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Logische Einrichtungen mit- negativem Masse-Widerstand
Die Erfindung
betrifft logische Schaltungen, insbesondere Schaltungen, bei denen als logisches
Element eine Scheibe aus einem Halbleiter verwendet wird, der einen negativen Masse-Widerstand
zeigt. Dieser Effekt kann durch den Übergang von Elektronen mit hoher Energie zwischen
zwei Leitungsbandtälern entstehen, die verschiedene Beweglichkeiten aufweisen und
deren Energie unterschiedlich ist, so daß elektrische Instabilitäten erzeugt werden,
wie es'bei einer Zweital-Halbleitereinrichtung der Fall ist, die zur Zeit eine bevorzugte
Form von Einrichtungen mit negativem Masse-Widerstand darstellt.
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Die grundlegende Theorie von "Zwei-Tal!'-Halbleitereinrichtungen ist
eingehend in einer Anzahl von Aufsätzen in der Sonderausgabe der I. E. E. E. Transactions
an Electron Devices,vom Januar 1966, über Halbleiter-Masseeffekt und Laufzeiteinrichtungen
dargelegt. Die Erfindung wird anhand dieser Gruppe von Einrichtungen mit negativem
Masse-Widerstand beschrieben, wenn auch ihr Prinzip nicht hierauf beschränkt ist.
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Es ist insbesondere bekannt, daß wenn die Spannung erhöht wird, die
an eine Scheibe oder ein Element aus einem geeigneten Halbleiter wie
n-leitendes
Galliumarsenid, das keinen erkennbaren gleichrichtenden PN-Übergang enthält, angelegt
wird, der mittlere Halbleiterstrom fast linear auf einen Maximalwert zunimmt und
dann plötzlich auf einen Wert zwischen 60 und 90 % des Maximalwerts abfällt und
diesen verringerten Wert bei weiterer Zunahme der Spannung konstant beibehält. Ferner
wurde festgestellt, daß in diesem Bereich des verringerten Wertes der Momentanstrom
periodisch mit einer Frequenz schwingt, die zur Länge des Halbleiters in Beziehung
steht.
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Man hat jetzt erkannt, daß der schwingende Zustand mit der Erzeugung
und der Wanderung eines Bezirks mit hohem elektrischen Feld durch die Scheibe von
der negativen Elektrode oder Kathode zur positiven. . Elektrode oder Anode in Verbindung
steht. Auch wenn die angelegte Spannung unter die Grenzspannung herabgesetzt wird,
verschwindet der Bezirk mit hohem Feld nicht, sondern bewegt sich weiter zur. Anode,
so lange die angelegte Spannung oberhalb eines minimalen aufrechterhaltenden Wertes
bleibt. Insbesondere ist offenbar die normale : Wiederholungsgeschwindigkeitoder
die Schwingfrequenz durch die Laufzeit dieses zwischen der Kathode und der Anode
wandernden Feldbezirks bestimmt.
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Diese Einrichtungen sind von besonderem Interesse, da sie die Eigenschaften
hoher Arbeitsgeschwindigrkeit, Verstärkung und relativer Einfachheit miteinander
verbinden.
Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungen, in denen
eine Halbleitereinrichtung mit negativem Massewiderstand mit einer Vielzahl von
Eingängen versehen ist, zwischen denen eine vorgeschriebene logische Operation durchgeführt
werden soll. Die vorgeschriebene logische Operation wird in der Halbleitereinrichtung
als Ergebnis entweder einer bestimmten Reihe von Vorspannungsbedingungen und/oder
einer geeigneten geometrischen Form des Halbleiterelements durchgeführt. Derartige
Schaltungen bieten ebenfalls die Aussicht auf hohe Arbeitsgeschwindigkeit, Verstärkung
und relative Einfachheit.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Zweital-Halbleitereinrichtung
ein halbleitendes Element, dessen Form so ausgebildet ist, daß es zwei Arme aufweist,
die von einem Körper ausgehen. Mit jedem der beiden Arme ist ein getrennter Eingangszweig
verbunden, während mit dem Körper eine Ausgangselektrode kapazitiv verbunden ist.
