DE1280441B

DE1280441B - Elektronisches Festkoerperbauelement zum Schalten und Speichern

Info

Publication number: DE1280441B
Application number: DEJ32204A
Authority: DE
Inventors: John Henry Alexander; Cyril Francis Drake; Ian Francis Scanlan
Original assignee: INTERNAT STANDARD ELEK C CORP; International Standard Electric Corp
Current assignee: INTERNAT STANDARD ELEK C CORP; International Standard Electric Corp
Priority date: 1965-11-10
Filing date: 1966-11-10
Publication date: 1968-10-17
Also published as: US3440588A; GB1141644A; NL6615850A; BE689536A; FR1520413A; ES333119A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-41/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 80 441.0-33 (J 32204)

10. November 1966

17. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schalt- und Speichervorrichtung in Form eines Festkörperbauelementes, insbesondere auf ein bistabiles Bauelement, bei dem zwischen mindestens zwei Elektroden ein glasartiges Material angeordnet ist, das Zustände verschiedenen Widerstandes annehmen kann, die auch erhalten bleiben, wenn nach dem Abklingen des Schaltstromes kein Strom mehr fließt.

Das glasartige Material wird normalerweise als Isolator angesehen, und der spezifische Widerstand des Materials liegt gewöhnlich in der Größenordnung von ΙΟ¹⁰ Ohmzentimetern bei Zimmertemperatur in einem seiner bistabilen Zustände. Unter glasartigem Material soll ein Material verstanden werden, das normalerweise als Glas, glasähnlich, gläsern oder amorph bezeichnet wird. Diese Stoffe können in anderer Weise auch so charakterisiert werden, daß man sagt, daß eine Ordnung oder reguläre Wiederholung der Anordnung von Atomen und Zwischenräumen für höchstens einige Atomabstände vorhanden ist.

Aus der französischen Patentschrift 1 351 433 ist bereits ein elektronisches Festkörperbauelement bekannt, bei dem zwischen zwei Elektroden eine glasige Substanz mit einer Leitfähigkeit von 10~² bis 10~⁸ Ohm~¹cm~¹ angeordnet ist, die mittels eines den Elektroden zugeführten Signals von einem Zustand hohen Widerstandes in einen Zustand niedrigen Widerstandes und umgekehrt umschaltbar ist. Die glasige Substanz enthält ein glasbildenes Oxyd und ein weiteres Oxyd, das zwei verschiedene Wertigkeitszustände annehmen kann. Bei dem bekannten Bauelement ist auf die glasige Substanz eine Spitzenelektrode aufgesetzt.

Das bekannte Festkörperbauelement hat im Zustand hohen Widerstandes stets eine stark gekrümmte Widerstandskennlinie. Dies ist jedoch für viele Anwendungen unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Festkörperbauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das sowohl im Zustand niedrigen Widerstandes als auch im Zustand hohen Widerstandes eine möglichst lineare Widerstandskennlinie hat.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Elektroden durch eine dünne Schicht voneinander getrennt in dem glasartigen Material eingebettet sind und daß dieses Material ein Oxyd eines Metalls der Π. Gruppe des Periodischen Systems enthält.

Die für die Erfindung geeigneten Gläser sind auf der Basis von Oxyden geeigneter Elemente und insbesondere solchen Oxyden aufgebaut, die Silizium-Elektronisches Festkörperbauelement zum
Schalten und Speichern

Anmelder:

International Standard Elektric Corporation,

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

ίο Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
7000 Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

Cyril Francis Drake,

lan Francis Scanlan,

John Henry Alexander, Harlow, Essex
(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 10. November 1965 (47 656)

dioxyd oder Bortrioxyd oder Phosphorpentoxyd als glasbildende Oxyde, sowie ein oder mehrere Metalloxyde enthalten.

Ein Glas für ein Festkörperbauelement gemäß der Erfindung besteht beispielsweise aus 1,2 g Boroxyd, 0,4 g Calciumoxyd und 1,0 g Kupferoxyd (CuO).

Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungsformen und der Zeichnungen näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Bauelementes;

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung einer typischen Strom-Spannungs-Kennlinie von einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, und Fig. 3 stellt einen Schnitt durch eine von dem in

F i g. 1 dargestellten Bauelement abweichende Ausführungsform dar.

Das Bauelement nach Fig. 1 wird durch Schmelzen einer Mischung aus 1,2 g Boroxyd, 0,4 g Calciumoxyd und 1,0 g Kupferoxyd (CuO) in einem Porzellantiegel in Luft bei einer Temperatur von 1150° C hergestellt.

Ein Platindraht 10 von etwa 0,5 mm Dicke wird in das geschmolzene glasartige Material eingetaucht

809 627/1163

und eine Glasperle 11 aus. der Schmelze entnommen. Die Perle 11 wird anschließend wieder erhitzt, bis sie schmilzt, und ein zweiter Platindraht 12 in die geschmolzene Perle so eingeführt, daß die Enden der zwei Drähte durch eine Schicht aus Glas von etwa 50 μ Dicke voneinander getrennt sind.

Ein solches Bauelement weist, bei niedrigen Spannungen gemessen, die hochohmige Kennlinie 20 auf, wie sie glasartige Stoffe üblicherweise haben. Sie verhält sich wie ein Ohmscher Widerstand mit einer symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinie und einem spezifischen Widerstand zwischen 10⁶ und 10¹² Ohm.

In gewissen Fällen kann es nützlich sein, eine Formierspannung anzulegen, bevor die Vorrichtung die gewünschte niederohmige Kennlinie erreicht. Eine solche Formierspannung ist normalerweise höher als irgendeine nachfolgende Schaltspannung, d. h. einige 100 Volt, in beiden Richtungen. Es ist von großer Wichtigkeit, daß das Bauelement in einer Schaltung formiert wird, in der der Scheitelstrom ao nach dem Anfangsdurchbruch durch die Schaltung auf wenige Milliampere begrenzt wird. Ein zweckdienliches Verfahren besteht darin, die Vorrichtung mit einem 1O⁵OhHi Widerstand in Reihe zu formieren, as

Das formierte Bauelement besitzt nun einen niedrigen Widerstand von etwa 10 Ohm. Dieser Zustand wird nachfolgend als »ein«-Zustand bezeichnet. Das Bauelement bleibt nun unbeschränkt im »ein«-Zustand, sowohl in einem offenen Schaltkreis, als auch in einem geschlossenen Schaltkreis, oder bei einer an den Anschlüssen anliegenden niedrigen Gleichoder Wechselspannung. Die Kennlinie 21 ist also bei niedrigem Widerstand symmetrisch.

Um das Bauelement von dem Zustand niedrigen Widerstandes »ein« in den Zustand hohen Widerstandes »aus« umzuschalten, ist es erforderlich, einen Stromimpuls 7_S anzulegen. Der Stromimpuls/_s muß eine schnelle Stromänderung mit der Zeit ergeben und ist zweckmäßig ein Steilflanken- oder Rechteckimpuls, der nicht langer als eine Mikrosekunde dauert.

Das Bauelement bleibt unbeschränkt in dem »aus«-Zustand, sowohl in einem offenen Schaltkreis, als auch in einem geschlossenen Schaltkreis, oder wenn eine Spannung anliegt, die geringer als die Schaltspannung V_s ist. Wenn die angelegte Spannung F₅ erreicht oder überschreitet, wird das Bauelement wieder in den »ein«-Zustand umgeschaltet.

Eine von der in Fig. 1 dargestellten abweichende so Konstruktion zeigt Fig. 3. In diesem Fall sind die Drahtelektroden 30, 31 im rechten Winkel zueinander in der Glasperle 32 angeordnet, und zwar derart, daß die Elektrode 30 die Elektrode 31 in einem Abstand von etwa 50 μ überkreuzt. Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß der Stromweg auf einen besonderen Teil des Materials begrenzt ist, d. h. daß der kürzeste Weg zwischen den zwei Elektroden gut definiert ist. Im Gegensatz hierzu ist bei der Konstruktion von F i g. 1 der Stromweg zwischen zwei flachen parallelen Oberflächen nicht so gut definiert, es sei denn, daß die beiden Oberflächen in ihrer Ausdehnung beträchtlich reduziert werden. Die Kennlinien des in Fig. 3 dargestellten Bauelements sind ähnlich den in Fig. 2 gezeigten.

