DE1220052B

DE1220052B - Bei tiefen Temperaturen arbeitende Einrichtung zum elektronischen Verstaerken oder Schalten

Info

Publication number: DE1220052B
Application number: DER33192A
Authority: DE
Inventors: Robert Haley Parmenter
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1961-07-31
Filing date: 1962-07-23
Publication date: 1966-06-30
Also published as: GB1002591A; US3204115A; JPS3916034B1; NL281543A; FR1334599A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #Ä PATENTAMT Int. CL:

H03f

AUSLEGESCHRIFT

HOIf

Deutsche Kl.: 21 g - 35

Nummer: 1220 052

Aktenzeichen: R 33192 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. Juli 1962

Auslegetag: 30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine bei tiefen Temperaturen arbeitende Einrichtung zum elektronischen Verstärken oder Schalten, insbesondere betrifft die Erfindung eine vierpolige Einrichtung, die bei einer Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes arbeitet.

Körper aus bestimmten Materialien, die als Supraleiter bezeichnet werden, können bekanntlich zwei verschiedene elektrische Widerstandszustände annehmen. Bis herunter zu einer kritischen Temperatur T_c befindet sich ein Supraleiterkörper im Normalzustand, in dem er einen endlichen elektrischen Widerstand hat. Unterhalb der kritischen Temperatur nimmt ein Körper aus einem Supraleiterwerkstoff den supraleitenden Zustand an, indem er einem elektrischen Stromfluß keinen meßbaren Widerstand mehr entgegensetzt.

Bekanntlich kann ein Supraleiterkörper vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand durch ein Magnetfeld ausreichender Stärke, durch Erhöhung der Temperatur über die kritische Temperatur T₀ oder durch Durchleiten eines elektrischen Stromes, der gleich oder größer als der sogenannte kritische Strom ist, geschaltet werden. Es ist außerdem bekannt, daß bestimmte Metall-Isolator-Zweipoleinrichtungen bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes einen nichtlinearen Widerstand haben, wenn sich eines der Metalle im supraleitenden Zustand befindet und einen negativen Widerstand, wenn beide" Metalle supraleitend sind. Beispiele hierfür sind in' »Physical Review Letters«, 5, S. 147, 148 und 461 bis 466, beschrieben. Gemäß der in diesen Veröffentlichungen entwickelten Theorie hat ein Supraleiter unterhalb seiner kritischen Temperatur T_c eine Energiebandlücke für normale Ladungsträger. Die Breite dieser Bandlücke nimmt mit abnehmender Temperatur zu. Elektronen mit Energien unterhalb der Bandlücke sind miteinander gekoppelt und werden als Supraleiterelektronen bezeichnet. Bei Temperaturen- in der Nähe des absoluten Nullpunktes und unterhalb der kritischen Temperatur ist außerdem ein kleines Kollekjjv von thermisch erzeugten normalen Ladungsträgern (Elektronen oberhalb der Bandlücke und Löcher unterhalb der Bandlücke) vorhanden. Die normalen Ladungsträger sind nicht miteinander gekoppelt und können einen dünnen elektrischen Isolator durchtunneln, der sich in Berührung mit dem Supraleiter befindet. Supraleitende Ladungsträger können einen solchen Isolator nicht durchtunneln.

Eine bei tiefen Temperaturen arbeitende Einrichtung zum elektronischen Verstärken oder Schalten Bei tiefen Temperaturen arbeitende Einrichtung
zum elektronischen Verstärken oder Schalten

Anmelder:

Radio Corporation of. America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Robert Haley Parmenter, Princeton, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. Juli 1961 (128 248) - -

mit einer mittleren Zone und zwei äußeren Zonen ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone aus einem Supraleiterwerkstoff besteht, der eine größere Bandlücke hat als die beiden äußeren Zonen, die aus einem Supraleiterwerkstoff oder einem" bei Betriebstemperatur normalleitenden Werkstoff bestehen und durch dünne, von normalen Ladungsträgern durchtunnelbare Isolierschichten von der mittleren Zone getrennt sind.

