Vorrichtung zum Steuern des Stromes in einem Verbraucherstromkreis Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Stromes in einem Verbraucherstromkreis, welche Vor richtung ein Halbleiterbauelement mit mindestens zwei . Anschlusselektroden und mindestens einer Steuerelek trode umfasst, welches Halbleiterbauelement zwischen einem sperrenden und einem leitenden Zustand steuerbar ist, wobei der Widerstand des Halbleiterbauelements im sperrenden Zustand von der Polarität einer an den An- schlusselektroden liegenden Spannung unabhängig ist und das Halbleiterbauelement, wenn die genannte Spannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht, in mindestens einem zwischen den Anschlusselektroden befindlichen Strompfad praktisch sprunghaft den leitenden Zustand an nimmt.
Es ist aus der deutschen Auslegeschrift<B>1219</B> 077 ein steuerbares Halbleiterelement bekannt, an dessen Last elektroden mit niedrigem elektrischem Übergangswider stand ein eine Spannungsquelle aufweisender Lastkreis an schaltbar ist und dessen Halbleitermaterial einen für den zwischen den Lastelektroden dahindurchfliessenden Strom in jeder Richtung im wesentlichen gleichmässigen Sperrzustand hohen elektrischen Widerstandes besitzt, der sich zur Schaffung eines für den zwischen den Last elektroden dahindurchfliessenden Strom in jeder Richtung im wesentlichen gleichmässigen Lastzustandes bei einer an die Lastelektroden angelegten Spannung oberhalb einer Schwellenspannung im wesentlichen augenblicklich auf mindestens einem ununterbrochenen Pfad zwischen den Lastelektroden zu einem niedrigen Widerstand ver mindert,
der um Zehnerpotenzen niedriger ist als der hohe elektrische Widerstand, und dessen Leitzustand in Abhängigkeit vom Zustand des durch das Halbleitermate rial hindurchfliessenden Stromes im wesentlichen augen blicklich wieder in den Sperrzustand zurückschaltbar ist. Bei dieser Schaltvorrichtung ist das Halbleiterbauelement mit einer Steuerelektrode zum Anschliessen eines Steuer kreises versehen. Die Steuerelektrode ist zwischen zwei in Reihe geschaltete Einzelspeichereinrichtungen geschaltet, die jede ihre eigene Schwellenspannung aufweisen. Durch Betätigen eines Schalters wird eine der Vorrichtungen kurzgeschlossen, um die andere Vorrichtung zum Durch- Bruch zu bringen, so dass daraufhin auch die erste Vor richtung durchbrechen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zum Steuern eines Verbraucherstromkreises zu schaffen, die gestattet, denselben kontaktlos und schnell zu schalten. Dabei soll der Nachteil des oben genannten Standes der Technik vermieden werden, dass zwei mit ihrer Schwellenspannung aufeinander angepasste Halb leiterbauelemente verwendet werden müssen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch ge kennzeichnet, dass dieser leitende Zustand auch ohne Fliessen eines Stromes erhalten bleibt und durch einen einen Schwellenstrom mindestens erreichenden Steuer stromimpuls an der Steuerelektrode, unabhängig von der Richtung dieses Impulses, praktisch sprunghaft in den sperrenden Zustand übergeht, und dass sich die Schwellen spannung mit zunehmender, an der Steuerelektrode ange legter Steuerspannung vermindert.
Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezug nahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltschema einer Vorrichtung zum Steu ern eines Verbraucherstromkreises, bei der die Schaltvor richtung ein Paar Lastelektroden und ein Paar Steuerelek troden enthält, d. h. eine Vierelektrodenvorrichtung dar stellt; Fig. 2 eine Weiterausbildung der Vorrichtung nach Fig. 1, jedoch unter Verwendung einer Schaltvorrichtung, die ein Paar Lastelektroden und eine einzige Steuerelek trode enthält, d. h. einer Dreielektrodenvorrichtung; Fig. 3 ein Strom-Spannungs-Diagramm, das die momen tanen Spannungs- und Stromeigenschaften der speichern den Schaltvorrichtungen mit einer veränderlichen, daran angelegten Gleichspannung darstellt, bei der die Schalt vorrichtungen vom speichernden bzw.
Gedächtnistyp sind; Fig. 4 Strom-Spannungs-Diagramme, die auf den Be trieb der speichernden Schaltvorrichtung in einen Wech selstromverbraucherkreis Bezug nehmen; Fig. 5 Strom-Zeit-Diagramme, die den Betrieb der speichernden Schaltvorrichtung darstellen, wenn sie in einen Wechselstromverbraucherkreis eingeschaltet ist; Fig. 6 bis 11 verschiedene Ausbildungen der Dreielek troden-Stromsteuervorrichtung, wobei Fig. 10 eine Seiten ansicht der in Fig. 9 in Perspektive dargestellten Vorrich tung ist; Fig. 12,13 und 14 verschiedene Ausbildungen, die die Vierelektroden-Vorrichtung haben kann, und Fig. 15 bis 20 Schaltschemas, die jenem der Fig. 2 ähn lich sind, aber verschiedene Weiterbildungen des Steuer kreises und der Steuerelektroden darstellen.
Es ist zweckmässig, ein Halbleiterbauelement zu ver wenden, das eine gleichrichterschichtfreie Schaltstrecke zwischen den Lastelektroden und eine der Steuerspan nung verkehrt proportionale Schwellenspannung aufweist, deren Normalwert grösser als die über den Lastkreis an die Lastelektroden angelegte Spannung ist. Zum Umschal ten aus dem Sperr- in den Leitzustand sollte der Schwel- lenspannungs-Normalwert durch eine an mindestens eine Steuerelektrode des Halbleiterbauelements angelegte Steuerspannung auf einen Wert unterhalb der an die Last elektroden angelegten Spannung verminderbar sein. Es ist jedoch auch möglich, das Umschalten durch Erhöhen der Spannung über den Schwellenspannungs-Normalwert vorzunehmen.
Solche Schaltvorrichtungen sind Vorrichtungen einer speichernden Art, d. h. mit Gedächtnis. Ein entsprechen des Halbleitermaterial, das sich für derartige Vorrichtun gen eignet, ist in der NTZ 1970 auf den Seiten 449-455 näher beschrieben.