Zur Verwendung als werden die Abmessungen des Körpers und die Vorspannungen so ausgelegt,
daß zur Fortpflanzung eines wandernden Bezirks an der Ausgangselektrode vorbei Eingangs-Signale
an beide Arme anzulegen sind. Andererseits werden zur Verwendung als "ODER"-Schaltung
die Abmessungen des Körpers und -die Vorspannung so ausgelegt, daß ein an einen
der Arme angelegtes Signal die Fortpflanzung eines wandernden Bezirks an der Ausgangselektrode
vorbei zur Folge hat.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der
beigefügten Zeichnung .beschrieben. Es zeigen; Fig. 1 und 2 eine "UND't und eine
t'ODER"-Schaltung entsprechend ' den Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen
in erster Linie die geometrische Form des halbleitenden Elements verwendet wird,
um die logische Funktion zu bestimmen; Fig. 3 und 4 andere Ausführungen der Erfindung,
die je nach dem Vorspannungszustand jeweils entweder als "UNDn oder als "ODER"-Schaltung
verwendet werden können. Es sei nun eingehender auf die Zeichnung eingegangen. Fig.1
zeigt eine 'tUND"-Schaltung 10, die eine Zweital-Halbleitereinrichtung enthält,
welche aus dem halbleitenden Element 11 aus einem geeigneten Material, wie n-leitendes
Galliumarsenid besteht, das, wie aus der Figur ersichtlich, eine t'Y't-Form aufweist,
die aus zwei Armen 12 und 13 und dem Körper 14 besteht. Der Querschnitt des Körpers
14 ist größer als derjenige jedes der beiden Arme, die vorteilhafterweise den gleichen
Querschnitt haben. Die Elektroden 15 und 16 stellen eine Ohmtsche Verbindung mit
den Armen 12 und 13 her und dienen als getrennte Kathoden. Die Elektrode 17 stellt
eine Ohmische Verbindung mit dem entfernten Ende des Körpers 14 her und dient als
Anode. Die Elektrode 18 stellt mit Hilfe der Isolierschicht 19 eine kapazitive Verbindung
mit einem mittleren Gebiet des Körpers 14 her. Die Ein- '
gangszweige
20 und 21 sind mit den Kathoden 15 und 16 verbunden, während der Widerstand 22 und
die Gleichspannungsquelle 23 mit der Anode 17 verbunden sind.
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Die Eingangszweige 20 und 21 sind so ausgeführt, daß sie unter dem
Einfluß von Eingangssignalquellen einen Spannungsimpuls der entsprechenden Kathode
zuführen.
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Die Spannungsquelle 22 ist so bemessen, daß, wenn an beiden Kathoden
nicht gleichzeitig Eingangsimpulse vorhanden sind, ein wandernder Bezirk nicht auf
dem Element fortgepflanzt wird, obwohl heimgleichzeitigen Anlegen von Eingangsimpulsen
an die beiden Kathoden ein wandernder Bezirk entsteht und auf dem Element von den
Kathoden zur Anode an der Ausgangselektrode 18 vorbei fortgepflanzt wird. Die Spannungsquelle
22 liefert zwischen den Kathoden und der Anode einen Vorstrom, der eine Trägerbewegungsgeschwindigkeit
bewirkt, die unterhalb der kritischen Geschwindigkeit für die Auslegung von Bezirken,
aber oberhalb des Minimums für die Fortpflanzung von Bezirken liegt. Ferner sind
die Vorspannungsbedingungen so eingerichtet, daß nach Anlegen eines Impulses lediglich
an eine der beiden Kathoden an dieser Kathode ein wandernder Bezirk zur Fortpflanzung
zur Anode entsteht, dessen Größe so beschaffen ist, daß er nach Erreichen des Verbindungspunktes
24, wo die Arme mit dem Körper zusammenkommen, so viel Energie durch seitliche Ausdehnung
verliert, daß er verschwindet.
Wenn andererseits zwei Bezirke und
zwar jeweils einer von einem Arm den Verbindungspunkt 24 gleichzeitig erreichen,
vereinigen sie sich zu einem einzigen Bezirk, der fortgepflanzt wird.
