DE1962233C2

DE1962233C2 - Optoelektronische Schaltungsanordnung, Verfahren zu deren Betrieb und deren Verwendung

Info

Publication number: DE1962233C2
Application number: DE1962233A
Authority: DE
Inventors: Tutomu Akashi Hyogo Nakamura; Saburo Nara Matsuda; Yoichi Tezukayamani Osaka Ito
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1968-12-11
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1987-01-02
Also published as: GB1296363A; GB1294897A; DE1962233A1; DE1962234A1; US3655988A

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung aus einer Lumineszenzdiode, die einen Bereich negativen Wider-Standes zwischen einem Bereich hohen und einem Bereich niedrigen Widerstandes aufweist, einem Widerstand und einer die Lumineszenzdiode in Durchlaßrichtung vorspannenden Gleichspannungsquelle und mit einer Steuereinrichtung, mit der die Lumineszenzdiode zwischen einem ersten stabilen Arbeitspunkt im Bereich hohen Widerstandes und einem zweiten stabilen Arbeitspunkt im Bereich niedrigen Widerstandes umschaltbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb und Verwendungsmöglichkeiten einer solchen Schaltungsanordnung.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 32 67 294 bekannt. Als Steuereinrichtung ist dort entweder ein Unterbrecher oder eine variable Spannungsquelle vorgesehen. Durch öffnen dieses Unterbrechers oder durch Herabsetzen des von der Spannungsquelle abgegebenen Spannungswertes kann vom stabilen Arbeitspunkt im Bereich niedrigen Widerstandes zum stabilen Arbeitspunkt im Bereich hohen Widerstandes zurückgeschaltet werden. Das bei dieser bekannten Schaltungsanordnung verwendete Dreischicht-Halbleiterbauelement zeigt das Verhalten eines negativen Widerstandes allerdings nur dann, wenn es auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs herabgekühlt ist,

also auf —196° C. Dies macht die bekannte Schaltungsanordnung sehr aufwendig und nur im begrenzten Umfang einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verfügbar zu machen, bei der sich mit einfachen Mitteln - ohne zusätzliche Kühlung — digitale Logikfunktionen, wie zum Beispiel NICHT, NOR, NAND und weitere Logikfunktionen sowie Flipflops, Schieberegister, Digital-Analog-L'mset- jo zer mit optischen Signalen verwirklichen lassen.

Die 1 ösung dieser Aufgabe besteht in einer optoelektronischen Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lumineszenzdiode eine pnpn-Vier- -,5 schichtdiode ist und daß die Steuereinrichtung parallel una/oder in Serie zur pnpn-Vierschichtdiode geschaltet und mit einem Steuersignal beaufschlagbar ist, über das die pnpn-Vierschichtdiode vom einen zum anderen stabilen Arbeitspunkt und zurück umschaltbar ist.

Bei dieser Schaltungsanordnung wire, die Umschaltung beispielsweise vom stabilen Arbeitspunki im Niedrigstrombereich, bei dem praktisch kein Lichx abgestrahlt wird, in den stabilen Arbeitspunkt im Hochstrombereich, bei dem Lichtabstrahlung stattfindet, durch Verschwenken oder Verschieben der für die Lumineszenzdiode wirksamen Lastenlinie bewirkt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der neuen Schaltungsanordnung weist die Steuereinrichtung ein lichtempfindliches Bauelement auf, das von der deich-Spannungsquelle in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und dessen Widerstandswert mindestens einen Teil des Arbeitswiderstandes der Lumineszenzdiode bildet. Durch Beleuchten des lichtempfindlichen Bauelements kann die für die Lumineszenzdiode wirksame Gesamtlastkennlinie verschoben oder verschwenkt werden.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der neuen Schaltung weist die Steuereinrichtung einen Kondensator auf. der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und der Lumineszenzdiode verbunden ist. Beim Anlegen eines elektrischen Steuersignals an den Kondensator wird die an der Lumineszenzdiode wirksame Spannung kurzfristig so erhöht oder erniedrigt, daß das Kippen der Lumineszenzdiode in den jeweils anderen Arbeitspunkt ermöglicht wird.

Es gibt verschiedene Realisierungsmögüchkeiten für die neue Schaltungsanordnung. Ein Impedanzelement, vorzugsweise in Form einer Photodiode oder eines Kondensators, wird entweder parallel oder in Serie zur Lumineszenzdiode geschaltet.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der neuen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb und Möglichkeiten für deren Verwendung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.