Ein Herstellungsverfahren eines solchen Bauelements ist schon beschrieben worden. Ein davon abweichendes Verfahren besteht darin, daß eine dünne Schicht des glasbildenden Oxyds auf einer geeigneten Unterlage erzeugt und anschließend eine Schicht eines oder mehrerer Metalle aufgebracht wird, die den Metalloxydanteil des Glases auf der glasbildenden Oxydoberfläche bilden soll. Diese Anordnung wird dann in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt und eine dünne Glasschicht auf einer Metallunterlage erzeugt. Die zweite Elektrode wird durch Aufdampfen eines diskreten Metallgebietes auf der Oberfläche des Glases aufgebracht und ein Druck- oder Lötkontakt an der Metallfläche angebracht.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung des Bauelements besteht darin, daß eine Glimmentladung durch eine unter niedrigem Druck stehende Mischung aus Sauerstoff und verdampfbaren Verbindungen der Elemente geleitet wird, aus denen das Glas hergestellt werden soll, und eine erhitzte Metallunterlage in geeigneter Weise angeordnet wird, um den Niederschlag des Glases aufzunehmen. Das Glas kann auch durch Vakuumverdampfung oder durch Zerstäubung eines geeigneten Ausgangsstoffes auf eine Metall- oder andere leitende Unterlage niedergeschlagen werden.

Ein für ein Bauelement zum Schalten geeignetes glasartiges Material kann auch auf der Basis von Phosphorpentoxyd als glasbildendem Oxyd und einem Oxyd von Wolfram als Metall mit verschiedenen Wertigkeitszuständen zusammengesetzt sein.

Eine weitere geeignete Zusammensetzung ist ein Glas mit Phosphorpentoxyd als glasbildendem Oxyd und Cadmiumoxyd als Oxyd eines Metalls der II. Gruppe, dem das Oxyd eines Metalls, das verschiedene Wertigkeitszustände annehmen kann, in solcher Menge zugesetzt wird·, daß noch kein Entglasen eintritt.

Bei einer anderen Ausführungsform besteht das glasartige Material aus einer auf einer Elektrodenunterlage aufgebrachten Schicht mit einer oder mehreren, auf der Oberfläche der Glasschicht angeordneten, voneinander getrennten Elektroden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten und Speichern, bei dem zwischen mindestens zwei Elektroden ein glasartiges Material angeordnet ist, das Zustände verschiedenen elektrischen Widerstandes annehmen kann und mindestens ein glasbildenes Oxyd sowie ein Oxyd eines Metalls, das verschiedene Wertigkeitszustände annehmen kann enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch eine dünne Schicht voneinander getrennt in dem glasartigen Material eingebettet sind, und daß dieses Material ein Oxyd eines Metalls der Π. Gruppe des Periodischen Systems enthält.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

4. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Platin bestehen.

5. Bauelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material als

glasbildendes Oxyd Siliziumdioxyd, Bortrioxyd oder Phosphorpentoxyd enthält.

6. Bauelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material als Oxyde eines Metalls, das verschiedene Wertigkeitszustände annehmen kann, Oxyde von Kupfer oder Wolfram enthält.

7. Bauelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material als Oxyd eines Metalls der II. Gruppe Oxyde des Calciums oder Cadmiums enthält.

8. Bauelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material als glasbildendes Oxyd Boroxyd und als Oxyd eines Metalls das verschiedene Wertigkeitszustände annehmen kann, Kupferoxyd enthält.

9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material CaI-ciumoxyd enthält.

10. Bauelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material als glasbildendes Oxyd Phosphorpentoxyd und als Hauptbestandteil Wolframoxyd enthält.

11. Bauelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Material Phosphorpentoxyd als glasbildendes Oxyd und Cadmiumoxyd als Oxyd eines Metalls der II. Gruppe enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 351433.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen