf- fisante aux bornes 57, 59 de l'impédance d'entrée pour réduire la pointe de tension de la caractéristique collectrice de façon qu'elle corresponde à la courbe M coupée par la droite de charge L en un seul point en) Le courant collecteur saute alors pratiquement instantanément de son point de fonctionne- ment correspondant à un courant collecteur relativement faible (h), à un point de fonctionnement (n) correspond à un courant collecteur relativement élevée Le circuit peut être remis en service normal, après rétablissement de la pola- risation d5émettrice initiale;
en réduisant suffisamment la tension collec- trice pour que la droite de charge K coupe la courbe de caractéristique collec- trice L en un point (m) seulement Si l'on utilise un potentiel collecteur continu, le circuit peut être remis en service au moyen d'un dispositif repré- senté à la figure 5 et comprenant un condensateur 76 et une résistance 79.
Cette dernière est insérée entre l'électrode de base 53 et la borne positive de la source de potentiel collecteur 73, et le condensateur 76 est mis en shunt sur la résistance 79 et la source de potentiel 73. Un tel circuit peut fonc- tionner en oscillateur à relaxation. On peut aussi utiliser un potentiel col- lecteur alternatifs bien que ce ne soit pas une solution préférée parce que la résistance dans le sens direct est assez basse pour provoquer une dissipa- tion d'énergie exagérée durant les demi-périodes positives des cycles de la tension collectrice alternative. Conformément à l'invention, le transistor ordinaire avec le circuit décrit ci-dessus peut être utilisé comme circuit de
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commande de type courant, comme oscillateur à relaxation ou comme générateur d'impulsions.
On peut, si on le désire, utiliser un cristal de type "P", mais toutes les polarités sont renversées dans ce cas..
Conformèrent à un autre aspect de l'invention, il est inutile d'ap- pliquer une impulsion de commande extérieure à l'impédance d'entrée des dispo- sitifs décrits ci-dessus avec référence aux figures 3 et 5. On a dit ci-dessus que la valeur de la tension collectrice de pointe d'une photo-diode de pointe est influencée par le nombre de porteurs de courant présents dans le voisinage de la surface de contact des sondes-électrodes. Comme la température est un des éléments qui affectent le nombre de porteurs de courant présents, on con- çoit clairement que si la tension collectrice était réglée à une valeur dé- terminée initialement et que la température montait lentement jusqu'au moment où la tension tombe en-dessous de cette valeur., le courant collecteur augmen- terait brusquement.
Cependant les cristaux semi-conducteurs pris individuel- lement ont des courbes de réponse en fonction de la température, très variables., et la plupart d'entre eux ont un seuil de sensibilité à la température assez élevé pour que leur emploi comme relais thermiques soit extrêmement limité, Au contraire,, la résistance inverse d'une diode semi-conductrice de type "N" est une fonction inverse de la température. pour les températures en-dessous de.la game des températures propres du semi-conducteur utilisé comme relais thermique.
En conséquence, un circuit disposé par exemple comme à la figure 3 peut être utilisé comme relais à commande thermique La polarisation de col- lectrice étant réglée à Ecl, figure 4. on peut choisir la pression et le pla- cement de la sonde collectrice de façon que la pointe de la caractéristique collectrice soit inexistante initialement.
On polarise ensuite l'émettrice assez négativement pour que la pointe de tension de la caractéristique collec- trice corresponde à celle de la courbe E Si alors la température de la par- tie du semi-conducteur voisine de l'émettrice monte doucement, de façon à augmenter la résistance du circuit émetteur,, à diminuer le courent émetteur et, en fait, à diminuer suffisamment la polarisation négative d'émettrice pour que la pointe de tension de la caractéristique collectrice corresponde.9 par sa diminution, à celle de la courbe F, le dispositif déclenchera.
Si, dans les mêmes conditions, on augmente au contraire suffisamment la polarisation négative d'émettrice pour dépasser la pointe de tension maximum de la caracté- ristique collectrice et rabaisser la pointe quand la polarisation augmente de façon qu'elle corresponde à celle de la courbe E, figure 4, le dispositif déclenchera quand la température dans le voisinage de l'électrode émettrice monte assez'pour;, en définitive, augmenter la polarisation négative d'émettri- ce jusqu'à faire correspondre la caractéristique collectrice à la courbe F.
