DE1042763B - Fadenhalbleiteranordnung mit mehreren stabilen Arbeitspunkten - Google Patents

Fadenhalbleiteranordnung mit mehreren stabilen Arbeitspunkten

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DE1042763B DES47179A DES0047179A DE1042763B DE 1042763 B DE1042763 B DE 1042763B DE S47179 A DES47179 A DE S47179A DE S0047179 A DES0047179 A DE S0047179A DE 1042763 B DE1042763 B DE 1042763B
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Description

DEUTSCHES
Es sind fadenförmige Halbleiteranordnungen (Fadenhalbleiteranordnungen) mit Emitter und zwei an verschiedenen Spannungen liegenden sperrfreien Kontakten (Basiskontakten) an zwei gegenüberliegenden Enden des Halbleiterkristalls und mit mehreren stabilen Arbeitspunkten bekannt. Das einfachste Bauelement dieser Art wird bisweilen auch als Doppelbasisdiode bezeichnet. Bei Vorhandensein eines zusätzlichen Kollektors ist auch vom Doppelbasistransistor gesprochen worden. Um eine klare physikaiische Kennzeichnung dieser Bauelemente zu erhalten, sollen im folgenden die Anordnungen mit Emitter und zwei an verschiedenen Spannungen liegenden sperrfreien Basisanschlüssen als »Fadendioden« und die Anordnungen mit Emitter, Kollektor und zwei an verschiedenen Spannungen liegenden sperrfreien Basisanschlüssen als »Fadentransistor« bezeichnet werden. Sie können für Schaltzwecke verschiedenster Art verwendet werden. Es ist ferner bekannt, mehrere derartige Bauelemente miteinander zu kombinieren, um Zahl- oder Speichervorgänge nach dem Dualsystem durchzuführen.
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, den Anwendungsbereich einer solchen Fadenhalbleiteranoirdnung zu erweitern unter gleichzeitiger Vereinfachung des baulichen Aufwandes und der Schaltung.
Die Erfindung betrifft eine Fadenhalbleiteranordnung mit mehreren stabilen Arbeitspunkten, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit zwei sperrfreien., an verschiedenen Potentialen liegenden Basiselektroden sowie einer Emitterelektrode mit p-n-Übergang. Gemäß deir Erfindung ist vorgesehen, daß auf dem gleichen Halbleiterkörper weitere Emitterelektroden mit p-n-Übergängen angeordnet sind, welche sich außerhalb desjenigen Gebietes des Halbleiterkörpers befinden, das bei in Fluß richtung gekipptem p-n-Übergang der ersten Emitterelektrode infolge der von dieser emittierten Ladungsträger eine Verminderung des Widerstandes erfährt, und daß die weiteren Emitterelektroden gegeneinander so angeordnet sind, daß beim Kippen eines dieser weiteren Emitterübergänge die an mindestens einem der übrigen Emitterübergänge herrschenden Potentialverhältnisse verschoben werden. Das Bauelement gemäß dier Erfindung hat den Vorteil, daß mit seiner Hilfe Zählvorgänge nach anderen Systemen als dem Dualsystem durchgeführt werden können. Es ist insbesondere daran gedacht, daß zehn Emitterelektroden vorhanden sind. Eine solche Ausführungsform eignet sich als dekadisches Zähl- und Speicherglied.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Emitter an zwischen den Potentialen der beiden sperrfreien Basiselektroden liegende Po-Fadenhalbleiteranordnung
mit mehreren stabilen Arbeitspunkten
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Dr. Heinz Dorendorf, München,
ist als Erfinder genannt worden
tentiale gelegt sind, die bei dem durch den Eingang eines Impulses bewirkten Kippen eineis der Emitterübergänge vom Sperrzustand in den Flußzustand bzw. in den Sperrzustand im Sinne einer Vorbereitung des Kippens eines weiteren Emitterüberganges zum gleichartigen Zustand beim Eingang des nächsten Impulses verschoben werden.
Einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens entsprechend, sind die Emitterelektroden in Fadenrichtung, d. h. in Richtung der Verbindung der beiden sperrfreien Elektroden, hintereinander angeordnet und an gestaffelte Potentiale gelegt, die zwischen den Potentialen der beiden sperrfreien Kontakte liegen. Es ist in erster Linie daran gedacht, daß die Emitter an monoton gestaffelte Vorspannungen gelegt sind.
An Hand der Zeichnung, in der einige bevorzugte Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt sind, sei der Erfindungsgedanke näher erläutert.