Daß ein pnpn-Halbleiterbauelement in einen Bereich negativen Widerstandes steuerbar ist, ist bereits aus der US-PS 32 70 235 bekannt. Dort wird eine solche Schichtenfolge zur Integration eines str^mverstärkenden Transistors und eines diesem nachgeschalteten lichternittierenden Transistors verwendet. Dieses Bauelement ist dafür gedacht, durch ein modulierendes elektrisches Eingangssignal ein moduliertes optisches Ausgangssignal zu erhalten. Es ist zwar die Möglichkeit des Einsatzes eines solchen Halbleiterbauelements für Schaltzwecke in einem optischen Speicher erwähnt, jedoch nur im Zusammenhang mit elektrischer Adressierung eines solchen Speichers. Wie man dieses Bauelement einsetzen und beschälten muß, um es als binären Schalter verwenden zu können, ist nicht angegeben.

Optoelektronische digitale Bauelemente, die sich für optoelektronische Logikschaltungen und Flipflops verwenden lassen, sind bekannt aus »ELECTRONICS«, 11. Dezember 1967, S. 117 - 122. Dabei werden verschiedene Logikelemente jedoch nicht durch unterschiedliche Beschallung eines optoelektronischen Bauelements erhalten, sondern durch unterschiedliche Ausgestaltung eines Injektionslasers.

Des weiteren ist aus der DE-AS 12 64 513 ein Fünfschicht-Halbleiterbauelement bekannt, in dem eine lichtemittierende Diode und ein Phototransistor zur Bildung eines Optokopplers integriert sind.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand von Ausfühiungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der neuen Schaltungsanordnung in Form einer Grundschaltung,

Fig.2 eine schematische Darstellung der in Fig. 1 verwendeten Vierschichtdiode,

Fig. 3 die Sirom-Spannung-Kennlinie des in Fig.2 dargestellten Vierschichtdiode,

F i g. 4 die Lichtabgabe-Strom-Kennlinie der in F i g. 2 dargestellten Vierschichtdiode,

F i g. 5 bis 10 verschiedene Ausführungsformen der in F i g. 1 gezeigten Grundscfialtung,

F i g. 11 Betriebskennlinien der in den F i g. 1 und 5 bis 10 dargestellten Schaltungsanordnungen,

Fig. 12 und 13 Schaltungen von Anwendungsbeispielen der F i g. 7 dargestellten Schaltungsanordnung,

Fig. 14 und 15 Schaltungen von Anwendungsmöglichkeilen der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung,

Fig. 16 eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung,

Fig. 17 ein Blockschaltbild eines Anwendungsbeispiels der in F i g. 16 dargestellten Schaltung,

Fig. 18 eine Zeitablaufdarstellung für die in Fig. 17 dargestellte Schaltung,

Fig. 19 die Schaltung eines Anwendungsbeispiels der in F i g. 14 dargestellten Schaltung,

Fig. 20 Kennlinien für die in Fig. 18 dargestellte Schaltung.

Fig. 1 zeigt eine Grundausführung der neuen optoelektronischen Schaltungsanordnung. Eine zweipolige Lumineszenzdiode 1 mit stromgesteuertem negativen Widerstand dient der Lichtabstrahlung, die proportional dem zugeführten Strom ist. Mit der Lumineszenzdiode 1 sind ein Widerstand 2 und eine Gleichspannungsquelle 3 in Reihe geschaltet. Die Gleichspannungsquelle 3 spannt die Lumineszenzdiode 1 in Durchlaßrichtung vor. Eine Steuereinrichtung 5 dient zur Beeinflussung der Arbeitsbedingungen der Lumineszenzdiode 1. Ein optisches und/oder elektrisches Ausgangssignal wird von der Lumineszenzdiode und/oder der Schaltungsanordnung mittels einer elektrisch und/oder optisch wirksamen Signalableitungseinrichtung 6 abgenommen.

In Fig. 2 ist eine Lumineszenzdiode 1 in Form einer Galliumarsenid-pnpn-Diode mit negativem Widerstand dargestellt, die eine Ni-Schicht 106 und darauf folgend eine Pi-Schicht 105, eine Λ/2-Schicht 104 und eine /VSchicht 103 aufweist. Zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten liegen Grenzschichten ]\, /2 und /3. An den äußeren Schichten N\ und P₂ befinden sich Metallelektroden 107 und 102. Die derart aufgebaute

Lumineszenzdiode 1 weist einen vom Stromdurchfluß abhängigen negativen Widerstand auf und besitzt einen hohen Lichlemissionswirkungsgrad.

