DE1514364C

DE1514364C - Aktives elektronisches Festkörperbauelement

Info

Publication number: DE1514364C
Application number: DE19651514364
Authority: DE
Inventors: Yamamoto Tokio Keita
Original assignee: Rikagaku Kenkyusho, Tokio
Priority date: 1964-08-08
Filing date: 1965-08-09
Publication date: 1973-05-24

Description

In den letzten Jahren ist man bemüht, räumlich kleinere elektronische Stromkreise und hierfür die entsprechenden aktiven elektronischen Festkörperbauelemente, wie Dioden und Transistoren, herzustellen. Hierzu hat man mehr und mehr durch Aufdampfen beschichtete Folien und geformte Folien als aktive Festkörperbauelemente verwendet. Als Beschichtung dieser Folien wurden Schichtfolgen von Metall—Isolator—Metall und Halbleiter—Metall— Halbleiter entwickelt neben den konventionellen Störstellenhalbleitern in den Bauelementen mit Spitzenkontakten und flächenhaften p-n-Übergängen. Von solchen Bauelementen gibt es die verschiedensten Arten, auch solche ohne Einkristalle oder solche, bei denen die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie im Gegensatz zu der des p-n-Überganges von Entladungen im Isolator abhängt.

Die Erfindung betrifft ein aktives elektronisches Festkörperbauelement, bestehend aus mit einer dünnen Umhüllung versehenen Metalldrähten, die miteinander in Berührung gebracht sind, so daß an der Berührungsstelle Potentialschwellen auftreten. Die Erfindung besteht darin, daß bei einem solchen Bauelement Einzelfasern, bestehend aus einer etwa 10 bis 20 μ dicken Hüllschicht aus einem anorganischen oder organischen Glas und einer höchstens 10 μ starken Metallseele, gewebeartig miteinander verflochten sind und daß die Einzelfasern teilweise oder ganz durch Erhitzen miteinander verbunden sind und durch eine Kristallisation an den Verbindungsstellen eine dünne Halbleiterschicht zwischen den Einzelfasern gebildet ist.

Zur Herstellung eines solchen elektronischen Festkörperbauelementes aus anorganischen Glasfasern mit Metallseele werden drei oder vier Einzelfasern mit einer Hüllschicht aus einem Oxyd, Sulfid oder Arsenid zu einem flächenhaften Gewebe verwebt und durch Erhitzen und Kristallisation an einem Teil des Gewebes oder am ganzen Gewebe Berührungsstellen hergestellt.

Zur Herstellung eines elektronischen Festkörperbauelementes aus organischen Glasfasern mit Metallseele werden drei oder vier Einzelfasern mit einer Hüllschicht aus einem hochmolekularen Stoff, wie z. B. Polyacrylnitril, Polyäthylen, in dem feinpulverige Kristalle eines organischen Halbleiters, wie z. B. Perylen, Anthracen, Coronen oder Violanthron, dispergiert sind, zu einem flächenhaften Gewebe verwebt und das Verbinden der Fasern durch Erhitzen und Kristallisation an einem Teil des Gewebes oder im ganzen Gewebe bewirkt.

Es ist bekannt, für die Herstellung eines Selengleichrichters an Stelle von plattenförmigen Elektroden zwei sich kreuzende Drähte zu verwenden. Hierbei trägt der eine Draht eine Selenauflage und der andere eine Beschichtung aus einer für die Gegenelektrode üblichen niedrigschmelzenden Legierung. Durch Schmelzen dieser Legierung wird eine Verbindung zwischen den beiden Drähten hergestellt. Im Unterschied zu dem Bauelement nach der Erfindung werden also andere Materialien verwendet, und es ist auf diese Weise nicht möglich, eine nichtlineare Spannungs-Stromstärke-Charakteristik für z. B. Transistoren zu bekommen.

Ferner sind organische Materialien bekannt, die Eigenschaften von Halbleitern aufweisen.

Die Hüllschichten bei dem Bauelement nach der Erfindung bestehen aus anorganischem Glas und in verschiedenen Fällen auch aus organischem Glas ohne ausschließliche Beschränkung auf die eigentliche Glasstruktur. Allgemein ist jedes derartige Material verwendbar, das versponnen oder verwebt werden kann.

Die Glasstruktur ist zu unterscheiden von der kristallinen und der amorphen Struktur; die Glasstruktur ist als Besonderheit aufzufassen; sie ist in weiterem Sinne nicht amorph. In engen Bereichen handelt ίο es sich etwa um eine kristalline chemische Struktur und in weiten Bereichen um eine Netzstruktur mit vielen verschiedenen Spannungen und räumlichen Ausdehnungen. Die Netzstruktur ist modifiziert durch die eingestreuten Metallionen und Nichtmetallionen. »5 Im Gegensatz zu Kristallen können größere Mengen von Ionen, als nach der chemischen Formel anzunehmen, aufgenommen werden. Infolge dieser Eigenschaften können dünne Filme von Halbleitern und Isolierstoffen, wie Oxyden, Sulfiden und Arseniden, ao an einem Teil oder an der Gesamtheit der Oberfläche von Glasfasern gebildet werden.

Das Dimensionsverhältnis zwischen der Metallseele und der ihn umgebenden bzw. einschließenden Materialschicht kann je nach dem beabsichtigten Veras wendungszweck gewählt werden, und das Herstellungsverfahren hängt z. B. davon ab, ob die Faser als solche oder als Garn, Gewebe oder Gewirke zur Anwendung kommen soll. —-

Der Ausdruck »Metallseele« gilt für Metallfaden bzw. -fasern und für metallische Schichten, die in der Glasfaser angeordnet sind.

Wenn die Elastizität des Garns, Gewebes usw. von Bedeutung ist und wenn die Faseroberfläche während der Herstellung gegen Schädigungen geschützt werden soll, wählt man eine möglichst dünne Metallseele von etwa 2 bis 5 μ Durchmesser und für das umhüllende Material eine Wandstärke von 10 bis 20 μ. Das Verhältnis der beiden Komponenten ist also vorzugsweise 1: 2 oder größer.
Wenn andererseits die mechanische Elastizität des Endproduktes nicht wichtig ist, aber auf elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften in den Bindungsbereichen z. B. der Kett- und Schußfäden Wert gelegt wird, kann das obige Verhältnis etwa 1:1 betragen, d. h., daß die Metallseele nur von einem dünnen Glasfilm bedeckt ist. Zwischen den bekannten beschichteten Leitern und dem Bauelement gemäß der Erfindung besteht ein großer Unterschied darin, daß letzteres sehr dünn ist und wie eine Faser verspönnen und verwebt werden kann.

Die besonderen Merkmale der Erfindung werden durch folgendes Einzelbeispiel erläutert.

Eine Einzelfaser aus einem dünnen Metalldraht von höchstens 10 μ Durchmesser, die mit einem anorganischen Glas in etwa 20 μ Schichtdicke überzogen ist, zeigt eine starke Bindungsfestigkeit, und die Zugfestigkeit ist etwa so groß wie bei einer normalen Glasfaser. Die Flexibilität ist so weit verbessert, daß die Faser mit Zwirnung versponnen werden kann. Die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie der aus Einzelfasern in Kombination mit anderen Einzelfasern hergestellten Dioden und Trioden ist ebenso gut wie die von Vakuumröhren und Einkristallhalbleiterbauelementen, und zwar bezüglich Gleichrichtung, Verstärkung, Schwingungserzeugung, Stabilität des elektrischen Feldes und bei der Verwendung als Schaltelement in einem Arbeitsstromkreis. Ferner lassen sich die Eigenschaften einer Zenerdiode er-

reichen. Zahlenmäßige Angaben folgen bei der Erläuterung der verschiedenen Ausführungsformen.

Das Glasfaserelement mit Metallseele hat eine Reihe von Vorzügen. Neben den ausgezeichneten elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften gewährleistet es die Homogenität der Übergangsbereiche und ist unempfindlich gegen Verunreinigungen sowie leichter und mit geringeren Kosten als die bekannten Elemente herzustellen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt einer Einzelfaser als Basiseinheit für ein Festkörperbauelement;
F i g. 2 zeigt die Faser der F i g. 1 im Querschnitt; F i g. 3 zeigt im Schnitt ein Beispiel für mehrere miteinander verbundene Einzelfasern;

F i g. 4, 5 und 6 zeigen in graphischer Darstellung die nichtlineare Kennlinie der Beziehung zwischen Spannung und Strom bei verbundenen Einzelfasern; F i g. 7 ist ein Schnitt eines dreipoligen Bauelements;

F i g: 8 zeigt ein Schaltbild, bei dem das Bauelement der Fig.7 mit der äußeren Vorspannung F₁ und F₂ über die Widerstände A₁, R₂ und R₃ verbunden ist";

F i g. 9 zeigt im Kennlinienfeld die Beziehungen zwischen V₂ und /₂ im Stromkreis der F i g. 8, wobei der Strom I₁ als Parameter verwendet wurde;

F i g. 10 zeigt ein Bauelement in Form eines aus zwei Fasern gezwirnten Garns;

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform;
Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform in Art eines Gewebes;

F i g. 13 zeigt im Diagramm die Beziehungen zwischen Spannung und Strom bei gekreuzten Fasern; Fig. 14 ist ein weiteres Diagramm der Strom-Spannungs-Kennlinie bei gekreuzten Fasern;

Fig. 15 zeigt die Beziehungen zwischen Spannung und Strom, wenn eine dritte Elektrode und die Regelspannung F₂ verwendet sind;

Fig. 16 zeigt ein Bauelement mit drei voll verwebten Einzelfasern;

F i g. 17 ist ein Schaltbild für eine Impulsschaltung; Fig. 18 zeigt die Stromimpulse in Abhängigkeit von der Zeit bei sich selbst erregender Schwingung im Stromkreis der F i g. 17.

Bei der Einzelfaser der F i g. 1 hat der Metalldraht 1 einen Durchmesser von etwa 10 μ oder weniger. Die Umhüllung 2 besteht aus anorganischem oder organischem Glas. Die aus der Metallseele mit der Umhüllung gebildete Faser hat einen Gesamtdurchmesser von etwa 20 bis 50 μ. Die F i g. 2 zeigt diese Faser im Querschnitt.

Eine Glasfaser hat zwar eine gute Bindungskraft und Zugfestigkeit, aber keine Beständigkeit gegen Knittern. Die Faser gemäß der Erfindung ist jedoch durch die Metallseele, auf die das Glas durch Tauchen oder Spritzen aufgebracht ist, so weit verbessert, daß sie versponnen und verwebt werden kann.

F i g. 3 zeigt ein Bauelement, das durch Verbindung mehrerer Einzelfasern hergestellt ist. Die aus der Metallseele 1 und der Glasschicht 2 gebildeten Fasern 3 und 4 sind von gleicher Art, während die Faser 5 eine andere Metallseele 1' und eine andere Glasschicht 2' aufweist. Die Fasern 3 und 4 bzw. 4 und 5 sind vermittels ihrer Glasschichten miteinander verbunden. Die Verbindung der verschiedenen Einzelfasern kann durch Erwärmen bzw. Schmelzen und Druck leicht bewerkstelligt werden.

Die Übergangszonen können kristalline laminare Strukturen haben aus Verbindungen wie z. B. CuO, ZnO, SiO, GeS, As₂Se₃, die teilweise durch Kristallisationsreaktionen entstehen oder in gewissen Fällen gänzlich aus Oxyden, Sulfiden, Arseniden oder auch aus Elementen, wie Cu und Si, die durch Reduktion von gemischten Gläsern entstehen, bestehen. In gewissen Fällen kann die Übergangszone auch als dünner Film durch Oxydation der Oberfläche des Kernmetalls gebildet werden. Es können auch andere Metallseelen durch Spitzenkontakt an dünnen Oberflächenfilmen angeordnet sein und als Dioden oder Transistoren dienen.

Die Metallseelen der Einzelfasern sind geeignet als Elektroden für elektronische Stromkreise entweder direkt oder mit einer ohmschen Kontaktelektrode.

ao Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nachfolgend die Struktur der Potentialschwelle zwischen zwei Einzelfasern beschrieben. Wenn die Einzelfasern 4 und 5 Seelen aus gleichem Metall, z. B. Kupfer, haben, die Glasschichten jedoch verschieden sind, .so daß z. B. die Faser 4 eine Silicatglasschicht und die Faser 5 eine Schicht aus Te enthaltendem Vanadiumglas aufweist, kann durch Verbindung dieser Fasern mittels Hitze eine Diode hergestellt werden. Hierbei entsteht zwischen den Metallseelen 1 und 1' eine aus der Glasphase abgeschiedene dünne kristalline Schicht von PbO, Te usw., welche eine Potentialschwelle gegen Elektronen und Defektelektronen bildet.

Neben der Bildung von kristallinen Potentialschwellen aus mehr als zwei Bestandteilen kann auch eine Ubergangsschicht mit einer Potentialschwelle aus einem Halbleiterkristall gebildet werden, der in Spitzenkontakt mit einem der Metallseelen eine Diode darstellt. Eine Potentialschwelle kann auch durch Diffusion des Materials der Metallseele in die Übergangsschichten entstehen, gleichgültig ob diese halbleitend oder isolierend sind.

Bauelemente mit in der oben dargelegten Weise erzeugten Potentialschwellen haben, wie aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich, nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinien. Diese entstehen durch die elektrischen Eigenschaften von zwei Typen von Fasern, die das gleiche Glas, aber verschiedene Metallseelen aufweisen. Man kann auch einen verschiedenen So geometrischen Aufbau, z. B. bezüglich der Faserdicke, ausnutzen, um die Diodencharakteristik zu steuern.

Bei einem Bauelement nach der Erfindung beträgt das Verhältnis des Widerstands in Durchlaßrichtung zum Widerstand in Sperrichtung beim Gleichrichten etwa 1:40 (vgl. F i g. 5).

F i g. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Bauelements aus gleichartigen Einzelfasern 3 und 4 (Fig. 3).

In diesem Beispiel besteht die Metallseele aus Silber und der Überzug aus Bleiboratglas. Die Kurve nimmt verschiedene Gestalt an in Abhängigkeit von den in den Übergangsbereichen vorhandenen Substanzen und von den chemischen Bindungen. Die elektrische Feldstärke liegt bei etwa 10* bis 10^e Volt/ cm. Versuche mit einer großen Anzahl von Prüfstücken ergaben eine gute Reproduzierbarkeit und Stabilität.

Für diese Zwecke können für die Fasern folgende beispiel hat die Eigenschaften einer Diode und einen

Materialien verwendet werden:

Anorganische Glasfaser

Metallseele	Zusammensetzung des Schichtglases in Mol	O₁	?n	PbO	60	CdO	?0
Fe	B,	O.	?o	PbO	50
Ni	Bi		20		20	PbO	60
Pt

Gleichrichterwirkungsgrad von mehr als 90%.

Für diese Ausführungsform können für die Fasern folgende Materialien verwendet werden:

Metallseele	Zusammensetzung des Schichtglases in Mol	CdO PbO	80 60
¹⁰ Cu	B₂O₃ 20 SiO₂ 40
Phosphorbronze ...

	Organische Glasfaser	Metallseele	Material der Glasschicht
		Phenolharz Methacrylatharz Epoxyharz
Ag Ni Zn

Zur Herstellung der organischen Fasern dispergiert man feingepulverte Kristalle eines organischen Halbleiters von relativ niedrigem Molekulargewicht, wie Perylen, Anthracen, Coronen oder Violanthron, in einem Kunststoff, wie Polyacrylnitril oder Polyäthylen und verspinnt dieses Gemisch mit einem Kernfaden aus Eisen, Silber, Kupfer usw. Die Einzelfasern werden dann je nach dem gewünschten Zweck miteinander verbunden.

In einem solchen organischen Halbleiter ist die elektrische Leitfähigkeit längs der Kristalloberfläche größer als senkrecht dazu. Zwischen den Leitfähigkeiten in diesen beiden Richtungen besteht ein erheblicher Unterschied. Zum Beispiel ist in Coronen die Oberflachenleitfähigkeit 10¹²Ωαη, Δε 1,65 eV und die Leitfähigkeit senkrecht dazu ΙΟ¹⁷ Ω cm, Δ ε 1,70 eV.

Ein gewebtes Bauelement, dessen Kern aus Kupfer und dessen Glasschicht aus Acrylnitrilharz mit hierin dispergiertem Coronenpulver besteht, wirkt als Triode. Ein solches Bauelement ist auch für Schaltzwecke verwendbar.

Das Verhältnis zwischen dem dispergieren organischen Halbleiter und der hochmolekularen, als Dispersionsmedium dienenden Verbindung kann äquivalent dem Verhältnis bei anorganischem Glas sein, bezogen auf das Verhältnis zwischen Glasmaterial, wie SiO₂, A1₂O_?, GeO₂, TeO₂, GeS, As₂Se₃ od. dgl., und darin eingelagerten anorganischen Ionen.

Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der aktiven Bauelemente können auch durch andere Maßnahmen gesteuert werden. Zum Beispiel kann man die Fasern als solche verwenden oder einen Teil oder die Gesamtheit der Glasschicht kristallisieren.

F i g. 5 zeigt die Strom-Spannungs-Kcnnlinie für ein Bauelement gemäß F i g. 3, bei dem verschiedene Fasern 4 und 5 miteinander verbunden sind. In diesem Beispiel besteht sowohl die Metallseele 1 der Einzclfaser4 als auch die Metallseele 1' der Einzelfaser 5 aus Silberdraht. Die Glasschicht 2 der Faser 4 besteht aus BIciboratglas, das Ionen der Elemente aus der Gruppe I, II oder III des Periodischen Systems enthält. Die Glasschicht T der Faser 5 besteht aus BIciboratglas, das Ionen der Metalle aus der Gruppe IV, V oder VI enthält. Dieses Ausführungs-F i g. 6 zeigt ein typisches Beispiel für eine negative Widerstandscharakteristik, die man mit einem Zweielektrodenbauelement gemäß der Erfindung erhält. Hierzu wurde eine Phosphatglasfaser mit einer Bleiglasfaser unter lokalisierter Kristallisation feiner Teilchen in den Übergangszonen verbunden. Unter ao Umständen ist es vorteilhaft, vorher Metallionen in das Glas dieser Verbindungszonen einzuführen.

F i g. 7 zeigt eine Triode aus drei erfindungsgemäß verbundenen Einzelfasern. Die Einzelfasern 6, 7 und 8 haben verschiedene Metallseelen 1, 1' und 1" und verschiedene Glasschichten 2, 2' und 2". Die Faser 6 wurde mit der Faser 7 und der Faser 8 durch Erhitzung verbunden.

F i g. 8 zeigt eine Ausführungsform für eine Schaltung einer Triode gemäß Fig. 7, die mit einem äußeren Stromkreis und einer Kraftquelle verbunden ist. Die Ubergangszonen an den Fasern 6 und 7 bzw. 6 und 8 führen zu einer nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie, und die Leistungscharakteristik ist wie bei einem Transistor bzw. einer Triode. Fig. 9 zeigt ein typisches Beispiel der Leistungscharakteristik, die man bei der Schaltung gemäß F i g. 8 durch Einstellung der Spannung V₁ und F₂ und der Widerstände R₁, R₂ und R₃ unter Zugrundelegung des Stromes I₁ als Parameter erhält. Man kann z. B. einen Transistor herstellen, der gegenüber dem Basiseingangskreis zu einer 15- bis 50fachen Verstärkung führt.

Da das Bauelement aus einer hochflexiblen elastischen Faser besteht, kann man eine große Anzahl aktiver Bauelemente auf eng begrenztem Raum anordnen, indem man die Fasern in irgendeiner Form miteinander verwebt oder verflechtet.

Durch Verzwirnung von zwei oder mehreren Fasern gemäß Fig. 10 kann man z. B. bei Verwendung von Blei-Boratglasfasern mit Eisenseelen Induktivitäten herstellen, die eine Selbstinduktion von etwa 0,01 bis 1 |iH aufweisen.

Wenn zwei Stücke aus Vanadatglasfaser mit Kupfcrscele kreuzweise unter rechtem Winkel zusammengefügt werden, beträgt die elektrische Kapazität dieses Bauelementes etwa 5 μμΡ. Wenn hingegen das eine Stück in einer Windung um das andere gewickelt und an dieses durch Schmelzung gebunden wird, kann man eine Kapazität von 300 [t|iF erhalten. In diesem Falle ist die Induktivität so klein. daß sie vernachlässigt werden kann, und die Produkte sind als Kapazitätsclemcntc verwendbar.

Die Lcistungscharaktcristik sowie die Induktivität bzw. Kapazität der aktiven Bauelemente können variiert werden durch Art, Dicke und Qualität des verwendeten Mctalldrahtcs sowie durch Art, Dicke, chemische Struktur usw. der Glasschicht und weiter clinch die Dicke der Verbindungszone zwischen den

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Fasern und unter Umständen durch die Arbeits- Elemente verwendet werden. Die Seele kann als temperatur. dünner Draht in die Fasern eingebracht werden oder

Nach einer Ausführungsform der Erfindung erhält dort durch chemische Reduktion erzeugt werden. man bei einer Glasschicht, die in der Verbindungs- Man kann auch in einer Glasfaser mit Metallseele zone etwa 3 μ dick ist, einen Widerstand von etwa 5 durch Oxydationsreaktion konzentrische Ringe er-100 kQ. Mit abnehmender Dicke der Glasschicht ver- zeugen.

ringert sich der elektrische Widerstand im allge- Neben den genannten Vorzügen sind die Baumeinen nach einer Exponentialfunktion. elemente gemäß der Erfindung temperaturunemp-

Es können auch andere als die bereits genannten findlich und gestatten eine schnelle Modifizierung der anorganischen Glasfasern verwendet werden, z. B. 10 Eingangs- und Ausgangsimpedanz. Die Impedanzen Oxydgläser einschließlich Silicat- und Arsenatgläsern. können in weitem Bereich von 1 Ω bis zu einigen Auch Germanat- und Telluritgläser sind verwendbar ΜΩ variiert werden durch entsprechende Wahl von bei Einführung gewisser Metallionen und in man- Art und Abmessung der Glasschicht und der Metallchen Fällen Halbmetallionen in die Oxyde. seele sowie durch Änderung des Eingangs und Aus-

Die Erfindung ist auch anwendbar für fotoemp- 15 gangs des aus aktiven Elementen gewebten Netzfindliches Halogensilberglas sowie Sulfatgläser, wie werks.
Germaniumsulfat. F i g. 12 zeigt ein Bauelement, das aus vier Einzel-

Die gleichen Eigenschaften lassen sich auch mit fasern 1, 1', 2 und 2' in Form eines Gewebes auforganischen Glasfasern mit Metallseelen erzielen. gebaut ist. Als Glasmaterial ist z. B. Vanadatglas Verwendet man z. B. Silberdraht und Polyäthylen ao und als Metallseele ζ. B. Eisen verwendet. Von den oder Phenolharze, so kann man eben solche aktiven vier Kreuzungspunkten besitzen zwei oder mehr Bauelemente für Gleichrichtung, Verstärkung und Punkte eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie Erzeugung von Schwingungen herstellen. zwischen den Metallseelen zweier sich kreuzender

Bei dem Aufbau der Bauelemente gemäß der Er- Fasern, z. B. wie es in F i g. 13 dargestellt ist. Die findung, z. B. bei Verbindung von anorganischen as restlichen Kreuzungspunkte sind kurzgeschlossen Glasfasern, sind die Energieniveaus in der Über- oder isoliert. Man kann hiermit zwischen den Metallgangszone für Elektronen und Defektelektronen ver- seelen von zwei sich kreuzenden Fasern eine Stromschieden entsprechend den normalen Störstellenhalb- Spannungs-Kennlinie .erhalten, wie sie die Kurven a leitern vom ρ- und η-Typ, je nach Art des Glases oder b in F i g. 14 zeigen.

und der Metallseele. Bei Spitzenkontaktstruktur hat 30 Wenn z. B. eine nichtlineare Kennlinie gemäß die Metallseele von einer Faser direkten Kontakt Fig. 13 am Kreuzungspunkt von 1 und 1' und zumit dem Halbleiter einer anderen Faser oder in man- mindest an einem der Kreuzungspunkte 1-2' und 2-2' chen Fällen mit der Isolierschicht. und 2-1' gegeben ist, während die restlichen Punkte

Durch Auswahl der Fasertype und Wärmebehand- isoliert oder kurzgeschlossen sind, dann wird der lung kann die Sperrichtung einer Übergangszone 35 durch den Kreuzungspunkt 1-1' fließende Strom zwischen zwei Fasern gesteuert werden. Hierzu ver- durch den parallelen, nichtlinearen, durch andere wendet man z. B. eine Anordnung gemäß Fig. 11 Kreuzungspunkte gehenden Strom beeinflußt und erin Form von Kett- und Schußfäden. Die Fasern A₁ hält eine Strom-Spannungs-Kennlinie gemäß den und A₂ sind vom gleichen Typ, haben jedoch ver- Kurven α oder b in Fig. 14.

schiedene Durchmesser. Die Fasern B₁ und B₂ sind 40 Wenn eine nichtlineare Kennlinie an allen Kreuvon einem von den /4-Fasern unterschiedlichen, je- zungspunkten besteht, hat man in Fig. 14 eine symdoch unter sich gleichen Typ und haben ebenfalls metrische Kurve, verschiedene Durchmesser. Wenn die in Fig. 13 gezeigte Kennlinie an einem

Die in Fig. 11 dargestellte Anordnung weist Kreuzungspunkt besteht und die restlichen Kreu-Unterschiede bezüglich des geometrischen Aufbaus 45 zungspunkte kurzgeschlossen oder isoliert sind, erder Verbindungszonen auf. Durch die Schaltungs- hält man eine Kennlinie gemäß Fig. 14. Dort sind Verteilung der durch die feine Verwebung von A₁, die Kennlinien α und b symmetrisch zum Nullpunkt A₂ und S₁, B₂ gebildeten kleinen aktiven Elemente gegeben als Beispiel für eine symmetrische Anordist die Leistungscharakteristik der in der Anordnung nung der Kreuzungspunkte. Es ist jedoch zu bemerenthaltenen Transistoren, wie B₁A₁B₂ und A₁B₁A₂, 50 ken, daß die Symmetrie nicht immer eingehalten wird festgelegt und ebenso die Verstärkerrichtung der und von der Strom-Spannungs-Kennlinie der verSignale. Man kann also Bauelemente herstellen, die schiedenen Kreuzungspunkte abhängt und daß die entweder den üblichen p-n-p- oder n-p-n-Flächen- Erscheinung nur im ersten Quadranten auftritt. transistoren oder den hauptsächlich mit Germanium In Fig. 14 entspricht die Kurve α der Charakte-

oder Silicium gebildeten Spitzentransistoren ent- 55 ristik einer sogenannten Zenerdiode und die Kurve b sprechen. einem negativen Widerstand der Stromregelung. Da

Die Bauelemente gemäß der Erfindung haben den die Charakteristiken im ersten und dritten Quadranweiteren Vorteil, daß sie wasserbeständiger sind als ten auftreten, kann die Anordnung als symmetrisches die bekannten Bauelemente dieser Art. Bauelement wirken, d.h. als aktives Bauelement ohne

Die Metallseele einer Faser kann auch von meh- 60 Polarität. Die nichtlineare Kennlinie kann erzeugt reren Schichten aus verschiedenen Stoffen überzogen werden durch Steuerung der inneren Träger, wie sein. Auch hierbei können anorganische und orga- Glashalbleiter, Isolatoren und kristalline Halbleiter, nische Stoffe verwendet werden. Man kann auch als mittels eines elektrischen Feldes durch Anlegen einer zusätzliche äußerste Schicht einen Metallüberzug Spannung an die dritte Elektrode oder einen der dritvorsehen. 65 ten Elektrode entsprechenden Nebenschluß.

Für die Metallseele können Silber, Aluminium, Für die Anwendung der Erfindung als Triode gilt

Eisen, Wolfram, Molybdän, Selen, Germanium, SiIi- folgendes: cium. Arsen und Antimon oder Legierungen dieser Die Kennlinie gemäß Fig. 13 ist so, daß entweder

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die Kurve im ersten oder die im dritten Quadranten, erfüllt. In F i g. 12 kann 1 mit der Anode, Γ mit der etwa wie bei einer Diode, der Formel / = KV³I'² ent- Kathode und 2 oder 2' mit dem Gitter einer Elektrospricht. Hierin bedeutet K eine Proportionalitäts- nenröhre verglichen werden. Wenn diese Teile mit. konstante, / den Strom und V die Spannung. Dies ist einer Kraftquelle verbunden sind, erhält man die in jedoch mehr oder weniger abhängig von der Art des 5 den Fig. 14 und 15 dargestellten Strom-Spannungs-Metalls und den Eigenschaften des Materials zwi- Kennlinien.

sehen den beiden Polen. In extremen Fällen erhält Fig. 15 zeigt eine Strom(/₁)-Spannungs(F₁)-

man Gleichrichtereigenschaften, wie etwa bei dünnen Kennlinienschar, wenn die Regelspannung V, stufen-

Selenfilmen. weise, geändert wird. Wie in Fig. 15 dargestellt ist,

Die obigen Beziehungen entsprechen den Bezie- 10 erhält man bei einem Bauelement nach der Erfin-

hungen zwischen Anode, Kathode und Gitter in einer dung symmetrisch gleiche Kennlinien, auch wenn

Triode. Bei Vakuumröhren wird der Elektronenfluß Strom und Spannungsrichtung umgekehrt werden,

durch das Gitter gesteuert, und die nichtlineare Ein Bauelement mit einer Kennlinie, wie sie durch

Strom-Spannungs-Kennlinie wird dazu ausgenutzt, die Kurve α in F i g. 14 dargestellt ist, kann in einem

um Strom oder Spannung zu verstärken oder bei 15 Spannungsstabilisierungsstromkreis verwendet wer-

Rückkopplung zur Schwingungserzeugung. An Stelle den. Ein Element mit der Kennlinie der Kurve b kann

der Steuerung des Elektronenstroms im Vakuum unter Ausnutzung seines negativen Widerstandes zur

mittels einer dritten Elektrode wird bei einem Bau- Erzeugung von Schwingungen dienen. Die Kennlinien

element nach der Erfindung der Entladungsstrom in gemäß Fig. 15 ermöglichen auch die Verstärkung

einem Isolierstoff oder der Strom in einem Stoff von ao von Signalen.

hohem Widerstand oder der Strom in einem Elektro- Die Bauelemente gemäß der Erfindung erfüllen nen oder Defektelektronen leitenden Halbleiter ge- nicht nur die Funktion von Elektronenröhren, wie steuert. Je nachdem, ob der Stoff zwischen den Elek- Dioden, Trioden, Tetroden usw., sondern sie sind troden Glasstruktur hat, ein Einkristall oder ein Poly- selbst Ultramikroröhren und Transistoren bezüglich kristall ist oder amorphe Struktur hat, treten Ände- 35 Grundstruktur, räumlicher und geometrischer Zurungen in der elektrischen Leitfähigkeit, in der Di- sammensetzung und Leistung überlegen,
elektrizitätskonstanten oder in anderen Eigenschaf- Für die Verwendung als Verstärker gilt folgendes: ten auf. Grundsätzlich erhält man jedoch nichtlineare Bei der Schaltung gemäß F i g. 8 ergeben sich zwi-Strom-Spannungs-Kennlinien. Die nichtlineare Kenn- sehen den Einzelfasern"6, 7 und 8 (F i g.7) die Kennlinie erhält man nicht nur mit Glasfasern, die üb- 30 linien der F i g. 9. Der durch den Basiswiderstand R₁ licherweise als isolierend angesehen werden, wie Blei- fließende Strom I₁ wird verstärkt, und das Element boratglas und Silicatglas, sondern auch mit Gläsern wirkt als Basiseingangsstromverstärker,
mit sehr hohem Widerstand in Größenordnungen von Das Verstärkungsmaß ist abhängig von der Art 10" bis ΙΟ¹⁰ Ω. Bei Bauelementen mit solchen Glas- des Belastungswiderstandes R₁; im allgemeinen liegt schichten bzw. bei teilweiser oder gänzlicher Kristalli- 35 es bei einem durch zwei Kreuzungspunkte gebildeten sation durch Wärmebehandlung kann man einen sehr Transistor in der Größenordnung von 1,5 bis 50.
großen Unterschied im Energieniveau zwischen dem Wenn zwischen den Fasern 6, 7 und 8 die Charak-Valenzband und dem Leitfähigkeitsband der Elektro- teristik gemäß F i g. 15 besteht, wird die Ausgangsnen erhalten, im allgemeinen in einer Größe von spannung ^₁ von R₁ auf die Ausgangsspannung e„ einigen eV. 40 von R₂ verstärkt. Das Bauelement wirkt in diesem Da zwischen den Metallseelen der gekreuzten Fa- Falle als Spannungsverstärker und kann zu einem sern ein sehr kurzer Abstand besteht, können die an Verstärkungsmaß von 1,2 bis 50 führen,
den Übergangsstellen emittierten Elektronen und De- Die Bauelementdichte kann durch eine feine Webfektelektronen leicht die leitende Zone erreichen. textur erhöht werden, wodurch man bei geringstem Dieser Strom ist vergleichbar mit dem in der Vakuum- 45 Raumbedarf eine sehr hohe Verstärkung erzielt,
röhre durch Emission von der heißen Kathode er- Ähnliche Charakteristiken erhält man mit dem aus zeugten Strom. drei Fasern gebildeten Element der F i g. 16. Dieses Die nichtlineare Kennlinie wird im allgemeinen ist geeignet als Verteilungsstromkreisnetzwerk mit verbessert bei Bauelementen, die aus niedrig erwci · einer großen Anzahl der dargestellten Einheiten,
chendem Glas, wie Vanadatglas, Chalcogenidglas, 50 Die Stromkreisleistung als ganze wird in der Netz-Jodidglas und Bromidglas, hergestellt sind und bei werkstruktur durch Unregelmäßigkeiten der elektridenen die Kreuzungsstelle der Fasern zur Glasform sehen Eigenschaften und des geometrisehen Aufbaus geschmolzen oder teilweise oder gänzlich kristalli- an den Faserkreuzungspunkten nicht beeinträchtigt, siert ist. Bei solchem halbleitendem Glas ist das da die Charakteristiken durch stellenweise Erhitzung Energieniveau der Elektronen und Defektelektronen 55 und andere Maßnahmen reguliert werden können,
in Höhe von 0,1 eV im Laufe der Synthese regelbar. Aus den vorstehenden Darlegungen geht auch her-Man erhält vorteilhafte Eigenschaften bezüglich ther- vor, daß man mit den Elementen Schaltvorrichtunmischer Hysteresis, Alterung usw. gen für elektronische Stromkreise, z. B. von Elektro-

In einem Stromkreis können die Widerstände der nenrechnern, herstellen kann.

Faserseelen z.B. als Belastungswiderstand, Vorspan- 60 Bei einer Fasergruppe wie in Fig. 11 geben die nungswiderstand, Eingangswiderstand u. dgl. dienen. Unterschiede in der Form der Einzelfasern den Rich-Die durch die dielektrische Polarisation verursachte tungssinn für die Diodenrichtungen an den entsprenichtlinearc oder lineare Charakteristik zwischen den chenden Kreuzungspunkten, und infolgedessen wer-Fasern kann für Widerstände und Kapazitäten ge- den die zwischen benachbarten Kreuzungspunkten nutzt werden. Die geschlossenen Stromkreise können 65 entstehenden Transistorwirkungen und die Wege, auf als Induktivitäten dienen. denen die Signale verstärkt werden, gesteuert durch Die Funktion des Gitters einer Vakuumröhren- die Gleichstromvorspannung, die von außen an die triode wird durch 2 oder 2' mit Bezug auf 1 oder 1' einzelnen Fasern angelegt wird.

Zum Beispiel können die mit A und B bezeichneten Fasern beide Eisendraht als Seele und hauptsächlich aus GeS gebildete Glasschichten aufweisen. Die Fasern A enthalten Spuren von Aluminium und die Fasern B Spuren von Arsen. Nach der Verwebung der Fasern werden die Kreuzungspunkte verbunden und durch Wärmebehandlung kristallisiert.

Die Faser A wirkt als p-Zone und die Faser B als η-Zone eines Transistors. Durch entsprechende Wahl der geometnschen Anordnung der Verbindungszonen kann B₁-^₁S₂ als n-p-n-Transistor und A₁B₁A₂ als p-n-p-Transistor wirken. Bei den Geweben sind die p-n-p- und n-p-n-Typen in Kaskadenverbindung. Die Vorspannung wird von außen an die Fasern der A- und ß-Reihen gelegt. Ein Eingangssignal, das an einem Ende des Gewebes hereinkommt, kann am anderen Ende verstärkt abgenommen werden. Man kann die Eingangs- und Ausgangsleitungen an irgendwelchen Punkten der Fasern anbringen,

An Stelle von p-n-p- oder n-p-n-Transistoren kön- ao nen für die Reihen A und B Elemente verwendet werden, die an den Kreuzungspunkten eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie gemäß den Kurven α oder b der Fig. 14 aufweisen.

Die Bauelemente können auch für einen sich selbst as erregenden Schwingungsstromkreis verwendet werden. Ein typisches Beispiel für die Impulserzeugung zeigt Fig. 17. Dieses aus den Einzelfasern A₁, A,, und B₁, B₂ gewebte Bauelement kann ein aktives Bauelement mit negativer Widerstandskennlinie gemaß F i g. 6 sein. Diese entsteht durch die symmetrische Kennlinie gemäß F i g. 13. Die negative Widerstandskennlinie kann aber auch durch p-n-p-n-Übergänge, die durch Verunreinigungen geregelt sind, hervorgerufen werden.

In Fig. 17 ist die Gleichstrom-Kraftquelle mit V₀, der Widerstand für die Stromregulierung mit R und ein Kondensator mit C bezeichnet. Wenn der Wert des Widerstandes R .größer als der Wert des negativen Widerstandes ist, der im wesentlichen im Mittelpunkt des negativen Teils der Kennlinie vorhanden ist, erhält man eine stabile, sich selbst erregende Schwingung. Fig. 18 zeigt die Schwingungsform.

An Stelle des Kondensators kann man auch die zwischen den Fasern bestehende Kapazität ausnutzen.

Für einen Schwingungsstromkreis können auch Faserbauelemente, die durch einen Tunneleffekt einen negativen Widerstand gemäß Fig. 14 haben, verwendet werden.

Die Fasern lassen sich auch für Speicherbauelemente verwenden, wofür ferromagnetische und ferroelektrische Eigenschaften durch Verflechtung bzw. Kristallisation der verflochtenen Fasern erzielt werden. Auch für thermoelektrische und piezoelektrische Bauelemente sind die Fasern verwendbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Aktives elektronisches Festkörperbauelement, bestehend aus mit einer dünnen Umhüllung versehenen Metalldrähten, die miteinander in Berührung gebracht sind, so daß an der Berührungsstelle Potentialschwellen auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß Einzelfasern, bestehend aus einer etwa 10 bis 20 μ dicken Hüllschicht aus einem anorganischen oder organischen Glas und einer höchstens 10 μ starken Metallseele, gewebeartig miteinander verflochten sind und daß die Einzelfasern teilweise oder ganz durch Erhitzen miteinander verbunden sind und durch eine Kristallisation an den Verbindungsstellen eine dünne Halbleiterschicht zwischen den Einzelfasern gebildet ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Festkörperbauelements nach Anspruch 1, bestehend aus anorganischen Glasfasern mit Metallseele, dadurch' gekennzeichnet, daß drei oder vier Einzelfasern mit einer Hüllschicht aus einem Oxyd, Sulfid oder Arsenid zu einem flächenhaften Gewebe verwebt und durch Erhitzen und Kristallisation an einem Teil des Gewebes oder am ganzen Gewebe Berührungsstellen hergestellt werden.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Festkörperbauelements nach Anspruch 1, bestehend aus organischen Glasfasern mit Metallseele, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder vier Einzelfasern mit einer Hüllschicht aus einem hochmolekularen Stoff, wie Polyacrylnitril, Polyäthylen, in dem feinpulverige Kristalle eines organischen Halbleiters, wie Perylen, Anthracen, Coronen oder Violanthron, dispergiert sind, zu einem flächenhaften Gewebe verwebt werden und das Verbinden der Fasern durch Erhitzen und Kristallisation an einem Teil des Gewebes oder im ganzen Gewebe erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen