Résistance électrique semi-conductrice. On connaît des résistances électriques semi-eonduetrices dont la masse est constituée par des grains semi-conducteurs, par exemple des grains de carbures, agglomérés par un liant., par exemple un liant céramique; les grains sont plus ou moins e11 contact et dis posés de manière à se trouver en série ou en parallèle les uns avec les autres. L'agglomé ration est obtenue, en général, par compres sion suivie de cuisson à haute température.
Ces résistances présentent entre autres la cara.etéristique remarquable d'une conduc tance électrique variant, plus ou moins rapidement, en fonction de la tension appli quée à ses bornes.
Ces résistances semi-conductrices ont déjà trouvé d'assez larges applications comme limiteurs de surtensions, utilisées en associa tion avec des éclateurs comme dans les para- foudres, ou seules, pour la protection des enroulements, polir faciliter la coupure des disjoncteurs, pour moduler le courant en métrologie, ete.
Toutefois, clans les réalisations actuelle ment connues, le taux de variation moyen de la. résistance, défini par l'exposant k, de la tension dans l'expression approchée ci-après:
EMI0001.0017
où R est- la valeur de la résistance,<I>U</I> la ten sion à ses bornes et. A une constante, est. encore assez limité et ne dépasse guère 4. Or, des applications bien plus étendues de ces résistances pourraient .être faites si le facteur k pouvait être encore notablement accru.
D'autre part, dans toutes les réalisations connues de ces résistances, on a. cherché à réduire au minimum l'hystérésis électrique représentée sur une courbe tension u, courant i (fig. 1) par l'aire comprise entre le trait 1, correspondant à la tension croissante, et le trait 2 correspondant à la tension décrois sante. L'hystérésis peut en effet, par exem ple, gêner ou même empêcher l'extinction des éclateurs lorsqu'ils sont, disposés en série. Il en est autrement si le phénomène d'hysté- résis a une très courte durée.
On montrera dans ce qui suit qu'on peut alors avec avan tage rechercher des courbes tension-courant, où l'aire comprise entre les branches aller et retour de la courbe est beaucoup plus grande qu'avec les résistances connues.
L'invention concerne une résistance élec trique semi-conductrice du type ci-dessus rap pelé, qui est caractérisée par le fait que dans le liant sont distribués des grains d'une subs tance à pouvoir d'émission électronique secon daire supérieur à deux et contenant un oxyde d'un métal de densité inférieure à cinq.
Les particules de la substance douée d'un pouvoir d'émission secondaire supérieur à deux peuvent. être constituées par un oxyde du métal de densité inférieure à cinq ou par un alliage dont. un des composants est un tel métal et sur la surface duquel on forme, par un traitement thermique, une pellicule de l'oxyde de ce métal.
Les demandeurs ont constaté expérimen talement qu'avec des formes de réalisation de cette résistance on peut obtenir les caracté ristiques susvisées.
Comme oxydes simples, on peut, utiliser avantageusement ceux des métaux alcalins et alcalino-terreux; c'est ainsi que l'utilisation des -particules de structure cristalline d'oxydes de béryllium (Be0) et de magné sium (112g0) a donné d'excellents résultats et a permis de porter l'exposant k. aux environs de 15. Comme alliages, on peut utiliser ceux comportant, d'une part, un métal lourd, par exemple nickel, cuivre ou argent, formant.
support, et, d'autre part, un métal de densité inférieure à cinq, tel par exemple le béryl lium, le magnésium ou aluminium en faible proportion inférieure à 10 % en poids de l'ensemble.
L'utilisation de tels alliages a également donné des résultats remarquables et a permis l'obtention des caractéristiques ten- sion-courant à grande aire d'hystérèse. Tou tes ces substances sont caractérisées par un pouvoir d'émission secondaire nettement supé rieur à 2; en particulier, les oxydes de magné sium ou de béryllium ont un pouvoir d'émis sion secondaire de l'ordre de 4 et les alliages un pouvoir dépassant 5 et même 10 pour cer tains traitements d'activation qui seront pré cisés plus loin.
La fig. 2 donne, à titre d'exemple, une image schématisée en coupe à grande échelle de la masse, constituant la résistance semi conductrice de l'invention.
Sir la fig. 2, A (grains hachurés) désigne les grains semi-conducteurs, par exemple en carbure de silicium, recouverts d'une couche de silice plus ou moins mince, partiellement en contact les uns avec les autres; B (fond non hachuré) représente un liant isolant, par exemple, à base d'argile; C sont les particules d'un corps à pouvoir émissif secondaire supé rieur à deux, par exemple des cristaux d'oxyde de béryllium ou d'un alliage, par exemple de cuivre ou de nickel et de béryl lium, ces particules ayant été soumises avant leur emploi à. un traitement d'activation ci- après décrit. On voit que les particules C sont dispersées dans les interstices des grains 11 et enrobées par la masse isolante B.
Pour la fabrication de telles résistances il est avantageux de mélanger au préalable l'argile finement. divisée avec les particules du corps émissif (oxyde de béryllium ou, éventuellement, alliage de cuivre ou de nickel et de béryllium, suivant l'exemple considéré), de manière à enrober celles-ci dans l'isolant. On distribue alors le semi-conducteur en con tinuant à, mélanger l'ensemble. On procède alors au mouillage de la masse, tout en pour suivant le malaxage.
Une fois atteint. le taux convenable d'humidité, on procède au mou lage sous pression de cette pâte, à. la forme voulue; on sèche les pièces à l'état cru dans une étuve et on les cuit à. une température suffisante pour assurer la, déshydratation de la masse, sans fondre ni combiner avec. le liant. la matière semi-conductrice, par exem ple vers 1000 degrés centigrades. Enfin, si l'on désire obtenir de bons contacts, on mé tallise les parties du solide aggloméré, comme il vient d'être dit, qui doivent être en contact avec les amenées de courant.. On peut ainsi métalliser les faces opposées d'un solide en forme de disque ou les deux extrémités d'un solide en forme de tige. Cette métallisation est obtenue, par exemple, par projection au pistolet ou par tout moyen équivalent.
A titre d'exemples de constitution de telles résistances et des résultats obtenus, on peut citer: Bxennple <I>1:</I> Composition (proportions en poids)
EMI0002.0026
Carbure <SEP> de <SEP> silicium <SEP> (SiC) <SEP> 60 <SEP> à. <SEP> 75 <SEP> %
<tb> Argile <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 38%
<tb> Cristaux <SEP> de <SEP> l'oxyde <SEP> de
<tb> magnésium <SEP> <B>(MgO)</B> <SEP> 2 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> % On doit rappeler que le llgO a un pou voir d'émission secondaire de 4 environ, me suré sous lin potentiel d'accélération Yn des électrons primaires donnant le pouvoir d'émis sion secondaire maximum, soit:
I'P 1 400 V. Il est donc supérieur à 2, comme indiqué. D'autre part, la densité de<B>Mg</B> est de<B>1,7,</B> clone inférieure à 5 comme indiqué.
Une telle résistance donne une caractéris tique tension-courant statique du genre de celle représentée sur la fig. 3. Cette caracté ristique a été tracée en relevant. l'amplitude du courant traversant la résistance et celle de la tension à ses bornes lors de l'application d'impulsions de tension (ondes de choc) d'amplitudes croissant d'un essai à l'autre.
Les impulsions de tension utilisées étaient (le courte durée: de l'ordre de 50 ,us jusqu'à descente à mi-amplitude, pour des ondes don nant de faibles courants (de l'ordre d'une di zaine à une centaine d'ampères) et d'une durée de plus en plus faible pour des cou rants de phis en plus élevés (tombant à 2 ,us jusqu'à descente à mi-amplitude, pour des courants supérieurs à 5000 A). Le front était toujours raide, d'une durée de l'ordre de 0,5 ,us.
On remarque que cette caractéristique pré sente un coude très accusé, la branche en amont du coude étant proche de la verticale et la branche en aval du coude étant proche de l'horizontale (caractéristique valve).
L'exposant 7c de variation du courant en fonction de la tension dépasse sensiblement celui des résistances connues dans les mêmes conditions d'essais.
On voit ainsi que, dans l'exemple consi déré, l'effet valve est considérablement accusé. De telles résistances présentent donc un inté rêt certain, dans les applications pour la. pro teetion contre les surtensions du matériel élec trique, et notamment dans les parafoudres à résistance variables dits encore à résistance non linéaire.
