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Elektrische Gedächtnisschaltung mit mindestens einem tiefgeätzten Transistor
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Kollektorzone bezeichnet, getrennt ist, wobei ausgehend von einer Begrenzungsoberfläche des neben dem Emitterkontakt liegenden Körpers ein nicht leitender Teil, z. B. ein Einschnitt, in die Basis eindringt.
Nach der obenangeftthrten Patentschrift wird durch den erwähnten nichtleitenden Teil der Stromweg zwischen dem Emitter und dem Basiskontakt dadurch stellenweise verengt, dass dieser Teil sich dem Kollektor bis auf einen Abstand nähert, der kleiner als der Mindestabstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor ist, das Ganze derart, dass ein negativer Differentialwiderstand in der Kennlinie auftritt, welche den Kollektorstrom als Funktion der Spannung in der Sperrichtung zwischen Kollektor und Basiskontakt bei konstanter Spannung in der Vorwärtsrichtung zwischen Emitter und Basiskontakt darstellt. Diese Halbleitervorrichtung wird im folgenden einfachheitshalber kurzweg tiefgextzter Transistor genannt.
Gedächtnisschaltungen mit als Gedlchtnlse1emente wirkenden Transistoren sind bekannt, z. B. aus den österr. Patentschriften Nr. 193637 und Nr. 193638, wobei die Basis eines gewöhnlichen Schichttransistors mit Hilfe einer Diode während der Spe1eherperiode von der übrigen Schaltung getrennt und somit auf schwebendem Potential gehalten wird. Durch zweckmässige Anwendung eines tiefgeatzten Transistors kann diese Diode unter Beibehaltung sehr guter Gedlchtniseigenschaften eingespart werden. Bei Wegfallen der Diode wird das Gedächtniselement einfacher und ermöglicht mannigfaltige Schaltungs- und Anwendungsmöglichkeiten.
In der elektrischen Gedächtnissehaltung nach der Erfindung wird, nach der oben angeführten Patent-
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an seiner Kollektorerschöpfungsschicht zeitweise ein solcher Spannungsunterschied auftritt bzw. aufrechterhalten wird, dass der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt wenigstens teilweise unterbrochen ist.
Die elektrische Gedachtnisschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorspeisespannung aus einem Steuerimpuls k besteht, dessen Amplitude grösser ist als die Kollektor-BasisAbklingspannung Vk des Transistors, so dass die wirksame Basiszone dieses Steuerimpulses schwebendes Potential aufweist.
Vorzugsweise folgt auf den Steuerimpuls ein Löschimpuls mit einer Amplitude kleiner als die Kollektor-Basis-Abklingspannung des Transistors, welcher Löschimpuls gegebenenfalls in der Basiszone vorhandene freie Ladungen verbraucht. Dabei können der Steuerimpuls und der Löschimpuls zu einem stufenförmigen oder sagezahnföonigen Impuls vereinigt sein.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, worin Fig. 1 einen Schnitt durch einen Transistor nach der Patentschrift Nr. 206937 zeigt, die Fig. 2-5 Kennlinien eines derartigen Transistors wiedergeben, Fig. 6 das Schaltschema einer eleku ; schen Gedächtnissclialtung nach der Erfindung ist und Fig. 7 - 9 einige Formen von zum Betrieb dieser Schaltung verwendbaren Spannungsimpulsen darstellen.
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1 im Schnitt dargestellten HalbIeitervOrtich -Emitter 4 und der Kollektor 5 sind die wirksamen Grenzschichten, welche die Emitterzone 2 bzw. die Kollektorzone 3 von der Basis 1 trennen. Auf der Emitterseite der Scheibe ist der Basiskontakt 6 angebracht, an dem eine Zuleitung 7 befestigt ist.
Kontakte mit der Emitterzone 2 und der Kollektorzone 3 werden von auflegierten Metallmengen 8 und 9 gebildet, an denen noch Zuleitungen befestigt werden können. Abgesehen vom Basiskontakt, ist der Transistor nach Fig. l kreissymmetrisch. Ausgehend von der Begrenzungsoberftäche des neben dem Emitterkontakt liegenden Transistorkörpers ist ein Einschnitt 10 vorgesehen, der ringförmig die Emitterzone 2 umgibt und den Stromweg vom Emitter 4zum Basiskontakt 6
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einem Transistor die Stelle, wo eine Grenzschicht an die Oberflache tritt, nachgeätzt wird. Diese Nut dringt weniger tief in den Transistorkörper ein als der Emitter und ist daher für etwaige Widerstandseffek- te bedeutungslos.
