DE1024118B - Anordnung zur Speicherung von durch elektrische Signale dargestellten Werten mittels eines Kondensators - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bekanntlich werden zur Speicherung von Werten neben anderen Bauelementen auch Kondensatoren benutzt. Bei derartigen Kondensatorspeichern ist die Ladung bzw. die Spannung des Kondensators ein Maß für den gespeicherten Wert. Ein Nachteil dieser Speicher ist, daß die gespeicherte Ladung im Laufe der Zeit infolge der Isolationswiderstände abfließt, so daß eine wiederholte Aufladung der Kondensatoren erforderlich ist.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, sogenannte Fritter oder Kohärer als Speicherelemente anzuwenden. Dieses Bauelement besteht im einfachsten Fall aus zwei leitenden Elektroden, zwischen denen sich lose eine Metallpulverfüllung befindet. Wird an die Elektroden eine Spannung bestimmter Größe angelegt, so werden die im Ausgangszustand nur ganz wenig leitenden Metallpulverteilchen plötzlich gut leitend und bleiben in diesem Zustand. Um den Ausgangszustand des Fritters wiederherzustellen, müssen die Metallteilchen beispielsweise durch Erschütterung durcheinandergemischt werden.

Weiterhin sind sogenannte selbstheilende Kondensatoren bekannt, d. h. Kondensatoren, bei denen der Kurzschluß ihrer Belegungen bei einem Durchschlag durch Schmelzen der Kondensatorelektrode (Folie) an der Durchschlagstelle oder durch Bildung einer isolierenden Zwischenschicht an der Durchschlagstelle behoben wird.

Die Erfindung vermeidet diese erwähnten Nachteile bei Kondensatoranordnungen zur Speicherung von Werten, die durch elektrische Signale dargestellt werden, dadurch, daß ein an sich bekannter, sogenannter selbstheilender Kondensator verwendet wird, dem zur Werteingabe oder Wertentnahme wahlweise Spannungen derart zugeführt werden, daß eine leitende Brücke durch das Dielektrikum entsteht und erhalten bleibt oder eine leitende Brücke verschwindet. Die Anordnung wirkt also ohne leitende Brücke wie eine Kapazität, mit leitender Brücke wie ein leitender Kohärer, der jedoch nicht durch mechanische Erschütterung, sondern unmittelbar durch Anlegen einer geeigneten Spannung nichtleitend, d. h. zu einer reinen Kapazität wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die eine Elektrode aus einem metallischen Leiter und die andere Elektrode aus einem Halbleiter, während das Dielektrikum aus der Oxydationsschicht einer leitenden Elektrode besteht. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, die Anordnung wahlweise als Gleichrichter oder als Kapazität zu benutzen.

Obwohl als Ausführungsbeispiel die Verwendung der Anordnung als Speicherelement beschrieben wird, ist auch eine Verwendung z. B. als Schalter oder zu ähnlichen Zwecken in vorteilhafter Weise möglich.

Anordnung zur Speicherung
von durch elektrische Signale

dargestellten Werten
mittels eines Kondensators

Anmelder:

IBM Deutschland

Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m.b.H.,
Sindelfingen (Württ), Böblinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1954

Martin John Kelly, Endicott, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Weitere Merkmale enthält die durch Zeichnungen erläuterte Beschreibung. In den Zeichnungen ist

Fig. 1 ein Schaltbild der als Speicherelement verwendeten Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Darstellung eines Speicher-Entnahmesignals,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Speicherelementes mit einer Halbleiterelektrode.

Fig. 1 stellt eine Speichereinheit 11 dar, bestehend aus den Metallelektroden 12 und 13 (im Querschnitt dargestellt), die durch einen nichtleitenden Stoff 14 voneinander getrennt werden. Diese Elektroden können beide aus dem gleichen oder aus verschiedenen Stoffen bestehen; sie müssen nur verhältnismäßig gute Leiter sein. Die Dicke der nichtleitenden Schicht 14 ist nicht maßstabsgerecht dargestellt, sondern stark übertrieben. Der Nichtleiter 14 wird zweckmäßig als Oxydationsschicht auf der Elektrode 12 oder 13 aufgebracht. Die beiden Elektroden 12 und 13 werden in engen Kontakt miteinander gebracht, und zwar so, daß die nichtleitende Schicht 14 zwischen ihnen liegt. Zur Einführung eines Eingangsimpulses, d. h. um einen Wert zu speichern, ist eine Gleichstromspannungsquelle 18 vorgesehen, die z. B. eine Batterie sein kann. Eine Elektrode 12 ist durch einen Draht 19 direkt mit der Spannungsquelle 18 verbunden, während der andere Pol der Spannungsquelle über den Schalter 20 und den Widerstand 21 an die Elektrode 13 der Speichereinheit 11 angeschlossen ist.