De plus, si l'émettrice est polarisée négativement de manière à faire appa- raitre la tension de pointe maximum de la caractéristique collectrice (courbe G, figure 4) et si on règle la tension collectrice de façon qu'une droite de charge R coupe la pointe de la caractéristique collectrice aux points s et t, un rien en-dessous de l'extrémité de la pointe., le dispositif déclenchera aus- si bien à la suite d'une augmentation qu'à la suite d'une diminution de la température de la région entourant le contact de la sonde émettrice.
De même, si l'on choisit initialement la pression et la position de l'électrode collec- trice de fagon qu'une pointe apparaisse dans la caractéristique collectrice, et si l'on règle alors la polarisation positive de l'émettrice de façon à ré- duire la pointe à la valeur de celle de la courbe E de la figure 4., une augmen- tation de la température soit de l'électrode collectrice soit de l'électrode émettrice abaissera encore la pointe de façon à la faire correspondre à celle de la courbe F, figure 4, et provoquera le déclenchement du relais. Dans les trois cas décrits ci-dessus, on peut aussi utiliser un bloc semi-conducteur de type "P" avec une incrustation de type "N", mais les polarités seront ren- versées.
Au lieu d'une photo-diode de pointe, une diode semi-conductrice ordinaire peut aussi être utilisée comme relais à commande thermique. Les di- vers moyens de réaliser un tel relais ressortent clairement de la description ci-dessus.
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On remarquera que les thermostats qui utilisent, suivant la métho- de classique, des dispositifs sensibles à la température telles que des lames de bimétal: des contacts au mercure ou la pression d'un gaz, ont toujours com- me fonction finale la fermeture mécanique d'un contact électrique. Ces contacts provoquent invariablement, à l'un ou l'autre stade, des ennuis. .Au contraire, un relais thermique conforme à la présente invention provoque un changement discontinu du courant sans utiliser la fermeture ou l'ouverture mécanique d'un contact électrique.
Il faut noter que, dans tous:les cas décrits ci-dessus, il est né- cessaire, afin d'établir un point de fonctionnement initial à faible intensité de courant, d'établir avant tout, par réglage de la.polarisation émettrice ou autrement suivant le cas, la caractéristique collectrice sur laquelle on désire travailler, et de n'appliquer qu'ensuite la tension de polarisation sur l'élec- trode collectrice.
La description ci-dessus montre que l'invention procure un relais électronique perfectionné, n'exigeant pas d'alimentation pour le chauffage de filaments, de construction très simple, de dimensions réduites et de forme ramassée, Dans certaines formes d'exécution, le relais peut être actionné par une impulsion positive ou négative$ sans changer la polarité des autres para- mètres du circuit. Il peut aussi être commandé thermiquement. Le relais a un temps de remise en service extrêmement court et on peut utiliser efficace- ment un potentiel de remise en service alternatif.
REVENDICATIONS
1. Relais comprenant un bloc de matière semi-conductrice, une élec- trode de base, une électrode collectrice, et une électrode émettrice en contact avec le dit bloc, une impédance de charge mise en circuit avec l'électrode collectrice, des dispositifs pour appliquer des tensions de polarisation aux électrodes collectrice et émettrice, les tensions de polarisation étant réglées de façon que la caractéristique collectrice coupe la droite de charge en deux points au moins, et un moyen d'affecter la polarisation émettrice de façon que la caractéristique collectrice coupe la droite de charge en un point seulement, grâce à quoi le courant collecteur saute instantanément d'une valeur à une au- tre nettement différente.
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SEMI-CONDUCTOR RELAYS.
The present invention relates to electronic relays and more particularly relates to controlled electronic relays using a semiconductor device provided with several electrodes.
It has been common practice, for many years, to use, as basic elements of electronic relays, electric discharge tubes of various types. The thyratron is an electric discharge tube commonly used in control relays. If thyratrons are generally suitable in control relays of a relatively large power, they have several drawbacks when they are used in remakes which can only act on very low powers. The main drawbacks are the relatively long re-commissioning time (of the order of several micro-seconds), the relatively large dimensions and complexity, and the need for a power supply for heating the filament.
Recent developments in semiconductor technology have given rise to the appearance of a new device, called a transistor, capable of fulfilling certain roles of the vacuum tube. The transistor comprises a body or mass of semiconductor material, silicon or germanium, and three electrodes associated therewith. Two of these electrodes, called the emitter and the collector, are rectifier electrodes, usually having the form of tapered conductive probes placed very close together and in contact with the semiconductor material. The third electrode, referred to as the base electrode, is a non-rectifying electrode applied elsewhere on the semiconductor ground, usually a plate of conductive material placed against the block.
The transistor has very small dimensions, is simple in construction, does not require a filament heating power supply and can operate at extremely low power levels. These characteristics prompt to find a way to use the transistor, or a similar device, as a basic part of a relay of the controlled type
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The main object of the invention is to provide a relay of the controlled type used at very low power levels which will employ as a component.
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Basically, an apparatus comprising a body or block of semi-conducting material provided with three electrodes.
The invention will emerge clearly from the following description of several of its preferred embodiments, shown by way of example in the accompanying drawing.
Figure 1 is a schematic view of an advanced photo diode.
FIG. 2 is a curve giving the collecting characteristic of a peak photo-diode such as that of FIG. 1.
Figure 3 is a schematic view of a relay according to the present invention.
FIG. 4 is a curve giving the collecting characteristic of the semiconductor device of FIG. 3, under different conditions.
FIG. 5 is a schematic view of a relay showing another embodiment of the invention; and figure 6 is a curve giving
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the collecting characteristic of the semi-condùcteut device of FIG. 5, under different conditions.
Figure 1 shows a device known as a tip photo diode. This device comprises a block 1 of semiconductor material
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of the type "N11 such as germanium, comprising a small inlay 2 of type" P "o With regard to the concept of materials" NIT and "B", it can be said that if the material is conductive by excess of electrons, it is of the rrNrr type, because the current carriers act as negative charges; if the conductivity is due to "holes". it is of the "P" type, because the carriers act as positive charges. A collector electrode 3
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is plreég close to the border "P N", in contact with the inlay 2. A base electrode 4 is applied on the opposite face of the block 1.
The collector electrode 3 is positively polarized with respect to the base electrode 4 by means of a variable DC voltage source 5, in series with an im-
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load factor 6. If the collector current I is plotted on the ordinate and the collecting voltage V on the abscissa, a collector characteristic is obtained with a voltage curve as indicated by the curve à in figure 2.
The value of the positive voltage peak of the collecting characteristic
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depends, as we know, on the position of the collecting sones and its pressure on the inlay. If the collecting probe is properly seated, this tip can be virtually eliminated by increasing the pressure of the probe. The peak voltage is also influenced by the temperature of the encrustation-probe contact region and by the intensity of the light falling on the surface adjacent to the probe-encrustation contact. It is this last phenomenon which gave birth to the expression "advanced photo-diode".
It has been determined empirically that the peak of the collecting characteristic is almost always present for the same amperage of collector current.
A fully satisfactory explanation for this phenomenon has not yet been given. However, it is generally accepted that light and temperature influence the number of current carriers present in the semiconductor material (holes in the saturated band, electrons in the conductive band). A modern theory of conduction in solids is given in works such as "Crystal Rectifiers" by Torrey and Whitmer McGraw Hill, 1948 and this phenomenon will not be described further here.
The tip photo-diode differs from the ordinary semiconductor diode made only of "P" or "N" type material, in that the tip photo-diode has high resistance in both positive and negative directions. negative, practically throughout the region from the origin to the tips.
This region is shown limited between points (a) and (b) of the curve
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fA of figure 2a The reverse resistance (the probe-semiconductor contact resistance in the normal low-current direction) of a pure "N" - or "P" type semiconductor can be varied by setting a second probe electrode and by injecting either holes or electrons in the semi-
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conductor. This is the main point of the action of the transit.
In one
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ordinary "P" type transistor? the reverse resistance decreases by 1.jction of electrons (which is done by polarizing the emitting electrode negatively with respect to the base electrode, when the collecting voltage is positive).
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In the case of a type ïNu.9 transistor the same result is obtained by injecting holes (which is done by polarizing the emitting electrode positively with respect to the base electrode, when the collecting voltage is negative. ).
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It will therefore be noted that in the case of a semiconductor material of the gylt8 type, the reverse resistance is reduced by the injection of electrons.
The invention is based on the discovery of the following phenomenon: if the pressure of the collecting probe on a peak photo-diode is adjusted so that the peak of the collecting characteristic disappears almost entirely, and if a second probe is placed on the material of the type
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"Ni 'in the vicinity of the 8gN pB border, we can make the tip reappear by passing electrons from the second probe into the material of
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type liN "" This phenomenon is contrary to expectations, because it means that the reverse resistance of the material of type "P" increased instead of decreased, by the injection of electrons.