In Fig. 1 ist ein stäbchenförmiger Germaniumeinkristall schematisch dargestellt, welcher etwa 15 bis 20 mm lang, 1 mm breit und etwa 0,2 mm dick ist. An den beiden Enden sind zwei Kontakte aus Gold-Antimon-Legierung sperrfrei einlegiert. Sie sind mit B1 und B2 bezeichnet. Längs des Stäbchens sind zehn Indium- oder indiumhaltige Pillen in den n-leitenden Geirmaniumkristall einlegiert, mit welchem sie p-n-Ubergänge bilden; sie dienen als Emitter I bis X und sind mit in der Fig. 1 nicht dargestellten Elektrodenzuführungen versehen. Die Emitter könnten auch als Spitzenelektroden ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel wie auch in anderen Ausführungsformen können auch Sperrkontakte mit Randsperrschicht benutzt werden. Man kann das ganze deka-
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dische Element als eine Hintereinanderschaltung von zehn einzelnen Fadendioden in einem einzigen Halbleiterkörper ansehen, welche mit zwei gemeinsamen Basiselektroden B1 und B2 versehen ist. Das Halbleiterstäbchen könnte an Stelle von Germanium auch aus Silizium oder anderen Halbleiterelementen oder halbleitenden Verbindungen, beispielsweise AraBT-, AnBVI- und/oder A1 BTO-Verbindungen oder aus Verbindungen der Elemente der IV. Gruppe untereinander bestehen. Auf jeden Fall ist zu beachten, daß der Halbleiter höchste Reinheit mit möglichst großen Diffusionslängen besitzt. Bai der Verwendung von Germanium haben sich spezifische Widerstände des Halbleitermaterials von 20 bis 30 Ohm · cm als günstig erwiesen. Bei Silizium ist es zweckmäßig, noch höhere spezifische Widerstände vorzusehen, die möglichst dicht unter der Eigenleitung liegen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel besitzen die Emitter I bis X gleiche Abstände voneinander.
In Fig. 2 ist eine beispielsweise Schaltung zu der Anordnung gemäß Fig. 1 skizziert, welche als Zähloder Speicherglied verwendet werden kann. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Der stabförmige Halbleiterkörper ist mit H bezeichnet. Es sind ebenso wie in Fig. 1 zehn als Emitter dienende p-n-Übergänge vorgesehen. R0 bedeutet ein Potentiometer mit einem Querstrom von etwa 100 Milliampere und mit zehn Abgriffen, mittels deren über zehn Ohmsche Widerstände R1 bis R10 von je etwa 1 Kiloohm definierte Spannungen an die p-n-An-Schlüsse I bis X gelegt werden können. Die Kondensatoren C1 bis C9 dienen als Speicherelemente; der mit 10 Ohm bezeichnete Widerstand ist ein Vorschaltwiderstand zum Potentiometer R0. Durch den Halbleiterstab H fließt bei den Abmessungen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ein Strom von etwa 2 bis 3 Milliampere, welcher einer Spannungsquelle über dem Vorschaltwiderstand R entnommen wird. Mittels des Spannungsmessers V kann die Spannung zwischen B1 und B2 gemessen werden. B bedeutet den Eingang der ganzen Schaltanordnung; C ist ein Koppelkondensator.
An Hand der Fig. 3 und 4 seien der Betrieb und die Wirkungsweise der Schaltanordnung gemäß Fig. 2 näher erläutert.
In Fig. 3 sind die in Fig. 2 herrschenden Potentialverhältnisse dargestellt. Die arabischen Zählen bedeuten die positive Spannung gegen Erde in einem beliebigen Maß, beispielsweise Volt. In Fig. 3 ist das Halbleiterstäbchen H in elf verschiedenen Spannungszuständen α bis e dargestellt. In der in Fig. 3 a gezeichneten Ausgangssituation liegen alle zehn p-n-Anschlüsse in Sperrichtung. Es sei vorausgesetzt, daß die zehn Abgriffe am Potentiometer R0 die Spannungswerte 4 bis 13 Volt gegen Erde besitzen und am Halbleiterstäbchen H durch die außen angelegte Spannung 50 Volt gegen Erde liegen, wobei dfer Spannungsabfall vom einen bis zum nächstbenachbarten Emitter-p-n-Übergang jeweils 5 Volt beträgt. Bei diesen Potentialverhältnissen liegt am p-n-Übergang I eine Sperrspannung von 1 Volt, da er im Halbleiter H 5 Volt gegen Erde besitzt, während das Potentiometer R0 4 Volt Spannung gegen Erde hat. Entsprechend liegen am Anschluß II 5 Volt, am Anschluß III 9 Volt in Sparriohtung usw.; jeder nächst- 6g höhere Anschluß besitzt 4VoIt Sperrspannung mehr als der vorhergehende.
Legt man nun an den Eingang E kurzzeitig einen positiven Impuls von etwa 2VoIt, dann werden sämtüche Potentiale am Potentiometerwiderstand R0 kurzzeitig um + 2 Volt angehoben. Dabei kommt der p-n-Anschluß I kurzzeitig in Flußrichtung zu liegen, während sämtliche übrigen p-n-Übergänge eine positive Sperrspannung behalten. Hierbei setzt bezüglich des p-n-Überganges I der von der Fadendiode an sich bekannte Kippmechanismus ein. Dabei, werden durch den Anschluß I Defektelektronen in den Halbleiter injiziert, die den Widerstand unterhalb des Anschlusses I so stark herabsetzen, daß an diesem Teil des Halbleiters nur noch 1 Volt liegt.
Fig. 3 b zeigt die Potentialverhältnisse nach dem ersten Zählimpuls. Die Pluszeichen deuten die im unteren Raum des Halbleiterstäbchens injizierten Defektelektronen an, welche den Widerstand in diesem Teil herabsetzen. Die Potentiale an den Anschlüssen I bis X sind bei b nunmehr 1 bis 46VoIt, wobei also die Gesamtspannung am Stäbchen um 4 Volt gesunken ist. Der Anschluß I verbleibt weiterhin in Flußrichtung. Der Flußstrom wird durch den Widerstand R1 begrenzt. Der Anschluß II hat jetzt 6 Volt gegen Erde, d. h. 1 Volt in Sperrichtung wie vorher im Fall α der Anschluß I. Wird nunmehr dem Eingang erneut ein positiver Impuls von etwa 2 Volt zugeführt, so wiederholt sich derselbe Vorgang beim p-n-Anschluß II, wie er sich beim ersten Impuls beim p-n-Anschluß I abgespielt hatte. Durch die am Potentiometerwiderstand R0 auftretende kurzzeitige Potentialverschiebung von 2 Volt kommt nämlich jetzt auch der Anschluß II in Flußrichtung zu liegen. Das Gebiet im Halbleiterstab zwischen den Anschlüssen II und I wird durch die injizierten Minoritätsträger ebenfalls niederoihmig.
Es ergeben sich somit neue Potentialverhältnisse nach dem zweiten Impuls, die in Fig. 3 c dargestellt sind. Jeder der Anschlüsse II bis X hat sein Potential wieder um 4 Volt gesenkt, so daß jetzt der Anschluß III nur noch 1 Volt Sperrspannung hat und für den nächsten Impuls aufnahmebereit ist, bei welchem sich dasselbe Spiel in entsprechender Weise wiederholt. Da alle höheren Anschlüsse größere Sperrspannungen haben, kommt bei einem neuen Impuls immer nur der nächste Anschluß, welcher nur 1 Volt Sperrspannung hat, in Fluß richtung zu liegen. Die Gesamtspannung am .Halbleiterstab hat also auch nach dem zweiten Impuls wieder um 4VoIt abgenommen.
Bei jedem folgenden Impuls, welcher auf den Eingang E gegeben wird, kippt also ein p-n-Anschluß mehr in Flußrichtung um, und zwar kippt nur derjenige, welcher von den noch in. Sperrichtung liegenden am tiefsten liegt. Gleichzeitig erniedrigt sich jeweils die Gesamtspannung am Haibleiterstab sprungartig um 4VoIt.
Am Voltmesser V aus Fig. 2 kann nun die Zahl der gespeicherten Impulse ohne weiteres abgelesen werden. Der Voltmesser V wirkt also als Impulszähler. Außerdem können auch d'uirch die verschiedenen Widerstände R1 bis R10 Arbeitsprozesse nacheinander durch die einzelnen Impulse ausgelöst werden.
Gemäß, einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens wird der letzte, insbesondere der zehnte Impuls bzw. der durch ihn hervorgerufene Stromimpuls im Widerstand R10 dazu ausgenutzt, ein Verstärkerelement zu beaufschlagen, welches einen solchen Impuls erzeugt und dem Eingang der Anordnung zuleitet, daß sämtliche Anschlüsse wieder in Sperrichtung kippen. Gleichzeitig wird durch das Verstärkerglied ein Impuls erzeugt, welcher einem weiteren, zweckmäßigen gleichartigen Impulszähler für die nächsthöhere Dekade zugeführt wird. Es können auf diese Weise nach einem dekadischen Zähl-
system beliebig viele Impulse gezählt werden. Das Zählglied nach der Erfindung kann beispielsweise zum Zählen von Impulsen benutzt warden, welche in einem Geigerzähler erzeugt sind.
Die Kapazitäten C1 bis C9 dienen dazu, die Schaltanordnung weitgehend unabhängig von Höhe und Breite des Eingangsimpulses bzw. der Eingangsimpulse zu machen. Betrachtet man beispielsweise die Verhältnisse, wie sie beim ersten Impuls vorliegen, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind: Die Sperrspannung des Anschlusses I beträgt 1 Volt, während diejenige des Anschlusses II 5 Volt beträgt. In den Widerständen R1 bis R10 fließen keine Ströme, wenn man von dem geringen Sperrstrom absieht. Durch den ersten Impuls kippt nun der Anschluß I in Fluß riehtung, wobei sich das Potential des Anschlusses I auf 1 Volt erniedrigt, wenn der Flußwiderstand des p-n-Überganges vernachlässigt wird. Der Kondensator C1 ist dabei zunächst bestrebt, die Spannung von einem Volt zu halten, und er reißt das Potential des Punktes 2 auf 2 Volt herunter. Hierdurch kommt der p-n-Anschluß 2 kurzzeitig auf 8 Volt Sperrspannung; entsprechend der Zeitkonstaaten R2 · C1 lädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand R2 auf 4 Volt auf und macht dadurch den Anschluß 3 aufnahmebereit für den nächsten Impuls.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens kann das in den Ausführungsbeispielen dargestellte Halbleiterbauelement auch als Speicher verwendet werden. Um die gespeicherten Impulse aus der Anordnung wieder herauszuholen, braucht nur die Polarität der in den Eingang £ gegebenen Impulse umgekehrt zu werden. Über den Kondensator C kann dann die Za'hl der gespeicherten Impulse wieder vom Halbleiterstab H abgenommen werden. Dabei können einerseits einzelne Speicherimpulse in den Halbleiterstab eingeführt werden, und andererseits können einzelne der in ihn durch eine Impulsart hineingegebene Impulse durch entgegengepolte Eingangsimpulse wieder herausgeholt werden. Es ergibt sich somit beispielsweise eine Zählanordnung, mittels deren beliebig viele positive und negative Impulse in beliebiger Reihenfolge miteinander addiert oder subtrahiert werden können.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens kann der beschriebene Halbleiterstab auch dazu benutzt werden, einen bis zehn Impulse durch je einmaliges Drücken einer Taste zu erzeugen. Eine entsprechend beispielsweise Ausführungsfo'rm der Anordnung nach der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Die· arabischen Ziffern sind Spanoungsbezeichnungen und die gleichen wie in den vorhergehenden Figuren.