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Zur Wertentnahme aus der Speichereinheit 11 ist daraufhin die zur Speicherentnahme erforderliche eine weitere elektrische Energiequelle 25 vorhanden, Spannung angelegt wird, fließt ein Strom durch die die als parallel geschaltete Batterie dargestellt ist. Dies Brücke, der infolge des sehr kleinen Querschnitts eine soll andeuten, daß die Quelle 25 bei relativ niedriger hohe Stromdichte und damit eine Erhitzung des Me-Spannung einen hohen Strom liefern kann. Der eine 5 tails verursacht. Es wird angenommen, daß bei diesem Pol der Spannungsquelle 25 ist über einen Wechsel- Vorgang die Temperatur unter dem Siedepunkt bleibt, schalter 26 wahlweise mit der Elektrode 12 oder der da das Metall der Brücke schnell oxydiert, und die Elektrode 13 der Speichereinheit 11 verbunden. Der Oxydationsschicht die Verbindung der Elektroden andere Pol der Spannungsquelle 25 ist über den Schal- wieder unterbricht.

ter 27 und den Widerstand 28 an den anderen Kon- io Durch den Betrieb der Speichereinheit 11 in einer taktsatz des Wechselschalters 26 angeschlossen, so besonderen Atmosphäre lassen sich besondere Effekte daß er ebenfalls wahlweise mit der Elektrode 12 erzielen. Beispielsweise wird, wenn die Einheit in oder 13 verbunden werden kann. Der Schalter 26 einer Sauerstoffatmosphäre betrieben wird, eine stellt also einen Stromwender dar. Die Ausgangs- schnellere Trennung oder Bildung der Speicherbrücke signalklemmen 31 und 32 sind mit den Enden des 15 39 bewirkt. Auch kann die Lebensdauer der Einheit Widerstandes 28 verbunden. Unterbrochen gezeichnete verlängert werden, wenn der Sauerstoff im NichtLinien stellen außerdem ein Relais 35 mit einem Kon- leiter 14 beim Gebrauch verlorengeht, taktsatz 36 dar, das an die Ausgangssignalklemmen Es ist zu bemerken, daß an Stelle der einfachen

31 und 32 angeschlossen ist. Schalter 20 und 27 in den Eingangs- und Ausgangs-

In Fig. 1 ist eine leitende Brücke 39 zwischen den 20 kreisen auch Schalter komplizierterer Art verwendet Elektroden 12 und 13 eingezeichnet. Die Stelle auf werden können, z. B. Vakuumröhren-, Transistorender Oberfläche einer der Elektroden, an der sich diese oder ähnliche elektronische Schalter. Brücke bildet, ist ähnlich wie bei den üblichen Durch- Der Wechselschalter 26 hat die Aufgabe, die Rich-

schlägen nicht mit Sicherheit vorauszusagen. Wenn tung des Stromes durch die Speicherbrücke 39 umalso bei Zuführung eines Eingangssignals, d. h. wenn 25 zukehren, so daß zum Zwecke der Entnahme eines Schalter 20 geschlossen wird, die relativ hohe Span- gespeicherten Wertes die wirksamste Richtung des nung der Spannungsquelle 18 auf die durch den Nicht- Stromes benutzt werden kann, ohne Rücksicht auf die leiter 14 getrennten Elektroden 12 und 13 einwirkt. Richtung des Stromes, der bei der Werteingabe die dann findet an einer Stelle des Nichtleiters 14 ein Brücke bildete.

Durchschlag statt. An dieser Stelle erhitzt der Strom- 30 Im Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die fluß das Metall oder den Leiter so stark, daß es Speichereinheit Aluminiumelektroden mit einer schmilzt und zwischen den beiden Elektroden 12 Schicht aus Aluminiumoxyd als Nichtleiter. Es kön- und 13 eine relativ gut leitende Brücke entsteht. nen jedoch auch viele andere Metalle verwendet wer-

Zur Entnahme eines gespeicherten Wertes, d. h. den, und der Nichtleiter braucht nicht aus dem Oxyd um zu bestimmen, ob sich eine Brücke 39 gebildet 35 desselben Metalls wie die Elektroden zu bestehen, hat, wird der Schalter 27 im Auisgangskreis ge- Das Dielektrikum braucht überhaupt nicht unbedingt schlossen. Die Elektroden 12 und 13 liegen dadurch ein Metalloxyd zu sein.

an einer relativ niedrigen Spannung, so daß über die Die Eingangs- und Ausgangssignale brauchen auch

niederohmige Brücke 39 ein kräftiger Strom fließt. nicht unbedingt über getrennte Stromkreise durch die Da die Durchschlagstelle sehr klein, d. h. der Quer- 40 Speicherzelle zu verlaufen, weil für beide Signale schnitt der Brücke 39 sehr gering ist, erhitzt der über keine verschiedenen Spannungsstufen erforderlich die Brücke 39 fließende Strom das Metall der Brücke sind.

schnell. Durch das Erhitzen der Brücke findet eine Fig. 3 stellt eine Speichereinheit 43 dar, deren Elek-

Oxydation, genauer ausgedrückt, eine Reoxydation troden aus zwei verschiedenen leitenden Stoffen bedes Metalls oder des Leiters statt, so daß die Brücke 45 stehen. Die eine Elektrode 44 besteht aus Kupfersulfid abgebrochen wird. Dieser Vorgang erzeugt einen (CuS), das zweckmäßigerweise vor Lufteinwirkung Ausgangsimpuls der in Fig. 2 dargestellten Form. geschützt ist.

Der zeitliche Stromverlauf ergibt die Kurve 40. Die zweite Elektrode 45 besteht aus Magnesium,

Nachdem der Strom schnell sein Maximum erreicht das auf der Oberfläche eine dünne Schicht aus Ma- und dabei die Brücke 39 geschmolzen und zurück- 50 gnesiumoxyd (MgO) trägt. Zwischen den beiden oxydiert hat, fällt der Strom langsam auf einen nied- Elektroden 44 und 45 befindet sich also eine dielekrigen Wert, der dem hohen Widerstand des Nicht- trische Schicht 46. Die Elektroden werden auf übliche leiters 14 entspricht. Der Ausgangsimpuls ist am Weise (nicht dargestellt) in enger Berührung mit-Widerstand 28 und damit an den Ausgangsklemmen einander gehalten, um einen möglichst gleichmäßigen 31 und 32 abzugreifen. 55 Abstand der leitenden Schichten zu erreichen.

Bei geeigneter Bemessung der Schaltung kann die Eine Wechselstromquelle 51 ist an die Eingangs-

Spule des Relais 35 unmittelbar an die Ausgangs- klemme 50 angeschlossen, während die andere Seite anschlüsse 31 und 32 angeschlossen werden, wie es der Wechselstromquelle 51 geerdet ist. Zwischen Erde durch die unterbrochene Linie, die das Relais 35 kenn- und der Ausgangsklemme 52 ist ein Ausgangswiderzeichnet, dargestellt wird. Durch einen Ausgangs- 60 stand 53 angeschlossen. Die Anschlüsse 50 und 52 impuls wird also der Kontakt 36 des Relais 35 um- führen unmittelbar an die Elektroden 44 bzw. 45. Der gelegt, um einen gespeichert gewesenen Wert Eingabestromkreis enthält eine Gleichstromspannungsanzuzeigen. quelle 58, die über einen Widerstand 59 den Konden-

Die genauen Einzelheiten der Wirkungsweise, die sator 56 dauernd geladen hält. Die eine Belegung des zur Bildung und Auflösung der Brücke führen, sind 65 Kondensators ist mit der Elektrode 44 verbunden, nicht bekannt. Eine erklärende Theorie besagt, daß und die andere Belegung kann über den Schalter 57 beim Durchschlag (Eingangssignal) der Siedepunkt mit der Elektrode 45 verbunden werden, des Elektrodenmaterials erreicht ist, so daß sich aus Die Arbeitsweise ist wie folgt: Im Ausgangszustand

diesem Grunde eine Brücke bildet, die das Metall ist die Einheit 43 in beiden Stromrichtungen gesperrt, zumindest einer der beiden Elektroden enthält. Wenn 70 Nachdem an die Eingangskieminen ein Eingangssignal

mit einer bestimmten Amplitude angelegt wurde, wird der Schalter 57 geschlossen, um eine Angabe zu speichern. Dadurch entlädt sich der Kondensator 56 über die dielektrische Schicht zwischen den Elektroden 44 und 45, so daß, wenn nunmehr ein Wechsel-Stromsignal mit einer geringeren Amplitude an die Eingangsklemme 50 gelegt wird, an der Ausgangsklemme 52 ein gleichgerichtetes Ausgangssignal entsteht. Soll der Speicherwert gelöscht werden, so wird die Amplitude des Wechselstrom-Eingangssignals erhöht und dadurch der Strom durch die Elektrodenanordnung 44, 45, 46 in beiden Richtungen gesperrt. Bei der vorher erwähnten Beschaffenheit der Einheit 43 leitet diese den Strom nur in einer Richtung. Der Speicher kann jedoch auch so betrieben werden, daß im Ausgangszustand die Elektroden 44_, 45 in der einen Richtung einen Strom durchlassen. Zur Eingabe eines Wertes wird eine Wechselspannung angelegt, deren Amplitude so hoch ist, daß die Einheit 43 dadurch wieder in beiden Richtungen gesperrt wird. Sie verbleibt in diesem Zustand, bis der Kondensator 56 durch die Einheit entladen wird, so daß diese wiederum in der einen Richtung leitend wird.

Erprobte Werte der in Fig. 3 dargestellten Speichereinheit sind:

Eine Wechsel-Eingangsspannung von 15 V oder mehr unterbindet einen Stromdurchgang durch die Einheit 43, während die Entladung eines Kondensators von 5 Mikrofarad, auf 150 V aufgeladen, die Einheit in der einen Richtung wieder leitend macht. Im leitenden Zustand ist ein Strom von der Kupfersulfidanode 44 zur Magnesiumanode 45 möglich, und der Entladestrom des Kondensators 56 muß ebenfalls in dieser Richtung fließen.

Die Speichereinrichtung nach der Erfindung läßt sich in die verschiedensten Stromkreise einfügen, und zur Eingabe und Ausgabe der Speicherung können beliebige Stromquellen vorgesehen sein.

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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Speicherung von Werten, die durch elektrische Signale dargestellt werden, mittels eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter, sogenannter selbstheilender Kondensator (11,43) verwendet wird, dem zur Werteingabe oder Wertentnahme wahlweise Spannungen (18,25; 51,58) derart zugeführt ■werden, daß eine leitende Brücke (39) durch das Dielektrikum (14, 46) entsteht und erhalten bleibt oder eine leitende Brücke (39) verschwindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der leitenden Brücke (39) durch das Dielektrikum (14, 46) durch einen von einer Gleichspannungsquelle (18, 58) vorzugsweise relativ hoher Spannung gelieferten Impuls verursacht wird.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12, 13) aus gut leitfähigem Material, vorzugsweise aus gleichem Stoff, bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer Gleichspannungsquelle (25) vorzugsweise relativ niedriger Spannung gelieferter Impuls die Entfernung der leitenden Brücke (39) durch das Dielektrikum (14, 46) verursacht.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (45) aus einem metallischen Leiter, vorzugsweise Magnesium, und die andere Elektrode (44) aus einem Halbleiter, vorzugsweise Kupfersulfid, besteht.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannung (51) die Entfernung der leitenden Brücke (39) durch das Dielektrikum verursacht.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (14, 46) aus der Oxydationsschicht des Materials einer der Elektroden (12,13, 45) besteht.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12, 13,44,45) und das Dielektrikum (14,46) mit einer besonderen, vorzugsweise aus Sauerstoff bestehenden Atmosphäre umgeben sind.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den zur Bildung und Entfernung der leitenden Brücke (39) durch das Dielektrikum dienenden Stromkreisen Widerstände (21, 28, 53) vorgesehen sind zur Abnahme von den gespeicherten Werten entsprechenden Spannungen.

10. Anwendung der Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 5, 6, 7 und 8 als Schaltelement, das wahlweise als Kondensator oder als Gleichrichter wirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 224 292.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 879/131 2.