It was also found that if the negative polarization of the second probe is gradually increased (more electrons injected
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tees in the ezel-type material through the barrier separating 11911-type and gas-type material), the point tension of the collecting characteristic first increases, reaches a ceiling and then falls back down D-la # tre On the other hand, if the pressure and position of the collecting probe are chosen so that a spike appears early on in the collecting feature, the amplitude of the spike can be decreased by injecting holes into the
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p9Nqg material, coming from the second probe. It has also been established that the reverse breakdown voltage of an ordinary semiconductor diode can be varied by injection of current carriers (holes or electrons as the case may be).
In accordance with the broad aspects of the invention, this finding
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of power, in the case of an advanced semiconductor photo-diode? varying the peaks of the collecting characteristic by injecting current carriers by means of a second probes (or varying the reverse breakdown voltage, in the case of an ordinary semiconductor diode) is taken advantage of for real - read a new and improved type of control relay device.
As shown in Figure 3, a controlled relay device can be constructed in accordance with the invention, using a block 11 of material.
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A tire-type semiconductor having a small P19P-type inlay 13 on one side. The semiconductor material may be of any suitable type but preferably consists of germanium. The ePf ttpe suppressing is preferably obtained by a very powerful bombardment of particles of an "N" type semiconductor block. If desired, however, we can take blocks
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YiN "type crystalline crystals with npu type encrustations in a large mass of semiconductor materiala A pointed collector probe 15 is contacted with the encrustation 13, in the vicinity of the" PN "boundary of the semi-block. driver 11.
A base electrode 17 is applied to the opposite face of the block 11 so as to provide electrical contact of a relatively large area. A suitable output impedance 18 having terminals 19, 21 is put in series with a variable potential source 23 between the collector electrode 15 and the base electrode 17. This variable potential source is represented by a Potentiometer 25 shunted to a battery 27 serves to positively bias the collector electrode 15. In some cases, however, an alternating collector bias voltage can be used, as will be explained later. A second pointed electrode 29, hereinafter referred to as the emitter electrode, is placed in contact with the "N" type material, very close to the collector electrode 15.
An input impedance 31 having terminals 33, 35 is set in series with a source of DC potential 37 between the emitter and base electrodes, 29, 17. The source of DC potential is shown, for ease of reference. , in the form of a potentiometer 39 shunted on a pair of batteries 40, 41 connected in series The slider 46 of the potentiometer 39 is connected to the lower terminal 35 of the input impedance and the junction point 44 of the batteries is connected to the
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base 17.
The polarity of the source 37 is made with the choice positive or negative, according to the position of the cursor of potentiometer 46. - It should be noted that the device described at the moment is schematic and only serves to the explanation of certain possible forms of the invention, which may not necessarily be used to represent a specific possible commercial form of the invention,
The operation of the device of FIG. 3 emerges best from the curve of FIG. 4 where, for the different operating conditions, the collector current I is plotted on the ordinate and the collecting voltage E on the abscissa. A load line B represents a collecting voltage Ecl and a load impedance of X ohms. A load line C represents a collecting voltage Ec2 and a load impedance of X ohms.
If it is desired to apply a control pulse to terminals 19, 21 of the impedance, output 18, the collector probe 15 is adjusted in terms of position and pressure so that in the absence of polarization of the When the emitter tip of the diode characteristic disappears almost entirely, as shown by curve D in Fig. 4. The potentiometer slider 46 is then adjusted so as to negatively bias the emitter electrode 29 and reappear. the tip of the feature.
This negative polarization is chosen such that the collecting characteristic curve E is cut by the load line at at least three points (c, d, e), the highest voltage point (c) being a nothing below of the peak voltage of curve E, so that (c) becomes the operating point. 'A positive pulse of sufficient amplitude is then applied to terminals 33, 35 of the input impedance to reduce the peak voltage of the collecting characteristic enough that the load line B intersects the collecting characteristic of the diode. curve F at this time; in a single point (e).
The collector current, which had a relatively low value determined by the load line B at (c), instantly jumps to a new operating point (e) determined by the load line B and to a new value relatively large. This jump in the intensity of the collector current is practically instantaneous. It has been found in practice that the collector current changes from a value of 1 milliampere to about 10 million amperes in less than a tenth of a microsecond. The voltage variation required in the transmitter circuit to achieve this trigger is a little below 1 volt.
Once the tripping has been carried out, it is possible to return to the initial state after having re-established the initial emitter polarization, reducing the collecting voltage to the point that the load line C intersects the collecting characteristic (curve E) at a single point (g) o After sufficient reduction of the collector voltage, the circuit is put back into service practically instantaneously (the restarting time being of the order of the tripping time, ie less than a tenth of a microsecond) . The collector voltage can be reduced automatically to restore the circuit to normal service, by various common methods. For example, in Figure 3, capacitor 45 and resistor 43 are provided for this purpose.