Zusätzlich zu der im vorstehenden· beschriebenen Anordnung sind Schalter ,S",, bis S10 eingebaut. Ferner liegen die am Potentiometerwiderstand R0 abgegriffenen Potentiale etwas höher als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen'. Will man, in einem Beispielsfall fünf Impulse erzeugen, so öffnet man den Schalter S6 und schließt den Schalter JT0. Alle anderen Schalter sind geschlossen. Auf Grund der am Potentiometerwiderstand R0 liegenden Gesamtspannung befindet sich zunächst nur der p-n-Übergang I in Flußrichtung. Das Potential von 5 Volt in Höhe des ersten p-n-Übarganges bricht infolgedessen auf 1 Volt zusammen nach demselben Mechanismus, wie an Hand Fig. 3 erläutert worden ist. Das Potential der übrigen Anschlüsse sinkt anschließend ebenfalls um 4VoIt. Der p-n-Anschluß II liegt unmittelbar nach dem Durchbruch von Anschluß I noch nicht in Sperrichtung, da der Kondensator C1 das Potential d'es Punktas II beim Durchbrach des ersten p-n-Überganges auf 2 Volt gesenkt hat. Der Kondensator C1 lädt sich nun über den Widerstand R2 auf, bis der p-n-Übergang II ein Potential von 6 Volt erreicht hat. In diesem Augenblick kippt auch der p-n-Übergang II in Flußrichtung um. Der Mechanismus geht dann so weiter, bis alle Anschlüsse unterhalb des geöffneten Schalters in Flußrichtung liegen. Die Potentialverhältnisse nach dem ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Impuls sind in Abb. 4b, 4c, 4d, 4e und 4f dargestellt. Die Pfeile mit den am Anfang und Ende des Pfeiles beigeschriebenen Ziffern deuten an, von welcher Anfangsspannung auf welche Endspannung sich jeder p-n-Übergang durch Aufladen des entsprechenden Kondensators erhöht. Aus Fig. 4 f ist ersichtlich, daß sich der siebente Anschluß, d. h. der auf den geöffneten Anschluß folgende, nur auf 12 Volt erhöht gegenüber 15 Volt auf der Seite des Halbleiterstabes. Dieser p-n-Übergang bleibt also unterhalb deir Sperrspannung, so daß von da ab kein Umkippen in Sperrrichtung mehr zustande kommt. Die Impulse können über den Kondensator C abgenommen werden.
Außer den drei beispielsweise angegebenen Schaltanordnungen sind noch eine Vielzahl weiterer Schaltmöglichkeiten und Abwandlungen der geschilderten Anordnungen mit Hilfe des Bauelementes nach der Erfindung durchführbar. Es ist beispielsweise auch möglich, die Schaltung in der Weise auszubilden, gegebenenfalls unter Hinzufügung weiterer Hilfselektroden, daß stets nur ein einziger Anschluß in Flußrichtung liegt. Durch einen neu ankommenden Impuls wird dann der in Fluß richtung liegende Anschluß gelöscht, d. h. in Sperrichtung umgekippt, während der nächsthöhere Anschluß in Flußrichtung umkippt.
An Hand der Fig. 1 bis 4 werden Aueführungsbeispiele von Bauelementen und Schaltungen beschrieben, in denen die p-n-Anschlüsse und ihre einzelnen Injektionsstrecken hintereinandergeschaltet sind. Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, die Halbleiterbauelemente und Schaltungen in der Weise abzuwandeln, daß die p-n-Anschlüsse und ihre Injektionsstrecken parallel Hegen, d. h. zwischen den, sperrfreien Elektroden parallel zu deren Erstreckung nebeneinander geordnet sind.