In Fig.3 ist die Slrom-Spannung-Kennlinie einer derartigen pnpn-Diode dargestellt, und Fig.4 zeigt die Lichtabgabe-Strom-Kennlinie.

Wenn die /VSchichl am positiven und die Λ/ι-Schichi am negativen Pol einer Spannungsquelle liegen, dann bildet sich an der mittleren Grenzschicht J% eine Sperrspannung aus, so daß bei anliegender niedriger Spannung der Stromfluß fast vollständig gesperrt ist. Dieser Zustand ist in Fig. 3 in dem mil I bezeichneten Bereich dargestellt. Bei wachsender Sperrspannung gelangt schließlich ein Teil der von der /Vi-Schicht injizierten Elektronen in die Grenzschicht /j, wodurch die Injektion von Löchern von der /VSchieni erleichtert wird, die dann zur Grenzschicht ]\ gelangen und dort wiederum das Injizieren von Elektronen von der /Vi-Schicht 106 erleichtern. Somit wird in die Außenschichten P\ und N2 eine immer größer werdende Anzahl von Löchern und Elektronen injiziert, und es tritt das Phänomen der sogenannten Elektronenvervielfachung ein.

An der Grenzschicht /2. an der sich ein starkes elektrisches Feld ausbildet, und zwar aufgrund der angelegten Sperrspannung, kommt es zu einem Durchbruch mit Lawinenvervielfachung der Elektronen, also wiederum zu einer Elektronenvervielfachung.

Als Ergebnis dieser wechselseitigen Beeinflussung sammeln sich in der Afe-Schicht eine große Anzahl Elektronen und in der /VSchicht eine große Anzahl von Löchern. Dadurch ergibt sich an der Grenzschicht /2 eine Veränderung in Richtung zu deren Durchlaßvorspannung, wodurch sich die Poieniiaküfferenz an der Grenzschicht /2 zunehmend verringert. Als Folge davon nimmt die Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen der Pj-Schicht und der /Vi-Schicht ab. (Dies ist in F i g. 3 durch den mit II bezeichneten Bereich dargestellt.) Schließlich tritt an der Grenzschicht J₂ ein Potentialgleichgewichtszustand ein. in dem praktisch ein ungehindertes Leiten und damit ein großer Stromfluß auftritt. (In Fig.3 ist dieser Zustand durch den mit 111 bezeichneten Kurventeil dargestellt). In diesem Zustand des ungehinderten Leitens ist die Strom-Spannungs-Kennlinie der Vierschichtdiode identisch mit der einer einfachen Diode.

Der bekannte Effekt der Lichtausstrahlung als Folge der Rekombination der Elektronen der N\ -Schicht 106 mit den Löchern der /VSchicht 103 tritt bei dieser Vierschichtdiode in den Grenzschichten /j und /3 auf. Dadurch wird hinsichtlich der Lichtemission eine größere Wirksamkeit a's bei der üblichen üchternilue renden Diode erreicht.

Wie aus F i g. 4 zu entnehmen ist. ist das ausgesandte Licht der Vierschichtdiode 1 im wesentlichen proportional dem zugeführten Strom, und zwar in allen Bereichen I, II und III. Mit / als der Stromintensität und m als dem ausgesandten Licht kann man in einer Formel darstellen durch m ~ 1", mit η als einer für die Vierschichtdiode charakteristischen Konstanten.

Es wird nun ein Beispiel für die Herstellung der obengenannten Vierschichtdiode beschrieben. Mit Silizium allein als Dotierstoff kann man drei Schichten der Schichtenfolge P, N. P in einem Prozeß auf einem N-Substrat durch Aufwachsenlassen aus der Flüssigphase herstellen. Atome der IV. Gruppe als Dotierstoffe, wie Silizium, Germanium und Zinn, können für Galliumarsenid als Donatoren und als Akzeptoren

wirken. Solche Atome der IV. Gruppe wirken als Donatoren, wenn sie ein Galliumatom ersetzen, und als Akzeptoren, wenn sie die Stelle eines Arsenatoms einnehmen.