Resistor 43 is interposed between the base electrode 17 and the negative terminal of the source of collecting potential 23 and the capacitor 45 is shunted on the source of potential 23 and the resistor 43. In this case, the circuit can be used as a relaxation oscillator. Such an oscillator can be controlled or with sustained oscillations; by properly adjusting the polarization either of the emitter or the collector. The circuit can also be put back into service automatically using an alternating collector potential.
If the polarization of the emitter is initially sufficiently negative, one can already have at this moment the maximum peak voltage of the collecting characteristic indicated by the curve G of figure 4, so that an increase of the polarization in the direction negative will cause the peak voltage to decrease.The polarization of the emitter can be made negative enough so that the peak voltage is that of curve E.
In this case, the circuit can be controlled or triggered by applying to the terminals 33, 35 of the input impedance a sufficient negative control pulse to reduce the voltage peak further to that of curve F. The collector current then jumps from a relatively low value (c) to a relatively high value (e) It is easy to see that the device of FIG.
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can be arranged within the limits of its parameters, so as to operate like any conventional control circuit. It can also function as a relaxation oscillator or a pulse generator.
If desired, the same results can be obtained, all the polarities being however reversed; using a "P" type semiconductor block with an "N" type inlay on one side.
The device of Figure 3 can be made to function in another way by adjusting (decreasing) the pressure of the collecting electrode so that a peak initially appears in the collecting characteristic. In this case, the potentiometer curber 46 is adjusted so as to polarize the emitting electrode 29 positively o This positive polarization tends to decrease the voltage peak of the collecting characteristic and it can be adjusted so that the peak corresponds to that of the curve E in figure 4.
If at this time, a sufficient positive control pulse is applied to terminals 33, 35 of the input impedance to reduce the voltage peak of the collecting characteristic so that the load line B intersects the collecting characteristic curve. F at a single point (e), the circuit will be triggered again, and the collector current will instantly jump from a relatively low value to a relatively high value, as has been said. As in the previous operation, we can use a "P" type semiconductor block with an "N" type inlay, but all polarities are reversed,
Fig. 5 shows an ordinary transistor comprising a block 47 of "N" type semiconductor material with the conventional emitter, collector and base electrodes 49,
51 and 53. An input impedance 55 having the terminals 57, 59 is put in series with a source 61 of variable direct potential represented by a potentiometer 63 shunted on the battery 65, between the emitter and base electrodes 49, 53. An output impedance 67 having terminals 69, 71 is put in series with a source 73 of variable DC potential, represented by a battery 75 shunted on a poteptiometer 77, between the collector and base electrodes 51; 53. In order to make the circuit of FIG. 5 a controlled circuit, the collecting electrode 51 is negatively biased by a determined value Ec3, indicated in the graph of FIG. 6.
A load line H shown in FIG. 6 corresponds to an output impedance of X ohms and to a collecting voltage Ec3. Another load line K corresponds to a collecting voltage Ec4 and an output impedance of X ohms. The polarization of the emitter is then made sufficiently positive so that the peak voltage curve L of collecting characteristic intersects the line of charge H at least at three points (h, k, n) in FIG. 6.
The circuit can then be triggered by applying a sufficient positive pulse to terminals 57, 59 of the input impedance to reduce the voltage peak of the collecting characteristic so that it corresponds to the curve M cut on the right. load L at a single point in) The collector current then jumps almost instantaneously from its operating point corresponding to a relatively low collector current (h), to an operating point (n) corresponds to a relatively high collector current The circuit can be returned to normal service after reestablishing the original transmitter polarity;
by reducing the collector voltage sufficiently so that the load line K intersects the collector characteristic curve L at one point (m) only. If a continuous collector potential is used, the circuit can be put back into service by means of of a device shown in FIG. 5 and comprising a capacitor 76 and a resistor 79.
The latter is inserted between the base electrode 53 and the positive terminal of the source of collector potential 73, and the capacitor 76 is shunted on the resistor 79 and the source of potential 73. Such a circuit can operate in parallel. relaxation oscillator. An alternating collector potential can also be used although this is not a preferred solution because the forward resistance is low enough to cause exaggerated energy dissipation during the positive half periods of the cycles of the alternating collector voltage. According to the invention, the ordinary transistor with the circuit described above can be used as a circuit for
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current type control, as relaxation oscillator or pulse generator.
