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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum variablen elektrischen Verschalten von auf einem Substrat angeordneten Bauteilen.
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Bei Entwicklungen im Bereich elektronischer Technologien spielen mehrere Parameter eine Rolle, beispielsweise Integrationsgrad, Auflösung, Betriebsfrequenz oder Betriebsspannung. Diese Parameter bestimmen die Eigenschaften und die Leistung elektronischer Strukturen bzw. Geräte. Neben den genannten Parameter ist die Anzahl von internen Verbindungen, d. h. die Verbindung jedes Elements mit anderen Elementen oder in anderen Worten wie viel Mal ein Element in einem Schema mit einem anderen Element des gleichen Schemas verbunden werden kann, wichtig, weil diese Anzahl auch die Leistung und Leistungsfähigkeit und den Integrationsgrad der darauf basierenden elektronischen Geräte bestimmt, indem mehrere Signale bei einem Time-Sharing bearbeitet werden können.
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Bei herkömmlichen Leiterplatten mit FR-4, Keramik oder Silizium als Trägersubstrat wird eine elektrische Verbindung zwischen Bauteilen bzw. einzelnen Komponenten durch metallische Leiterzüge gewährleistet. Jedes Bauteil bzw. jede Komponente, die auf der Leiterplatte montiert ist, soll nur eine Funktion übernehmen und somit realisiert das gesamte, aus den einzelnen Bauteilen aufgebaute Schema auch nur eine bestimmte Funktion. Damit die einzelne Leiterplatte mehrere Funktionen gewährleisten kann, müssten noch zusätzliche Bauteile und entsprechende Leiterpfade auf das Trägersubstrat aufgetragen werden. Hierdurch muss aber auch die Leiterplatte als Trägersubstrat größer werden, wobei eine Größe der Bauteile geringer wird und alle Bauteile dicht auf dem Trägersubstrat platziert sind, wobei sich aber auch Leiterpfade mehrmals überqueren. Schließlich entsteht das so genannte Problem der ”Tyrannei der Zwischenverbindungen”, wenn die Komponenten und die metallischen Leiterpfade sich für die Signalübertragung zu nah beieinander befinden und somit eine Signalstörung hervorrufen.
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Zur Lösung dieses Problem ist aus
US 7,333,682 B2 eine Vorrichtung bekannt, bei der ein fotoelektrisches Kompositverbindungsaufbau und ein darauf basierendes elektrisches Gerät verwendet werden. Ein Teil der elektrischen Schaltungen ist durch eine optische Übertragungsleitung ersetzt. Die Übertragungsfunktion ist durch einen Lichtwellenleiter realisiert, der auf einem flexiblen Substrat aufgebracht wurde. Ein elektrisches Signal wird hierbei zur Übertragung in ein optisches Signal umgewandelt. Nachteilig an diesem System ist jedoch, dass ein stationärer Lichtwellenleiter sowie komplexe Bauteile bzw. Bauelemente nötig sind, um zwei Stellen des Schaltkreises verbinden zu können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die die genannten Nachteile vermeiden, mit denen also variable elektrische Verbindungen auf einem Trägersubstrat schnell und zuverlässig generierbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Vorrichtung zum variablen Verschalten von auf einem Substrat angeordneten Bauteilen weist ein Substrat mit einem Beleuchtungselement zum gezielten Bestrahlen vorgegebener Bereiche des Substrats mit elektromagnetischer Strahlung auf. Außerdem ist eine Steuervorrichtung zum Steuern einer räumlichen Verteilung und bzw. oder Positionierung der auf den vorgegebenen Bereichen des Substrats emittierten elektromagnetischen Strahlung vorgesehen. Das Substrat ist aus einem Werkstoff derart ausgebildet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs durch Bestrahlen mit der elektromagnetischen Strahlung lokal definiert erhöhbar ist, so dass die mit der elektromagnetischen Strahlung beaufschlagten Bereiche temporär elektrisch leitfähig sind und für die Zeit des Bestrahlens eine lokal definierte, im zeitlichen Verlauf in ihrer Form und in ihren Abmessungen veränderbare elektrisch leitende Verbindung erreichbar ist und bzw. oder durch das Bestrahlen mindestens ein passives oder aktives elektrisches und bzw. oder elektronisches Bauteil in dem Substrat ausgebildet ist.
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Indem die elektrisch leitenden Verbindungen bzw. Leiterzüge temporär auf dem Substrat, insbesondere auf einer Oberfläche des Substrats erzeugt werden, kann eine zeitlich variable Verschaltung mit einer Vielzahl von Verbindungen erreicht werden. Durch das Ausbilden fotoleitender Pfade, d. h. dynamischer Inhomogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstands in dem Substrat, bei denen die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zur Umgebung durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung erhöht ist bzw. der elektrische Widerstand reduziert ist, kann ein Schema auf gleicher Komponentenbasis je nach realisierter Verschaltung mehrere Funktionen bereitstellen. Somit werden stationäre, auf dem Substrat aufgetragene Leiterpfade durch temporäre fotoleitende Pfade ersetzt und es wird eine Anzahl von auf dem Substrat aufzubringenden Bauteilen reduziert und das Problem der Tyrannei der Zwischenverbindungen gelöst. Neben passiven Bauteilen können auch aktive Bauteile wie Feldeffekt- oder Bipolartransistoren und Dioden, logische Elemente wie UND-NICHT, ODER-NICHT-Schaltungen oder Multiplexer realisiert werden.
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Typischerweise sind mindestens zwei auf dem Substrat angeordnete und mit dem Substrat elektrisch leitend verbundene elektrische oder elektronische Bauteile vorgesehen, wobei die in ihren Abmessungen veränderbare elektrisch leitende Verbindung vorzugsweise zwischen den Bauteilen ausgebildet wird. Es kann somit neben einer Schaltung, die komplett ohne aufgebrachte konventionelle Bauteile aufgebaut ist, durch das Vorsehen derartiger Bauteile eine Variabilität erhöhrt werden. Die elektrischen oder elektronischen Bauteile sind typischerweise elektrische Widerstände und weisen vorzugsweise einen elektrischen Widerstandzwischen 0,1 Ohm und 1013 Ohm auf. Es können aber auch Kondensatoren verwendet werden, die typischerweise Kapazitäten im Piko- oder Femtofaradbereich (10–12 F bis 10–15 F F). Alternativ oder zusätzlich können auch Induktivitäten im Picohenry oder Femtohenrybereich zum Einsatz kommen (10–12 H bis 10–15 H). Durch eine Erhöhung der Anzahl von internen Verbindungen in elektronischen Strukturen des Substrats können die auf dem Substrat montierten Bauteile multifunktional genutzt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Beleuchtungselement eine Vielzahl von elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen aufweist, wobei ein Durchmesser eines von einem einzelnen der elektromagnetischen Strahlung emittierenden Elementen emittierten Strahls größer als eine für den Substratwerkstoff spezifische Korngröße ist. Dies stellt sicher, dass die elektrische Leitfähigkeit über mehrere Körner als Struktureinheiten des Substratwerkstoffs definiert einstellbar ist. Die Vielzahl der Elemente erlaubt es außerdem, beliebige und variable Muster zu erzeugen.
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Typischerweise beträgt der Durchmesser des emittierten Strahls zwischen 0,5 μm und 1,5 μm, um eine ausreichend breite, aber gleichzeitig auch hinlänglich kleine Leiterbahn zu realisieren.
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Die elektromagnetische Strahlung emittierenden Elemente können unabhängig voneinander von der Steuervorrichtung ansteuerbar oder regelbar sein. Insbesondere kann eine Intensität eines der Elemente unabhängig von den anderen Elementen angesteuert oder geregelt werden.
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Die Intensität der Beleuchtung bestimmt die elektrische Leitfähigkeit der entstehenden Leitungspfade und ermöglicht auch passive Bauteile wie Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände temporär auf dem Substrat zu erzeugen.
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Das Beleuchtungselement sollte als eine Matrix oder als ein Array mit elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen, die vorzugsweise durch Leuchtdioden realisiert sind, ausgebildet sein, um eine möglichst variable Gestaltung der durch die Beleuchtung sich ausbildenden dynamische Inhomogenitäten im Substrat realisierten elektrischen Verbindungen zu ermöglichen. Die elektromagnetische Strahlung emittierenden Elemente können in der Matrix oder dem Array zeilen- und spaltenförmig, aber auch spiralförmig oder kreisförmig angeordnet sein.
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Die Steuervorrichtung kann einen Mikroprozessor aufweisen, der vorzugsweise auf dem Substrat angeordnet ist. Dies ermöglicht eine kompakte Bauart, bei der durch einen in einem breiten Bereich programmierbaren Mikroprozessor im zeitlichen Verlauf verschiedene temporär elektrisch leitfähige Bereiche, also verschiedene dynamische Inhomogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstands im Substrat ausgebildet werden können.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Beleuchtungselement in unmittelbar berührendem Kontakt, also direktem Kontakt mit dem Substrat angeordnet ist, um eine maximale Intensität der elektromagnetischen Strahlung auf dem Substrat zu erreichen. Alternativ kann das Beleuchtungselement auch in einem Abstand zwischen 0,0001 mm und 1,1 mm zu einer Oberfläche des Substrats angeordnet sein.
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Typischerweise ist das Substrat aus oder mit Cadmiumslufid ausgebildet, kann also sowohl komplett aus Cadmiumsulfid sein als auch zumindest eine Oberfläche aus Cadmiumsulfid aufweisen. Alternativ kann das Substrat auch aus oder mit Cadmiumtellurid (CdTe), fotoelektrischem Galliumarsenid (GaAs), fotoelektrischem Silizium (Si), fotoleitenden Kompositwerkstoffen, löslichen fotoleitenden Polyamide, Vanadium(III)-oxid (V2O3) oder einem ähnlichen Werkstoff mit fotoelektrischem Phasenübergang bei einer Beleuchtung ausgebildet sein. Indem ein Substrat verwendet wird, dessen elektrische Eigenschaften unter Einwirken einer externen Kraft veränderbar sind, können dynamische, also nur temporär auftretende, elektrisch leitende Verbindungen geschaffen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Beleuchtungselement elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 480 nm und 560 nm emittiert, um möglichst spezifisch und effizient die dynamischen Inhomogenitäten, d. h. die in ihrer Leitfähigkeit veränderten Bereiche im Substrat zu erzeugen.
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Mindestens eines der elektronischen Bauteile sollte einen elektrischer Widerstand, einen Feldeffekttransistor, eine Diode und bzw. oder einen Bipolartransistor aufweisen, so dass verschiedene Schaltungen realisierbar sind.
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Bei einem Verfahren zum variablen elektrischen Verschalten von auf einem Substrat angeordneten Bauteilen wird die elektrische Leitfähigkeit des Substrats durch Bestrahlen einer von einem Beleuchtungselement emittierten elektromagnetischen Strahlung auf vorgegebene Bereiche des Substrats lokal definiert bereichsweise erhöht. Eine räumliche Verteilung der elektromagnetischen Strahlung wird von einer Steuervorrichtung gesteuert. Die mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagten Bereiche des Substrats werden somit temporär elektrisch leitfähig und für die Zeit des Bestrahlens wird eine lokal definierte, im zeitlichen Verlauf in ihrer Form und ihren Abmessungen veränderbare elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen erreicht wird und bzw. oder durch das Bestrahlen mindestens ein passives elektrisches und bzw. oder elektronisches Bauteil in dem Substrat ausgebildet wird.
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Das beschriebene Verfahren wird typischerweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Substrat mit Bauteilen, die eine ODER-NICHT-Funktion implementieren und
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2 eine 1 entsprechende Ansicht des Substrats, wobei nun eine UND-NICHT-Funktion implementiert ist.
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In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht ein fotoleitendes Substrat 1 aus polykristallinem Cadmiumsulfid, CdS gezeigt. Je nach Intensität einer Beleuchtung mit elektromagnetischer Strahlung 9 der Wellenlänge 540 nm kann der Flächenwiderstand des Substrats 1 zwischen 10 Ohm/☐ und 10–6 Ohm/☐ variiert werden. Auf dem Substrat 1 sind metallische elektrische Kontakte 2 und ein Erdanschluss 3 aufgebracht. Außerdem sind elektronische Komponenten e, f, k als Feldeffekttranistoren über ihre metallischen Kontakte s, g, d auf dem Substrat 1 angeordnet. Die elektrischen Kontakte 2 und 3 sind als dünne Metallfolien mit einer Schichtdicke von 0,5 μm auf dem Substrat 1 abgeschieden worden.