Erzeugt man eine mit Silizium dotierte Galliumarsenidschichl durch Aufwachsenlassen aus der Flüssigphase, wächst N-leitendes Galliumarsenid bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, und bei niedrigeren Temperaturen wächst statt dessen eine P-leitende Schicht. Die Temperatur, bei der ein Übergang von einer N-Schicht zu einer P-Schicht auftritt, hängt von der kristallographischen Orientierung des Galliumarsenidsubstrats ab. Die Abkühlung ist hierfür von größter Bedeutung. Auf der Basis dieser Faktoren wird ein Element je nach Wunsch präpariert. So wächst zuerst eine Schicht vom P-Typ unter Kühlung und dann eine N-Schicht durch Stoppen der Abkühlung und schließlich eine weitere P-Schicht durch weiteres Abkühlen. So kann man drei Schichten der Folge P, N, P aufeinanderfolgend durch einfache Steuerung der Abkühlung wachsen lassen.

Die siliziumdotierte Galliumarseniddiode mit negativem Widerstand, die auf diese Weise hergestellt worden ist, hat bei der Lichtemission eine hohe quantenmechanische Ausbeute von 2 bis 3% oder die zehnfache Ausbeute einer üblichen Diode und kann daher bei Zimmertemperatur arbeiten. Die Schwellenspannung V,h, der Schwellenstrom /,/,, die Haltespannung V_H und der Haltestrom In einer derart gefertigten Vierschichtdiode liegen bei:

V₁* =	2 bis 25 Volt
Vh =	1,3 bis 1,4 Volt
/,» =	0,1 bis 20 mA
/// =	1.0 bis 70 mA

Die Ansprechgeschwindigkeit einer solchen Vierschichtdiode 1 wird durch die Zeit bestimmt, die die Elektronen und die Löcher zum Durchwandern der Basiszonen des PNP- und des NPN-Transistors in der pnpn-Vierschichtstruktur benötigen. Die die Basiszonen bildenden Schichten P\ und N2 sind beide nur einige μπι bis 10 μηι breit, und die Ansprechzeit beträgt normal 1 bis 5 μβ und kann sogar bis auf 0,1 μί verringert werden.

Die in F i g. 5 gezeigte Schaltungsanordnung weist als Steuereinrichtung 5 eine Kombination aus einem Widerstand 2 und einer Photodiode 7 auf, die parallel geschaltet sind. Wie aus F i g. 11 zu entnehmen ist, muß. die Spannung der Spannungsquelle 3 größer sein als die Schwellenspannung V₁/, der Vierschichtdiode, weil der Widerstandswert des Widerstandes 2 so gewählt ist, daß die in F i g. 11 mit b\ bezeichnete Arbeitskennlinie für die nicht beleuchtete Photodiode 7 entsteht, d. h„ daß die Vierschichtdiode 1 im Bereich I arbeitet

In diesem Falle liegt der Arbeitspunkt in dem

Schnittpunkt 22 der beiden Kennlinien, dem ein Strom /3 entspricht Trifft auf die Photodiode 7 Licht auf, wirkt sich dies wie eine Verringerung des Widerstandswertes des Widerstandes 2 aus. Die mit b\ bezeichnete Arbeitskennlinie wird dann zu der mit B bezeichneten Arbeitskennlinie verschwenkt, d. k, der Arbeitspunkt 22 geht in den Arbeitspunkt 21, den zweiten Arbeitspunkt über.

Unter dieser Bedingung ergibt sich eine hohe Stromstärke von /5, und die Vierschichtdiode 1 hat eine große Lichtabstrahlung.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird also bei anwachsendem Lichteinfall auf die Photodiode 7 die Lichtabstrahlung der Vierschichtdiode 1 eingeschaltet und bei abnehmendem Lichteinfall auf die Photodiode 7

abgeschaltet, und folglich kann diese Schaltungsanordnung als Schalter zum Formen von Lichtwellen dienen. F i g. 6 zeigt eine Abwandlung der in F i g. 5 gezeigten Schaltung, bei der die Photodiode 7 in Reihe mit dem Widerstand 2 geschaltet ist. Die Arbeitskennlinie der Vierschichtdiode und die Spannung V der Spannungsquelle sind durch die Linie B in F i g. 11 dargestellt, wenn die Photodiode 7 leitend ist. Der Arbeitspunkt in diesem Falle ist mit 21 bezeichnet und liegt im Bereich III. Es wird Licht ausgesendet. Mit abnehmendem Lichteinfall 8 wächst der Widerstandswert stark an, und es ergibt sich die verschobene Arbeitskennlinie b\. Der Arbeitspunkt liegt jetzt im Bereich I.