One can, if desired, use a crystal of type "P", but all the polarities are reversed in this case.
In accordance with another aspect of the invention, it is unnecessary to apply an external control pulse to the input impedance of the devices described above with reference to Figures 3 and 5. It has been said above. above that the value of the peak collecting voltage of a peak photo-diode is influenced by the number of current carriers present in the vicinity of the contact surface of the probes-electrodes. As the temperature is one of the elements which affect the number of current carriers present, it is clearly understood that if the collecting voltage was set to an initially determined value and the temperature rose slowly until the moment when the voltage drops. below this value, the collector current would suddenly increase.
However, the semiconductor crystals taken individually have very variable response curves as a function of temperature, and most of them have a threshold of sensitivity to temperature high enough for their use as thermal relays to be Extremely limited, On the contrary, the inverse resistance of an "N" type semiconductor diode is an inverse function of temperature. for temperatures below the inherent temperature range of the semiconductor used as thermal relay.
Consequently, a circuit arranged for example as in FIG. 3 can be used as a thermally controlled relay. The collector polarization being set to Ecl, FIG. 4. The pressure and the placement of the collector probe can be chosen. so that the tip of the collecting characteristic is initially non-existent.
The emitter is then polarized enough negatively so that the voltage peak of the collecting characteristic corresponds to that of the curve E If then the temperature of the part of the semiconductor adjacent to the emitter rises slowly, so to increase the resistance of the emitter circuit ,, to decrease the emitter current and, in fact, to sufficiently decrease the negative emitter polarization so that the voltage peak of the collecting characteristic corresponds by its decrease, to that of the curve F, the device will trigger.
If, under the same conditions, on the contrary, the negative emitter polarization is increased sufficiently to exceed the maximum voltage peak of the collecting characteristic and to lower the peak when the polarization increases so that it corresponds to that of the curve E, figure 4, the device will trigger when the temperature in the vicinity of the emitting electrode rises enough to finally increase the negative polarization of emitting until the collecting characteristic corresponds to the curve F.
In addition, if the emitter is negatively polarized so as to show the maximum peak voltage of the collecting characteristic (curve G, figure 4) and if the collecting voltage is adjusted so that a load line R intersects the tip of the collecting feature at points s and t, a little below the tip of the tip., the device will trigger both upon an increase and upon a decrease in the temperature of the region surrounding the contact of the emitting probe.
Likewise, if one initially chooses the pressure and the position of the collector electrode so that a point appears in the collector characteristic, and if one then adjusts the positive polarization of the emitter so as to reducing the tip to the value of curve E in figure 4., an increase in the temperature of either the collecting electrode or the emitting electrode will lower the tip further so as to make it correspond to that of curve F, figure 4, and will trigger the relay. In the three cases described above, it is also possible to use a "P" type semiconductor block with an "N" type inlay, but the polarities will be reversed.
Instead of an advanced photo-diode, an ordinary semiconductor diode can also be used as a thermally controlled relay. The various means of producing such a relay emerge clearly from the description above.
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It will be noted that thermostats which use, according to the conventional method, devices sensitive to temperature such as bimetal blades: contacts with mercury or the pressure of a gas, always have mechanical closing as final function. an electrical contact. These contacts invariably cause trouble at one stage or another. On the contrary, a thermal relay according to the present invention causes a discontinuous change of the current without using the mechanical closing or opening of an electrical contact.
It should be noted that in all of the cases described above it is necessary, in order to establish an initial operating point at low current intensity, to establish first of all, by adjusting the emitting polarization or otherwise, depending on the case, the collecting characteristic on which it is desired to work, and then applying the bias voltage to the collecting electrode only.
The above description shows that the invention provides an improved electronic relay, not requiring a power supply for heating filaments, of very simple construction, of reduced dimensions and of compact shape. relay can be activated by a positive or negative pulse $ without changing the polarity of the other parameters of the circuit. It can also be thermally controlled. The relay has an extremely short return-to-service time and an alternative return-to-service potential can be effectively used.
CLAIMS
1. Relay comprising a block of semiconductor material, a base electrode, a collecting electrode, and an emitting electrode in contact with said block, a load impedance switched on with the collecting electrode, devices for applying bias voltages to the collector and emitter electrodes, the polarization voltages being adjusted so that the collector characteristic intersects the charge line at two or more points, and a means of affecting the emitting polarization so that the collector characteristic intersects the load line at one point only, whereby the collector current instantly jumps from one value to a markedly different value.