Bei dieser speichernden Art der Schaltvorrichtung wird der Leitzustand aufrechterhalten, selbst wenn über haupt kein Laststrom fliesst. Zum Zurückschalten in den Sperrzustand ist es jedoch erforderlich, dass ein Steuer stromimpuls an das Halbleitermaterial angelegt wird, der mindestens einen Schwellenstrom erreicht.
Neben der Möglichkeit, das Schaltelement in Gleich stromkreisen zu verwenden, erfüllt es seine Aufgabe auch. in Wechselstrom- und pulsierenden Gleichstromkreisen. Der Steuerkreis kann einen hohen Widerstand aufweisen und dabei können die Steuerelektroden selbst Elektroden mit hohem Widerstand sein, um den Steuerkreis im we sentlichen vom Lastkreis zu entkoppeln. Ist der Steuer kreis als Wechselstrom- oder pulsierender Gleichstrom kreis ausgebildet, so kann der Steuerkreis einen in Reihe geschalteten Kondensator oder eine andere Isolierung zwischen mindestens einer der Steuerelektroden und dem gleichrichterschichtfreien Pfad zwischen den Lastelektro den aufweisen.
Es ist auch möglich, den Steuerkreis mit einem Gleichrichter oder einer gleichrichtenden Verbin dung zwischen. mindestens einer Steuerelektrode und dem genannten Pfad zu versehen, um das Anlegen der Steuer spannung an die Schalteinrichtung zu regeln. Für Rege lungszwecke ist es auch zweckmässig, den Steuerkreis mit zustandsabhängigen Steuerelementen, beispielsweise einem Element mit einem Widerstand, zu versehen, der sich in Abhängigkeit von einer Zustandsgrösse, beispiels weise der Spannung, Temperatur, Druck oder dergleichen, verändert. Die zustandsabhängigen Widerstandskoeffizien ten können negativ und positiv sein. Zur Änderung des Widerstandes können auch Feuchtigkeit, Licht oder der gleichen physikalische Zustandsgrössen verwendet sein.
Nach Fig. 1 ist ein Verbraucherstromkreis 10 an die Klemmen 11 und 12 angeschlossen, die ihrerseits mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle VA zum Anlegen einer Spannung an den Verbraucherstromkreis 10 verbun den sind. Die Spannungsquelle VA kann eine gleichför mige Gleichstrom-, Wechselstrom- oder pulsierende Gleichstromquelle sein, die eine konstante oder veränder liche Spannung abgeben kann. In den Verbraucherstrom- kreis 10 ist ein Lastwiderstand 13 eingeschaltet, der ein Widerstand, eine Spule, eine Motorwicklung, ein Solenoid oder eine Relaiswicklung sein kann. In den Verbraucher stromkreis 10 ist über Lastelektroden 15 und 16 eine Vier elektroden-Schaltvorrichtung 14 in Serie eingeschaltet, die noch zusätzlich zwei Steuerelektroden 17 und 18 auf weist, über welche die Schaltvorrichtung 14 an einen Steu erkreis 25 angeschlossen ist.
Der Steuerkreis 25 weist zwei Klemmen 26 und 27 auf, die ihrerseits mit einer nicht dargestellten Steuerspannungsquelle Vc zum Anlegen von Spannung an den Steuerkreis 25 verbunden sind. Die Steu erspannungsquelle Vc kann ebenfalls eine gleichförmige Gleichspannung, Wechselspannung oder pulsierende Gleichspannung abgeben, die konstant oder veränderlich sein kann. Die Klemme 27 ist über einen Schalter 28 und einen relativ grossen Widerstand 29 an die Steuerelek trode 17 und die Steuerelektrode 18 an die andere Klemme 26 angeschlossen. Dieser Steuerkreis 25 wird zum Umschalten der Schaltvorrichtung 14 aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand verwendet.
Die Klemme 27 kann ebenfalls über einen Schalter 30 und einen relativ niedrigen Widerstand 31 an die Steuerelek trode 17 angeschaltet werden, und dieser Zweig des Steu erkreises kann zum Umschalten der Schaltvorrichtung 14 aus ihrem Leitzustand in ihren Sperrzustand verwendet werden.
Um die Betriebsweise der Schaltvorrichtung 14 zu ver anschaulichen, kann sie, wie durch die unterbrochenen Li nien gezeigt, mit den Eingängen des Horizontal- bzw. Ver tikalverstärkers eines Oszillographen verbunden werden. Der Horizontalverstärker 21 ist parallel zur Vorrichtung 14 und der Vertikalverstärker 22 parallel zu einem Wider stand 23 im Verbraucherstromkreis 10 angeschlossen. Demgemäss können die Strom-Spannungs-Kurven, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, dargestellt werden. Wenn wie in Fig. 5 lediglich die Stromkurve dargestellt werden soll, wird der Horizontalverstärker 22 mit der Zeitablenkung des Oszillographen verbunden, um die Strom-Zeit-Dia gramme gemäss der Fig. 5 sichtbar zu machen.
Die Fig. 2 zeigt ein ähnliches Schaltschema wie die Fig. 1; der Unterschied besteht darin, dass eine Dreielek troden-Vorrichtung 19 verwendet ist, die lediglich eine Steuerelektrode 17 enthält. Hierbei wirkt die Lastelek trode 15 ebenfalls wie eine Steuerelektrode. Sie ist an die Klemme 26 der Steuerspannungsquelle Vc angeschlossen. Die unterbrochenen Linien 32 in den Fig. 1 und 2 veran schaulichen, stark vereinfacht, die Strompfade, bzw. das elektrische Feld zwischen den Lastelektroden 15 und 16, und die unterbrochenen Linien 33 illustrieren die Strom pfade, bzw. das elektrische Feld zwischen den Steuerelek troden 17 und 18 in Fig. 1 und zwischen der Steuerelek trode 17 und der Lastelektrode 15 in Fig. 2.