Mit einer derartigen Schaltung wird also Lichtaussendung bei starkem Lichteinfall auf die Photodiode 7 erreicht. Bei schwachem Lichteinfall 8 sendet die Vierschichtdiode 1 kein Licht aus. Diese Schaltung kann daher als optische Logikschaltung verwendet werden.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Schaltungsanordnung weist die Steuereinrichtung eine in Durchlaßrichtung zur Vierschichtdiode 1 parallel geschaltete Photodiode 7 auf. Ist die Photodiode 7 kaum leitend, gilt die mit B bezeichnete Arbeitskennlinie, und der Arbeitspunkt 21 liegt im Bereich III. Mit anwachsendem Lichteinfall 8 auf die Photodiode 7 verschiebt sich der Arbeitspunkt in den Bereich I, und die Lichtausstrahlung bricht ab. Diese Schaltungsanordnung kann also als optische NICHT-Logikschaltung verwendet werden.

Die in F i g. 8 gezeigte Schaltung stellt eine Abwandlung der in Fig. 7 gezeigten dar und weist eine zweite Spannungsquelle 11 auf, die sich in einer zur Vierschichtdiode 1 parallel geschalteten Reihenschaltung mit der P'.iotodiode 7 befindet. Die Spannungsquelle 11 ist entgegengesetzt der Durchlaßrichtung der Vierschichtdiode 1 gepolt.

Wenn das einfallende Licht 8 vernachlässigbar schwach ist, ist die Photodiode 7 gesperrt und die zweite Spannungsquelle 11 ausgeschaltet. Bei auf die Photodiode 7 auftreffendem Licht 8 fließt jedoch in der aus der Vierschichtdiode 1, der Photodiode 7 und der Spannungsquelle 11 gebildeten Schleife ein von der Stromquelle 11 gelieferter Strom h. Je stärker dieser Strom /2 ist, desto näher verschiebt sich die Arbeitskennlinienkurve in Fig. 11 zum Ursprung der Koordinaten, wie es durch die Kurve bi gezeigt ist Der Arbeitsbereich kann leicht den Bereich I erreichen.

Die in den Fig.5 bis 8 gezeigten Schaltungsanordnungen stellen Schaltvorrichtungen dar, die in Abhängigkeit von anwachsendem oder vermindertem Lichteinfall ein definiertes an-aus-gesteuertes Lichtausgangssignal und, falls notwendig, ein elektrisches Ausgangssignal liefern.

Die in F i g. S gezeigte Schaltung weist ais Steuereinrichtung zwei auf einfallendes Licht 8 ansprechende Phctodioden 7 auf, von denen eine parallel zum Widerstand 2 und die andere parallel zur Vierschichtdiode 1 geschaltet ist Beide Photodioden 7 sind in Durchlaßrichtung geschaltet

Für die Arbeitskennlinie der Vierschichtdiode 1 liegt die Spannung der Spannungsquelle 3 bei Vi und ist höher als V,h, und der Widerstandswert des Widerstandes 2 ist so gewählt, daß für den Fall, daß beide Photodioden 7 leitend sind, die Arbeitskennlinie in der angezeigten Weise, beispielsweise entsprechend Kurve C in Fig. 11, verläuft Es sind dann zwei stabile Arbeitspunkte 251 und 21 vorhanden. Trifft bei einem Arbeitspunkt 251 im Bereich I auf die in Fig.9 obere Photodiode 7 auslösendes Licht 8 auf, dann wird der Arbeitspunkt über die Schwellenspannung V,h in den Bereich III verschoben. Dieser Arbeitspunkt 21 bleibt auch bestehen, wenn kein Licht 8 mehr einfällt.

Wenn auslösendes Licht 8 auf die in Fig.9 untere Photodiode 7 fällt, wird der Arbeitspunkt über die Haltespannung Vn in den Bereich I zurückverschoben.

Dieser Arbeitspunkt 251 bleibt auch nach dem auslösenden Lichteinfall 8 weiter bestehen.

Diese Schaltungsanordnung stellt eine Art FÜpflop dar, dessen Schaltungsoperation synchronisiert ist mit dem EIN- und AUS-Schalten des einfallenden Lichtes, und kann daher als Speichereinheit verwendet werden. In der in Fig. 10 gezeigten Schaltungsanordnung wird eine Steuerung durch ein dem Anschluß 13 zugeführtes elektrisches Auslösesignal über einen Kondensator 12 zum Verbindungspunkt 4 vorgenommen. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 3 liegt entweder um Vi über V,/, oder um V2 unter V,/,. Der Wert des Widerstandes 2 ist so gewählt, daß die Arbeitskennlinie der Vierschichtdiode 1 der in F i g. 11 mit D oder C bezeichneten Linie entspricht. Es sind dann zwei stabile Arbeitspunkte 251 oder 252 und 21 vorhanden. Gelangt ein positives Auslösesignal 109 mit hinreichend großem Amplitudenwert auf den Anschluß 13, wird der Arbeitspunkt 251 oder 252 im Bereich I über die Schwellenspannung V,/, zu einem neuen Arbeitspunkt 21 im Bereich III verschoben, während ein auftreffendes negatives Auslösesignal 110 mit einer Amplitude, die zur Verschiebung des Arbeitspunktes unter die Haltespannung Vh ausreicht, den Arbeitspunkt zurück in den Bereich I verschiebt. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß der Arbeitspunkt auch nach Beendigung des Auslösesignais stabil bleibt.