Die eine der beiden äußeren Zonen der Einrichtung gemäß der Erfindung, die im folgenden als Emitter bezeichnet werden soll, kann also aus einem Supraleiter oder einem »normalen« Material, d. h. einem Material, das zumindest bei der Betriebstemperatur nicht supraleitend wird, bestehen, dasselbe gilt für die andere äußere Zone, die als Kollektorzone bezeichnet werden soll. Die isolierenden Schichten sind so dünn, daß sie von normalen Ladungsträgern durchtunnelt werden können. Die Dicke der Isolatorschichten liegt vorzugsweise zwischen 6 und AE (Angström-Einheiten). Die Zonen sind in Bezug aufeinander so bemessen, daß die Bandlücke,

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der zweiten Zone größer ist als die Bandlücke der ohne Steuerstrom, und das andere Mal einem Beersten und der dritten Zone. Die erste und die dritte triebszustand mit Steuerstrom entsprechen,

Zone haben vorzugsweise Bandlücken wenigstens Fig. 4 ein teilweise als Draufsicht, teilweise als

annähernd gleicher Größe oder gar keine Band- Schaltbild dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel

rücken. Wenn die erste und die dritte Zone aus 5 der Erfindung,

normalen Materialien bestehen, ist keine Bandlücke Fig. 5 eine teilweise als Schaltbild, teilweise im

vorhanden, und die oben angegebene Bedingung ist Schnitt dargestellte dritte Ausführungsform der

erfüllt. Die Einrichtungen gemäß der Erfindung Erfindung und

werden bei einer Temperatur betrieben, bei welcher F i g. 6 ein Energiediagramm zur Erläuterung einer der Supraleiter mit der kleinsten Bandlücke supra- ίο zweiten Betriebsart der in F i g. 5 dargestellten Einleitend ist. richtung.

Bei einer ersten Betriebsart sind alle drei Zonen I_n den Zeichnungen sind gleiche Elemente mit

Supraleiter. Zwischen die erste und die dritte Zone gleichen Bezugszeichen versehen,

wird eine Vorspannung V_t angelegt, so daß ein Aus- _Di_e J_n Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform

gangsstrom I₁ aus normalen Ladungsträgern durch 15 der Erfindung enfhält eine Anzahl von in folgender

die Isolatorschichten, die Basiszone und einen äuße- Reihenfolge aufeinanderfolgender, aneinander an-

ren Verbraucherkreis, der mit der ersten und der grenzender Schichten: eine erste Zone oder Emitter

dritten Zone verbunden ist, fließt, wobei der Steuer- ₂1, eine erste elektrisch isolierende Schicht 23, eine

strom/, Null ist und die /,-^-Kennlinie m einem _{zweite Zon}e oder Basis 25, eine zweite elektrisch

bestimmten Spannungsbereich einen Bereich nega- 20 i_so]i_erende Schicht 27 und eine dritte Zone oder

tiven Widerstandes aufweist. Eine Vergrößerung des Kollektor 29. Emitter 21, Basis 25 und Kollektor 29

Steuerstromes /_s bewirkt eine Verbreiterung des bestehen sämtlich aus Supraleitern. Ein Supraleiter

negativen Widerstandsbereiches der 7_rF_rKurve, und _zeidinet sich dadurch aus, daß er unterhalb einer

der negative Widerstand wird durch die Größe des kritischen Temperatur T_c eine Energiebandlücke um

Steuerquerstromes beeinflußt. Die Einrichtung kann _{25 ein Ferm}iniveau hat. Die Breite dieser Energieband-

dadurch als Verstärker oder Schalter unter Steuerung _{fficbe nimmt} _mit abnehmender Temperatur zu, bis

durch den Steuerquerstrom aus Supraleiterladungs- _{sie emen} Maximalwert von 2E_n beim absoluten

trägern verwendet werden. Nullpunkt annimmt. Der Maximalwert der Energie-

Bei einer zweiten Betriebsart ist die zweite Zone bandlücke ist im allgemeinen um so größer, je höher

supraleitend, während die erste und die dritte Zone 30 die kritische Temperatur liegt. Eine Anzahl geeig-

entweder Supraleiter oder normale Materialien sein _neter Supraleiter und ihre errechneten maximalen

können. Man laßt einen Ausgangsstrom Z_f aus Energiebandlücken und kritische Temperaturen sind

Supraleiterladungsträgem in einem Stromweg in der _{m de}r Tabelle am Ende der Beschreibung aüf-

zweiten Zone in der Längsrichtung zwischen der geführt,

ersten und der dritten. Zone und durch einen äußeren 35 Der Emitter 21, die Basis 25 und der Kollektor 29 Verbraucherkreis fließen. Eine Steuerspannung V₁ _{sind so aufemander} abgestimmt, daß die Supraleiterwird zwischen die erste und die dritte Zone gelegt, werkstoffe des Emitters 21 und des Kollektors 29 so daß von der einen dieser Zonen normale Elek- _eine Energiebandlücke gleicher oder wenigstens tronen und von der anderen Zone normale Löcher annähernd gleicher Größe besitzen. Der Supraleiter, in die zweite Zone injiziert werden. Diese Injektion 40 _{alls dem die} Basis 25 besteht, hat eine breitere normaler Ladungsträger in die zweite Zone bewirkt Energiebandlücke als die Supraleiter des- Emitters 21 eine Herabsetzung der Sprungtemperatur der zweiten _{und des}. Kollektors 29. Da- sich die angegebene BeZoneund hebt die Supraleitfähigkeit in dieser Zone dingung. nur auf die relativen· Größen bezieht, ist auf. Bei entsprechender Änderung der Steuerspan- _{man itl}- _{def WaM der in}. _der Tabelle aufgeführten nung V₁ hört die Injektion normaler Ladungsträger 45 Materialien verhältnismäßig frei, vorausgesetzt; daß in die zweite Zone auf, die injizierten Träger rekom- _{die erW}ähnte Relativbedmgung eingehalten wird,
binieren in der zweiter Zone und die Bandlücke _{Die bddm}. i_solatOrschichten 23, 27 können aus tritt wieder auf: Es ist also möglich, mit der Steuer- _Alumimumoxyd bestehen, wie es durch Oxydation spannung V_t die Supraleitung m der zweiten Zone _von Aluminiummetall erhalten wird, oder aus aufaufzuheben oder wieder eintreten zu lassen und ₅o gedämpftem Siliciumdioxyd oder aus einem organidadurch. die Große des Ausgangsstromes im Ver- _{schen Material} ^₆ Bariumstearat oder Chrombraucherkreis zu steuern. Der Ausgangsstrom/_s_ aus _{stearat) das durch Adsorption auf die} oberfläche Supraleiterladungsträgem. kann em- Abbild des mji- _{einer der ZoneQ aufgebracht} ^_nJ₆. _Die beiden zierten Stromes aus normalen Ladungsträgern sein. isolatorschichten 23, 27 sollen mindestens so dick Es tatt eine Stromverstärkung auf, da der Ausgangs- 55 _sem, daß Supraleiterladungsträger am Durchdringen strom im Verbraucherkreis großer, ist als der injizierte _gehindert werden, sie sollen andererseits jedoch so Strom, im Steuerkreis. ^ _{dünn sein; daß normale} Ladungsträger in nennens-

Die Erfindung soll nun an Hand einiger Ausfüh- _werter Anzahl durchtunneln können. Im allgemeinen

rungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung sollen die Isolatorschichten eine wenigstens aiü»hemd

näher erläutert werden, dabei bedeutet 60 gleichförmige Dicke zwischen etwa 6 und 100 AE

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt, teilweise als haben. Die Isolatorschichten 23, 27 sollen außerdem

Schaltbild dargestellte erste Ausführungsform der f_rej _von Poren und anderen Unregelmäßigkeiten

Erfindung, _seju_{; so da}ß _der Ladungsträgerfluß durch die Sehich-

Fig. 2a und 2b Energiediagramme zur Erläute- ten möglichst gleichförmig ist. Dicken zwischen 10

rung der ersten Arbeitsweise der in Fig. 1 dar- 65 und 30ÄE sind vernünftig. Bei Verwendung von

gestellten Einrichtung, Bariumstearat besteht die Schicht aus einer mono-

Fig. 3 zwei /-F-Kennlinien für die in Fig. 1 dar- molekularen Lage einer Dicke zwischen etwa 40

gestellte Einrichtung, die einmal dem Betriebszustand und 60 ÄE.

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Die Dicke der Emitterzone 21 und des Kollektors supraleitenden Zonen der Einrichtung, wenn keine 29 kann 10 000 AE oder irgendeinen geeigneten Vorspannung anliegt. Das Ferminiveau ist durch eine größeren Wert betragen. Die Dicke der Basis 25 gestrichelte Linie dargestellt, die im Emitter mit 61, zwischen Emitter und Kollektor soll kleiner als eine in der Basis mit 67 und im Kollektor mit 73 be-Diffusionslänge für normale Ladungsträger sein. Die 5 zeichnet ist, es liegt in der ganzen Einrichtung auf Dicke der Basis soll außerdem auch kleiner als die demselben Energiewert etwa in der Mitte der einzel-Londonsche Eindringtiefe (etwa 500 AE) sein, damit nen Bandlücken. Der Emitter 21 hat eine Energiedie Stromdichte in Querrichtung über die ganze bandlücke 2 E_{0 a} zwischen der oberen Grenze 63 eines Dicke der Basis wenigstens einigermaßen gleich- unteren Bandes und der unteren Grenze 65 eines förmig ist. Basisdicken zwischen 50 und 200 AE io oberen Bandes. Die Basis 25 hat eine größere Enerhaben sich als zweckmäßig erwiesen. Die Einrich- giebandlücke 2E_ob zwischen der oberen Grenze 69 tung ist bezüglich der Basis symmetrisch, und die eines unteren Bandes und der unteren Grenze 71 Funktionen des Emitters und des Kollektors sind eines oberen Bandes, diese Energieniveaus werden vertauschbar. Entsprechend der in F i g. 1 gewählten unten bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Darstellung kann der Emitter 21 auch als Kathode 15 Einrichtung als Bezugsniveaus verwendet werden, oder Elektroneninjektor und der Kollektor 29 als Der Kollektor 29 hat eine Energiebandlücke 2E_{0 c} Anode oder Löcherinjektor bezeichnet werden. zwischen der oberen Grenze 75 eines unteren Bandes Am Emitter 21 und Kollektor 29 sind Anschlüsse und der unteren Grenze 77 eines oberen Bandes. Die 31 bzw. 33 angebracht. Die Basis 25 trägt zwei Basis- Werte von E_{0 a} und E_{0 c} sind praktisch gleich,
anschlüsse 41, 43, die auf einer Achse liegen und die ab F i g. 1 zeigt eine für die erste Betriebsart geeignete Enden eines Stromweges für Süpraleiterladungs- Schaltungsanordnung für die beschriebene Einriehträger quer zur Dickenrichtung der Basis 25 begren- tung. Der Emitter 21 ist negativ und der Kollektor 29 zen. Der Emitter 21 und der Kollektor 29 begrenzen positiv bezüglich der Basis 25 vorgespannt. Wie die Enden eines Stromweges für normale Ladungs- Fig. 2b zeigt, verschieben sich die Energieniveaus träger durch die Isolatorschichten und die Basis, der 25 63, 65 bezüglich der Energieniveaus 69, 71 der Basis senkrecht zum Stromweg der Süpraleiterladungs- nach oben, wenn der Emitter 21 bezüglich der Basis träger verläuft. Die verschiedenen Anschlüsse 31, 33, negativ vorgespannt wird. Eine positive Vorspan-41, 43 sind sperrfreie Kontakte geringen Wider- nung des Kollektors 29 bezüglich der Basis 25 bestandes bezüglich der jeweils angeschlossenen wirkt, daß sich die Energieniveaus 75, 77 im Kollek-Zone. 30 tor bezüglich der Energieniveaus 69, 71 in der Basis In Reihe mit dem Emitteranschluß 31 und dem nach unten verschieben.. Wenn der Emitter 21 und Kollektoranschluß 33 sind in einem Arbeitskreis 35 der Kollektor 29 in der in Fig. 2b dargestellten eine erste Batterie 37 und ein Verbraucher 39 ge- Weise vorgespannt sind, werden normale Elektronen schaltet. Eine zweite Batterie 37 und eine Signal- aus dem Emitter 21 in