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Schaltungsanordnung mit einer Halbleiterdiode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer Halbleiterdiode aus einem Ma- terial mit verhältnismässig hoher Konzentration von Ladungsträgern und einer Vorwärts-Strom-Spannungs- charakteristik mit negativem Widerstandsteil, wobei die Diode über einen Widerstand in der Vorwärts- richtung derart polarisiert ist, dass sie in zwei Zustände überführbar ist und die Spannung über der Diode ! in dem einen Zustand sehr klein und in dem andern Zustand wenigstens eine Grössenordnung grösser ist.
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"Physical Review" vonSchaltungsanordnungen vom erwähnten Typ wurden in der Zeitschrift"Proceedings of the I. R. E." vom
Juli IH9, Seiten 12u1-1206 beschrieben, wo die verwendeten Dioden"Tunneldioden"genannt werden.
Die Erfindung bezweckt, eine Schaltungsanordnung dieser Art zu schaffen, bei der ein Schichttran- sistor besonders schnell und wirksam mittels kurzer Impulse von einem gesperrten in einen leitenden Zu- stand und umgekehrt umgeschaltet werden kann. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die meisten Transistoren bei einer Vorwärts-Basis-Emitterspannung gleich der sehr kleinen Spannung über einer Tunneldiode im wesentlichen noch vollkommen gesperrt sind, wobei es ferner auch möglich ist, die grössere Spannung über der Tunneldiode derart gross zu machen, z. B. durch Wahl des Reihenwiderstan- des und/oder der Spannung der Polarisationsspannungsquelle, dass ein bestimmter Transistor bei einer entsprechenden Vorwärts-Basis-Emitterspannung leitend ist, jedoch nicht gesättigt wird.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die auch als Tunneldiode bezeichnete Diode im Basis-Emitterkreis eines Schichttransistors aufgenommen ist und dass der Diode Steuerimpulse zugeführt werden, derart, dass sie sich abwechselnd in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung und in ihrem Zustand mit grösserer Spannung befindet, wodurch sich der Transistor abwechselnd in einem gesperrten Zustand und in einem leitenden Zustand befindet.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 stellt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der Schaltungsanordnung nach der Erfindung dar. Fig. 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispieles. Die Fig. 3 - 6 stellen die Schaltbilder von vier weiteren Ausführungsbeispielen dar.
Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel enthält eine sogenannte"Tunnel"-Diode l. Eine Tunneldiode ist eine Halbleiterdiode aus einem Material mit verhältnismässig hoher Konzentration von Ladungsträgern. Sie hat eine Vorwärts-Strom-Spanncharakteristik mit negativem Widerstandsteil von der Form, die in Fig. 2 durch die Kurve I dargestellt ist. Über einen Widerstand 2 ist die Diode 1 der Schaltung nach Fig. 1 durch eine Batterie 3 in der Vorwärtsrichtung polarisiert. Die Spannung der Spannungsquelle 3 und der Wert des Widerstandes 2 sind derart gewählt, dass die Diode 1 in zwei stabilen Zuständen arbeiten kann. Wie in Fig. 2 gezeigt, schneidet die Belastungslinie für R von z. B. 250 Q, die StromSpannungscharakteristik der Kurve I in drei Punkten A, B und C.
Es kann gezeigt werden, dass der Zustand der Diode 1 in den Punkten A und C stabil ist, im Punkt B jedoch unstabil. Befindet sich die Diode 1 in dem durch den Punkt A dargestellten Zustand, so ist die Spannung über diese Diode sehr klein (z. B. 0, 025 V). Befindet sie sich in ihrem andern stabilen Zustand C, so ist die Spannung über dieser Diode wenigstens um eine Grössenordnung grösser, wie in Fig. 2 dargestellt etwa 16 mal grösser (0, 4 V).
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Die Diode 1 liegt parallel zur Emitter-Basisstrecke eines Transistors 4, z. B. des PNP-Typs, wobei die Basis des Transistors mit der Elektrode des gleichen Leitfähigkeitstyps und sein Emitter mit der andern Elektrode der Diode 1 unmittelbar verbunden sind. Zwischen dem Emitter des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 einerseits und der positiven Klemme der Spannungsquelle 3 von i z. B. IV anderseits, ist die Sekundärwicklung eines Eingangstransformators 5 eingeschaltet. Eine Quelle von Steuerimpulsen ist über einen Kondensator 6 zwischen der negativen Klemme der Spannungsquelle 3 einerseits und der Basiselektrode des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 anderseits angeschlossen.
Der Kollektor des Transistors 4 liegt an der negativen Klemme der Spannungsquelle 3 über die Primärwicklung eines Ausgangstransformators 7.
Die Kurve II der Fig. 2 stellt den Kollektorstrom des Transistors 4 als Funktion seiner Vorwärts-Basis-Emitterspannung dar. Man sieht, dass wenn sich die Diode 1 in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung befindet (Punkt A), der Transistor im wesentlichen vollkommen gesperrt ist (Punkt A') und über den Eingangstransformator 5 seiner Emitterelektrode zugeführte Eingangssignale nicht über den Ausgangstransformator 7 zum Ausgang der Schaltungsanordnung übertragen kann. Wenn ein negativer Steuerimpuls über den Kondensator 6 der Basis des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 zugeführt wird, so wird der Arbeitspunkt der Diode, bei genügender Amplitude dieses Impulses, bis rechts vom relativen Maximum der Kurve I verschoben.
Infolge des negativen Widerstandes der Diode 1 wandert dieser Arbeitspunkt von selbst über den Punkt B und längs der Kurve I bis zum Punkt C weiter. Die-Diode 1 befindet sich jetzt in einem andern stabilen Zustand. wobei die Spannung über dieser Diode etwa gleich 0,4 V ist. Die Spannung von 0. 4 V ist auch zwischen der Emitter- und der Basiselektrode des Transistors 4 vorhanden, der also ziemlich stark leitend Ist. Ist z. B. der Transistor vom Typ OC 72, so ist sein Kollektorstrom nahezu gleich 100 mA. In diesem Zustand ist der Transistor 4 nicht gesättigt, doch leitend und überträgt die über den Transformator 5 seiner Emitterelektrode zugeführte Eingangssignale über den Transformator 7 nach dem Ausgang der Schaltungsanordnung. Dabei arbeitet der Transistor etwa mit seinem maximalen Stromverstärkungsfaktor.
Die Eingangssignale können von ziemlich grosser Amplitude sein (z. B. etwa 0, 1 V Spitzenspannung) ; ohne Gefahr, dass sie die Diode 1 wieder in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung umschalten. Um eine solche Umschaltung zu verursachen, müssen die Eingangssignale den Arbeitspunkt der Diode 1 vom Punkt C bis links vom relativen Minimum der Kurve I nach links verschieben. Ein über den Kondensator 6 an die Basis des Transistors 4 und die entsprechende Elektrode der Diode 1 angelegter, positiver Impuls, dessen Amplitude grösser als 0,12 V ist, schaltet die Diode von ihrem Zustand grösserer Spannung in den sehr kleiner Spannung um.
Mit Steuerimpulsen abwechselnder Polaritäten kann also die Diode abwechselnd in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung und in ihren Zustand mit grösserer Spannung gebracht werden. Dadurch wird der Transistor abwechselnd in einen gesperrten Zustand und in einen leitenden Zustand gebracht.
Selbstverständlich kann man die Steuerimpulse abwechselnder Polarität auch über den Transformator 5 der Diode zuführen und das Eingangssignal über den Kondensator 6 an die Basis des Transistors 4 anlegen.
Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ist ein Zweistufenimpulsteiler. Negative Steuerimpulse werden der Basis eines ersten Transistors 4 über einen Eingangstransformator 5 zugeführt und Impulse mit einer halbierten Wiederholungsfrequenz werden dem Kollektorkreis dieses Transistors mittels eines Ausgangstransformators 7 entnommen, wodurch sie der Basis eines zweiten Transistors 4'zugeführt werden. Ausgangsimpulse mit einer viermal kleineren Wiederholungsfrequenz können dem Kollektorkreis des Transistors 4'mittels eines Ausgangstransformators 9 entnommen werden. Parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors ist die Reihenschaltung der Sekundärwicklung des Transformators 5 und einer ersten Tunneldiode 1 geschaltet. Über einen Widerstand 2 von z. B. 250 0 ist diese Diode in der Vorwärtsrichtung durch eine Spannungsquelle 3 von z. B.
IV polarisiert, die zugleich die Kollektorspannung für die Transistoren 4 und 4'liefert. Der Kollektorkreis jedes dieser Transistoren enthält die Primärwicklung des Transformators 7 bzw. 9 in Reihe mit einem Widerstand 8 bzw. 10, überbrückt durch einen Kondensator 11 bzw. 12. Eine zweite Tunneldiode l* überbrückt die Reihenschaltung der Emitter-Basisstrecke des Transistors 4'und der Sekundärwicklung des Transformators 7. Diese Diode ist ebenfalls durch die Spannungsquelle 3 über einen Widerstand 2* von z. B. 250 0 in der Vorwärtsrichtung polarisiert.
Wird der Basis des Transistors 4 ein negativer Impuls mit einer Amplitude von etwa 0,4 V zugeführt, so schaltet diese Vorderflanke dieses Impulses die Diode 1 um, wenn diese sich anfänglich in dem Zustand mit grösserer Spannung befindet, nicht aber, wenn sich die Diode 1 anfänglich in dem Zustand mit sehr kleiner Spannung befindet. Ist der anfängliche Zustand der Diode 1 der mit grösserer Spannung (Arbeitspunkt C der Diode und C'des Transistors, Fig. 2), so wird die Vorderflanke dieses Impulses über die
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Basis-Emitterstrecke des Transistors 4 in rückwärtiger Richtung über die Diode 1 angelegt, so dass diese
Diode in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung umgeschaltet wird (Punkt A. Fig. 2), und der Transi- stor, nach Ablauf des Eingangsimpulses, gesperrt wird.
Die Vorderflanke des folgenden Impulses macht den Transistor 4 wieder leitend und seine Rückflanke wird, über die Basis-Emitterstrecke des Transistors
4, in Vorwärtsrichtung über der Diode 1 angelegt. Diese Diode wird dadurch in ihren Zustand mit grösse- rer Spannung gebracht, so dass der Transistor 4 wieder leitend wird, usw. Dasselbe gilt auch hinsichtlich der zweiten Stufe des Teilers, mit dem Transistor 4', der Tunneldiode l'und den Transformatoren 7 und
9. Die Vorderflanke jedes zweiten, negativen, an die Basis des Transistors 4 angelegten Impulses, wird also der Basis des Transistors 4'übertragen und jeder zweite der dieser Basis zugeführten Impulse erzeugt wieder einen Stromimpuls durch die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators 9.
Das in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel enthält einen Transistor 4 in geerdeter Basis- schaltung, dessen Emitter-Kollektorstrecke in Reihe mit einem Eingangskondensator 13 und mit einem
Ausgangskondensator 14 in den Stromkreis einer Übertragungsleitung aufgenommen ist, um diese Leitung nach Wunsch unterbrechen zu können. Eine Tunneldiode 1 ist unmittelbar zwischen den Basis- und Emit- terelektroden des Transistors 4 angeschlossen, wobei ihre Elektroden mit den Elektroden entsprechender
Leitfähigkeitstypen des Transistors verbunden sind. Der Emitter des Transistors 4 und die entsprechende Elektrode der Diode 1 sind über einen Widerstand 2 mit einer Spannungsquelle 3 für die Einstellung einer
Vorwärts-Spannung verbunden.
Die Basis des Transistors 4 liegt über einen Widerstand 15 an der andern
Klemme dieser Spannungsquelle und sein Kollektor liegt über einen Belastungswiderstand 16 an der glei- chen Klemme. Über der Diode 1 ist die Sekundärwicklung eines Steuertransformators 17 in Reihe mit einem Kondensator 18 geschaltet und Impulse verschiedener Polaritäten werden der einseitig geerdeten
Primärwicklung des Transformators 17 zugeführt.
Wird der Basis des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode l, über den Transformator 17, ein negativer Impuls zugeführt, so wird der Transistor leitend gemacht, während die Diode zugleich in ihren Zustand mit grösserer Spannung gebracht wird. Der Transistor bleibt also nach Ablauf dieses Impulses in seinem leitenden Zustand (Arbeitspunkt C'der Fig. 2) und über den Kondensator 13 seinem Emitter zugeführte Signale erzeugen entsprechende Signale über seinem Kollektorbelastungswiderstand 16, welche Signale über den Ausgangskondensator 14 weiter übertragen werden. Diese Signale werden zwar auch der Diode 1 zugeführt, jedoch nur über die Widerstände 2 und 15, so dass sie nicht leicht die Diode von einem Zustand (A oder C) in den andern umschalten können.
Die Impulse, welche die Diode über den Transformator 17 und den Kondensator 18 erreichen, sind jedoch unmittelbar über dieser Diode wirksam und bewirken leicht das Umschalten der Diode 1. Wird über diesen Transformator ein positiver Impuls an die Basis des Transistors 4 angelegt, so wird die Diode 1 in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung umgeschaltet, der Transistor 4 wird gesperrt und die seinem Emitter zugeführten Signale werden nicht mehr übertragen, da dieser Transistor bei verhältnismässig kleiner Amplitude dieser Signale (z. B. kleiner als 0, 2 V) gesperrt bleibt.
Das vierte Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 enthält einen Transistor 4 in geerdeter Emitterschaltung, dessenBasis-KollektorstreckemiteinemEingangskondensator 13 und mit einem Ausgangskondensator 14 in einem Ubertragungskreis in Reihe geschaltet sind. Eine Tunneldiode 1 ist, in Reihe mit einem BasisEingangswiderstand 15, zwischen dem Emitter des Transistors 4 und seiner Basis eingeschaltet, wobei Elektroden entsprechenden Leitfähigkeitstyps miteinander verbunden sind. Der Emitter des Transistors 4 ist unmittelbar mit der positiven Klemme der Polarisationsspannungsquelle 3 verbunden und der gemeinsame Punkt des Widerstandes 15 und der Diode l liegt über einen Widerstand 2 an der negativen Klemme dieser Spannungsquelle.
Der Kollektor des Transistors 4 ist über einen Belastungswiderstand 16 ebenfalls mit der negativen Klemme verbunden, und der gemeinsame Punkt der Diode l, des Widerstandes 15 und des Widerstandes 2 ist schliesslich mittels eines Kondensators 18 mit einer Quelle von Steuerimpulsen gekoppelt.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 entspricht derjenigen der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, mit dem Unterschied, dass der Transistor 4 durch die eintreffenden Signale basisgesteuert wird und diese Signale somit verstärkt in seinem Kollektorkreis wiedergibt (Spannungsverstärkung).
Der Widerstand 15 entkoppelt die Diode 1 hinsichtlich der über den Kondensator 13 eintreffenden Signale und begrenzt anderseits den Basisstrom des Transistors 4, so dass dieser aus der Sättigung gehalten werden kann.
Das in Fig. 6 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel ist dem vierten nach Fig. 5 sehr ähnlich. In Fig. 6 ist jedoch eine Induktivität 19 mit dem Widerstand 2 in Reihe geschaltet, und ein Widerstand 20 ist zwischen dem gemeinsamen Punkt des Widerstandes 2 und der Induktivität 19 einerseits und der posi-
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tiven Klemme der Spannungsquelle 3 anderseits angeschlossen. Die Widerstände 2 und 20 bilden somit einen Spannungsteiler, durch den nur eine verhältnismässig kleine Spannung von z. B. 0, 2 V aber der Diode 1 angelegt wird. Durch die Anwesenheit des Widerstandes 20 wird ferner der Belastungswiderstand der Diode 1 auf einen Wert von z. B. 40 0 herabgesetzt, so dass diese Diode jetzt nur einen stabilen Ar- beitspunkt A"auf der Belastungslinie R' (Fig. 2) aufweist.
Der Transistor 4 ist somit normalerweise gesperrt, da die Spannung über der Diode 1 und somit auch die Spannung zwischen seiner Basis und seiner Emitterelektrode sehr klein ist. Wird über den Kondensator 18 ein negativer Impuls der mit der Basis des Transistors verbundenen Elektrode der Diode 1 zugeführt, so wird infolge der Anwesenheit der Induktivität 19 diese Diode nach einem Punkt mit grösserer Spannung ihrer Charakteristik I getrieben, z. B. etwa nach Punkt C der Fig. 2. Die grössere Spannung über der Diode 1 nimmt nach Ablauf des Steuerimpulses allmählich ab, entsprechend der Zeitkonstante des Netzwerkes mit der Induktivität 19 und den Widerständen 2 und 20.
Sobald der Arbeitspunkt der Diode einen Punkt links vom relativen Minimum der Kurve I der Fig. 2 erreicht hat, schlägt die Diode plötzlich über Punkt D (Fig. 2), nach ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung zurück (endgültig also nach Punkt A", da Punkt D nicht stabil ist). Die Tunneldiode mit der Induktivität 19, den Widerständen 2 und 20 und der Spannungsquelle 3 arbeitet somit als eine monostabile Kippschaltung und Signale können nur während der Dauer der Impulse dieser Kippschaltung über den Kondensator 13, den Transistor 4 und den Kondensator 14 übertragen werden.
Die Diode 1 kann gegebenenfalls aus einem Teil des Kristalles des Transistors 4 mit höherer Konzentration der Ladungsträger bestehen. Es ist auch möglich, diesen Teil mit einem gesonderten Kontakt zu versehen und diesen mittels einer eigenen Elektrode herauszuführen. Eine solche getrennte Herausführung ist in den Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 und Fig.. 4 nicht erforderlich, da hier beide Elektroden der Diode 1 unmittelbar mit den entsprechenden Elektroden des Transistors 4 verbunden sind. Die Schaltungsanordnungen nach Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 6 erfordern hingegen die getrennten Herausführungen einer Diodenelektrode, wenn der Diodenkristall aus einem Teil des Transistorkristalles besteht.
Die grössere Spannung über einer Tunneldiode beträgt, wie in Fig. 2 gezeigt, nur einige Zehntel Volt. In Schaltungsanordnungen nach der Erfindung ist es demzufolge immer möglich, den Transistor derart zu betreiben, dass er durch die Spannung über der Diode nicht gesättigt wird. Dies ist natürlich auch von der verwendeten Kollektorspannung und von den Kollektor-Belastungsimpedanzen, wie auch von dem gegebenenfalls in der Emitterleitung aufgenommenen Widerstand abhängig.
Die beschriebenen Schaltungsanordnungen können in Signalübertragungsvorrichtungen, z. B. für Fernsprechzwecke oder als logische Schaltungsanordnungen, z. 13. in Rechenmaschinen oder in automatischen Vorrichtungen verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung mit einer Halbleiterdiode aus einem Material mit verhältnismässig hoher Konzentration von Ladungsträgern und einer Vorwärts-Strom-Spannungscharakteristik mit negativem Widerstandsteil, wobei die Diode über einen Widerstand in der Vorwärtsrichtung derart polarisiert ist, dass sie in zwei Zustände überführbar ist und die Spannung über der Diode in dem einen Zustand sehr klein und in dem andern Zustand wenigstens eine Grössenordnung grösser ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode in den Basis-Emitterkreis eines Schichttransistors aufgenommen ist und dass der Diode Steuerimpulse zugeführt werden, derart, dass sie sich abwechselnd in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung und in ihrem Zustand mit grösserer Spannung befindet,
wodurch der Transistor sich abwechselnd in einem gesperrten Zustand und in einem leitenden Zustand befindet.