Der Basiskontakt 6 beansprucht einen Teil der BasisoberflSche, die ausserhalb der vom
Einschnitt : eingeschlossenen Körperoberflache liegt. Bei diesem Transistor nähert sich jede mögliche Ver- bindungslinie in der Basis vom Emitter zum Basiskontakt dem Kollektor 5 bis auf einen Abstand, der kleiner ist als der Mindestabstand zwischen dem Emitter 4 und dem Kollektor 5. Wenn der spezifische Widerstand der Basis gross ist gegenüber dem spezifischen Widerstand der Kollektorzone, so dringt die Erschöpfungsschicht im wesentlichen in die Basis ein.
Will man den Effekt erreichen, dass der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt bei einem bestimmten Spannungsunterschied an der Kollektorgrenzschicht unterbrochen wird, so muss der ganze Umfang des nichtleitenden Teiles in der Verengung 12 im Bereich der Erschöpfungsschicht liegen. Unter Verengung wird der am meisten verengte Teil des Stromweges in der Basis verstanden, der in Fig. l auch durch Pfeile angedeutet ist.
Fig. 2 zeigt schematisch eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwischen dem in beliebigen Einheiten senkrecht abgetragenen Kollektorstrom Ic und dem in beliebigen Einheiten waagrecht abgetragenen Spannungsunterschied in der Sperrichtung zwischen dem Kollektorkontakt und dem Basiskontakt Vbc. bei verschiedenen Werten des Spannungsunterschiedes Veb in der Vorwärtsrichtung zwischen dem Emitterkontakt und dem Basiskontakt. Der den Kennlinien 15. 16 und 17 entsprechende Wert von Veb nimmt in dieser Reihenfolge zu. Von Vbc = Vb bis Vbc = Va hat die Kennlinie grosse Ähnlichkeit mit derjenigen eines bisher üblichen Transistors.
Dieser Teil der Kennlinie ist nur gegenüber demjenigen eines üblichen Transistors nach links verschoben durch das Auftreten eines vom nichtleitenden 1ëi1her- beigeftihrten inneren Basiswiderstandes, wodurch bei Vbc = 0 an der Kollektorgrenzschicht bereits ein Spannungsunterschied in der Sperrichtung auftritt. Von Vbc = Vo bis Vbc = Vk wird ein Bereich von negativem Differentialwiderstand durchlaufen, In dem bei zunehmenden Vbc der Kollektorstrom abnimmt. In diesem Bereich ist die Zunahme des Basiswiderstandes und die damit verbundene Abnahme des Kollektorstromes vorherrschend gegenüber den andern Faktoren, welche den Kollektorstrom erhöhen, wie z. B. der Abnahme der Basisstärke.
Bei der Abklingspannung Vk ist der Stromweg vom Basiskontakt zur Emitterelektrode unterbrochen. Bei einem grösseren Kollektor-Basisspannungsunterschied als Vk durchläuft Ic als Funktion von Vbc eine Kennlinie, die der Sperrkennlinie des zwischen dem Emitterkontakt und dem Kollektorkontakt befindlichen Sperrschichtsystems ähnlich ist.
Die unterbrechende Wirkung der Kollektorerschöpfungsschicht geht auch deutlich aus der Fig. 3 hervor, in der der Spannungsunterschied Veb in beliebigen Einheiten waagrecht abgetragen und der Emitterstrom Ie in beliebigen Einheiten senkrecht abgetragen ist. Die Kennlinien sind für verschiedene Werte des Spannungsunterschiedes Vbc dargestellt. Die Kennlinie 20, die einem Spannungsunterschied Vbc ent-
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1)chen Transistors. Die Unterbrechwirkung der Erschöpfungsschicht ist kaum wahrnehmbar. Aus der Kurve 21, im Vergleich zur Kurve 20, ist ersichtlich, dass unter den verhältnissen entsprechend der Kurve 21 der Widerstand zwischen dem Emitter und dem Basiskontakt zugenommen hat. Diese Kurve gilt für einen Spannungsunterschied Vbc, der zwischen Vo und Vk liegt.
Die Kurve 22 beschreibt die Verhältnisse, fUr welche Vbc grösser ist als Vk, wobei der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt infolge der Wirkung der Erschöpfungsschicht völlig unterbrochen ist, so dass mit Ausnahme eines geringen Sperrstromes vom Ba-
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zwischen dem Emitterkontakt und dem K01lektorkontakt durchlässt.
Die Basiswiderstandszunahme und Unterbrechung des Stromweges von der Emitterelektrode zum Basiskontakt ist auch aus ändern Kennlinien des Transistors ersichtlich, wie z. B. denjenigen nach den Fig. 4 und 5. In Fig. 4 ist der Basisstrom Ib senkrecht und Veb waagrecht fUr drei konstant gehaltene Werte des SpannungsunteISch1edes. Vee zwischen dem Kollektorkontakt und dem Emitterkontakt abgetragen, wobei
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der Emitterkontakt positiv gegenüber dem Kollektorkontakt ist. In Fig. 5 ist Ic senkrecht und Vec waagrecht für drei konstante Werte von Veb abgetragen.
Sämtliche Grössen sind in beliebigen Einheiten abgetragen, und von den einer Figur zugehörigen Kennlinien nimmt der Parameterwert in derselben Reihenfolge zu wie die Reihenfolge der Nummern 24, 25,26 bzw. 27,28, 29, die auf die Kennlinien verweisen.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, das der negative Differentialwiderstand bereits bei einem Spannungsunter-
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Wenn man somit nur einen Transistor mit einem negativen Differentialwiderstand vor Augen hat, so ist es nicht notwendig, dass im Transistor der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt völlig unterbrochen wird. Zum Auftreten eines negativen Differentialwiderstandes ist nur erforderlich, dass die infolge der Zunahme des Basiswiderstandes auftretende Abnahme des Kollektorstromes grösser ist als die Zunahme des Kollektorstromes infolge anderer Faktoren, wie z. B. der Verringerung der Basisstlrke bei Ausdehnung der Erschöpfungsschicht. des Avalanchemechanismus in der Erschöpfungsschicht usw.
Die Grösse des negativen Differentialwiderstandes, das ist die Steilheit der Kennlinie nach Fig. 2, im Spannungsbereich zwischen Vo und Vk wird unter anderem bedingt durch die Werte Vo, den Spannungunterschied, bei dem der Kollektorstrom bei zunehmendem Vbc abzunehmen anfangt und Vk, den Spannungsunterschied, bei dem der Kollektorstrom nach einer Abnahme wieder ansteigt.
Diese beiden Spannungen und die Grösse des Differentialwiderstandes werden im wesentlichen durch zwei Faktoren bedingt ; die Geometrie des Einschnittes und den spezifischen Widerstand des Halbleiters beiderseits der Kollektorgrenzschicht, insbesondere den spezifischen Widerstand in demjenigen Teil der Basis, der bei völliger oder teilweiser Unterbrechung des Stromweges vom Emitter zum Basiskontakt von der Erschöpfungsschicht besetzt wird. Die Spannung Vk ist umso niedriger, je grösser der spezifische Widerstand des zwischen dem nichtleitenden Teil und dem Kollektor liegenden Teiles der Basis ist und je kleiner der Abstand zwischen dem nichtleitenden Teil und dem Kollektor ist. Besondere Effekte können erreicht werden, indem z. B. in der Basis der spezifische Widerstand abhängig vom Abstand zum Koliek- tor gewählt wird.
So kann man z. B. den zwischen dem Emitter und dem nichtleitenden Teil liegenden
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grenzt,terschied als der Spannungsunterschied, bei dem die Erschöpfungsschicht den hochohmigen oil erreicht, die Ausdehnung und somit der Einfluss der Erschöpfungsschicht auf den Basiswiderstand viel grösser sein kann.
In Fig. 6 ist ein Beispiel einer Schaltung dargestellt, bei der vom Umstand Gebrauch gemacht wird, dass, wenn die Kollektorspannung den Wert Vk überschreitet, die wirksame Basiszone ein beliebiges Potential anzunehmen vermag, mit andern Worten sich auf schwebendem Potential befindet.
Die Transistoren 120, 121, 122 und 123 werden hier als Gedachtniselemente in einer Einrichtung zum zeitweisen Speichern kodierter Informationen verwendet. Die Emitterkontakte 124, 125, 126, 127 d. er von
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gespeist, die in ungleichen Zeitpunkten auftreten und während der Intervalle zwischen den Impulsen Btd- potential bzw. ein geringes positives Potential gegen Etde aufweisen. Die Generatoren zum Erzeugen dieser Impulse haben eine nahezu vernachlassigbare innere Impedanz. Die Amplitude der erzeugten ampul-
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eine in den beiden Richtungen leitende Verbindung 136, 137 bzw. 138 mit dem Basiskontakt 139, 140 bzw. 141 des nächsten Transistors verbunden.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt : Wird angenommen, dass In
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Nach Ablauf des Taktimpulses K. endet gleichzeitig der Stromimpuls durch die Basis des Transistors
121. Ein freier Ladungsinhalt der Basiszone bleibt dabei aber während der Wiederkombinationszeit der Elektronenlöcherpaare aufrechterhalten.
Im Augenblick, in dem der Taktimpuls K auftritt, wobei der Kollektorkontakt 133 des Transistors 121 negativ gemacht wird, ermöglicht dieser freie Ladungsinhalt in der Basis dieses Transistors einen Stromdurchgang von der Emitterelektrode zur Kollektorelektrode, so dass am Widerstand 129 ein Spannungsabfall nahezu gleich dem Taktimpuls K, erzeugt wird und ein entsprechender Stromimpuls über die Verbindung IST die Basis des Transistors 122 durchfliesst. Da die TaktimpulseK. bzw. K, eine grössere Amplitude als die Spannung Vk haben, wobei der Basiskontakt nicht mehr in leitender Verbindung mit dem wirksamen Teil der Basiszone ist, wird an der Grenzschicht zwischen der Emitterelektrode und der Basis eine Vorwärtsspannung wirksam, so dass die Emitterelektrode wieder Löcher in der Basiszone injiziert.
Auf diese Weise werden während des Auftretens der Taktimpulse nach der Kollektorelektrode hin abgeführte freie Ladungen der wirksamen Basiszone wieder von der Emitterelektrode nachgeliefert.
Der zuerst in der Basiszone des Transistors 120 vorhandene freie Ladungsinhalt hat somit nach dem Auftreten des Taktimpulses K., einen freien Ladungsinhalt in der Basis des Transistors 121-und dieser seinerseits nach dem Auftreten des Taktimpulses K, einen freien Ladungsinhalt in der Basiszone des Transistors 122 herbeigeführt. Nach dem Auftreten des gleichzeitig der Kollektorelektrode des Transistors 122 zugefuhrten Taktimpulses K, wird somit ein freier Ladungsinhalt in der Basiszone eines nächstfolgen- den Transistors erzeugt usw. Dieser als positives Gedächtnismerkmal wirkende freie Ladungsinhalt der Basiszone wird somit nach jedem Taktimpuls nach dem nächsten Transistor weitergegeben.
Haben einer oder mehrere der Transistoren keinen freien Ladungsinhalt in den Basiszonen, so wird der Basis des nächsten Transistors auch kein Stromimpuls zugeführt, so dass ein negatives Gedächtnismerkmal nach dem nächsten Transistor weitergegeben wird.
Die Einrichtung eignet sich daher als Verschieheregister. Wird der Basis des Transistors 120 nacheinander gemäss einer bestimmten Kodierung ein freier oder nicht freier Ladungsinhalt aufgedrUckt, so schiebt diese Information infolge der Taktimpulse nach den nächsten Gedächtniselementen. Auch kann man gewünschtenfalls gemäss einer bestimmten Kodierung, z. B. den Basiskontakten mehrerer Transistoren gleichzeitig einen freien Ladungsinhalt aufdrucken, z. B. durch Zufuhrung eines negativen Impulses an die betreffenden Basiskontakte, worauf sich die so in das Register eingetragene Information nach dem Auftreten jedes Taktimpulses um ein GedNchtniselement weiter verschiebt.
Bei obenstehender Betrachtung wurde angenommen, dass der freie Ladungsinhalt jedes Transistors im Zeitintervall zwischen zwei einem Transistor zugeführten Taktimpulsen bereits verschwunden ist. Dies wurde bedeuten, dass dieses Zeitintervall etwa gleich der erwähnten Rekombinationszeit sein musste.
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kann man auf die Taktimpulse k nach Fig. 7 Löschimpulse u mit einer kleineren Amplitude als Vk folgen lassen, so dass der verbleibende freie Ladungsinhalt schnell verbraucht wird. Auch können diese Taktimpulse eine stufenförmige (Fig. 8) oder eine sägezahnförmige Gestalt mit steiler Vorderflanke (Fig. 9) haben.
Auf diese Weise wird eine wesentliche Ersparung an Schaltelelemten erzielt, da Sperrgleichrichter, um die Basiselektrode auf schwebendem Potential zu halten, wie sie bei einer Einrichtung mit üblichen Transistoren notwendig sind, überflüssig werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht beschränkt auf die Anwendung von tiefgeätzten Transistoren mit nur zwei gleichrichtenden Kontakten und einem ohmschen Kontakt, sondern sie erstreckt sich auch auf die Anwendung von Sperrschichtsystemen mit mehreren Kontakten, die eine derjenigen des beschriebenen Transistors ähnliche Konfiguration aufweisen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Gedächtnisschaltung mit mindestens einem als Gedächtniselement geschalteten tiefgeätzten Transistor (z. B. 121), an dessen Kollektoxerschöpfungsschicht zeitweise ein solcher Spannungunterschied auftritt bzw. aufrechterhalten wird, dass der Stromweg vom Emitter (125) zum Basiskontakt (139) wenigstens teilweise unterbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorspeisespannung aus einem Steuerimpuls (k) besteht, dessen Amplitude grösser ist als die Kollektor-Basis-AbHingspannung (Vk) des Transistors, so dass die wirksame Basiszone während dieses Steuerimpulses schwebendes Potential aufweist.