die Basis 25 injiziert und aus quelle 49 liegen in Reihe mit den beiden Basis- 35 der Basis 25 vom Kollektor 29 extrahiert oder geanschlüssen 41, 43 in einem Steuerkreis 45. sammelt. Gleichzeitig werden normale Löcher vom Im Betrieb wird die Einrichtung in einen Cryo- Kollektor 29 in die Basis injiziert und vom Emitter staten 51 oder in eine andere Anordnung gebracht, 21 aus der Basis 25- gesammelt. Sowohl die Injekdie es erlaubt, die Einrichtung auf eine Temperatur tionen normaler Elektronen als auch die Extraktion nahe dem absoluten Nullpunkt und unterhalb der 40 normaler Löcher beruht auf normalen Trägern, die Temperatur, bei welcher der Supraleiter mit der die erste Isolatorschicht 23 auf Grund des Tunnelkleinsten Bandlücke supraleitend wird, zu bringen: effektes durchdringen. Die Injektion normaler Löcher Die kritische Temperatur für den Emitter 21 und den und die Extraktion normaler Elektronen beruht Kollektor 29 sollte etwas (10 bis 30%) höher als die ebenfalls auf normalen Trägern, die die zweite Betriebstemperatur der Einrichtung liegen, damit im 45 Isolatorschicht 27 durchtunneln. Der Gesamtstrom Emitter und Kollektor eine nennenswerte Anzahl normaler Elektronen und normaler Löcher ist der normaler Ladungsträger vorhanden ist. Die kritische Ausgangsstrom l_t. Die Größe des die Einrichtung Temperatur der Basis 25 soll genügend oberhalb der durchfließenden Ausgangsstroms I₁ ist eine Funktion Betriebstemperatur liegen, damit in der Basis bei der Vorspannung V_t, wie die Kurve 55 der F i g. 3 thermischem Gleichgewicht nur eine vernachlässig- 50 zeigt. Wenn die Vorspannung V_t von Null ausgehend bare Anzahl von normalen Ladungsträgern vornan- erhöht wird, fließt zuerst praktisch kein Strom, bis den ist. In Fig. 1 hält der Cryostat 51 der Einrich- die Spannung einen Wert 2(E₀₀-.E₀₀) erreicht, obertung auf der Betriebstemperatur unterhalb der kri- halb dessen normale Elektronen vom Emitter in die tischen Temperatur des Emitters 21 und des Kollek- Basis und normale Löcher in die Basis tunneln tors 29. Der Cryostat 51 kann beispielsweise einen 55 können. Entsprechend der Theorie der Supraleitung thermisch isolierten Behälter und eine Kühlanord- tritt die untere Grenze des oberen oder Leitungsnung enthalten, beispielsweise flüssiges Helium und bandes für normaleElektronen und die obere Grenze eine Anordnung zum Verdampfen von flüssigem des unteren oder Valenzbandes für normale Löcher Helium im Bereich der Einrichtung. Eine solche überall auf der Fermikugel im Momentenraum auf Anordnung wird normalerweise bei oder in der 60 und nicht nur an einer oder einer endlichen Anzahl Nähe des Kochpunktes von flüssigem Helium be- von Stellen im Momentenraum, wie bei Halbleitern trieben. Auch bei den Ausführungsformen der oder Isolatoren. Als Folge davon ist die Dichte der Fig. 4 und 5 findet ein solcher Cryostat 51 oder für normale Ladungsträger erlaubten Zustände an eine entsprechende Anordnung Verwendung. den Bandgrenzen unendlich. Wenn die Vorspan-Wenn sich die Einrichtung auf ihrer tiefen Be- 65 nung V_t den Wert 2 (E_{0 b} — E_{0 a}) übersteigt, werden triebstemperatur befindet, sind der Emitter 21, die die Zustände in der Basis 25 weniger, zu denen die Basis 25 und der Kollektor 29 supraleitend. Fig. 2a Ladungsträger von der gegenüberliegenden Bandzeigt die relative Lage der Energieniveaus in den grenze durchtunneln können. Der Ausgangsstrom l_t

nimmt daher mit zunehmender Vorspannung V_t ab, und in der Kennlinie tritt ein Bereich negativen Widerstandes auf. Wenn die Vorspannung größer als 2(E_0b + E_0a) wird, können Löcher in das untere erlaubte Band des Emitters 21 und Elektronen in das obere Band des Kollektors 29 injiziert werden. Der Ausgangsstrom I_t nimmt dann mit zunehmender Spannung wieder zu. Die 7-F-Kennlinie ist bezüglich des Koordinatenursprunges umgekehrt symmetrisch, d. h., bei einer Umpolung der Vorspannung kehrt to sich der Stromfluß um, was auf der Symmetrie von Elektronen und Löchern beruht.

Läßt man einen Steuerstrom/_s aus Supraleiterladungsträgern durch äußeren Steuerkreis 45 und durch die Basis 25 zwischen den Anschluß 41, 43 quer zur Flußrichtung der normalen Ladungsträger in der Basis 25 zwischen Emitter 21 und Kollektor 29 fließen, so bewirkt dieser Supraleiter-Steuerquerstrom /_s eine Verschmierung der Unendlichkeitsstelle der Dichte der Energiezustände an den Bandgrenzen zo in der Basis 25. Diese Verschmierung tritt in einem Energiebereich p_fv₀ auf, wobei p_f gleich dem Moment beim Ferminiveau und V₀ gleich der Querdriftgeschwindigkeit der Supraleiterelektronen ist. Die Verschmierung beruht darauf, daß die Schwellwertspannung für das Durchtunneln normaler Ladungsträger richtungsabhängig ist, wenn ein endlicher Supraleiterquerstrom vorhanden ist. Die erwähnte Verschmierung ist in Fig. 2b durch die kreuzschraffierten Flächen in der Basis 25 dargestellt, die durch die Linien 71' im oberen Band und durch die Linien 69' im unteren Band begrenzt sind. Im Ergebnis wird der Bereich negativen Widerstandes der 7_rF_rKennlinie verbreitert, wie die gestrichelte Kurve 57 in Fig. 3-zeigt. Der Bereich negativen Wider-Standes der Kennlinie kann also durch den Supraleiter-Steuerquerstrom J₅ beeinflußt werden. Dieser Effekt ist wichtig für Supraleiterquerströme, die kleiner sind als der kritische Strom der Basis 25. Die, Bedeutung ist daraus ersichtlich, daß der Steuerquerstrom 7_S die Supraleitung in- der Basis aufheben würde,: wenn V₀ gleich E_ob/pf ist. Der Steuersuprastrom /_s in der Basis soll vorzugsweise so klein sein, daß die magnetischen Wirkungen des Stromes nicht* ins Gewicht fallen, d. h. die magnetische Kopplung zwischen der Basis 25 und dem Emitter 21 bzw. dem Kollektor 29. Dies wird vorzugsweise dadurch, erreicht, daß die Dicke der Basis 25 vergleichbar mit der Londonschen Eindringtiefe (etwa 500 AE) oder kleiner ajs diese gemacht wird.

Etwaige Einflüsse des Magnetfeldes im Emitter 21 und Kollektor 29 und deren Anschlüssen 31 bzw. 33 können dadurch verringert werden, daß man Emitter 21 und Kollektor 29 dicker als den Pippardschen Kohärenzabstand macht. Bei den meisten Supraleitern liegt dieser charakteristische Wert in der Größenordnung von 10 000 AE. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Größe des in der Basis 25 fließenden Stromes aus normalen Ladungsträgern von der Dichte des Suprasteuerstromes in der Basis 25 und nicht vom Gesamtwert des Suprastromes in der Basis abhängt. Durch Verringerung der Basisdicke läßt sich daher die Stromverstärkung der Einrichtung erhöhen.

Mit der Einrichtung läßt sich dadurch eine Stromverstärkung erreichen, daß ein verhältnismäßig kleiner Suprastrom/_s einen größeren Strom I_t aus normalen Trägern steuern kann. Eine Leistungsverstärkung ist zusätzlich zur Stromverstärkung möglich, da der Arbeitskreis eine höhere Impedanz als der Steuerkreis haben kann.

F i g. 4 enthält eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Diese zweite Ausführungsform entspricht im Aufbau im wesentlichen der ersten Ausführungsform, und gleiche Teile sind daher auch mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Die Einrichtung der F i g. 4 enthält eine elektrisch isolierende Unterlage 81, beispielsweise ein quadratisches Stück Borsilikatglas. Kleine Bereiche an den Rändern der Unterlage 31 sind mit paarweise angeordneten Elektrodenanschlüssen 31, 33, 41, 43 aus Platinmetall zu sehen. Die Anschlüsse können durch Bestreichen der betreffenden Bereiche mit einer Platinfarbe oder einem Platinharz und anschließendes Erhitzen der Unterlage mit der aufgestrichenen Farbe auf über 400° C zum Verdampfen des organischen Materials und zum Einbrennen des metallischen Platins hergestellt werden.

Bei dieser Ausführungsform besteht der Emitter 21 aus einem etwa 250 μπι breiten und etwa 10 000 AE dicken Aluminiumstreifen, der sich zwischen und über die Elektrodenanschlüsse 31 erstreckt, die sich an gegenüberliegenden Ecken des Trägers befinden. Eine solche Aluminiumelektrode kann durch Aufdampfen' metallischen Aluminiums auf die geeignet abgedeckte Unterlage 81 hergestellt werden. Die Emitterelektrode 21 wird mit einer sie berührenden Isolatorschicht 23 überdeckt. Diese erste Isolatorschicht 23 wird durch die oxydierte Oberfläche des Aluminiumemitters 21 hergestellt, beispielsweise indem das Metall der Luft ausgesetzt wird. Der oxyrdierte Bereich ist eine Aluminiumoxydschicht mit einer Dicke zwischen etwa 20 und 40 AE. Die Schicht 23 stellt einen elektrischen Isolator dar, der von normalen elektrischen Ladungsträgern auf Grund des Tunneleffektes durchdrungen werden kann, der jedoch Supraleiterträger sperrt. Die Isolierschicht 23 kann auch durch eine chemische oder elektrolytische' Oxydation, des Emittermaterials hergestellt werden, wenn dies chemisch möglich ist. Die Isolatorschicht 23 kann auch durch Aufdampfen von SiO oder SiO₂. gebildet werden. ;

Zwischen und über die Basisanschlüsse 41, 43 reicht eine Basis 25 in Form eines etwa 380 μην breiten und etwa 50 AE dicken Bleistreifens. Der Streifen 25 kreuzt und herührt die Isolatorschicht 23. Die Bleielektrode kann durch Aufdampfen metallischen Bleis auf die geeignet maskierte Unterlage 81 hergestellt werden. Die Basis 25 wird mit einer sie berührenden Isolierschicht 27 überdeckt. Bei dieser Ausführungsform wurde die zweite Isolierschicht 27 durch Oxydation der Oberfläche des Bleis der Basis 25 zu Bleioxyd gebildet, beispielsweise auf chemischem Wege. Der die zweite Isolatorschicht bildende oxydierte Teil besteht im wesentlichen aus Bleioxyd und ist etwa 20 bis 40.AE dick.

Eine Kollektorelektrode 29 aus metallischem Aluminium in Form eines etwa 380 μηι breiten und etwa 10 000 AE dicken Streifens reicht zwischen und über die Elektrodenanschlüsse 33. Der Elektrodenstreifen 29 kreuzt und berührt die Isolatorschicht 27. Der Kollektor 29_okann nach demselben Verfahren hergestellt werden wie der Emitter 21, also beispielsweise durch Aufdampfen von Aluminiummetall auf die bereits vorhandenen Schichten und die Unterlage 81, die geeignet abgedeckt wurde. In einem gemein-

samen Bereich in der Mitte der Unterlage 81 liegt die Basis 25 auf dem Emitter 21 und der Kollektor 29 auf der Basis 25.

Die Ausführungsform der Fig. 4 ist in den gleichen Arbeits- und Steuerkreis geschaltet wie die erste Ausführungsform, indem der Emitter, die Basis und der Kollektor in genau derselben Weise mittels der Anschlüsse 31, 33, 41, 43 angeschlossen sind. Die in F i g. 4 dargestellte zweite Ausführungsform kann in der ersten Arbeitsweise betrieben werden, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.

F i g. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die in einer zweiten Betriebsart betrieben werden kann. Auch die oben beschriebenen ersten beiden Ausführungsformen können in der zweiten Betriebsart betrieben werden. Bei der zweiten Betriebsart ist ein Arbeitskreis an die Basisanschlüsse 41, 43 und ein Steuerkreis an den Emitter- bzw. Kollektoranschluß 31, 33 angeschlossen, die so betrieben werden, daß normale Träger mit größerer Dichte in die Basis 21 injiziert werden, um die Supraleitung der Basis aufzuheben.

Die in F i g. 5 dargestellte Einrichtung gleicht der Einrichtung der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß der Emitter 2Γ und der Kollektor 29' aus normalen Materialien bestehen. Die Energieverhältnisse in den einzelnen Zonen der Einrichtung sind in Fig. 6 dargestellt. Der Unterschied gegenüber F i g. 2 a besteht darin, daß die Emitterzone 21' und die Kollektorzone 29' keine Energiebandlücken haben, da sie aus normalen Materialien bestehen. Der Emitter 21' und der Kollektor 29' weisen statt dessen ein Ferminiveau 61' bzw. 73' auf, bei welchem die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines freien Ladungsträgers Vi ist.

In F i g. 5 ist außerdem ein Arbeitskreis 35' dargestellt, der eine Vorspannungsquelle 37' und einen Verbraucher 39' enthält, die in Reihe an die Basisanschlüsse 41,43 angeschlossen sind. Ein Steuerkreis 45' enthält eine Vorspannungsquelle 47' und eine Signalquelle 49', die in Reihe an den Emitteranschluß 31 und den Kollektoranschluß 33 angeschlossen sind.