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Bei einer solchen Arbeitsweise ist es wichtig, eine vom Anodenzweig
unabhängige Ausgangslektrode zu verwenden, um den Vorbeigang eines wandernden Bezirks
festzustellen. Durch diese Unabhängigkeit wird sichergestellt, daß ein Stromimpuls
in der Ausgangsbelastung 25 nur infolge des Vorbeigangs eines wandernden Bezirks
fließt.
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Im Gegensatz dazu wird in dem mit dem Anodenzweig verbundenen Widerstand
22 ein Stromimpuls erzeugt, wenn ein Bezirk in das Element eingeführt wird, bis
er verschwindet, wie wenn ein nur an einer Kathode eingeführter Bezirk nach Erreichen
des Verbindungspunktes 24 verschwindet.
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Es ist möglich, den besonderen Ausgangszweig wegzulassen und die Belastung
in den Anodenzweig einzuschalten, wenn die Belastung zeitabhängig gemacht wird.
Insbesondere tritt der Fall ein, daß, wenn ein Bezirk nur an einer Kathode ausgebildet
wird, die Beendigung eines Stromimpulses oder von Impulsen im Widerstand 22 dem
Anlegen von Eingangsimpulsen an die Kathode um die Zeit nacheilt, die der Bezirk
braucht, um von der Kathode zum Verbindungspunkt 24 zu wandern. Wenn andererseits
ein Bezirk an jeder Kathode entsteht, eilt die Beendigung des Stromimpulses im Widerstand
22 dem Anlegen des
Eingangsimpulses an die Kathoden um die längere
Zeit nach, die der Bezirk zum Wandern zur Anode braucht.
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Wenn ferner, wie es manchmal der Fall ist, die Breite oder die Dauer
der an die Kathoden angelegten Eingangsimpulse lang ist im Vergleich zur Laufzeit
des wandernden Bezirks durch das Element, so daß während des Intervalls jedes Eingangsimpulses
eine Reihe von Bezirken eingeführt wird, ist die Wiederholungsgeschwindigkeit der
Stromimpulse im Widerstand 22 doppelt so hoch, wenn ein Impuls nur an eine einzige
Kathode angelegt wird, wie wenn Impulse gleichzeitig an beide Kathoden angelegt
werden und zwar wegen der kürzeren Laufzeiten, die durch den kürzeren Abstand entstehen,
der vor dem Verschwinden durchlaufen wird. Infolgedessen kann auf Wunsch der Zustand
der Eingangszweige dadurch bestimmt werden, daß die Wiederholungsgeschwindigkeit
von Stromimpulsen im Widerstand 22 festgestellt wird. Wenn auch die in Fig. 1 dargestellte
Schaltung so eingerichtet ist, daß nur zwei Eingangssignale verarbeitet werden können,
so können doch offensichtlich durch eine geeignete geometrische Form des halbleitenden
Elements weitere Eingänge zugeführt werden. Weiterhin kann offensichtlich durch
geeignetes Einrichten der Vorspannungsbedingungen und der effektiven Querschnitte
der Eingangsarme die Fortpflanzung eines Bezirks im Körper, die durch die Ausgangsschaltung
festgestellt werden kann, von jeder gewünschten Kombination von Eingangsbeziehungen
abhängig
gemacht werden, z. B. von dem Anlegen von gleichzeitigen Eingangsimpulsen an wenigstens
zwei von drei Kathoden oder an wenigstens drei von vier Kathoden.