Die Schaltvorrichtungen 14 und 19 verhalten sich im Betrieb symmetrisch, d. h. sie sind von der Polarität der an sie angelegten Spannung unabhängig, und sie sind, wie oben angeführt, vom speichernden Typ. Sie weisen im Vergleich zu Mehrfachschichtdioden keine p-n-Übergänge auf. Die Lastelektroden 15 und 16 sind so beschaffen, dass kein Gleichrichtereffekt auftritt. Im Sperrzustand sind die Halbleitermaterialien der speichernden Schaltvorrichtun gen 14 und 19, kurz Speichervorrichtungen genannt, po- lymerartig, und befinden sich im ungeordneten, allgemein amorphen Zustand.
Solche Polymer-Typus-Materialien enthalten polymere Netze, die kovalente Bindungen und kristallisierungsbeständige Vernetzung aufweisen, die sich in einem örtlich organisierten, ungestörten Zustand oder einer entsprechenden Beschaffenheit befinden, die im all gemeinen amorph (nicht kristallin) ist, aber die möglicher- weise relativ kleine Kristalle oder Ketten- oder Ringseg mente enthält, die durch Vernetzen möglicherweise in be liebig orientierter Stellung darin gehalten sind. Diese po lymeren Strukturen können ein-, zwei- oder dreidimensio nale Strukturen sein.
Eine derartige Struktur kann eine Verbindung aus einer Mehrzahl von chemisch ungleichar tigen Elementen enthalten, von denen mindestens einige vom polymeren Typus sind, der die Fähigkeit hat, kova- lente ketten- oder ringähnliche und vernetzte Bindungen zu bilden. Solche Elemente vom polymeren Typus weisen Bor, Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Stick stoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur, Wasserstoff, Fluör und Chlor auf. Von diesen Polymertyp-Elementen sind Sauerstoff, Schwe fel, Selen und Tellur besonders nützlich, da sie und Mi schungen, die diese enthalten, durchaus günstige Träger- beweglichkeitseigenschaften haben.
Von diesen Polymer typ-Elementen sind Silicium, Germanium, Phosphor, Arsen und ebenso Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Blei, Wismut besonders geeignet, da sie kovalente Bindungen oder Vernetzungen zwischen polymerartigen Ketten- oder Ringelementen wirkungsvoll ausbilden, damit die letztge nannten in den gestörten und im allgemeinen amorphen Zustand zurückkehren oder dort gehalten werden.
Mehrere der oben erwähnten Elemente können mitein ander und/oder mit anderen Elementen in angemessenen Prozentsätzen kombiniert werden, um die gestörte po lymerartige, amorphe Struktur zu erhalten. Obwohl viele verschiedene Materialien, beispielsweise Telluride, Sele- nide, Sulfide oder Oxide von irgendeinem Metall, Metal loid, einer intermetallischen Verbindung, einem Halbleiter, einer Festkörperverbindung oder Mischungen davon ver wendet werden können, werden besonders gute Resultate erreicht, wenn Tellur oder Selen verwendet werden und wenn Oxide der Übergangsmetalle, z. B. Vanadium, Tan tal, Niob, Zirkon oder Mischungen davon, verwendet wer den.
Die Halbleitermaterialien können ausgewählt werden, um eine intermolekulare Bandstruktur zu schaffen, die eine grosse Anzahl von Stromträger-Haftzentren (Leerstel len, Rekombinationszentren oder Haftstellen) vermöge der ungeordneten Ketten- oder Ringstruktur oder der un geordneten Atomstruktur aufweisen. Dieser Effekt kann erhöht werden durch Behandeln dieser Halbleitermateria lien auf verschiedene Weisen, um den Sperrzustand zu er halten. Obwohl viele verschiedene Halbleitermaterialien verwendbar sind, kann beispielsweise ein Halbleitermate rial für die Speichervorrichtungen eine Zusammensetzung von 90 Gew.-% Tellur und 10 Gew.-% Germanium aufwei sen. Die Halbleitermaterialien können in der Form von Platten, Schichten oder Filmen ausgebildet und zwischen den Lastelektroden 15 und 16 angeordnet sein.
Die Halb leitermaterialien können in die Platten, Schichten oder Filme durch Giessen, durch Abschneiden von einem Block, durch Strangpressen von einem Barren, durch Va kuum-Bedampfung oder durch Zerstäubung geformt wer den. Die Lastelektroden können aus irgendeinem guten elektrischen Leiter bestehen, vorzugsweise aus Materia lien mit einem hohen Schmelzpunkt, wie beispielsweise Tantal, Graphit, Niob, Wolfram oder Molybdän. Diese Elektroden sind gewöhnlich relativ inert in bezug auf ver schiedene Halbleitermaterialien. Sie können auf Platten, Schichten oder Filme aus dem Halbleitermaterial in ir gendeiner gewünschten Weise aufgebracht werden, bei spielsweise durch mechanisches Aufpressen, durch Auflö ten, durch Dampfniederschlagen oder durch Aufdampfen.
Umgekehrt können die Halbleitermaterialien auf die Elek troden durch Oberziehen, Dampfniederschlagen oder Be- dampfen derselben angeordnet werden.
Wenn die Schaltvorrichtungen 14 und 19 über die Last elektroden 15 und 16 in den Verbraucherstromkreis 10 geschaltet sind, an den eine variable Gleichspannungs quelle über die Klemmen 11 und 12 angeschlossen ist, ver halten sie sich in der Weise, wie sie durch die Strom-Span- nungs-Diagramme gemäss der Fig. 3 für die Speichervor richtungen gezeigt sind.
Angenommen, die Schaltvorrichtungen 14 und 19 be finden sich in ihrem Sperrzustand. Wenn nun die ange legte Spannung nach und nach von Null ansteigt, dann nimmt die Stromdichte und die Feldstärke zwischen den Lastelektroden 15 und 16 zu und der Widerstand von min destens einem Teil der Strompfade 32 des Halbleitermate rials zwischen den Lastelektroden ab, wie dies mit der Kurve 35 in den Fig. 3 und 4 angegeben ist. Wenn die an die Lastelektroden angelegte Spannung auf einen dem Spannungsschwellenwert der Vorrichtung entsprechenden Wert angestiegen ist, werden mindestens der genannte Teil der Strompfade 32 des Halbleitermaterials zwischen den Elektroden im wesentlichen unmittelbar in den Leitzu- stand überführt.