Wenn im Betrieb an dem Emitter- und Kollektoranschluß 31 bzw. 33 keine Vorspannung oder kein Signal anliegen, fließt durch die Basis 25 ein Suprastrom. Wenn aus der Quelle 49' ein Signal mit geeigneter Vorspannung aus der Batterie 47' an die Anschlüsse 31,33 des Emitters bzw. Kollektors angelegt werden, werden normale Elektronen vom Emitter 21' und normale Löcher vom Kollektor 29' in die Basis 25 injiziert. Mit steigender Konzentration der injizierten Löcher und Elektronen schrumpft die Bandlücke in der Basis 25, wodurch noch mehr normale Ladungsträger injiziert werden. Oberhalb einer Schwellwertspannung werden normale Träger mit genügender Dichte in die Basis injiziert, um diese normalleitend zu machen. Wenn die Basis 25 in den normalen Zustand geschaltet wird, tritt im Verbraucherkreis eine zusätzliche Impedanz auf, durch die der Strom im Arbeitskreis verringert wird. Wird die Injektion normaler Elektronen und Löcher verringert, beispielsweise durch Verkleinerung der Steuerspannung, so nimmt die Basis 25 wieder ihren supraleitenden Zustand an. Die Steuerspannung ermöglicht also die Größe des im Verbraucherkreis fließenden Stromes zu steuern.

Supraleiter

Technetium (Tc)

Niob (Nb)

Blei (Pb)

Lanthan (La) ....
Vanadium (V) ...

Tantal (Ta)

Quecksilber (Hg)

Zinn (Sn)

Indium (In)

Thallium (Tl) ...
Rhenium (Re) ...
Thorium (Th) ...
Aluminium (Al) .
Gallium (Ga) ....

Zink (Zn)

_ao Uran (U)

Osmium (Os) ....

Zirkon (Zr)

Cadmium (Cd) ..
Ruthenium (Ru) .

Titan (Ti)

Hafnium (Hf) ...

	Bandlücke
Oj XV	mV*
11,2	3,4
8,7	2,6
7,2	2,7
5,4	1,6
4,9	1,5
4,4	1,3
4,2	1,3
3,7	1,1
3,4	1,1
2,4	0,7
1,7	0,5
1,4	0,4
1,2	0,3
1,1	0,3
0,9	0,3
0,8	0,2
0,7	0,2
0,6	0,2
0,6	0,2
0,5	0,1
0,4	0,1
0,4	0,1

* Die Bandlücke für T = 0 wurde bei Pb, Sn, In und Al auf Grund des Tunneleffektes gemessen. Bei den anderen Metallen wurde sie gleich 3,5 kT gesetzt (Boltzmann-Konstantefc = 0,086 mV/° C).

Claims

Patentansprüche:

1. Bei tiefen Temperaturen arbeitende Einrichtung zum elektronischen Verstärken oder Schalten mit einer mittleren Zone und zwei äußeren Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (25) aus einem Supraleiterwerkstoff besteht, der eine größere Bandlücke hat als die beiden äußeren Zonen (21, 29), die aus einem Supraleiterwerkstoff oder einem bei Betriebstemperatur normalleitenden Werkstoff bestehen und durch dünne, von normalen Ladungsträgern durchtunnelbare Isolierschichten (23 bzw. 27) von der mittleren Zone getrennt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der mittleren Zone kleiner als 500 AE ist und vorzugsweise zwischen 50 und 200 AE liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der isolierenden Schichten (23,27) zwischen 6 und 100 AE beträgt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der isolierenden Schichten zwischen 10 und 30 AE beträgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Schichten aus Bariumstearat bestehen und eine Dicke zwischen 40 und 60 AE haben.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der äußeren Zonen (21, 29) größer als 10 000 AE ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Bandlücken der beiden äußeren Zonen (21, 29) wenigstens annähernd gleich groß sind.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (25) mit zwei niederohmigen An-Schlüssen (41, 43) versehen ist, die einen Stromweg begrenzen, der den von den beiden äußeren Zonen (21, 29) begrenzten Stromweg durch die mittlere Zone schneidet.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß ein Verbraucherstromkreis (37, 39) an die erste und dritte Zone und ein Eingangskreis, der eine Eingangssignalquelle (49) und eine Vorspannungsquelle (47) enthält, an die beiden Anschlüsse (41, 43) der mittleren Zone angeschlossen sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbraucherkreis (35'), der eine Spannungsquelle (37') und einen Verbraucher (390 enthält, an die beiden Anschlüsse (41, 43) der mittleren Zone angeschlossen ist und daß die beiden äußeren Zonen (21', 29') mit einem Eingangskreis (45') verbunden sind, der eine Vorspannungsquelle (47') und eine Eingangssignalquelle (49') enthält.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühlanordnung (51), die die drei Zonen auf einer Temperatur zu halten gestattet, die unter der Sprungtemperatur des Materials der mittleren Zone liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen