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Integrierte Schwingschaltanordnung Die Erfindung betrifft eine integrierte
Schcringschaltanordnung auf Halbleiterbasisq deren Verhalten hinsichtlich der Frequenz,
des Tastverhältnisses sowie der Schwingungsform variierbar ist,und die demgemäß
vielseitig als Schwingungsgenerator, z.B. als Zerhacker, eingesetzt werden kann.
Es sind in vielfältiger Art Schwingungssehaltanordnungen bekannte die jeweils für
einen bestimmten Bedarfsfall ausgebildet werden. Zur Verbesserung ihrer Kenndaten
und der Herstellungsmöglichkeit in miniaturisierter Form sind spezielle elektronische
Bauelemente und Schaltungen entwickelt worden. Ihre Integration mit Hilfe der Dünnfilmtechnik
erfolgt durch Aufdampfen der passiven-Bauelemente auf ein Substrat und anschließendes
Einsetzen der individuell gefertigten aktiven Elemente. Im Gegensatz dazu sind nach
Integration durch Anwendung der Halbleitertechnik alle Bauelemente ein unteilbarer
und unveränderlicher Teil des Halbleitermaterials, in dem sie geschaffen wurden.
Die wahrscheinlich günstigste Lösung des Miniaturisierungsproblems bietet jedoch
die Molekularelektronik. Die auf der Basis dieser Technik hergestellten Bausteine
erfüllen eine elektronische Funktiong ohne daß sich in ihnen
die konven-
tionellen Schaltungen und Bauelemente
erkennen lassen.
Infolge Fehlens umfangreicher Induktivitäten
spielen in den
integrierten Sohwingsohaltanordnungen die Kippsohwingkreise
eine große Rolle. Doch auch sie besitzen in den bekannten Ausführungen den Nachteil
eines relativ hohen Sehaltungs-und Bauelementeaufwandesg wodurch die Integrierung
infolge der erforderlichen komplizierten Halbleitervielschicntstrukturen
erschwert wird. Demzufolge ist die Ausbeute an funktionstüchtigen bzw, typengerechten
integrierten Schwingungsgeneratoren sowie deren Lebensdauer nicht zufriedenstellend
und die Störanfälligkeit noch zu groß, Um außerdem der Porderung gerecht zu
werden, die elektrischen rarameterg inebe-
sondere
den Wirkungsgrad, zu verbesserng sind umfangreiche 'fertigungstechnische
Maßnahmen notwendig.
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Zweck der Erfindung ist es, den Produktionsaufwand
und den
Raumbedarf für ein die Erfindung betreffendes Erzeugnis
zu
vermindern und dessen qualitätsgerechte-=iusbringung zu er-
höhen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte
Sohwingsohaltanordnung
zu schaffeng die mit einer geringen
Anzahl von Sehiohtanordnungen
in Halbleitertechnik auszu-
bilden und vorteilhaft in der Kolekularelektronik
anzuwenden ist, durch die kritische Basisdicken sowie der zusätzliche
Einsatz
von herkömmlichen Bauelementen vermieden werden und
vit der bei verbessertem
Wirkungsgrad und höherer Leistungsfähigkeit unterschiedliche Schwingungsformen,
Prequenzen sowie Tastverhältnisse zu erzielen sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auf der Grundlage eines Kippkreises
dadurch gelöst, daß, ausgehend von einer Reihen=
schal tung,
in der sich ein elektronischer Sehalter, eine
Gleichspannungsquelle
und ein Kondensator mit einem diesen
parallel geschaltetem Widerstand befinden,
eine Struktur, be-
stehend aus mehreren Halbleiterschichten
alternierenden Leitungstype, geschaffen wirdg in der eine Kollektor-,
eine Zmitter- und eine Kapazitäts-pn-Zone elektrisch in Reihe geschal-
tet
sind. Der Abstand zwischen der Emitter- und der Kollektorpn-Z one
ist größer als die Basisdicke herkömmlicher Legierungstransistoren,
während die Mindestentfernung zwischen der Emitter- und der
Kapazitäts-pn-Zone größer als die in diesem Raum
mögliche Weglänge der
Minoritätsträger infolge Diffusion und des während des Betriebes
herrschenden Driftfeldes ist. In den
beiden Endabschnitten
der Schaltungsanordnung befinden sich
sperrfreie Kontakte, die mit
der Gleichspannungsquelle zu
verbinden sind.
Zur
Steuerung der Schaltspannungen ist der Abschnitt zwischen der Kollektor- und der
Emitterzone mit einem sperrfreien Zusatzkontakt zu versehen. llit Hilfe eines weiteren
stroarichtungsuna.bhängigen Zusatzkontaktes, der an dem Abschnitt z@.ischen der
Emitter- und der flpazitäts-p£Zone angebracht ist,, kann das Spannun-sverhältnis
innerhalb der Sehcrinbschaltanordnung beeinflußt werden. Zur Verbesserun- der elektrischen
und der geometrischen Werte sind in dem vor;enannten Abschnitt Gebiete hoher Rekombinati
onsgeschwindigkeit und hoher Strorsleitßähigkeit ausgebildet.
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Die Schwingungen sind jeweils an zwei der insgesamt existierenden
Kontaktelektroden der integrierten Schwingschaltanordnunn oder an einem gegebenenfalls
zusätzlich vorhandenen Außenwiderstand abzugreifen.
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In dieser Beschreibung wurde im Gegensatz zur allge.::ein gebräuchlichen
Verwendung die Bezeichnung '1pn-Z one" auch für den Metall-Halbleiterkontalct benutzt.
Sie wurde außerdem dahingehend erweitert, daß die pn-Z one sowohl den-einzelnen
pn Übergang bezeichnet, als auch dadurch definiert ist, daß ein pn-Übergang in mehrere
Zonen unterteilt werden kann, die für das Funktionieren einer Anordnung von unterschiedlicher
Bedeutung, sind. Demzufolge ist unter der Kapazitäts-pn-Zone ein in Sperrichtung
gepolter'einzelner pn Übergang oder der Teil eines pn iberganges, dessen kapazitive
Wirkung ausgenutzt werden soll, zu verstehen. Die ebenfalls in Sperrichtung vorgespannte
Kollektor-pn Zone besitzt Yrie üblich die Aufgabe, die von der in Durchlaßrichtung
gepolten Umitterzone injizierten Minoritätsträger zu sammeln. Es ist zu beachten,
daß die Kapazitäts- und die Kollel:tor-pn-Zone nur eine begrenzte äperrfähigl:eit
aufweisen.
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In einen auf der Erfindung basierenden Schwingungsgenerator sind mit
Ausnahme der Spannungsquelle sämtliche ndxrendigen Bauelemente enthalten. Die Schwingungsform,
die Frequenz und
das Tastverhältnis lassen. sich durch Änderung
der 'elektri.-sehen und geometrischen Werte der verschiedenen Schichten sowie durch
die an diesen Schichten und pn-Z onen anliegenden Spannungen und gegebenenfalls
durch einen in den Zuleitungen zur Spannungsquelle liegenden Außenwiderstand variieren.
Es können sowohl Kipp- als auch sinusähnliche Schwingungen erzeugt und mit einem
externen Signal etriügert oder synchronisiert werden. Da die beschriebene Halbleiterstruktur
keine schwierig herzustellenden bzw, nur wenige Schichten aufweist kann man sie
in großer Stückzahl mit reproduzierbarer Qualität fertigen. Es besteht die Möglichkeit,-
die Schwingschaltanordnung sowohl in bekannter .eise in einem Halbleiterblock oder
auf einem Substrat als auch in Form eines'Funktionsblocks der Wolekularelektronik
zu erzeugen.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert Werden, In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 die der Erfindung
zugrunde liegende Kippreihenschaltung Fig, 2 eine Form der integrierten Sohwingschaltanordnung4
Fig. 3 eine molekularelektronisehe Variante der integrierten Schwingschaltanordnung.
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Die Wirkungsweise des Kippkreises nach Fig. 1' bestehend aus dem elektronischen
Schalter 1, der Gleichspannungsquelle 2, dem Kondensator 3 und dem Viiderstand
4, ist bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
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Mit Ausnahme der Gleichspannungsquelle 2 sind alle Bauelemente der
Schaltung, nach Piv. 1 in dem Halbleiterblock 5 der Fig. 2 nachgebildet. Der Kondensator
3 und der Widerstand 4 werden 3urch die Kapazität und den ohmschen Übergangswiderstand
der Kapazitäts-pn Zone 6 ersetzt, während die Aufgabe des Schalters
1
von der Emitter-pn-Zone 7 und der Kollektor-pn-Zone a übernommen wird. Über die
sperrfreien Kontakte 9 und 10 ist die Verbindung zur Gleichspannungsquelle 2 hergestellt.
Zur Gewährleistung der Funktion der Kapazitäts-pn-Zone 6 dürfen von der Emitter-pn-Zone
7 nährend des Betriebes keine :.Tinoritätsträger in das Gebiet der Kapazitäts-pn-Zone
6 gelangen. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der Mindestabstand zwischen beiden
Zonen größer als die in diesem libschnitt mögliche 71eglänge der L.iinoritätsträger
infolge der Diffusion und des Driftfeldes ist. Befindet sich weiterhin die Emitterpn-Zone
7 in einer Entfernung von der Kollektor-pn-Zone 8,
die wesentlich größer als
die übliche Basishalbleiterdicke bei Legierungstransistoren ist, so erreichen die
von der Bmitter-pnZone 7 injizierten Idinoritätsträüer erst dann die Kollektor-pn
Zone 8, wenn die über beiden Zonen liegende Spannung einen bestimmten ,'fiert
überschritten hat. Der daraufhin verstärkte Kollektorstrom bewirkt über die relativ
niederohmige Spannungsquelle 2 und den kapazitiven Widerstand der Kapazitäts-pn-Zone
6 eine weitere Vergrößerung der Emitterinjektion und damit ein Umschalten der Anordnung
in den Durchlässigkeitszustand. Der erhöhte Strom verursacht jedoch gleichzeitig
ein allmähliches ansteigen der Spannung an der Kapazitäts-pn Zone 6, was
wiederum die Verringerung der Emitterinjektion und das Zurückschalten der Anordnung
in den Sparrzustand zur Folge hat. Die Wiederholung dieses Zyklus erfolgt nach der
Entladung der Kapazitäts-pn-Zone 6 über den eigenen ohmsehen Übergangswiderstand.
Der Steuerung der Schaltspannungen dient der sperrfreie Zusatzkontaht 11y während
über den sperrfreien Zusatzkontakt 12 das Spannungsverhältnis innerhalb des Blockes
5 geregelt werden kann. Zur Verbesserung der elektrischen und geometrischen Eigenschaften
ist zusätzlieh ein Gebiet hoher Rekombinationsgeschvrindigkeit 13 und ein Gebiet
hoher Stromleitfähigkeit 14 enthalten.
Eine günstige Form der beschriebenen
Schwingschaltanordnung stellt der pnp-Funktionsblock 15 nach Pig. 3 dar. In ihm
bilden sich während des Betriebes auf einem pn Übergang eine Emitter-pn-Zone
16 und eine Kapazitäts-pn Zone 1? aus. Infolge gegenseitiger Beeinflussung
dieser zwei nicht streng lokalisierten Zonen ist es möglich, sinusähnliche Schwingungen
zu erzeugen, die vorzugsweise -über die sperrfreien Kontakte 9 und 12 bzw. 10 und
12 abgenommen werden.