Brevet FR2006064A1 — publié le 19691219

h?, présente invention concerne un dispositif perfectionné pour la commande de courant électrique destiné à des fonctions de commande ou de commutation comme le dispositif de commande de courant électrique déjà décrit dans le brevet américain Ho. 5 3 271 591. On utilise suivant l'invention une matière semi-conductrice différente composée essentiellement de "bore et d'un ou plusieurs des corps tels que : le carbone, le silicium, le titane, le germanium, le zircônium ou l'hafnium. On obtient des résultats particulièrement satisfaisants lorsque l'on emploie le 10 silicium et/ou le carbone avec du bore. L'invention est représentée, à titre d'exemple non limita-» tif, au dessin annexé. La fig» 1 est line représentation schématique du dispositif de commande de courant électrique de l'invention monïé en série 15 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 dans un circuit de chargé à courant continu. Les fig. 3 et 4 sont des courbes tension-intensité repré» 20 sentant le fonctionnement du dispositif de commande de courant lorsqu'il est introduit dans un circuit de charge à courant alternatif. A la fig. 1, le dispositif de commande de courant électrique de l'invention est désigné, dans son ensemble, par 10. Il 25 comporte une matière semi-conductrice 11 du type à conductivité et qui est de grande résistance électrique, ainsi que deux électrodes 12 et 13 en contact avec la matière semi-conductrice 11 et ayant une faible résistance électrique de transition avec elle. Les électrodes 12 et 13 du dispositif 10 de commande de 30 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 de courant continu ou de courant alternatif comme cela est désiré. 35 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 condition de résistance élevée et la tension de courant continu est appliquée aux bornes 15 et 16 et s'accroît, les carac- .11129 2 2006064 téristiquea 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. Lorsque la tension est accrue à une valeur de tension de seuil, 5 la résistance électrique élevée dans la matière semi-conductrice décroît à peu près instantanément dans au moins un trajet entre les électrodes 12 et 15 en une résistance électrique 'faibles la commutation essentiellement instantanée étant indiquée par la courbe 21 » Ceci fournit une résistance électrique faible ou 10 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. La condition de conduction est représentée par la courbe 22 et il y a lieu de remarquer qu'il existe une petite déviation depuis la 15 caractéristique essentiellement linéaire courant-tension et une petite déviation depuis la caractéristique de tension essentiellement constante, les caractéristiques étant l'es mêmes pour augmenter et diminuer le courant. En d'autres termes9 le courant électrique est conduit à line valeur de la tension qui- eat prss-20 que essentiellement- constante. Bans la condition de conduction du courant à faible résistance, la.matière semi-conductrice a une chute de tension qui est une fraction mineure de la chute de tension dans la condition de blocage à résistance élevée près de la va-leur de tension de seuil. 25 A mesure que la tension s'abaisse, le courant diminue dans le conducteur 22 et lorsqu* il décroît en-dessous d'une valeur de maintien du courant mini'mal, l'a faible résistance électrique dans au moins un trajet retourne'immédiatement à la résistance électrique élevée comme l'indiquent les courbes 23 et 23' pour 5G rétablir la condition de blocage à résistance élevée. Avec un fonctionnement en courant continu, la commutation depuis la condition ue conduction- à faible" résistance vers la condition de blocage à résistance élevée apparaît le long de la courbe 23' et quelquefois en liaison avec le fcnetiarmement en courant alter-35 natif, la commutation apparaît -le long de la courbe en traits pleins 23. Toutefois, dans les deux cas, la résistance électri-- que faible retourne immédiatement à la résistance élevée lorsque le courant tombe en-dessous de la -valeur de maintien du courant minimal. BAD ORtGiNAL 69 11129 3 2006064 le dispositif 10 de commande du courant électrique de l'invention a un fonctionnement symétrique, son courant de blocage et son courant de conduction sont essentiellement égaux dans chaque direction, la commutation entre les conditions de blocage 5 et de conduction étant extrêmement rapide. Dans le cas du fonctionnement avec du courant alternatif, les caractéristiques du courant pour le deuxième demi-cycle du courant alternatif seraient dans le Quadrantopposé celui illustré à la fig. 2. Le fonctionnement en courant alternatif du dispositif est illustré aux 10 fig. 3 et 4. La fig. 3 représente le dispositif 10 dans sa condition de blocage où la tension de pointe du courant alternatif 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 15 courant alternatif appliquée augmente au-dessus de la valeur de tension de seuil du dispositif, le dispositif est essentiellement commuté instantanément le long des courbes 21 vers la condition de conduction illustrée par les courbes 22, le dispositif commutant pendant chaque demi-cycle de la tension de courant alterna-20 tif appliquée. Lorsque la tension de courant alternatif appliquée s'approche de zéro de façon que le courant à travers le dispositif tombe en-dessous de la valeur de maintien de courant minimal, le dispositif est commuté le long de la courbe 23 ou 23* depuis la condition à faible résistance électrique vers la con-25 dition à résistance électrique élevée, ceci étant illustré par la courbe 20, cette commutation se produisant près de la fin de ohaque demi-cycle. Pour une configuration donnée du dispositif 10, la résistance électrique élevée doit avoir une valeur d'environ 1 mégohm 30 et la résistance électrique faible doit avoir une valeur d'environ 10 ohm, la valeur de tension de seuil pouvant être d'environ 100 volts et la chute de tension aux bornes du dispositif dans la condition de conduction pouvant être inférieure à 25 volts, les temps de commutation pouvant avoir une valeur exprimée en 35 nanosecondes ou même une valeur inférieure. La matière semi-conductrice 11 qui permet les opérations de commutation mentionnées ci-dessus est constituée essentiellement de bore et d'un ou plusieurs des corps suivants, à savoir : le carbone, le silicium, le titane, le germanium, le zirconium r~ gAD OP--C.H-W- 69 11129 4 2006064 ou l'hafnium. On obtient des résultats particulièrement satisfaisants lorsque le silicium est utilisé avec du bore. La teneur en bore doit être élevée par rapport à la teneur en silicium, à titre.d'exemple, on mentionne une gamme exprimée en pour-5 centage atomique d'environ 75 à 86 $ ou plus de bore et d'envir-ron 25 à 14 $ ou moins de silicium. Des exemples typiques de matière eemi-conductrice à base de bore et de silicium sont représentés par le triborure de silicium (B^Si) et l'hexaborure de silicium (BgSi). 10 Lorsqu'on utilise du carbone, du titane, du germanium, du zirconium ou de l'hafnium avec le bore, on doit les employer suivant une gamme exprimée en $ atomique inférieure à 20 ^ pour permettre les opérations de commutation définies plus haut. Plusieurs de ces éléments peuvent être remplacés en partie par 15 d'autres, par exemple, pour donner une composition à base de bore-silicium-carbone ou des compositions analogues. Dans la préparation des matières semi-conductrices de l'invention, des quantités appropriées de matières sous la forme d« fines particules peuvent être mélangées et chauffées dans un 20 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 la température ambiante. Des parties ou des couches ayant des dimensions désirées peuvent ensuite être séparées de cette massé et interpo-25 sées 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 des opérations de projection ou à faisceaux électroniques pour déposer des pellicules ou des couches de matière, semi-conduc-30 trice sur des substrats appropriés pour former le dispositif de commande de courant électrique conforme à l'invention ayeint des électrodes en contact avec la matière semi-conductrice. L'opération de formation de la masse fondue de la matière semi-conductrice peut être éliminée et le mélange des éléments appro-35 priés 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 substrat, on suppose qu'elle est déposée dans un état amorphe. De même, lorsque les autres éléments qui sont ajoutés 69 1.1129 5 200606-4 au bore sont normalement incompatibles avec lui, mais sont néanmoins déposés avec-le bore, la matière semi-conductrice déposée depuis ces éléments est dans un état amorphe. Suivant une autre variante, la masse fondue peut-être trans-5 formée 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 convenable- et appliquée comme couches ou pellicules aux" électrodes pour former le dispositif de commande de courant électrique de 10 l'invention afin d'obtenir la commutation mentionnée plus haut. Etant donné que le bore est un élément qui est capable de former des structures polymères, on suppose que le bore en liaison avec les autres éléments associés avec lui forme une matière semi-conductrice ayant une structure polymère ^t le bore est 15 sous une forme cristalline ou amorphe. les électrodes 12 et 13 peuvent être formées de toute ma«i£-mappropriée conduisant le courant électrique§ de préférence de matière ayant des point de fusion élevés, qui ne réagissent pas « défavorablement avec la matière semi-conductrice 11'» il peut 20 s'agir de tantale, de graphite, de niobium, de tungstène, de molybdène ou d'un composé analogue. Ces électrodes"sont d'ordinaire relativement inertes par rapport à la matière semi-condue-trice mentionnée ci-dessus. On suppose que la coupure par la tension appliquée impliquée 25 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 à résistance électrique faible est un« conduction électronique. l'invention n'est pas limitée à la forte de réalisation re-30 présentée et décrite en détail car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre» bad original 69 11129 6 2006064 H E Y El I I C A M 0 ii S 1 - Dispositif .pour;la commande de courant électrique destiné à un dispositif de couplage, caractérisé en ce qu'il comporte une matière semi-conductrice de grande résistance électrique Ç. et des électrodes en contact avec elle, 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 saiil diminuant es» iO sentiellement instantanément dans au moins un trajet entre les électrodes en une résistance électrique faible qui, en ce qui concerne sa valeur, est inférieure à la résistance électrique élevée afin de fournir une condition de conduction pour le passage du courant à travers elle, la matière" semi-conductrice dans 15 la condition de conduction à résistance 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 bore, de carbone, LÛ de silicium, de titane, de germanium, de zirconium. ou d'hafnium. 2 - Dispositif pour la. commande de courant électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière eemi-conductrice est composée essentiellement de bore et de silicium» 3 » Dispositif pour la commande de courant électrique, sui-£5 vant l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que la matière semi-conductrice est essentiellement constituée de bore et de carbone. ' 4 - Dispositif pour la commande de courant électrique, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la 30 matière semi-conductrice est composée essentiellement de bore, de silicium et de carbone» 5 - Dispositif pour la commande de courant électrique, suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière semi—conductrice est essentiellement amorphe. 35 6 - Dispositif pour la commande de courant électrique, sui vant l'une des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que la résistance électrique faible dans au moins un trajet de la matière semi-conductrice dans la condition de conduction retourne im- BAD ORIGINAL 69 11129 7 2006064 médiatement à la résistance électrique élevée en réaction à une diminution de courant en dessous d'une valeur de maintien de courant minimale qui rétablit la condition de blocageo 7 - Dispositif pour la commande de courant électrique 5 destiné à un dispositif de couplage suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une matière semi-conductrice et des électrodes en contact avec elle, la matière semi-conductrice ayant une résistance électrique élevée pour créer une condition de blocage afin d'arrêter lO 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 un trajet entre les électrodes en une résistance électrique faible qui, en ce qui concerne sa valeur, l5 est inférieure à la résistance électrique élevée afin de fournir une condition de conduction pour le passage du courant à travers elle, la matière semi-conductrice dans la condition de conduction à résistance électrique faible présentant une chute de tension qui est une fraction de la 20 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 amorphe et étant composée de bore et d'un additif qui est normalement incompatible avec lui, mais qui est déposé dans le bore à l'état 25 amorphe* 8 - Dispositif pour la commande de courant électrique suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la condition de blocage à résistance électrique élevée est diminuée vers la condition de conduction à faible résistance 30 électrique 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 pendant chaque demi-cycle 35 sensible au courant instantané d'une tension alternative en dessous d'une valeur de maintien de courant minimale• BAD