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Weiterhin kann durch geeignetes Inbeziehungsetzen der relativen Längen
der verschiedenen Arme eine zeitliche Abstimmung durchgeführt werden, so daß die
Bezirke die in verschiedenen Armen durch an die jeweiligen Kathoden zu verschiedenen
Zeiten angelegten Eingangsimpulse entstehen trotzdem gleichzeitig am Verbindungspunkt
ankommen. Zusätzlich ist es möglich, den gewünschten Effekt dadurch zu erreichen,
daß Unterschiede des spezifischen Widerstands zwischen den Armen und dem Körper
anstelle von Änderungen der Abmessungen benutzt werden, so daß in die Arme eingeführte
Bezirke. im Körper nur fortgepflanzt werden, wenn eine Vielzahl von Bezirken am
Verbindungspunkt vereinigt wird. , Fig. 2 zeigt eine inklusive "ODER"-Schaltung
30, die in vieler Hinsicht der "UND"-Schaltung der Fig. 1 gleicht. Zu diesem Zweck
sind im Interesse der Zweckmäßigkeit entsprechende Elemente in den beiden Schaltungen
durch Bezugszahlen bezeichnet, die sich um zwanzig unterscheiden.- Der Hauptunterschied
besteht darin, daß in der "ODER"-Schaltung 30 die Halbleitereinrichtung mit negativem
Massewiderstand ein halbleitendes Element 31 enthält, bei dem die beiden Arme 32
und 33
jeweils wenigstens den gleichen, vorzugsweise einen größeren
Querschnitt haben als der Körper 34. Ferner ist die Spannungsquelle 43 so bemessen,
daß eine Spannung zwischen den Kathoden und der Anode geliefert wird, die näher
bei dem Grenzwert für die Entstehung von wandernden Bezirken als die Spannungsquelle
23 liegt, was zur Folge hat, daß ein Eingangsimpuls an einer der Kathoden 35 und
36 einen Bezirk erzeugt, der sich auf dem ganzen Weg zur Anode fortpflanzt.
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Bei dieser Schaltung kann die kapazitive Verbindung 38, 3 9 weggelassen
werden, wobei ein Eingangsimpuls an einer der Kathoden einfach als Stromimpuls im
Widerstand 42 festgestellt wird. Jedoch dürfte es sich bei Anordnungen, die sowohl
"UND" und ttODERta Schaltungen verwenden, oftmals als vorteilhaft erweisen, insbesondere
vom Gesichtspunkt der Gleichheit der Impedanzeigenschaften die kapazitive Verbindung
in der dargestellten Weise. für die Feststellung einer Ausgangsinformation zu verwenden.
Ferner können offensichtlich wie bei der früheren Schaltung zusätzliche Arme am
halbleitenden Element vorgesehen werden, um zusätzliche Kathoden zur Aufnahme weiterer
Eingänge zu schaffen.
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Ferner kann mit den beschriebenen Schaltungen offensichtlich die Verneinungsfunktion
einfach dadurch durchgeführt werden, daß Impulse von entgegengesetzter Polarität
an ausgewählte Eingangselektroden angelegt werden.
Zum Beispiel
kann bei der Schaltung der Fig. 1 ein dritter Arm vor- . gesehen werden, so daß
durch das Anlegen eines Eingangsimpulses die Wirkung eines der an die anderen Arme
angelegten Eingangsimpulses verneint wird, wodurch die Fortpflanzung eines wandernden
Bezirks durch den Körper zum Vorbeigehen am Ausgang verhindert wird.
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Ebenso kann mit der Schaltung der Fig. 2 das Anlegen eines Impulses
von entgegengesetzter Polarität an die eine Kathode gleichzeitig mit dem Anlegen
eines Impulses an die andere Kathode die Fortpflanzung eines wandernden Bezirks
durch den Körper verhindern.
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Die bisher beschriebenen Anordnungen haben den Vorteil, daß ein hoher
Grad an Trennung zwischen den getrennten Eingängen leicht erreicht werden kann,
da jeder Eingang an einen getrennten Arm des halbleitenden Elements angelegt wird.
In manchen Fällen ist ein geringerer Grad an Trennung zulässig, wobei eine gewisse
Vereinfachung des Aufbaus möglich ist. Zu diesem Zweck zeigt Fig. 3 eine Schaltung
50, die durch eine geeignete Vorspannung entweder als "UND"-Schaltung oder als "ODER"-Schaltung
benutzt werden kann. Sie enthält eine Zweital-Halbleitereinrichtung, die aus einem
halbleitenden Element 51 besteht, das anders als bei den Schaltungen der Fig. 1
und 2 einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist. An den entgegengesetzten Enden sind
OHMIsche Elektroden
52 und 53 vorgesehen, zwischen denen der Widerstand
54 und die Gleichspannungsquelle 55 liegen. Die Eingangselektroden 56 und 57 sind
an dem der Elektrode 52 benachbarten Ende kapazitiv mit dem Element verbunden, wobei
die Elektrode 52 die Kathode der Einrichtung bildet. Diese Elektroden können, wie
die Elektroden 19 und 39 in den vorher beschriebenen Anordnungen metallische Schichten
sein, wie sie auf einem Isolierfilm, z. B. aus Siliciumoxid aufgebracht sind, der
auf Teilen der Oberfläche des halbleitenden Elements aufliegt. In gleicher Weise
stellt am@Anodenende die Ausgangselektrode 58 eine kapazitive Verbindung mit dem
halbleitenden Element her. Die Eingangs-Steuerzweige 59 und 60 sind mit den Eingangselektroden
56 und 57 verbunden. Zum Betrieb als "UND"-Schaltung wird die Spannungsquelle 54
so bemessen, daß ein Bezirk nur fortgepflanzt wird, wenn an jede der Eingangselektroden
gleichzeitig Eingangsimpulse angelegt werden. Andererseits wird zum Betrieb als
"ODER"-Schaltung die Spannungsquelle 54 so bemessen, daß ein Bezirk fortgepflanzt
wird, wenn ein Eingangsimpuls an eine der Eingangselektroden angelegt wird.
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Fig.4 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der jedoch die verschiedenen
Eingänge von der Kathode getrennt sind. Sie enthält eine Zweital-Halbleitereinrichtung
70, die aus dem halbleitenden Element 71 mit gleichförmigem Querschnitt bestehen.
An entgegengesetzten Enden sind die
OhmIschen Elektroden 72 und
73 vorgesehen, zwischen denen der Widerstand 74 und die Gleichspannungequelle 75
liegen. Der erste der -beiden Eingangskreise enthält die Elektroden 76 und 77, die
jeweils eine -kapazitive Verbindung mit dem Element nahe am Kathodenende des Elements
herstellen, ferner die Eingangssteuerung 78, die zwischen diese Elektroden geschaltet
ist. Die zweite Eingangsschaltung enthält in gleicher Weise die kapazitiv gekoppelten
Elektroden 79 und 80, sowie die Eingangssteuerung 81. Die Elektroden 76 und 77 liegen
ver.. hältnismäßig dicht beieinander, so daß durch das Anlegen einer geeigneten
Spannung an die Eingangssteuerung 78 ein örtliches Gebiet mit hohem elektrischen
Feld im. Element erzeugt wird. Die durch die Quelle 75 gelieferte Gleichspannung
und die im Element entstehende Stärke des örtlichen Feldes sind so bemessen, daß
sie die für die Anordnung beabsichtigte Rolle spielen. Wenn sie als 'tUND"-Schaltung
dienen soll, werden diese Parameter so bemessen, dä.ß das Anlegen eines Impulses
durch die Steuerung 78 ausreicht, um einen "wandernden Bezirk zu bilden. Andererseits
ist zur Verwendung als ttODER"-Schaltung das Anlegen eines Impulses durch die Steuerung
78 nicht ausreichend, wenn gleichzeitig kein Impuls durch die Steuerung 81 angelegt
wird.
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Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines wandernden Bezirks
im Element wird vorteilhafterweise durch die Ausgangselektrode 83 festgestellt,
die mit dem Element in der Nähe des Anodenendes des
Elements kapazitiv
gekoppelt ist, derart, daß ein Signal im Belastungswiderstand 84 entsteht.
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Aus den obigen Beispielen ergibt sich; daß die logischen Schaltungen
mit Zweital-Halbleitereinrichtungen zahlreiche Formen annehmen können. Überdies
können verschiedene andere Anordnungen entsprechend dem Wesen und Ziel der Erfindung
vorgeschlagen werden. In zahlreichen Fällen ist es möglich, entweder Ohmtsche oder
gleichrichtende Verbindungen als Ersatz für die dargestellten kapazitiven Verbindungen,
oder umgekehrt zu verwenden. Ferner ist es möglich, eine Anzahl von logischen Schaltungen
in einer Weise zu integrieren, wie es für herkömmliche integrierte Halbleiterschaltungen
kennzeichnend ist. In diesem Fall wird insbesondere das Halbleiterelement vorteilhafterweise
durch epitaxiales Wachstum von n-leitendem Gallium= arsenid mit geeignetem "spezifischen
Widerstand auf einer Unterlage mit hohem spezifischen Widerstand gebildet, wobei
die halbleitenden Elemente durch Ätzverfahren nach Wunsch geformt werden.