DE102014008990A1

DE102014008990A1 - Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises

Info

Publication number: DE102014008990A1
Application number: DE102014008990.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-14
Also published as: DE102014008990B4

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Speicheranordnung für elektrische Energie zur Anwendung im Wechselstromnetz, auf der Basis einer Halbleiterverstärkerschaltung, unter Anwendung von integrierten Kapazitäten, die einen LC-Resonanzkreis simulieren, aufgebaut auf einem Substrat mit dem Ziel, herkömmlich Energiespeicher, die bisher zu größten Teil in Form von chemischen Elementen aufgebaut sind, zu ersetzen.

Description

Die Erfindung umfasst eine Halbleiterverstärker-Anordnung zur Speicherung von elektrischer Energie wie in Anspruch 1 dargestellt.
Diese Art von hochenergetisch-integrierten Speichern, realisiert auf der Grundlage einer halbleiterspezifischen Kondensator-Matrix, sowie basierend jeweils unter Ausnutzung der entsprechenden Resonanzfrequenz eines simulierten Schwingkreises, können z. B. eine Anwendung finden bei durch Kleinsignaltransformatoren gespeisten Motorverbrauchern, in mobilen Telefonen oder auch beim Einsatz von tragbaren Computer.
Heutige Speichersysteme für elektrische Energie sind in der Regel auf der Basis von chemischen Elementen aufgebaut. Um derartige Energie auf elektronischem Wege zu speichern, gab es bisher lediglich rudimentäre Ansätze. Als ein denkbares Beispiel in diese Richtung wäre der Dynamische RAM Speicher in der Computertechnik zu nennen. Weiterhin wurden bereits diverse Kondensatorbatterien entwickelt, deren Leistungsdichte allerdings begrenzt ist. Ein Erfahrungswert ist hierbei lediglich etwa 0,2 kWh/m³. Ebenfalls wäre es möglich, statt des elektrischen Feldes ein magnetisches Feld B als Speichermedium zu verwenden, und die elektrische Energie mit Hilfe einer großen Spule zu speichern. Für eine maximale Magnetfeldstärke B_max = 10 T ergäbe sich sodann eine Energiedichte von etwa 11 kWh/m³. Im Gegensatz von Dieselöl mit einer Energiedichte von etwa 9.840 kWh/m³ ist dieser Wert allerdings in keinster Weise akzeptabel. Theoretisch wäre es auch möglich, für die hierzu notwendige große Induktivität eine Plasmaspule zu verwenden. Dieses Verfahren hat allerdings zur Zeit bisher noch keine Serienreife erlangt.
Die Grundlage für die beschriebe Erfindung bildet nun die hochintegrierte Halbleitertechnologie, bei der es zwischenzeitlich z. B. möglich ist, bis zu 64·8·10⁹ (ca. 500 Milliarden) Speicherzellen auf einem einzigen Chip zu integrieren. Verwendung finden bei dieser Erfindung sollen nun sogenannte Gyratorschaltungen, wie sie bereits Stand der Technik sind und sich zusammen mit Halbleiter-Kondensatoren gut auf einem einzelnen Chip in hoher, viellagiger Packungsdichte integrieren lassen.
Zwischenzeitlich ist nun, wie erwähnt, die Technologie in der Halbleitertechnik weiter fortgeschritten und es bietet sich daher an, modernere Bauelemente für diese neue Art der Energiespeicherung heranzuziehen. Hierbei ist es nun möglich, die Energiedichte solcher Speichersysteme noch weiter zu steigern. Gegeben wäre dies, wie vorab beschrieben, mit Hilfe der Anwendung von Gyratoren, die damit das Prinzip der Speicherung der Energie, ausgehend von einer Induktivität, simulieren, indem sie mit Hilfe von Kondensatoren diese nachbilden. Im folgenden sind daher diverse Patentanmeldungen aufgeführt, die sich auf Gyratoren sowie spezielle Kondensatoren auf Halbleiterbasis beziehen.
Aus der DE-695 25 907 ist eine geerdete Induktanzschaltung unter Verwendung eines Gyrators bekannt, der wiederum aus zwei Operationsverstärkern aufgebaut ist.
Aus der DE-699 23 131 ist eine Gyratorschaltung bekannt, die einen Resonanzkreis bildet, und aus zwei Differenzverstärkern aufgebaut ist.
Aus der DE-103 57 332 ist eine Gyratorschaltung bekannt, die eine elektronische Induktivität zur Signalentkopplung für die Anwendung in Aktuator-Sensor- bzw. Interface-Netzwerken simuliert.
Aus der EP-256 580 ist wiederum eine Gyratorschaltung bekannt, die eine Induktivität unter Verwendung von Kondensatoren simuliert.
Die US-42 72 735 betrifft eine Erfindung, die sich auf Gyratorschaltungen und hierbei wiederum auf eine Variante in Form einer Gyratorschaltung bezieht, welche mit einem Verstärker sowie sechs Transistoren realisiert ist und die es erlaubt, variable Impedanzen zu realisieren.
Die oben aufgeführten Patentanmeldungen beschreiben in der Regel sämtlich jeweils Schaltungen, die auf der Basis von speziellen Operationsverstärkerschaltungen, sogenannten Gyratoren, in Verbindung mit Kondensatoren Induktivitäten, oder auch Resonanzkreise bzw. Oszillatoren nachbilden, und sind Stand der Technik. Der Gyrator ist nun ein nichtreziprokes elektrisches Übertragungsglied, dessen Ausgangsstrom der Eingangsspannung und dessen Ausgangsspannung dem Eingangsstrom proportional ist. Wie bereits erwähnt, lassen sich mit einem Gyrator Widerstände in Leitwerte und umgekehrt umwandeln. Da der Gyrator auch Induktivitäten als Kapazitäten simulieren kann, wird dieser auch als Richtungsphasenschieber bezeichnet.
Weiterhin ist die EP-385 450 bekannt, die ein Halbleiterbauelement mit einem Kondensator beschreibt. Der Kondensator wiederum ist aufgebaut in Form eines MIS-Kondensators (Metal Insulator Semiconductor).
Aus der EP-171 131 ist ein MIS-Kondensator bekannt, und zwar implementiert auf einem Substrat, inklusive seiner industriellen Herstellung.
Die Erfindung WO-2006000168 bezieht sich auf einen Mehrschichtkondensator mit mehreren aufeinander geschichteten elektrisch isolierten Lagen sowie parallel zueinander angeordneten Elektrodenplatten, die alternierend mit einer zwischenliegenden isolierenden Lage voneinander in einem Abstand übereinander angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein integriertes Schaltungsmodul mit einem Trägersubstrat und mindestens einer integrierten Schaltung auf einem Trägersubstrat.
Die Patentanmeldung US5.583.359 beschreibt eine Kondensatorstruktur zur Verwendung in einem integrierten Schaltkreis sowie eine Methode für die Herstellung. Die Kondensatorstruktur ist definiert mit Hilfe der Layer, die hierbei eine metallische Verbindung in Kombination mit einer dielektrischen Zwischenschicht ausbilden. Die Letzteren sind relativ dick und ermöglichen somit die Verwendung von entsprechend hohen Spannungen. Eine metallische Mehrfachebenenintegration ermöglicht eine Realisierung der notwendigen hohen Zahl von Zwischenverbindungen.
Die Patentanmeldung US20010008479 beschreibt den Aufbau sowie eine Methode zur Realisierung eines mehrschichtig in einem Substrat eingebetteten Kondensators mit Hilfe von niedrigsinternden Mehrlagenkeramiken. Zur Sicherstellung der Realisierung der Elektrodenanschlüsse sind die jeweiligen Elektrodenlagen elektrisch zu verbinden.
Die oben genannten letzten 5 Patentanmeldungen beschreiben sämtlich Halbleiterkondensatoren oder auch Halbleiter-Mehrschichtkondensatoren, die alle auf einem Substrat integriert werden können und somit für die vorliegende Erfindung Verwendung finden sollen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu umgehen und ein derart kompaktes Gerät nach den bereits genannten Grundsätzen mit reduzierten Bauteilkosten zu schaffen, das diese Probleme beseitigt. Oder in anderen Worten, bei der vorliegenden Erfindung soll nun die elektrische Energiespeicherung derart erfolgen, das hierfür integrierte Gyratorschaltungen herangezogen werden, die lediglich mit Hilfe von Kondensatoren Schwingkreismodule bzw. Speicherzellen ausbilden, und damit in einer viellagigen Matrixanordnung eine quasi Wechselstrombatterie nachbilden.
Die Erfindung, in Anlehnung an ein konventionales Design, ist nun derart ausgelegt, dass die komplette Schaltungsanordnung, einschließlich der dreidimensionalen Kondensator-Matrix (3), den Gyratorverstärkern als auch den zugehörigen Widerständen (4) vollständig auf einem Substrat integriert sind.
Bereits im Jahre 1949 wurde im Übrigen mit der DE 833 366 eine Schaltung in Form eines Halbleiterverstärkers vorgestellt, die es ermöglichte, auf einem Substrat mehrere Transistoren zu integrieren und somit im Prinzip die elektronischen Schaltungen endgültig zu miniaturisieren.
Zwischenzeitlich ist es, wie zuvor beschrieben, bereits möglich, auf einem einzigen Substrat bis zu mehrere Milliarden computerbasierte Speicherzellen zu integrieren.
Das in der Erfindung verwendete Speicherprinzip ist nun im Grundsatz gleichsam ähnlich eines sogenannten DRAM-Speichers (Dynamic Random Access Memory). Die hierzu verwendeten Transistoren werden zwischenzeitlich bereits unter Verwendung von Nanometerstrukturen hergestellt.
Ein Kennzeichen des DRAM ist die Kombination aus einer sehr hohen Datendichte auf einer kleinen Chipfläche, verbunden mit sehr preiswerten Herstellungskosten.
Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist hierbei äußerst elementar, sie besteht lediglich aus einem Kondensator und einem MOS-Feldeffekttransistor. Die Informationsenergie, die hier zur Weiterverarbeitung in einem Rechner benutzt wird, wird somit als elektrische Ladung in einem Kondensator gespeichert.
Es gibt nun Prozeduren, in denen sogenannte Übertragungsfunktionen oder auch eine Zweipolfunktion durch ein aktives RC-Netzwerk ausgebildet werden, indem man die betreffende Funktion zunächst durch ein RLC-Netzwerk realisiert, und anschließend sämtliche Induktivitäten einzeln durch äquivalente aktive RC-Basisbausteine ersetzt. In diesem Sinne werden somit alle Induktivitäten durch aktive RC-Komponenten ausgetauscht.
Somit erhält man quasi ein komplexes Ersatzschaltbild für das ursprüngliche Netzwerk, welches sodann mit Hilfe moderner Technologieverfahren in Form einer Mikrominiaturisierung bzw. Schaltungsintegration realisiert werden kann. Diese Art der Technologie bewirkt bekanntlich eine beträchtliche Verminderung des Raumbedarfs sowie eine Gewichtsreduzierung was zusätzlich eine Preisreduzierung bei hohen Stückzahlen zur Folge hat.
Das bestmögliche Prinzip einer aktive RC-Simulation von Induktivitäten, um dies noch einmal zu verdeutlichen, ist nun diejenige unter Zuhilfenahme eines Gyrators. Ein Gyrator ist eine Transformationsschaltung, mit der man beliebige Impedanzen in ihre dazu äquivalenten umwandeln kann, also z. B. eine Induktivität in eine Kapazität. Oder anders ausgedrückt, die gegenseitige Vertauschung der Primärseite und der Sekundärseite bewirkt eine Vorzeichenumkehrung der Admittanz-Elemente.
Generell werden derartige Gyratoren, wie bereits vorab erwähnt, auf der Basis von Operationsverstärkern und diese wiederum auf der Basis von integrierten Transistoren realisiert. Da der Gyrator auch Induktivitäten als Kapazitäten simulieren kann (und umgekehrt), wird der Gyrator, wie vorab beschrieben, auch als Richtungsphasenschieber bezeichnet.
Die Bedeutung des Gyrators liegt nun darin, dass man mit ihm große verlustarme Induktivitäten erzeugen kann. Hierbei verhalten sich die beiden freien Anschlüsse des Gyrators (5) so, als ob zwischen ihnen eine Induktivität L₁ = R_g ²C₂ (Gl. 1) läge. Schaltet man zu der Induktivität L₁ einen Kondensator C₁ parallel, erhält man einen Parallelschwingkreis. Die simulierte Induktivität ergibt zusammen mit dem RC-Glied am Tor 1 nach 2 einen Schwingkreis mit der Resonanzfrequenz:
Der Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie ist nun in seiner Grundstruktur derart als ein Kettennetzwerk in Form von ,lose' miteinander verschaltenden Induktivitäten aufgebaut, die die Grundlage für die Energiespeicherung auf einem Chip bilden.
Aufbauend hierauf erfolgt sodann jeweils die Simulation einer entsprechenden Induktivität durch die Verschaltung von zwei Gyratoren zusammen mit einer zusätzlichen Kapazität. Allerdings müssen in diesem Fall die Gyrationsleitwerte beider Gyratoren übereinstimmen.
Ein absolut wichtiger Faktor bei der Auslegung eines Halbleiterspeichers für elektrische Energie ist die mögliche Minimierung der Verlustleistung. Aus der Berechung unter (Gl. 1) sowie 5 ist ersichtlich, dass die simulierte Induktivität L₁ entsprechend abhängig ist von dem Quadrat von Rg sowie von C₂.
Unter Zuhilfenahme des Prinzipschaltbildes des Gyrators unter 6 zur Simulation einer Induktivität lässt sich nun ersehen, dass der Widerstand R_v des abschließend zu simulierenden Parallelschwingkreises unter 2 als Grundlage zur Bildung einer Energiespeicherzelle unbedingt zu maximieren ist. Oder anders ausgedrückt, der Wert für den Widerstand R_v ist ein Maß für die Verlustleistung des Energiespeicherkreises.
Ein weiterer sehr wichtiger Punkt für die Realisierung der Erfindung liegt in der Sicherstellung der Kondensatorgröße. Die Größe des Wertes für die auf dem Chip mit zu integrierenden Kondensatoren ist mit ein Maß für die später zu erreichende Energiedichte. Mit konventionellen integrierten Mehrschichtkondensatoren lassen sich allerdings bisher lediglich Kapazitäten von 10 bis 100 pF erreichen.
Im Zuge des europäischen Forschungsprojektes im Rahmen des europäischen Programms MEDEA+ und des IKT 2020-Programms der Bundesregierung ist es das Ziel, bis zu 30 Prozent der heute auf Leiterplatten verbauten diskreten Kondensatoren generell einzusparen. Es wird erwartet, dass im Zuge dieses Forschungsprojekts die Kapazität von integrierten Kondensatoren auf bis zu 10.000 pF gesteigert werden kann.
In 1, 3 und 4 ist jeweils eine generelle Darstellung des Halbleiterspeichers für elektrische Energie aufgeführt.
Zuerst soll hierbei anhand der 1 die Grundschaltung des Gyrators prinzipiell auf der Basis von einfachen Operationsverstärkern (11) erläutert werden. Die notwendigen Kondensatoren (12, 13) zur Bildung der Induktivität und zur Simulation des Resonanzkreises, sowie die entsprechend zugehörigen Widerstände (8) sind auf diesem Schalbild ebenfalls mit dargestellt. Eine prinzipielle Gyratorschaltung ist hierzu nochmals in 4 demonstriert. 3 zeigt zusätzlich das Schaltungsprinzip einer Kondensatormatrix.
Die Funktion der kompletten Schaltungsanordnung lässt sich wie folgt beschreiben.
Grundsätzlich muss gesagt werden das es das Ziel der Erfindung ist, eine Speicheranordnung zu schaffen, die herkömmlich Batteriesysteme ablösen soll, indem es die herkömmlichen chemischen Energiespeicher (Akkumulatoren) durch eine Anordnung ersetzt, die auf einem Substrat unter Anwendung von Halbleiterbauelemente in Form einer Wechselstrombatterie Energie speichert.
Der konstruktive Speicherzellenaufbau geschieht nun wie folgt. Grundsätzlich ist es notwendig, um die Verlustleistung gering und damit den Faktor der Wirtschaftlichkeit hochgradig zu halten, die integrierten Kondensatoren auf dem Substrat entsprechend zu maximieren. In Abhängigkeit hierzu kann entsprechend auch die Frequenz der durch die Gyratorschaltung simulierten LC-Resonanzkreise, die gleichzeitig die Frequenzvorgabe für alle an die Wechselstrombatterie angeschlossenen Verbraucher darstellt, entsprechend minimiert werden.
Oder in anderen Worten, durch die Verwendung von integrierten Kondensatoren mit relativ hohen Kapazitätswerten ist es zudem möglich, eine Wechselstrombatterie zu schaffen, die für entsprechende Verbraucher wie z. B. Motoren oder Transformatoren, und zudem auch zur direkten elektrischen Energiespeicherung durch Generatorspeisung eingesetzt werden kann.
Die Speicheranordnung in Form des Halbleiterspeichers für elektrische Energie ist nun detailliert im einzelnen wie folgt aufgebaut.
Grundlage für die Energiespeicherung auf der Basis eines Halbleiterverstärkers ist vom Prinzip auch hier primär eine Induktivität, also das magnetische Feld. Hiermit lassen sich ebenfalls Wechselfelder, also eine Wechselstrombatterie realisieren.
Wie nun bereits in einem vorigen Abschnitt beschrieben, kommen als direkte Speicher für elektrische Energie eigentlich nur das elektrische oder das magnetische Feld in Frage.
Wie ebenso im vorangegangenen Abschnitt dargestellt, sieht es von der Energiebilanz her durchaus günstiger aus, wenn statt des elektrischen Felds ein magnetisches Feld B als Speichermedium verwendet wird.
Und wie weiterhin bereits detailliert erörtert, ist es allerdings sehr aufwändig, Induktivitäten, also komplette Spulen auf einem viellagigen Substrat zu integrieren.
Somit muss hierbei im Zuge dieser vorliegenden Erfindung ein Kompromiss gefunden werden, die Vorteile der Energiespeicherung des magnetischen- sowie des elektrischen Feldes zu nutzen und gleichzeitig deren Nachteile zu eliminieren.
Ein Stromkreis, wie in 8 dargestellt, mit zwei sich gegenseitig ergänzenden Energiespeichern und Energiewandlern kann nach einmaliger Energiezufuhr Eigenschwingungen ausführen. Ein elektrischer Schwingkreis benötigt bekanntlich die beiden passiven Bauteile Kondensator C und Spule L. Dem Kondensator kann hierbei ideales Bauteilverhalten zugeschrieben werden, wohingegen die Spule einen nicht vernachlässigbaren ohmschen Drahtwiderstand hat. Somit ergeben sich bei einer Spule in jedem Fall ohmsche Verluste. Durch einmalige Energiezufuhr angestoßen, führt der Schwingkreis daher in der Amplitude abnehmende, bedämpfte Schwingungen auf seiner Eigenfrequenz aus.
Wie bereits erwähnt, ist es nur unter relativ hohem technischem Aufwand möglich, Induktivitäten in Form von Spulen mit auf einem Substrat zu integrieren. Somit ist hierfür eine technische Lösung in Form eines Kompromisses zu finden, um elektronisch die Induktivitäten zu ersetzen und damit deren Nachteile in Form von hohem technischen Realisierungsaufwand sowie deren Verluste zu eliminieren.
In 5 ist nun dargestellt, wie eine Induktivität unter Verwendung einer elektronischen Schaltung, einer sog. CC-Operationsverstärkerschaltung (Current-Current OP-Amp) sowie mit Hilfe einer Kapazität (9) und zugehörigen Widerständen Rg (8), ein sogenannter Gyrator (10), simuliert werden kann.
CC-Operationsverstärker oder sogenannte 'Diamond Transistoren' sind integrierte Verstärker, die eine Leistungsendstufe mit komplementären Sourceschaltungen und zugehörigem Treiber enthalten.
Der Gyrator ist, wie bereits angedeutet, ein nichtreziprokes elektrisches Übertragungsglied, dessen Ausgangsstrom der Eingangsspannung und dessen Ausgangsspannung dem Eingangsstrom proportional ist. Mit einem Gyrator können Widerstände in Leitwerte und umgekehrt gewandelt werden. Es gilt somit:
Schaltet man nun zu der in 5 simulierten Induktivität einen weiteren Kondensator C parallel, erhält man nach 2 hiermit abschließend einen entsprechenden Resonanz- oder Schwingkreiskreis. Die simulierte Induktivität ergibt daher, in Anlehnung an (Gl. 2), zusammen mit dem RC-Glied am zusätzlichen Eingang des Gyrators einen Schwingkreis mit der Resonanzfrequenz:
Um nun einen entsprechenden Speicher für elektrische Energie, aufbauend auf einem integrierten Schaltkreis mit hoher Energiedichte zu schaffen ist es nun unumgänglich, dieses System in einem viellagigen Substrat unterzubringen. Bei einem Muster mit 11 Lagen und einer Einzelkondensatorhöhe von 30 nm beträgt die Höhe eines Kondensators rein rechnerisch lediglich 0,33 μm. 10 zeigt wiederum die Anordnung von mehreren Speicherzellenschichten übereinander.
Wie bereits erwähnt ist es das Ziel der Erfindung, eine Wechselstrombatterie komplett auf einem Substrat zu realisieren.
In 6 ist nun angedeutet, wie mit einer Anzahl von 600 Lagen eine derartige Batterie aufgebaut werden kann.
Um jeweils größtmögliche Werte für die notwendigen integrierten Kondensatoren zu erhalten, sind diese, wie erwähnt, in entsprechenden wiederholt angeordneten Lagen aufgebaut.
Die Kondensatoren sind hierbei bekanntlich in Form von MIS-Kondensatoren realisiert.
Der MIS-Kondensator ist nun ein spezieller Kondensator, welcher in Form einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur aufgebaut ist. Hierbei wird speziell ein Oxid als Isolatormaterial (Dielektrikum) eingesetzt. Aufgrund der extrem hohen geforderten Integrationsdichte beträgt hier die Isolationsschicht nur noch 1–2 nm. Zwischenzeitlich ist es Stand der Technik, das aus diesem Grund sogenannte High-k-Materialien als Isolatormaterial verwendet werden. Diese Dielektrika weisen extrem hohe Dielektrizitätszahlen ε_r auf, die bis zu 80 betragen können.
Vorgesehen ist in einer Applikationsschaltung, dass jeweils 2·64 Kondensatoren von einem Gyratorschaltkreis angesteuert werden sollen. Diese bilden zusammen jeweils einen Resonanzkreis und somit eine Grund-Speicherzelle für elektrische Energie
Bei einer Chipgrundfläche von 750 mm² in der Anwendung beträgt die Kantenlänge des Chip somit weniger als 30 mm. Die Gesamthöhe des Multilager-Substrats beträgt trotz des Aufbaus in Form von 600 Lagen unter Berücksichtigung von zusätzlichen Isolationsschichten lediglich weniger als 0,5 mm.
Aufgrund der hohen multilayer-spezifischen Integrationsdichte ist es auf jeden Fall von Vorteil, für die jeweils vorliegende Gesamtschaltung eine Netzwerkanalyse mit einer anschließenden Netzwerksynthese, wie in der DE 10 2004 021 421 bereits angedeutet, durchzuführen. Mit Hilfe derartiger Prozeduren ist es anschließend möglich, eine Vereinfachung der Schaltungsglieder vorzunehmen. Hierbei werden im ersten Schritt mit Hilfe einer Netzwerkcharakterisierung das zu ermittelnde Netzwerk durch eine hinreichende Anzahl von Funktionen gekennzeichnet, deren Parameter entsprechend von der Betriebsweise der Gesamtschaltung abhängen. Für die so ermittelten Funktionen, die das Netzwerk kennzeichnen, müssen jeweils notwendige und hinreichende Bedingungen aufgestellt werden.
Unter Berücksichtigung dieser ermittelten notwendigen und hinreichenden Bedingungen müssen sodann Funktionen, die das zu bestimmende Netzwerk charakterisieren, derart gewonnen werden, dass die gewünschten Betriebseigenschaften des Netzwerks beibehalten werden.
Die im vorausgegangenen Schritt gefundenen Funktionen sind nun durch ein Netzwerk der betrachteten Klasse zu simulieren bzw. zu realisieren. Es muss also ein Netzwerk vollständig angegeben werden, dessen kennzeichnende Funktionen mit den ermittelten Funktionen nach Möglichkeit identisch sind.
Die Realisierungsverfahren stellen nun mathematische Prozesse dar, in deren Verlauf sich auf rein deduktivem Wege die Struktur (Topologie) und die Elemente der Netzwerke einschließlich ihrer numerischen Werte ergeben.
Nach dem aktuellen Stand der Technik sollte es in der nahen Zukunft keinerlei unlösbare Schwierigkeiten bereiten, einen derartigen Halbleiterspeicher zur Speicherung von elektrischer Energie zu realisieren und in Großserie herzustellen.
Ebenfalls ist hierbei nochmals anzumerken, dass auf dem Gebiet der monolithisch integrierten Schaltkreise zwischenzeitlich bereits Schaltkreise auf dem Markt sind, die bis zu mehreren Milliarden von Transistoren enthalten.
Lediglich die Vielzahl der auf dem Substrat zu integrierenden Layer-Schichten, basierten auf dem relativ großen Flächenbedarf der Einzelkondensatoren, könnte hierbei derzeit noch eine gewisse technische Herausforderung darstellen.
Bezugszeichenliste

1: Kondensator-Matrix
2: Gyrator-Anordnung
3: Zwei MIS-(Metal-Isolated-Semiconductor)Kondensator-Einheiten
4: Zwei Verstärker
5: Energie-Kopplung
6: Substrat
7: Transistor-Einheit
8: Widerstand R_g
9: Kondensator
10: Gyratorschaltungsanordnung
11: Operationsverstärker
12: Kondensator C_i
13: Kondensator C_L

Liste der Figuren

Figur für die Zusammenfassung: 10

1 Übersichts-Schaltungsanordnung
2 Gyrator-Anordnung einschließlich Resonanzschaltkreis
3 Kondensator Matrix
4 Gyrator-Grundschaltung
5 Gyratorschaltung einschließlich Spulensimulation
6 Gyrator-Matrix
7 Gyratorschaltung einschließlich Mehrfachkondensatoranordnung
8 Prinzip einer Induktivitätssimulation
9 Chip-Anordnung (Prinzip)
10 Chip-Anordnung (komplett)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69525907 [0006]
DE 69923131 [0007]
DE 10357332 [0008]
EP 256580 [0009]
US 4272735 [0010]
EP 385450 [0012]
EP 171131 [0013]
WO 2006000168 [0014]
DE 833366 [0020]
DE 102004021421 [0062]

Claims

Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises, bestehend aus einer Kondensatormatrix (1) jeweils realisiert mit Hilfe einer Gyratorschaltung (2), zwei metallisolierten Halbleiterkondensatoranordnungen (3) sowie zwei Verstärkern (4) für die Energieentkopplung (5), ausgeführt auf einem Substrat (6), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Matrixanordnung mit Hilfe der Kondensatoren und damit des simulierten Schwingkreises Energie gespeichert wird und somit elektrischen Verbrauchern zur Verfügung steht.
Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gyratorschaltungsanordnung nach 2 auf der Basis der simulierten Schwingkreisschaltungen primär in ihrer Funktion als Energiespeicher herangezogen wird.
Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Gyratorverstärker zusätzlich zu ihrer Funktion als Operationsverstärker als Phasenschieber Verwendung finden.
Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkondensatoren, in Kombination mit den Gyratorschaltungen jeweils die Resonanzschwingkreisspeicherzellen bilden, wobei die Substratflächen als Grundlage für die Anordnung der Kondensatoren herangezogen bzw. ausgenutzt werden, und diese wiederum in Form einer dreidimensionalen Matrix angeordnet sind.
Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung primär als Wechselstrombatterie verwendet werden kann.
Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die komplette Schaltungsanordnung auf einem monolithisch integrierten Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Halbleiterverstärker zur Speicherung von elektrischer Energie auf der Basis eines generierten Schwingkreises nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranordnung in Form einer verketteten, aktiven RC-Matrix aufgebaut ist, die retrospektiv mit Hilfe einer Netzwerksynthese optimiert werden kann.