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Über ein elektronisches Interface 4 sind die elektrischen Kontakte 2 und der Erdanschluss 3 mit einem Mikroprozessor 6 als Steuereinheit und entsprechenden Signalspeichern 5 des Mikroprozessors 6 verbunden. Eingänge der Signalspeicher 5 werden durch Eingangsspannungen angesteuert und dienen als steuerbare Verzögerungslinie mit einem Puffer, so dass sie eine gleichzeitige Übertragung eines Signals von den Ausgängen der Signalspeicher 5 zu den metallischen elektrischen Kontakten 2 gewährleisten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Mikroprozessor 6 auf dem Leuchtdiodenarray 7 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor 6 aber auch auf dem Substrat 1 angeordnet sein.
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In direktem Kontakt mit dem Substrat 1 ist unterhalb des Substrats 1 ein Leuchtdiodenarray 7* angeordnet. Außerdem ist oberhalb des Substrats 1 in einem Abstand von 1 mm ein weiteres Leuchtdiodenarray 7 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch lediglich ein einzelnes Leuchtdiodenarray 7, 7* vorgesehen sein. Dadurch dass die Leuchtdioden der beiden Leuchtdiodenarray unabhängig voneinander durch den Mikroprozessor 6 ansteuerbar sind, können beliebige Beleuchtungsmuster, also beliebige räumliche Verteilungen der Beleuchtung, von den beiden Leuchtdiodenarrays 7 und 7* erzeugt werden. Die beiden Leuchtdiodenarrays 7 und 7* können hierbei identische Muster oder verschiedene Muster erzeugen. Eine Reihenfolge des Einschaltens ergibt, welches Schema bzw. Muster erzeugt wird. Alle Leuchtdioden eines der Leuchtdiodenarrays 7 und 7* sind identisch und emittieren im dargestellten Ausführungsbeispiel elektromagnetische Strahlung 9 der Wellenlänge 540 nm. In weiteren Ausführungsbeispielen kann jedoch auch mindestens eine der Leuchtdioden eines der Leuchtdiodenarrays 7 und 7* elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge emittieren, die von der Wellenlänge der von den restlichen Leuchtdioden emittierten elektromagnetischen Strahlung abweicht. Bei optisch durchlässigen Substraten, d. h. bei Substraten, bei denen eine Intensität auftreffender Strahlung nach Durchlaufen des Substrats auf höchstens einen Anteil von 1/e der auftreffende Intensität gefallen ist. Zur Effizienzverbesserung können jedoch zwei oder mehr Leuchtdiodenarrays 7 und 7* verwendet werden, die typischerweise auf verschiedenen Seiten des Substrats 1 angeordnet sind, aber ein identisches Beleuchtungsmuster auf dem Substrat 1 erzeugen.
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Nachdem die Leuchtdioden, gegebenenfalls auch mit unterschiedlicher Intensität der Beleuchtung, eingeschaltet sind, beginnen Übergangsprozesse im Werkstoff des Substrats 1. Nach einer Übergangsphase wird ein Signal durch einen Bus 8 auf die metallischen elektrischen Kontakte 2 übertragen. Die Intensität der emittierten Strahlung 9 wird durch den Mikroprozessor 6 gesteuert. Durch die emittierte elektromagnetische Strahlung 9 erfolgt eine Bildung von Lichthöfen 10 mit einem Durchmesser von 0,5 μm bis 1,5 μm. Diese Lichthöfe 10 bestimmen die Apertur eines Leiterkanals auf einer Oberfläche des Substrats 1. Eine Korngröße des Cadmiumsulfurids ist hierbei viermal kleiner als eine Größe eines der Lichthöfe 10.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich die in dieser Figur rechts oben schematisch gezeigte Schaltung, die als logische Funktion ”ODER-NICHT” realisiert. Eingangsspannungen U1 und U2 sind jeweils am Eingang der Signalspeicher 5 angelegt. Auf Kommando des Mikroprozessors 6 formen die Leuchtdiodenarrays 7 und 7* Lichthöfe 10 auf den Oberflächen des Substrats 1. Diese Lichthöfe 10 ergänzen eine bestimmte bestrahlte Fläche und erzeugen damit durch Photoeffekt und innere elektroleitende Verbindungen zwischen den elektronischen Komponenten fotoleitende Pfade 11 mit einer hohen Konzentration von Fotoelektronen in einer Oberflächenschicht des Substrats 1. Gleichzeitig realisiert der Mikroprozessor 6 über das Interface 4 durch die synchronisierten Eingangsspannungen U1 und U2, die über fotoleitende Pfade 11 an Eingängen In A und In B der Transistoren VT2(e) und VT3(f) übertragen sind die logische Funktion ”ODER-NICHT”. Ein Widerstand 12 wird hierbei durch eine Reduzierung der Intensität von einigen Leuchtdioden zumindest eines der Leuchtdiodenarrays 7 und 7* erzeugt, indem die Konzentration der Fotoelektronen durch die verminderte Intensität reduziert und damit der elektrische Widerstand in diesem Bereich erhöht wird. Die Stromversorgung ist an dem metallischen elektrischen Kontakt 2 angelegt und wird weiter zu dem entsprechenden elektronischen Kontakt übertragen. Eine Ausgangsspannung Out C ist wiederum über die fotoleitenden Pfade 11 übertragen und an dem elektrischen Kontakt 2 registriert.
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2 zeigt in einer 1 entsprechenden Darstellung das in 1 gezeigte Substrat 1, bei dem nun jedoch durch eine gegenüber 1 veränderte Beleuchtung eine andere logische Funktion realisiert ist. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Bei der in 2 dargestellten Schaltung werden die gleichen Transistoren e, f und k wie bei dem in Figur gezeigten Ausführungsbeispiel genutzt, nun aber zu einem gegenüber dem in 1 gezeigten Zustand später durch den Mikroprozessor 6 realisierten Zustand. Die Spannungen U1 und U2 sind über vorher erzeugte fotoleitende Pfade 11 an die Eingänge In A und In B der Transistoren VT2(e) und VT2(f) angelegt. Dabei wird nun die logische Funktion ”UND-NICHT” realisiert. Die Form der fotoleitenden Pfade 11 sowie der elektrische Widerstand gewährleisten die Energieversorgung und die Registrierung der Ausgangsspannung Out C, die wie in 1 im Schaltplan auf der rechten Seite von 2 nochmals angegeben ist.
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Die Transistoren e, f und k können in einem anderen Zeitraum (Time-Sharing) für die Realisierung anderer funktionaler Schemata, beispielsweise Verstärker, Oszillatoren oder Filter, benutzt werden. Dies ist durch eine entsprechende Programmierung des Mikroprozessors 6, der auch als Synchronisierer genutzt wird, möglich.
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Durch die Realsierung dynamischer Inhomogenitäten in Form der fotoleitenden Pfade 11, die eine hohe Konzentration von Fotoelektronen aufweisen und somit quasi-metallische Leiterzüge ausbilden, ist es möglich, die gleichen Bereiche des fotoleitenden Substrats 1 zu nutzen, um das Signal in durch die Programmierung des Mikroprozessors 6 vorgegebene Richtungen zu übertragen, was einer Erhöhung der Anzahl von Verbindungen zwischen den elektrischen oder elektronischen Komponenten entspricht, ohne hierfür eine Mehrlagen- bzw. Multilayer-Struktur vorsehen zu müssen. Hierdurch wird eine multifunktionale Nutzung der gleichen elektronischen Komponenten bzw. Bauteile im Zeitverteilungsmodus realisiert sowie eine Erzeugung passiver elektronische Komponenten wie elektrischer Widerstände, Kapazitäten oder Induktivitäten durch Variieren der Intensität und Parameter der Bestrahlung an entsprechenden Bereichen des fotoleitenden Substrats 1 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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