Füg. 5 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel mit parallelen p-n-Anscfalüssen in einer einfachen Schaltung. Das Bauelement besteht aus einem Blättchen aus n-Germaniürn von etwa 15 X 5 mm Größe und einer Dicke von einigen Zehntelmillimetern. An den langen Kanten befinden sich flächenhafte Ohmsche Kontakte, z. B. aus einlegiertem Gold—Antimon. Diese beiden sperrfreien Elektroden sind in Analogie zu den Fig. 1 bis 4 wiederum mit B1 und B2 bezeichnet. B2 erhält eine Spannung von beispielsweise +10 Volt gegenüber dar Elektrode B1, die geerdet ist. D1 bis D5 sind fünf p-n-Anschlüsse, bestehend aus fünf einlegierten Indiumpillen. Diese hängen über Widerstände R1 bis R5 an einem Potential von +6 bzw. +2VoIt. Wenn alle Anschlüsse in Sperrichtung liegen, herrscht zwischen B1 und B2 eine gleichmäßige Potentialverteilung. In Höhe der p-n-Anschlüsse hat das Germanium auf Grund des Spannungsabfalls zwischen B1 und B2 ein Potential von etwa +7 Volt. D1 liegt an +6VoIt, also IVoIt in Sperrichtung, D2 bis D5 liegen an +2 Volt und damit 5 Volt in Sperrichtung.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Über einen Übertrager T wird ein Impuls auf B2 gegeben', der die Potentiale in Germaniutnblättchen kurzzeitig so weit absenkt, daß D1 in Flußrichtung
umkippt. D2 bis D5 bleiben jedoch in Sperrichtung. Das Potential im Germanium zwischen D1 und B1 ist durch die Injektion von Defektelektronen auf +1VoIt abgesunken. Das Potential des Germaniums zwischen D3, D4, D5 und B1 beträgt noch +7VoIt; das Potential zwischen D2 und B1 ist jedoch durch die Nachbarschaft von D1 auf etwa +3 Volt gesunken. D2 liegt also nunmehr 1 Volt in Sperrichtung (D3 bis D5 behalten weiterhin 5 Volt) und wird beim nächsten Impuls in Flußrichtung umkippen. In Fig. 5 stellen die gestrichelten Linien die Potentialverhältnisse im Germanium nach dem zweiten Impuls dar. D1 und D2 haben zu diesem Zeitpunkt je ein Potential von + 1VoIt und liegen in Flußrichtung; zwischen D4 sowie D5 und B1 hat das Ge einen Potentialabfall von + 7 Volt; D4 und D5 liegen also nach wie vor 5 Volt in Sperrichtung; D3 liegt jedoch nur 1 Volt in Sperrrichtung, da das Ge zwischen D3 und B1 nur noch einen Potential abfall von +3 Volt aufweist. Bei weiteren Impulsen wiederholt sich das Spiel ähnlich den Fig. 1 bis 4. Mit diesem Bauelement kann man also auch Zählungen und Speicherungen usw. durchführen. Durch Hinzufügen weiterer p-n-Übergänge läßt sich eine dekadische Basis erreichen.
Fig. 6 zeigt eine abgewandelte, als Flip-Flop-Schaltung wirkende Anordnung mit drei p-n-Anschlüssen D1, D2 und Z. D1 und D2 wirken als »Kippelektroden«, Z dient als Hilfselektrode. Gibt man einen positiven Impuls auf Z, so wird der in Sperrrichtung liegende p-n-Anschluß in Fluß richtung umgesteuert. Angenommen, D1 habe ein Potential in Flußrichtung und sei dabei »leitend« und D2 sei sperrend. Der Punkt P hat ein Potential, das der an sich bekannten Strom-Spannungs-Charakteristik eines p-n-Anschlusses gemäß Fig. 7 entnommen werden kann. Die eingezeichnete Widerstandsgerade D1 entspricht dem Wert des Ohmschen Widerstandes R1. Der Schnittpunkt i zwischen Charakteristik und Widerstandsgeraden D1 gibt den stabilen Arbeitspunkt des leitenden p-n-Anschlusses D1. Durch einen dem p-n-Anschluß^ zugeführten Impuls wird außer D1 auch D3 leitend. Kurz nach diesem Injektionsimpuls leiten daher beide p-n-Anschlüsse D1 und D2, während Z auf Grund einer entsprechenden Bemessung der Widerstände R1 und R. nach Aufhören des Injektionsimpulses wieder sperrt. Der Strom durch den Widerstand Rn verdoppelt sich- dadurch. Gleichzeitig sinkt das Potential des Punktes P auf den Wert P'. R3 ist so bemessen, daß beide p-n-Anschlüsse nicht gleichzeitig leitend sein können. In Fig. 7 verschiebt sich mit P auch dieWiderstandsgeradeD, parallel nach D1'. Diese hat einen Schnittpunkt K mit der Charakteristik nur auf der sperrenden Seite. D1 klappt also in Sperrrichtung um. D2 dagegen bleibt leitend, da D2 anfänglich einen kleineren Arbeitswiderstand hat. Da nämlieh der Kondensator C, noch nicht aufgeladen ist, fließt der einsetzende Strom über C2 und schließt gewissermaßen den WiderstandR9 kurz, bis sich C2 aufgeladen hat. Dem p-n-Übergang D2 entspricht also in Fig. 7 eine viel flachere Arbeitswiderstandsgerade D0, die einen Schnittpunkt / mit der Charakteristik auf der Flußseite liefert, welcher sich nach m verlagert, wenn P nach P' gewandert ist. Der Impuls an Z hat also D1 gesperrt und D2 in Flußrichtung gebracht. Durch einen weiteren Impuls wird jetzt D2 gesperrt und D. wieder in Flußrichtung gebracht. Dieser Mechanismus stellt die Grundlage des im folgenden beschriebenen Zählgliedes dar.