Es wird angenommen, dass die angelegte Spannung eine Zündung, einen Durchschlag oder ein Schalten mindestens eines der genannten Pfade des Halbleitermaterials bewirkt und dass der Durchschlag elektrisch oder thermisch oder eine Kombination von bei den ist. Der elektrische Durchschlag, der durch das elektri sche Feld oder die elektrische Spannung bewirkt ist, tritt stärker hervor, wenn der Abstand zwischen den Elektro den klein ist, und der thermische Durchschlag, der durch das elektrische Feld oder die Spannung bewirkt ist, tritt bei grösseren Abständen zwischen den Elektroden stärker hervor. Die Schalt -Zeiten zum Umschalten vom Sperr- in den Leitzustand sind extrem kurz, im wesentlichen augenblicklich.
Das im wesentlichen unverzügliche Um schalten der genannten Pfade des Halbleitermaterials aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand wird durch die unterbrochenen Kurven 36 von Fig. 3 dargestellt.
Die speichernde Schaltvorrichtung kann, wie oben be schrieben, aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand umgeschaltet werden. Die entsprechende Abhängigkeit des Stromes von der Spannung ist durch die Kurve 37 in der Fig. 3 dargestellt. Die Umschaltung kann auch da durch erfolgen, dass die Lastspannung auf den Schwellen- spannungs-Normalwert oder darüber vergrössert wird. Die Vorrichtung speichert diesen Leitzustand bzw. hat für diesen Leitzustand ein Gedächtnis und verbleibt in die sem Leitzustand auch dann, wenn die angelegte Spannung auf Null vermindert oder in ihrer Polarität umgekehrt wird, bis sie auf eine weiter unten beschriebene Weise in ihren Sperrzustand umgeschaltet wird.
Wenn die Span nung vermindert oder abgeschaltet wird, nimmt der Strom gemäss der Kurve 37 der Fig. 3 ab. Das Verhältnis des Sperrwiderstandes zum Widerstand im Leitzustand ist üblicherweise grösser als<B>100</B> 000:1. Im Leitzustand kann der Widerstand der Vorrichtung 1 Ohm oder noch niedri ger sein und der Haltestrom für die Vorrichtung kann sehr klein sein. Der untere Teil 39 der Kurve 37 ist im we sentlichen linear, was auf ein normales Verhalten der Vor richtung in bezug auf das Ohmsche Gesetz in diesem Be reich hindeutet, während der obere Teil der Kurve 37 sehr steil ansteigt und zeigt, dass die an der Vorrichtung gemessene Spannung in diesem Bereich praktisch nicht von dem durch die Vorrichtung hindurchfliessenden Strom abhängig ist.
Die Kennlinie des Verbraucherkreises ist in der Fig. 3 mit 40 bezeichnet. Sie verläuft im wesentli chen parallel zur Linie 36. Wenn ein Strom durch bei spielsweise Schliessen des Schalters 30 in Fig. 1 und 2 un- abhängig vom Verbraucherkreis 10 an die Speichervor richtung angelegt wird, verläuft die Kennlinie für einen solchen Strom längs der Linie 41, da der Widerstand 31 in diesem Kreis klein ist, und die Linie 41 schneidet die Kurve 35. Der Leitzustand der Speichervorrichtung wird unverzüglich aufgehoben und die Vorrichtung in ihren Sperrzustand umgeschaltet. Die Speichervorrichtung wird in ihrem Sperrzustand verbleiben, bis sie durch Wiederan legen einer Schwellenspannung in ihren Leitzustand ver setzt wird.
Im Leitzustand der Vorrichtung sind mindestens die genannten Strompfade des Speichertyp-Halbleitermate rials (Fasern, Fäden oder Pfade), die einen stärker geord neten, kristallinartigen Festkörperzustand aufweisen, eng in das verbleibende Festkörperhalbleitermaterial einge schlossen oder eingehüllt, das den oben erwähnten gestör ten, polymerartigen Festkörperzustand aufweist, der einen relativ hohen elektrischen Widerstand und relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Wenn der Vorrichtung über den relativ kleinen Widerstand 31 und die Steuerelektro den 17 und 18 (Fig. 1) oder 17 und 15 (Fig. 2) elektrische Energie zugeführt wird, wird ein Stromfluss, der dem Stromhaltemindestwert entspricht, durch die Strompfade 33 und mindestens einen Teil der genannnten Strompfade 32 des Festkörperhalbleitermaterials erzwungen und dort, wo sich diese Pfade überlappen, durch Joulesche Erwär mung erheblich erhitzt. Der Wärmeverlust wird durch das die Strompfade unmittelbar umgebende Material auf einem Minimum gehalten, welches Material die gestörte, polymerartige Struktur aufweist.
Es wird angenommen, dass mindestens ein Teil der genannten Pfade 32 des Halb leitermaterials über die kritische Übergangstemperatur er hitzt wird und dass eine solche Erhitzung ein erhebliches scharfes Temperaturdifferential, d. h. ein sehr grosses Temperaturgefälle, zwischen der geordneten, kristallinen Struktur der genannten Strompfade und der unmittelbar umgebenden oder umschliessenden, ungeordneten, amor phen Struktur bewirkt.
Es wird angenommen, dass als Er gebnis die relativ grossen Kristalle oder gepackten Ket ten oder Ringe der geordneten, kristallinen Struktur min destens der genannten Pfade des Halbleitermaterials somit thermisch vibriert und angestossen oder bean sprucht bzw. gespannt werden, um sie in relativ kleine Kri stalle oder Ketten- oder Ringsegmente aufzubrechen (um die Kristallisationskräfte in bezug auf die Kristallhem mungskräfte zu vermindern) und um die stark ungeord nete, amorphe Struktur auszubilden, damit der Sperrzu stand darin erreicht wird.
Diesbezüglich wird angenom men, dass die elektrische Energie veranlasst wird, durch die verbleibenden Kristalle, Ketten oder Ringe zu fliessen, um diese zusätzlich zu erhitzen, wenn ein Kristall, eine Kette oder ein Ring in mindestens den genannten Pfaden 32 des Halbleitermaterials derart zerrissen oder zerbro chen werden, so dass das Zerreissen oder Zerbrechen der Kristalle, Ketten oder Ringe in lawinenartiger Weise statt findet und im wesentlichen unverzüglich bewirkt, dass mindestens die genannten Teile des Halbleitermaterials in den Sperrzustand zurückkehren.
Wenn mindestens die genannten Strompfade 32 des Halbleitermaterials so aktiviert und durch den hohen Strom erhitzt werden, dass sie sich in einen erweichten oder geschmolzenen Zustand erhitzen, ist es auch mög lich, dass der Strompfad dort hindurch an einem darin be findlichen Punkt unterbrochen wird, um den Stromfluss zu sperren, und dass sich im Ergebnis einer solchen Strom- flussunterbrechung mindestens die genannten Pfade des Halbleitermaterials rasch abkühlen und den im hohen Grade gestörten, amorphen Zustand annehmen. Minde- stens die genannten Pfade des Halbleitermaterials können auch durch äussere Unterbrechung oder rasche Abnahme des hohen Stromes durch sie hindurch, wie durch Öffnen des Schalters 30 rasch abgekühlt werden.
Das Umschalten zwischen den Leit- und Sperrzuständen ist reversibel und kann über eine lange Zeit beliebig oft wiederholt werden.
Die Strom-Spannungs-Charakteristika der speichern den Schaltvorrichtungen sind reversibel und unabhängig davon, ob Gleich- oder Wechselstrom benützt wird, um die Strom-Spannungs-Diagramme der Fig. 3 zu durchfah ren.
Die Art, in der die speichernde Schaltvorrichtung im Verbraucherstromkreis 10 der Fig. 1 und 2 betrieben wird, wenn diese durch eine an die Klemmen 11 und 12 ange legte Wechselspannung gespeist ist, wird durch das Strom- Spannungs-Diagramm der Fig. 4 und durch das Strom-Zeit- Diagramm der Fig. 5 dargestellt. Wenn sich die Schaltvor richtung 14 bzw. 19 in ihrem Sperrzustand befindet und die angelegte Wechselspannung kleiner ist als der Schwel- lenspannungsdurchschlagswert der Vorrichtung, verbleibt die Vorrichtung in ihrem Sperrzustand, wie dies mit der Linie 35 im linken Teil der Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
Wenn dagegen die angelegte Wechselspannung minde stens dem Spannungsschwellenwert der Vorrichtung ent spricht, schaltet die Vorrichtung im wesentlichen unver züglich in ihren Leitzustand um, wie dies mit der Linie 37 im rechten Teil der Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Die spei chernde Schaltvorrichtung hat ein Gedächtnis ihres Leit- zustandes, d. h. sie speichert diesen Zustand und verbleibt in diesem Leitzustand auch dann, wenn sich die angelegte Spannung unter den Schwellenspannungswert der Vorrich tung vermindert oder völlig abgeschaltet wird.
Wenn die angelegte Wechselspannung kleiner als der Schwellenspannungswert der Vorrichtung ist und der Schalter 30 in Fig. 1 und 2 geschlossen wird, damit ein hoher Strom durch den niedrigen Widerstand 31 an die Steuerelektroden 17 und 18 (Fig. 1) und 17 und 15 (Fig. 2) fliesst, wird die Vorrichtung im wesentlichen unverzüglich von ihrem Leitzustand in ihren Sperrzustand umgestellt, wie dies im linken Teil der Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
Der Schwellenspannungswert der Schaltvorrichtungen 14 und 19 ist, obgleich er durch den Aufbau, die Materia lien, die Abmessungen und Konfigurationen der Vorrich tungen vorbestimmbar ist, auch abhängig von dem effekti ven Abstand zwischen den Lastelektroden 15 und 16 der Vorrichtung, von der Stromdichte und der Stärke des Fel des in der Nähe mindestens einer der Lastelektroden und/ oder von der Temperatur in der näheren Umgebung mindestens einer der Lastelektroden. Eine oder mehrere dieser Bedingungen, die die Schwellenspannungswerte der Schaltvorrichtungen beeinflussen, werden durch die Steuerelektroden 17 und 18 bzw. 17 und 15 gesteuert, die deshalb in den Steuerkreisen 25 zum Umschalten der Vor richtungen aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand angeordnet sind.
Zur Erläuterung wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der sich die Vierelektrodenvorrichtung 14 im Ver braucherstromkreis 10 befindet, und es wird angenommen, dass die Vorrichtung einen Schwellenspannungs-Normal- wert von 110 Volt aufweist und dass die durch die Span nungsquelle VA an die Lastelektroden 15 und 16 angelegte Spannung kleiner ist als der genannte Schwellenspan- nungs-Normalwert und dass diese angelegte Spannung 100 Volt beträgt.
Die Vorrichtung 14 befindet sich in ihrem Sperrzustand und das durch die gestrichelten Li nien 32 angedeutete elektrische Feld, das von der angeleg ten Spannung erzeugt wird, ist im wesentlichen gleichmäs- sig im Halbleitermaterial verteilt und zwischen den Last- elektroden 15 und 16 im wesentlichen konstant. Der Wider stand des Halbleitermaterials zwischen den Lastelektro den kann durch die angelegte Spannung nicht ausreichend vermindert werden, um einen Durchschlag des Materials zwischen diesen Elektroden zu erreichen.
Wenn der Schal ter 28 im Steuerkreis 25 geschlossen ist, wird die Span nung der Steuerspannungsquelle Vc über den hohen Widerstand 29 an die Steuerelektroden 17 und 18 ange legt, wodurch ein durch die gestrichelten Linien 33 ange deutetes elektrisches Feld zwischen den Steuerelektroden erzeugt wird, welches Feld den Widerstand des Strompfa des zwischen den Steuerelektroden in der Weise vermin dert, wie dies oben in Verbindung mit dem Strompfad zwi schen den Lastelektroden beschrieben ist. Die an die Steuerelektroden angelegte Steuerspannung kann gerin ger oder grösser als ein Durchschlagswert sein, um eine grosse Verminderung des Widerstandes zwischen den Steuerelektroden zu erreichen.
In jedem Fall wird der Widerstand eines Abschnittes des Halbleitermaterials zwischen den Lastelektroden we sentlich vermindert und an denjenigen Stellen, wo sich die gestrichelten Linien 32 und 33 überlappen, eine Quelle von Ladungsträgern geschaffen, wodurch der effektive Widerstand des Halbleitermaterials zwischen den Last elektroden 15 und 16 mit dem Ergebnis vermindert wird, dass der Durchschlagsspannungswert der Vorrichtung zwi schen den Lastelektroden 15 und 16 von seinem 110-Volt- Normalwert auf einen Wert unter den 100-Volt-Wert der durch die Lastspannungsquelle VA angelegten Spannung gesenkt wird.
Diese Verminderung des Schwellenspan- nungs-Normalwertes der Vorrichtung bewirkt, dass die Vorrichtung aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand gelangt.
Zur weiteren Erläuterung wird auch auf die Fig. 2 Bezug genommen, in der die Dreielektrodenvorrichtung 19 in den Verbraucherstromkreis 10 eingeschlossen ist, und es wird ebenfalls angenommen, dass diese Vorrich tung einen Schwellenspannungs-Normalwert von 110 Volt hat und dass die an die Lastelektroden 15 und 16 ange legte Spannung 100 Volt beträgt. Somit befindet sich die Schaltvorrichtung 19 ebenfalls in ihrem Sperrzustand und das durch die angelegte Spannung der Spannungsquelle VA erzeugte, durch die gestrichelten Linien 32 dargestellte elektrische Feld ist zwischen den Lastelektroden 15 und 16 im wesentlichen gleichmässig verteilt und im wesentli chen konstant.
Wenn der Schalter 28 im Steuerkreis 25 ge schlossen ist, wird durch die Steuerspannungsquelle Vc über den hohen Widerstand 29 eine Spannung an die Elek troden 17 und 15 angelegt und diese erzeugt ein durch die gestrichelten Linien 33 angedeutetes elektrisches Feld zwi schen den Elektroden 17 und 15, welches Feld den Wider stand des Strompfades zwischen diesen Elektroden in der Weise vermindert, wie dies oben in Verbindung mit dem Strompfad zwischen den Lastelektroden beschrieben wurde. Hierbei kann die Steuerspannung ebenfalls gerin ger oder grösser als der Durchschlagswert sein, um eine grosse Verminderung des Widerstandes zwischen diesen Elektroden 17 und 15 zu bewirken.
Hierbei wird wiederum, wie oben schon beschrieben, der Widerstand eines Teiles des Halbleitermaterials zwi schen den Lastelektroden 15 und 16 wesentlich vermin dert und eine Ladungsträgerquelle im Bereich, wo sich die gestrichelten Linien 32 und 33 überlappen, geschaffen und deshalb der hohe Widerstand zwischen den Lastelektro den mit dem Ergebnis vermindert, dass die Schwellen spannung der Schaltvorrichtung von ihrem 110-Volt-Nor- malwert auf einen Wert unter dem Wert der angelegten Spannung gesenkt wird, um zu bewirken, dass die Vorrich- tung aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand über geht.
Ausserdem vermag das durch den Steuerkreis er zeugte elektrische Feld an der Stelle, an der es das vom Verbraucherstromkreis erzeugte elektrische Feld überla gert, das der Elektrode 15 benachbarte Halbleitermaterial erhitzen, um die Einleitung des thermischen Durchschla ges des Halbleitermaterials zwischen den Lastelektroden 15 und 16 einzuleiten oder zu unterstützen, und kann die Stromdichte oder die Feldstärke in der Nähe der Elek trode 15 vergrössern, um die Einleitung des elektrischen Durchschlags des Halbleitermaterials zwischen den Last elektroden 15 und 16 einzuleiten oder zu unterstützen, damit der Schwellenspannungs-Normalwert der Vorrich tung von 110 Volt auf einen Wert unter dem Wert der an gelegten Spannung abgesenkt und deshalb die Vorrich tung aus ihrem Sperrzustand in ihren Leitzustand umge schaltet wird.
Sind die Vierelektrodenvorrichtung 14 von Fig. 1 oder die Dreielektrodenvorrichtung 19 von Fig. 2 Speichervor richtungen, verbleiben sie in ihrem Leitzustand und wei sen demnach ein Gedächtnis auf. Sie verbleiben im Leit- zustand, auch wenn der Schalter 28 im Steuerkreis 25 ge öffnet wird, und die an den Lastkreis angelegte Spannung der Spannungsquelle VA wesentlich vermindert oder ganz abgeschaltet ist. Um solche Speichervorrichtungen in den Sperrzustand zurück zu setzen, auch wenn die an den Last elektroden 15 und 16 angelegte Spannung die zuvor er wähnte Spannung von 100 Volt aufweist, wird der Schal ter 28 im Steuerkreis 25 geöffnet, um eine Verminderung des Schwellenspannungswertes der Vorrichtung unter deren Schwellenspannungs-Normalwert von 110 Volt zu verhindern.
Der Schalter 30 in jenem Zweig des Steuer kreises 25 wird betätigt, um einen starken Stromimpuls über die Steuerelektroden 17 und 18 bzw. 17 und 15 und durch das Halbleitermaterial zu führen, damit der Wider stand mindestens einzelner Abschnitte der Strompfade 32 aus ihrem kristallinartigen leitenden Zustand in ihren amorphartigen sperrenden Zustand, wie oben beschrieben, übergehen. Die Speichervorrichtungen können danach wieder in ihren Leitzustand verbracht werden, indem min destens momentan der Schalter 28 im Steuerkreis 25 ge schlossen wird.
Wie oben angeführt, können die Spannungsquellen VA und Vc Gleichspannungs-, pulsierende Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquellen sein, die vom speziellen Betrieb und von der gewünschten Steuerung abhängen. Die Steuerkreise 25 zum Umschalten der Vorrichtungen aus ihren Sperrzuständen in ihre Leitzustände sind vor zugsweise hochohmig, um die Steuerkreise 25 von den Verbraucherstromkreisen 10 zu trennen und mögliche Kurzschlüsse im Verbraucherstromkreis 10 zu verhindern, wie dies insbesondere in der Fig. 2 dargestellt ist. Dies ist einer der Gründe für die Verwendung des hohen Wider standes 29 in den Anordnungen gemäss den Fig. 1 und 2.
Statt der Verwendung eines solchen hohen Widerstandes 29 können die Steuerelektroden 17 und/oder 18 ihrerseits aus Materialien, die einen hohen Widerstand aufweisen, z. B. aus Tantaloxid, hergestellt sein. Eine derartige Anord nung ist besonders vorteilhaft, wenn gedruckte Schaltun gen oder integrierte Stromkreise, in denen der hohe Widerstand in die Schaltvorrichtungen selbst eingebaut ist, verwendet werden.
Die Dreielektroden- und Vierelektroden-Schaltvorrich- tungen 19 und 14 können eine grosse Vielfalt von Formen aufweisen. Verschieden Formen der Dreielektrodenvor- richtung 19 sind beispielsweise in Fig. 6 bis 11 und ver schiedene Formen der Vierelektrodenvorrichtungen in Fig. 12 bis 14 dargestellt. Alle diese Vorrichtungen arbei- ten in der Weise, die oben in Verbindung mit den Vorrich tungen nach den Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Bei der in der Fig. 6 dargestellten Vorrichtung ist die Schaltvorrich tung 19 die Steuerelektrode 17 auf derselben Seite wie die Lastelektrode 16 angeordnet.
Bei der Vorrichtung gemäss der Fig. 7 sind die Lastelektroden 15 und 16 auf der glei chen Seite der Vorrichtung angeordnet. Gemäss der Fig. 8 sind die Lastelektroden 15 und 16 und die Steuerelektrode 17 auf der gleichen Seite der Vorrichtung angeordnet. In den Fig. 9 und 10 ist eine zylindrische Schaltvorrichtung 19 mit den Lastelektroden 15 und 16 an entgegengesetz ten Stirnflächen dargestellt. Hierbei ist die Steuerelek trode 17 als ringförmige Elektrode rings um die Lastelek trode 16 ausgebildet, und das durch die ringförmige Steuerelektrode 17 erzeugte elektrische Feld, das durch die gestrichelten Linien 33 angedeutet ist, verläuft konisch und ist auf die Lastelektrode 15 gerichtet.
Gemäss der Ausführung nach der Fig. 11 sind die Last elektroden 15 und 16 an den Oberflächen eines Substra tes angeordnet und gegeneinander gerichtet und die Steuerelektrode 17 ist ebenfalls am Substrat angeordnet und gegen die Lastelektroden 15 und 16 gerichtet. Das Halbleitermaterial wird vom Substrat getragen und ist zwischen und in Kontakt mit den Elektroden<B>15,16</B> und 17 angeordnet; das durch die Lastelektroden erzeugte elektrische Feld erstreckt sich durch das Halbleitermate rial zwischen den Lastelektroden 15 und 16, und das durch die Lastelektrode 15 und die Steuerelektrode er zeugte elektrische Feld erstreckt sich zwischen den Elek troden 15 und 17.
Die Fig. 12 stellt eine Vierelektrodenvorrichtung 14 dar, die ähnlich wie die Dreielektrodenvorrichtung 19 nach der Fig. 11 ausgebildet ist. Diese Vierelektrodenvor richtung enthält die zusätzliche Steuerelektrode 18. Ge- mäss der Fig. 13 hat die Vierelektrodenvorrichtung 19 die Form eines Uhrenglases und die Steuerelektroden 17 und 18 sind an der Einschnürung der Vorrichtung angeordnet. Diese Konstruktion arbeitet derart, dass das den Steuer elektroden 17 und 18 benachbarte, durch die gestrichelte Linien 32 angedeutete elektrische Feld konzentriert wird. Die Vierelektrodenvorrichtung 14 nach der Fig.14 ent spricht jener der Fig. 13 mit dem Unterschied, dass Isolier schichten 40' zwischen das Halbleitermaterial und die Steuerelektroden 17 und 18 eingefügt sind.
Diese Isolier schichten 40' zwischen den Steuerelektroden und dem Halbleitermaterial isolieren den Steuerkreis gleichstrom- mässig vom Verbraucherstromkreis.
Fig. 15 bis 20 zeigen verschiedene Anordnungen des Steuerkreises 25, wie er an die Dreielektrodenvorrichtung 19 angelegt werden kann. Gleichartige Steuerkreisanord nungen sind bei den Vierelektrodenvorrichtungen an wendbar; die Unterschiede zwischen solchen Kreisen ent sprechen den Unterschieden zwischen den Steuerkreisen gemäss den Fig. 1 und 2.
Nach der Fig. 15 weist der Steuerkreis 25 ein ver änderbares Widerstandselement 41' zur Regelung der an die Steuerelektrode 17 angelegten Steuerspannung auf, um den Schwellenspannungswert der Vorrichtung 19 zu verändern. In diesem Zusammenhang bewirkt eine Ver minderung des veränderbaren Widerstandes 41' eine Ver minderung des Schwellenspannungswertes der Vorrich tung 19. Der veränderbare Widerstand 41' kann mecha nisch einstellbar sein oder er kann sich in Abhängigkeit von verschiedenen, ihn beeinflussenden Bedingungen ver ändern. Im letztgenannten Fall würde das veränderbare Widerstandselement 41' einen zustandsabhängigen Wider standskoeffizienten aufweisen. Der zustandsabhängige Widerstandskoeffizient kann negativ oder positiv sein.
Ist der Koeffizient negativ, dann vermindert sich der Wider stand des veränderbaren Widerstandselementes 41', wenn sich der Wert der Zustandsgrösse erhöht; ist der zustands abhängige Widerstandskoeffizient positiv, dann nimmt der Widerstand des veränderbaren Widerstandselementes zu, wenn der Wert der Zustandsgrösse abnimmt. Das ver änderbare Widerstandselement 41' kann auf verschiedene, dieses beeinflussende Zustandsgrössen ansprechen, bei spielsweise auf Feuchtigkeit, wenn es einen feuchtigkeits abhängigen Widerstandskoeffizienten aufweist, auf Druck, wenn es einen druckabhängigen Widerstandskoeffizienten aufweist, auf Licht, wenn es einen lichtabhängigen Wider standskoeffizienten aufweist, oder auf Temperaturunter schiede, wenn es einen temperaturabhängigen Wider standskoeffizienten aufweist.
Die Ausführung gemäss der Fig. 16 entspricht derjeni gen nach der Fig. 15 mit dem Unterschied, dass die Steuerelektrode, die hier mit 42 bezeichnet ist, aus einem einen hohen Widerstand aufweisenden Material besteht, das einen zustandsabhängigen Koeffizienten zur Steue rung des Schwellenspannungswertes der Vorrichtung 19 in Obereinstimmung mit dem Wert der die Steuerelek trode 42 beeinflussenden Zustandsgrösse aufweist. Mit an deren Worten ist das variable Widerstandselement 41' der Fig. 15 in die Steuerelektrode 42 eingebettet. Die Ausbil dung gemäss der Fig. 16 ist besonders vorteilhaft bei ge druckten Schaltungen oder integrierten Stromkreisen, bei denen die zustandsabhängige Steuerelektrode 42 ein inte grierter Bestandteil der Schaltvorrichtung 19 ist.
Die Steuerelektrode 42 soll einen hohen Widerstand aufweisen und Materialien enthalten, die auf die Zustands- grösse ansprechen, die diese beeinflusst, damit eine erheb liche Widerstandsänderung der Steuerelektrode in Abhän gigkeit von Änderungen der Zustandsgrösse erfolgt.
Wenn die Steuerelektrode 42 auf Feuchtigkeit anspricht, sollte sie im wesentlichen feuchtigkeitsabhängige Wider standsmaterialien enthalten. Solche feuchtigkeitsabhän gige Widerstandsmaterialien sollten höchstens ein wenig wasserlöslich sein, insbesondere eine Löslichkeit unter 15 Teilen pro 100 Teile kalten Wassers oder noch besser eine Löslichkeit unter 8 Teilen pro 100 Teile kalten Was sers aufweisen. Solche Materialien sind beispielsweise Li thiumverbindungen, wie Lithiumcarbonat, Lithiumhydro- xid, Lithiumorthosilikat, Lithiumsulfat, Lithiummetasilikat, Lithiummetaborat, Lithiumfluorid, Lithiumorthophosphat und Mischungen von irgendwelchen zwei oder mehr die ser Verbindungen. Diese Materialien weisen einen grossen negativen, feuchtigkeitsabhängigen Widerstandskoeffizien ten auf.
Wenn der Widerstand der Steuerelektrode 42 vom darauf ausgeübten Druck abhängig ist, kann sie relativ ela stisch oder flexibel ausgebildet sein und z. B. Kohlenstoff partikeln enthalten, so dass dann, wenn der auf die Elek trode 42 ausgeübte Druck sich vergrössert, die Kohlen stoffteilchen zusammengedrängt bzw. kompaktiert wer den, um den Widerstand der Steuerelektrode 42 zu ver mindern. Solche Elektroden weisen daher einen negativen, druckabhängigen Widerstandskoeffizienten auf.
Wenn die Steuerelektrode 42 auf Licht anspricht, kann sie Zusammensetzungen aufweisen, die Verbindungen von Elementen der Klassen 1I und VI des periodischen Sy stems, beispielsweise Kadmiumsulfid, Bleiselenid, Bleisul fid, Zinktellurid, Silbertellurid, Zinkselenid oder Kadmium- selenid, sind. Derartige Materialien weisen einen negati ven, lichtabhängigen Widerstandskoeffizienten auf.
Wenn die Steuerelektrode 42 auf Temperaturänderun gen ansprechen soll, kann sie Zusammensetzungen enthal ten, die aus den Gruppen<B>11</B> und VI des periodischen Sy- stems genommen sind: solche Zusammensetzungen wei sen einen negativen, temperaturabhängigen Widerstands koeffizienten auf. Wenn demgemäss die die Steuerelek trode 42 beeinflussende Temperatur zunimmt, vermindert sich der Widerstand der Steuerelektrode erheblich. Die Steuerelektrode 42 kann auch Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweisen, um den Widerstand der Steuerelektrode bei Abnahme der diese beeinflussen den Temperatur zu vermindern. Derartige Materialien können beispielsweise Bariumtitanat enthalten.
Die Fig. 17 stellt eine Schaltungsanordnung ähnlich jener gemäss der Fig. 2 dar, bei der jedoch der Steuer kreis 25 einen Kondensator 43 zur Gleichstromisolierung des Steuerkreises 25 gegenüber dem Verbraucherstrom kreis 10 enthält. Die Anordnung der Fig. 18 entspricht der jenigen der Fig. 17; anstatt der Verwendung des zusätzli chen Kondensators 43 ist eine Isolierschicht 41a zwischen die Steuerelektrode 17 und das Halbleitermaterial der Vorrichtung eingefügt. Diese Isolierschicht 41a bildet einen Kondensatorbelag zwischen den Elektroden 17 und dem Halbleitermaterial und hat die gleichen Aufgaben wie der Kondensator 43 in der Fig. 17. Diese Isolier schicht 41a dient zur Gleichstromisolierung des Steuer kreises 25 gegenüber dem Verbraucherstromkreis 10.
Gemäss der Fig. 19 ist eine Diode 44 in den Steuer kreis 25 eingeschaltet, so dass die Steuerspannung nur in einer Richtung an die Steuerelektroden 17 angelegt wer den kann. Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 20 ist eine gleichrichtende Verbindung 45 zwischen die Steuerelektrode 17 und das Halbleitermaterial 19 einge fügt; diese Gleichrichterverbindung 45 hat den gleichen Gleichrichtereffekt wie die zusätzliche Diode 44. Die An ordnungen gemäss den Fig. 18 und 20, die die Isolier schicht 41a bzw. die Gleichrichterverbindung 45 aufwei sen, sind besonders vorteilhaft in Verbindung mit gedruck ten Schaltungen oder integrierten Stromkreisen, da die Isolierschicht 41a und die Gleichrichterverbindung 45 in die Schaltvorrichtungen integriert werden können.