<I>Exemple 2:</I> Composition (proportions en poids)
EMI0003.0012
Carbure <SEP> de <SEP> silicium <SEP> (SiC) <SEP> 60 <SEP> à <SEP> 75 <SEP> %
<tb> Argile <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 38 <SEP> 1/o (?vains d'alliage nickel-béryllium (NiBe) constitué de 95 à 98 % de Ni et de 5 à 2 % de Be,
ayant subi un traitement thermique en atmosphère oxydante à une température d'au moins 600 C assurant la formation d'une pel licule de BeO en surface.
On doit signaler que de tels alliages trai tés ont un pouvoir d'émission secondaire dé passant 10 pour Vp de l'ordre de 300 V. Il est donc bien supérieur à 2, comme indiqué. De plus, il y a une certaine persistance de cette émission secondaire au-delà de la durée de l'émission primaire.
D'autre part, la densité de Be est de 1,7, donc inférieure à 5, comme indiqué.
De telles résistances se distinguent par une caractéristique dynamique tension-courant remarquable, qui présente une forme du genre de celle de la fig. 4a, dans le cas d'une im pulsion apériodique ou pour une demi-pé- riode d'une oscillation et de celle de la fig. 4b, pour une impulsion oscillatoire amortie. La forme de la courbe tension-temps est donnée sur la fig. 5 (pour le cas de la courbe tension-courant de la fig.4a, consi dérer seulement la première demi-période).
La pseudo-période de l'oscillation au cours des essais ayant fourni ces courbes était de 5 à 6 ,ces et l'amplitude du courant était de l'ordre de 10 000 A.
Comparativement aux caractéristiques dynamiques tension-courant des résistances courantes, où l'aire embrassée par la courbe est relativement faible (faible hystérésis) et dont toutes les branches sont caractérisées par une pente cdV/dl <I>> 0, on</I> constate ici que l'aire de la courbe est notablement agrandie et que, d'autre part, la courbe comporte une branche à pente dV/dI <I> < 0.</I>
A noter que la basse valeur de la résis tance atteinte après la première crête de l'onde de tension se maintient. alors pratique ment pendant toutes les oscillations succes sives (voir fig. 4b) et la résistance se comporte comme une résistance fixe de basse valeur (le rapport entre la résistance initiale sur le front de l'onde et cette résistance finale est par exemple de l'ordre de 100).
A signaler aussi que, du fait de la courte durée des ondes utilisées, l'effet thermique est très faible et il ne semble pas qu'on puisse lui attribuer les phénomènes constatés qui pa- naissent bien résulter de l'inclusion des par ticules d'alliage oxydé dans le liant isolant.
De telles résistances paraissent pouvoir servir notamment à l'instar d'un éclateur à étincelles, par exemple dans un oscillateur d'un émetteur d'impulsions. Le passage de la valeur initiale élevée (sur le front de l'onde) à. une valeur basse est analogue au processus de l'amorçage; l'avantage d'une telle résistance par rapport. à l'éclateur à étincelles réside en ce que la valeur basse de la résistance une fois atteinte, celle-ci se maintient: pendant toute la durée de l'impulsion malgré les fluctua tions de la tension à ses bornes et du cou rant traversant, tandis que la résistance d'une étincelle varie et, notamment, croît rapidement, surtout en haute fréquence, à. mesure qu'on s'approche du passage du cou rant par zéro.
Il est utile de faire ressortir la remar quable faculté d'adaptation des résistances décrites, les caractéristiques de celles-ci étant, principalement, fonction entre autres, de la quantité des particules à émission secondaire distribuées par unité de volume dans la niasse de la résistance, des dimensions de ces particules, de leur coefficient d'émission se condaire, de l'inertie de cette émission et des autres facteurs connus qui influent sur les propriétés des résistances usuelles à grains semi-conducteurs,
en particulier les caracté ristiques des grains semi-conducteurs A. eux- mêmes et du liant isolant E.
On conçoit qu'en disposant de tels fac teurs complémentaires d'un effet particu lièrement marqué, on puisse faire varier, dans de très larges limites, les caractéris tiques des résistances et, par suite, étendre considérablement leur champ d'application. En particulier, on peut utiliser comme semi- conducteurs des sulfures, carbures, siliciur es, phosphures, arséniures, etc., comme émet teurs d'électrons secondaires des oxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux (Ca, Ba, Sr, Mg, Be, etc.), comme liants isolants des céramiques, des verres, des émaux,<B>l'agglo-</B> mération étant effectuée, par exemple, par la technique de frittage.