Fig. 8 stellt die beispielsweise Ausführungsform eines dekadischen Zählgliedes mit zehn p-n-An-Schlüssen D1 bis D10 als Zählelektroden und zehn p-n-Anischlüssen Z1 bis Z10 als Impulselektroden, die auf Grund äußerer Impulse Injektionsimpulse erzeugen, schematisch dar. Die gerade und die ungerade bezifferten Impulselektroden sind jeweils zusammengefaßt. Es muß dafür gesorgt werden, daß die ankommenden Impulse abwechselnd auf die geraden und ungeraden Zählelektroden gegeben werden. Dies kann z.B. gemäß der in Fig. 6 gezeichneten Anordnung geschehen.
Die Wirkungsweise ist folgende: Angenommen, D„ in Fig. 8 sei leitend. D3 'hat dann ein sehr niedriges Potential, das auch die benachbarten p-n-Anschlüsse D2 und D4 beeinflußt, deren Potentiale etwas sinken und sie für einen Zählimpuls aufnahmebereit machen. Um nun zu erreichen, daß durch die Zählimpulse die Injektion der Minoritätsträger nach rechts wandert, sind die Impulselektroden in gerade und ungerade zusammengefaßt. Da jetzt der nächste Impuls auf die geraden Impulselektroden kommt, kann die Injektion wohl von D3 nach D4, nicht aber von D3 nach D2 springen. Bei diesem »Springen« spielt sich dar an Hand der Fig. 6 beschriebene Mechanismus ab.
Dem Zählglied ist also ganz allgemein durch Anordnung von Impuls- und/oder sonstigen Hilfselektroden oder durch Schaltmaßnahmen eine Vorzugsrichtung zu geben, in der die Injektion wandern soll. Gemäß Fig. 8 ist dies durch Aufteilung der Impulselektroden in gerade und ungerade geschehen. Es gibt aber noch andere Möglichkeiten. Zum Beispiel kann man zwischen je zwei Zählelektroden je zwei Impulselektroden anordnen. Die Impulselektroden Z und die Impulselektroden X (Fig. 9) sind jeweils zusammengefaßt. Ein ankommender Zählimpuls ist wieder erst in einen Doppelimpuls umzuformen. Der erste Teil des Doppelimpulses wird auf die Impulselektroden Z,-gegeben. Liegt z.-B. D4 in Flußrichtung, so kippt Z-in Flußrichtung um. Der zweite Impuls des Doppelimpulses wird auf die Z; gegeben. Von diesen kippt Z5 um und bringt D5 in Flußrichtung. Z5 und X5 fallen nach Aufhören des Impulses wieder in Sperrichtung. Zwischen D4 und D5 spielt sich der in Fig. 6 beschriebene Mechanismus ab, der D4 in Sperrichtung bringt.
In Fig. 10 ist die Vorzugsrichtung für den Injektionsvorgang durch die Form der einlegierten p-n-Anschlüsse gegeben. Der einzelne p-n-Übergang hat die Form einer Scheibe mit einem schräg nach oben laufenden Fähnchen F2 bzw. F3 usw. Die p-n-Anschlüsse sind so geschaltet, daß im Flußrichtung nur der untere runde Teil Minoritätsträger injiziert. Die Fahne bleibt in Sperrichtung. Durch einen ankommenden Impuls kippt das äußere Ende der Fahne des jeweils nächsten p-n-Anschlusses in Flußrichtung. Dadurch kommt allmählich der ganze nächste p-n-Anschluß in Flußrichtung; der vorhergehende Anschluß und die Fahne des neuen p-n-Anschlusses kommen dagegen in Sperrichtung. Es sind auch noch andere Anordnungen denkbar, bei denen eine Vorzugsrichtung allein durch entsprechende Formgebung der Elektroden erreicht wird. Gegebenenfalls können noch zusätzliche Impulselektroden Z1 bis Z6 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, eine Vorzugsirichtung durch äußere Mittel, z. B. durch ein Magnetfeld, zu erzeugen; in einem solchen Fall hat man die Möglichkeit, eine Änderung, insbesondere auch Umkehrung der Vorzugsrichtung, vorzunehmen.
Besonders für Zählglieder ist es zweckmäßig, das Bauelement kreisförmig zu bauen, SO' daß der zehnte p-n-Anschluß sieh wieder an den ersten anschließt. Fig. 11 zeigt eine solche beispielsweise Ausführungsform. Z ist-eine Impulselektrode, die für den ersten Impuls aufnahmebereit macht und die Stellung »Null«
durch Kippen des p-n-Anschlusses D10 in Flußrichtung einstellt. Nach dem ersten Zählimpuls wird dann p-n-Anschluß D1 leitend usw., wie an Hand der vorher dargestellten Beispiele beschrieben.
Zur weiteren Sicherung der Ausbreitungsrichtung der Minoritätsträger im gewünschten Sinne — nach dem Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinne — sind in den Rand des Halbleiterplättchens gemäß Fig. 11 Nuten Λτ eingeschnitten. Durch diese Formgebung des Halbleiterkörpers wird verhütet, daß die Minoritätsträger am äußeren Rand des Halbleiterkörpers Kurzschlußbrücken zwischen den p-n-Anschlüssen hervorrufen können.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses und die anderen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können die verschiedenen angegebenen Mittel zur Festlegung der Ausbreitungsrichtung der Minoritätsträger einzeln oder kombiniert und gegebenenfalls abgeändert angewendet werden. Als besonders wirksame Mittel waren beispielsweise angegeben worden die Anordnung einer oder mehrerer Impulselektroden in geeigneter Position zu den p-n-Anschlüssen, ein Magnetfeld in geeigneter Stärke, Richtung und Anordnung, die Formgebung und Anordnung der p-n-Übergänge sowie die Formgebung dös Halbleiterkörpers.
Eine weitere beispielsweise Abwandlung der Ausführungsbeispiele besteht darin, die Hintereinanderanordnung von p-n-Anschlüssen gemäß den Fig. 1 und 4 mit einer Parallelanordnung vom p-n-Anschluß gemäß den Fig. 5 bis 11 zu kombinieren, und zwar entweder in einem einzigen Bauelement und/oder durch Zusammenschaltung verschiedener Bauelemente. Es ist weiterhin möglich, in bereits vorgeschlagener Weise dazwischen und/oder gegenüber, vorzugsweise schräg gegenüber den als Emitter wirkenden p-n-An-Schlüssen zusätzliche, als Kollektor wirkende p-n-Anschlüsse vorzusehen. Durch Veränderung der Abstände der p-n-Anschlüsse voneinander, insbesondere durch ungleichförmige Ausbildung der Abstände oder Einfügung größerer und kleinerer Lücken und/oder durch eine ungleichförmige Staffelung der Potentiale, welche an die p-n-Anschlüsse gelegt sind, lassen sich bestimmte Unterbrechungen oder sonstige Unterschiedlichkeiten in die Speicher- und Zählvorgänge einschalten. Auch Verzögerungen· der Schaltvoirgänge oder bestimmte ungleichförmige Rhythmen von Schaltvorgängen, Zählvorgängen, Kodierungen usw. lassen sich hierdurch erzielen.

Claims (32)

Patentansprüche:
1. Fadenhalbleiteranordnung mit mehreren stabilen Arbeitspunikten, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit zwei sperrfreien, an verschiedenen Potentialen liegenden Basiselektroden sowie einer Emitterelektrode mit p-n-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem gleichen Halbleiterkörper weitere Emitterelektroden mit p-n-Übergängen (II bis X in Fig. 1; D2 bis D5 in Fig. 5) angeordnet sind, welche sich außerhalb desjenigen Gebietes (B1-I; B1-D1) des Halbleiterkörpers befinden, das bei in Flußrichtung gekipptem p-n-Übargang der ersten Emitterelektrode (I in Fig I; D1 in Fig. 5) infolge der von dieser emittierten Ladungsträger eine Verminderung des Widerstandes erfährt, und daß die weiteren Emitterelektroden gegeneinander so angeordnet sind, daß beim Kippen eines dieser weiteren Emitterübergänge die an mindestens einem der übrigen Emitterübergänge herrschenden Potentialverhältnisse verschoben werden (Fig. 3, 4 und 5).
2. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter an zwischen den Potentialen der beiden sperrfreien Basiselektroden liegende Potentiale gelegt sind, die bei dem durch den Eingang eines Impulses bewirkten Kippen eines der Emitterübergänge vom Sperrzustand in den Flußzustand bzw. in den Sperrzustand im Sinne einer Vorbereitung des Kippens eines weiteren Emitterüberganges zum gleichartigen Zustand beim Eingang des nächsten Impulses verschoben werden.
3. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Emitterelektroden in Fadenrichtung hintereinander angeordnet sind.
4. Fadenhailbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden an monoton gestaffelte Vorspannungen gelegt sind.
5. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper die Form eines langgestreckten, vorzugsweise geraden Stabes besitzt, an dessen beiden Enden die sperrfreien Elektroden angeordnet sind.
6. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß zehn Emitterelektroden vorgesehen sind.
7. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Emitterelektroden über je einen Ohmschen Vorschaltwiderstand an einen Potentiometerwiderstand gelegt sind.
8. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Emitterelektroden durch einen Kondensator geeigneter Kapazität überbrückt sind.
9. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden quer zur Fadenrichtung, d. h. quer zur Verbindung zwischen den sperrfreien Elektroden, nebeneinander angeordnet sind.
10. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden über geeignete und zweckmäßig gleiche Vorschaltwiderstände an gleiches Potential gelegt sind.
11. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine, vorzugsweise die am Anfang der Emitterreihe stehende Emitterelektrode an eine höhere Vorspannung als die übrigen gelegt ist.
12. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper als langgestreckter gerader oder gekrümmter Stab ausgebildet ist, dessen einander gegenüberliegende Längsseiten mit den sperrfreien, vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden Elektroden belegt sind.
13. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper die Gestalt eines geschlossenen Ringes aufweist.
14. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an geeigneten Stellen des Halbleiterkörpers, vorzugsweise neben der ersten Emitterelektrode und/ oder zwischen je zwei benachbarten Emitterelektroden, die Anordnung einer oder mehrerer p-n-Übergänge vorgesehen ist, welche über geeignete Schaltglieder mit Spannungsimpulsen beaufschlagt werden können, zwecks Injektion von Minoritäts-
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trägern in einer bestimmten räumlichen Umgebung und relativen Anordnung zu den Emitterelektroden.
15. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor die Emitterelektroden Verzögerungsglieder, insbesondere Widerstands-Kapazitäts-Kombinationen, gelegt sind.
16. Fadenhalbleiteranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zweiEmitterelektroden vorgesehen sind, zwischen welchen sich eine als p-n-Anschluß ausgebildete Impulselektrode befindet, und daß beiden Emitterelektroden zwei derart bemessene Ohmsche Widerstände mit Parallelkapazität vorgeschaltet sind, daß bed geeigneter Wahl der Vorspannungen unter dem Einfluß wiederholter, auf die Impulselektrode gegebener Spannungsimpulse der zunächst sperrende p-n-Übergang auf Flußrichtung und der andere, -. zunächst in Flußrichtung befindliche p-n-Übergang auf Sperrichtung und umgekehrt umgepolt wird.
17. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei, vorzugsweise zehn Emitterelektroden vorgesehen sind.
18. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden eine längliche Gestalt aufweisen, deren der nächstfolgenden Elektrode benachbartes Ende einen höheren Flußwiderstand besitzt als der Anfang derselben Elektrode.
19. Fadenhalbleiteranordonung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Emitterelektroden Ausnehmungen am Rand des Halbleiterkörpers, vorzugsweise in Form von Nuten oder anderen Einschnitten, vorgesehen sind.
20. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetfelder vorgesehen sind, welche die Ausbreitungsrichtung der von den einzelnen Elektroden jeweils emittierten Minoritätsträger auf die nächstfolgende Emitterelektrode hin lenken.
21. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Halbleitermaterial nahezu eigenleitend ist.
22. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial mit großer Diffusionslänge benutzt ist.
23. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die p-n-Übergänge nach einem Legierungs- und/ oder Diffusionsverfahren hergestellt und/oder als Spitzkontakte ausgebildet sind.
24. Fadenhalbleiteranoirdnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Sperrkontakte mit Randsperrschichtwirkung vorgesehen sind.
25. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen und/oder neben bzw. schräg neben den Emitterelektroden die Anordnung einer oder mehrerer Kollektorelektroden vorgesehen ist.
26. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in Normalrichtung zu den p-n-Übergängen nur eine geringe Aus dehnung aufweist, vorzugsweise V2 bis 1U mm dick ist.
27. Fadennalbleiteranordnung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden mindestens teilweise auf der Rückseite des flächenförmigen Halbleiterkörpers angeordnet sind.
28. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren und inneren Widerstandsverhältnisse der Halbleiteranoirdnung und die angelegten Spannungen derart gewählt sind, daß auf Grund eines an den Halbleiterkörper gelegten Spannungsimpulses eine vo>r den übrigen Emitterelektroden durch niedrige Belastung in Sperrichtung ausgezeichnete Emitterelektrode in Flußrichtung umgepolt wird und die hierdurch erzeugte Injektion von Minoritätsträgern den Potentialabfall innerhalb des Halbleiterkörpers in der Umgebung dieser Elektrode derart verändert, daß sie in Flußrichtung bleibt und gleichzeitig die Sperrvorspannung der nächstbenachbarten Emitterelektrode herabgesetzt wird, so daß diese für einen nächstfolgenden Spannungsimpuls umpolbereit ist.
29. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Emitterelektroden Schalter vorgeordnet sind.
30. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, gekennzeichnet durch die Verwendung als Zähl- oder Speicherglied.
31. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Erzeugung bestimmter Impulsfolgen.
.
32. Fadenhalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verwendungsarten in einer gemeinsamen Schaltung und/oder einem gemeinsamen einheitlichen Bauelement miteinander kombiniert sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 728 449;
französische Patentschrift Nr. 1 095 877;
R. F. Shea, »Transistor circuits«, 1953, New York und London, Kap. 21 auf den Seiten 453 bis 484.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
© 809 677/299 10.58-
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