Brevet FR2006066A1 — publié le 19691219

la présente invention concerne un dispositif de commande de courant électrique perfectionné destiné à des fonctions de commande ou de commutation comme le dispositif de commande de courant électrique que l'on a déjà décrit dans le brevet américain 5 Ho. 3 271 591 - Sous ce rapport, on utilise dans l'invention une matière semi-conductrice différente composée essentiellement de silicium et de carbone. l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. 10 la fig. 1 est une représentation schématique du dispositif de commande de courant électrique conforme à l'invention monté en série dans un circuit de charge. la fig. 2 est une courbe tension-intensité montrant le fonctionnement du dispositif de commande de courant de l'invention 15 dans un circuit de charge à courant continu. les fig. 3 et 4 sont des courbes tension-intensité représentant le fonctionnement du dispositif de commande de courant lorsqu'il est introduit dans un circuit de charge à courant alternatif . 20 A la fig. 1, le dispositif de commande de courant électrique de l'invention est désigné, dans son ensemble, par 10. Il comporte une matière semi-conductrice 11 du type à conduetivité et qui est de grande résistance électrique, ainsi que deux électrodes 12 et 13 en contact avec la matière semi-conductrice 11 et 25 ayant une faible résistance électrique de transition avec elle, les électrodes 12 et' 13 du dispositif 10 de commande de courant électrique relient celui-ci en série dans un circuit de charge électrique ayant une charge 14 et deux bornes 15 et 16 pour y appliquer de l'énergie, l'énergie fournie peut être une tension 30 de courant continu ou de courant alternatif comme cela est désiré. la fig. 2 est une courbe tension-intensité montrant le fonctionnement du dispositif 10 de commande du courant électrique avec du courant continu, le dispositif est normalement dans sa 35 condition de résistance élevée et la tension de courant continu est appliquée aux bornes 15 et 16 et s'accroît, les caractéristiques de la tension du dispositif étant illustrées par la courbe 20, la résistance électrique du dispositif étant élevée et bloquant essentiellement le passage de courant à travers elle. 11131 69 11131 2 2006066 Lorsque la tension est accrue à une valeur de tension de seuil, la résistance électrique élevée dans la matière semi-conductrice décroît essentiellement instantanément dans au moins un trajet entre les électrodes 12 et 13 en une résistance électrique fai-5 ble, la commutation essentiellement instantanée étant indiquée par la courbe 21 . Ceci fournit une résistance électrique faible où condition de conduction pour le transport de courant à travers elle. La résistance électrique faible est, en ce qui concerne sa valeur, inférieure à la résistance électrique élevée. 10 La condition de conduction est représentée par la courbe 22 et il y a lieu de remarquer qu'il existe une certaine déviation depuis la caractéristique essentiellement linéaire courant-tension et une certaine déviation depuis la caractéristique de tension essentiellement constante, les caractéristiques étant les mêmes 15 pour augmenter et diminuer le courant. En d'autres termes, le courant électrique est conduit à une valeur de la tension qui est presque essentiellement constante. A mesure que la tension s'abaisse, le courant diminue dans le conducteur 22 et lorsqu'il décroît en-dessous d'une valeur 20 de maintien du courant minimale, la faible résistance électrique dans au moins un trajet retourne immédiatement à la résistance électrique élevée comme l'indiquent les courbes 23 et 23' pour rétablir la condition de blocage à résistance élevée. Avec un fonctionnement en courant continu, la commutation depuis la con-25 dition de conduction à faible résistance vers la condition de blocage à résistance élevée apparaît lé long de la courbe 23' et quelquefois en liaison avec le fonctionement en courant alternatif, la commutation apparaît le long de la courbe en traits pleins 23» Toutefois, dans les deux cas, la résistance électri-30 que faible retourne immédiatemént à la résistance élevée lorsque le courant tombe en-dessous de la valeur de maintien du courant minimale. Le dispositif 10 de commande du courant électrique de l'invention a un fonctionnement symétrique, son courant de blocage 35 et son courant de conduction sont essentiellement égaux dans chaque direction, la commutation entre les conditions de blocage et de conduction étant extrêmement rapide. Bans le cas du fonctionnement avec du courant alternatif, les caractéristiques du courant pour le deuxième demi-cycle du courant alternatif seraient BAD ORIGINAL 11131 3 2006066 dans le quadrant opposé à celui illustré à la fig. 2. Le fonctionnement en courant alternatif du dispositif est illustré aux fig. 3 et 4. La fig. 3.représente le dispositif 10 dans sa condition de blocage où la tension de pointe du courant alternatif 5 est inférieure à la valeur de tension de seuil du dispositif, la condition de blocage étant représentée par la courbe 20 dans les deux demi-cycles. Toutefois, lorsque la tension de pointe du courant alternatif appliqué augmente au-dessus de la valeur de tension de seuil du dispositif, le dispositif est essentielle-10 ment commuté instantanément le long des courbes 21 vers la condition de conduction illustrée, j^ lee courbes 22, le di*p9^$i£. commutant pendant chaque demi-cycle de la tension de courant alternatif appliquée. Lorsque la tension de courant alternatif appliqué s'approche de zéro de façon que le courant à travers le 15 dispositif tombe en-dessous de la valeur de maintien de courant minimale le dispositif est commuté le ;long de la courbe 23 ou 23' depuis la condition à faible résistance électrique vers la condition à résistance électrique élevée, ceci étant illustré par la courbe 20, cette commutation se produisant près de la fin 20 de chaque demi-cycle. Pour une configuration donnée du dispositif 10, la résistance électrique élevée peut avoir une valeur d!environ 100 mé-gohm et la résistance électrique faible peut avoir une valeur d'environ 100 ohm, la valeur de tension de seuil pouvant être 25 d'environ 60 volts et la chute de tension aux bornes du dispositif dans la condition de conduction pouvant être inférieure à 40 volts, les temps de commutation pouvant avoir une valeur exprimée en nanosecondes ou même une valeur inférieure. La matière semi-conductrice 11 qui permet les opérations de 30 commutation mentionnées ci-dessus est constituée essentiellement de silicium et de carbone. La teneur en silicium doit être au moins égale à la teneur en carbone, il peut s'agir, par exemple, d'une gamme exprimée en c/o atomique d'environ 50 à 66,66 ou plus de silicium et d'environ 50 à 33,33 f° au moins de carbone. 35 Les exemples typiques de matière semi-conductrice à base de carbone et de silicium conforme à l'invention sont représentés par la carbone de silicium (SiC) et le di-siliciure de carbone (CSig). Dans la préparation des matières semi-conductrices de l'invention, des quantités appropriées de matières sous la forme de !8AD ORIGINAL 69 11131 4 2006066 fines particules peuvent être mélangées et chauffées dans un four à arc ou par un faisceau d'électrons à des températures élevées au voisinage d'environ 2 000° C pour former une masse fondue de matière qui est ensuite refroidie à 1a. température ambi-5 ante. Des parties ou des couches ayant des dimensions désirées peuvent ensuite être séparées de cette masse et interposées entre des électrodes pour former le dispositif de commande de courant électrique de l'invention. A titre de variante, la masse fondue peut être soumise à 10 des opérations de projection ou à faisceaus électroniques pour déposer des pellicules ou des couches de matière semi-conductrice sur des substrats appropriés pour former le dispositif de commande de courant électrique conforme à l'invention ayant des électrodes en contact avec la matière semi-conductrice. L'opé-15 ration de formation de la masse fondue de la matière semi-conductrice peut être éliminée et le mélange des éléments appropriés peut être directement projeté ou déposé sous vide suivant des couches ou des pellicules sur des substrats appropriés. Lorsque la matière semi-conductrice est ainsi projetée ou déposée sur le 20 substrat, on suppose qu'elle est déposée dans un état amorphe. Suivant une autre variante, la masse fondue peut être transformée en une poudre à particules fines qui peut être placée entre les électrodes ou qui peut être comprimée en pastilles et placée entre les électrodes ou incorporée dans une peinture con-25 venable et appliquée comme couches ou pellicules aux électrodes pour former le dispositif de commande de courant électrique de l'invention afin d'obtenir la commutation mentionnée plus haut. Etant donné que le silicium est un élément qui est capable de former des structures polymères, on suppose que le silicium 30 en liaison avec le carbone forme une matière semi-conductrice ayant une structure polymère qui est tant sous une forme cristalline que sous une forme amorphe. On suppose également que lorsque les rapports de silicium et de carbone sont modifiés par rapport à leurs proportions stoechiométriques, la matière semi-35 conductrice a une structure amorphe. Les éléctrodes 12 et 13 peuvent être formées de toute matière appropriée conduisant le courant électrique, de préférence de matières ayant des points de fusion élevés, qui ne réagit pas défavorablement avec la matière semi-conductrice 11, il peut BAD ORIGINAL 11131 5 2006066 s'agir de tantale, de graphite, de niobium, de tungstène, de molybdène ou d'un composé analogue. Les électrodes sont habituellement relativement inertes par rapport à la matière semi-conductrice mentionnée ci-dessus. 5 On suppose que la coupure par la tension appliquée impli quée dans la commutation depuis la résistance électrique élevée vers la résistance électrique faible est essentiellement une coupure électrique et que le procédé de conduction dans la condition de résistance électrique faible est une conduction élec-10 tronique. L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation représentée et décrite en détail car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 69 11131 6 2006066 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de commande de courant électrique destiné à un dispositif de couplage, caractérisé en ce qu'il comporte une matière semi-conductrice et des électrodes en contact avec elle, 5 la matière semi-conductrice ayant une résistance- électrique élevée pour créer une condition de "blocage afin d'arrêter essentiellement le courant à travers elle, la résistance électrique élevée en réaction a une tension au-dessus de la valeur de tension de seuil diminuant essentiellement instantanément dans au moins 10 un trajet entre les électrodes en une résistance électrique faible qui, en ce qui concerne sa valeur, est inférieure à la ré-*sistance électrique élevée afin de fournir une condition de conduction pour le passage du courant à travers elle, la aatière semi-conductrice dans la condition de conduction à .résistance 15 électrique faible présentant une chute de tension qui est une fraction de la chute de tension dans la condition de blocage à résistance électrique élevée près de la valeur de tension de seuil, la matière semi-conductrice étant essentiellement composée de silicium et de jcarbone. 20 2 - Dispositif de commande de courant électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la gamme exprimée en i» atomique du silicium est d'au moins environ 50 $ de silicium et en ce que la gamme du carbone va jusqu'à environ 50 3 - Dispositif de commande de courant électrique suivant 25 l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la résistance électrique faible dans au moins un trajet de la matière semi-conductrice dans la condition de conduction retourne immédiatement à 1a. résistance électrique élevée en réaction à une diminution de courant en-dessous d'une valeur de maintien de 30 courant minimale qui rétablit la condition de blocage. 4 - Dispositif destiné à la commande de courant électrique, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la condition de blocage à résistance électrique élevée est diminuée vers la condition de conduction à faible résistance électrique 35 pendant chaque demi-cycle sensible à la tension instantanée de courant alternatif au-dessus d'une valeur de tension de seuil, la condition de conduction à résistance électrique faible étant ramenée à la condition de blocage à résistance électrique élevée 11131 7 2006066 pendant chaque demi-cycle sensible au courant instantané d'une tension alternative au-dessous d'une valeur de maintien de courant minimale.