Eine derartige Schaltung stellt eine Art Flipflop dar, dessen Schaltungsoperation mit einem elektrischen Signal synchronisiert ist, und kann als Speichereinheit verwendet werden.

Die Schaltung in F i g. 12 zeigt eine Anwendung der in F i g. 7 dargestellten Schaltung. Es ist eine Reihe von Photodioden 7 in Parallelschaltung vorgesehen zur Aufnahme einfallender Lichtsignale 8. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 3 und der Widerstand 2 sind in derselben Weise wie bei F i g. 7 zu wählen.

Der Arbeitspunkt der Vierschichtdiode 1 liegt im Bereich 1, wenn Licht auf eine der Photodioden 7 auffällt Fällt auf keine der Photodioden 7 Licht dann liegt der Arbeitspunkt im Bereich III. Die Schaltung ist zweckmäßig als optische NOR-Logik-Schaltung zu verwenden.

Die Schaltungen in Fig.6 oder Fig.8 können dieselben Funktion ausführen, wenn mehrere Photodioden parallel zur Vierschichtdiode 1 geschaltet werden. Wenn man in der in F i g. 5 dargestellten Schaltung anstelle der Photodiode 7 eine Reihe von parallel geschalteten Photodioden anordnet, erhält man eine optische ODER-Logik-Schaltung.

Die in Fig. 13 gezeigte Schaltung ist ein anderes Anwendungsbeispiel der in F i g. 7 gezeigten Schaltung. Dabei sind mehrere Photodioden 7 in Reihe geschaltet lund je mit einem Lichtsignal 8 beaufschlagbar. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 3 und der Widerstand 2 sind für die Vierschichtdiode 1 im wesentlichen in gleicher Weise zu wählen, wie für die Fi g. 7 oder 12 beschrieben wurde.

Bei der Schaltung nach Fig. 13 hat die Vierschichtdiode 1 ihren Arbeitspunkt im Bereich I, wenn auf alle Photodioden 7 Licht einfällt Andernfalls liegt der Arbeitspunkt im Bereich HL Diese Schaltung kann

deshalb als optische NAND-Logik-Schaltung verwendet werden.

In ähnlicher Weise können die in den Fig. 6 und 8 gezeigten Schaltungen durch Verwendung einer Reihe von hintereinander geschalteten Photodioden in eine derartige NAND-Logik-Schaltung verwandelt werden. Wendet man diese Maßnahme bei der in F i g. 5 dargestellten Schaltung an, erhält man eine UND-Logik-Schaltung.

Bei der in Fig. 14 gezeigten Schaltung sind zwei der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnungen optisch miteinander gekoppelt und als Flipflop verwendet. Die Vierschichtdioden 1, die damit in Reihe geschalteten Belastungswiderstände 2, die Signalableitungseinrichtungen 6 und die Steuereinrichtungen 5 entsprechen den gleichbezeichneten Schaltungskomponenten in Fig. 1. Anschlüsse 40,41 sind mit einer Gieichspannungsquelie verbunden. Die in Fig. 14 rechte Photodiode 7 ist über den dort oberen Widerstand 36 mit dem Verbindungspunkt 4 des linken Schaltungsteils verbunden. Die rechte Photodiode 7 nimmt das von dem rechten Schaltungsteil ausgesandte Licht auf. In ähnlicher Weise ist die in Fig. 14 linke Photodiode 7 über den dort unteren Widerstand 36 mit dem Verbindungspunkt 4 des rechten zweiten Schaltungsteils verbunden und nimmt das von dem linken Schaltungsteil ausgesandte Licht auf. Zur Lichtübertragung bei 109 und 110 können optische Einrichtungen, wie optische Fasern oder Lichtkoppler, verwendet werden. Für die beiden Schaltungsteile kann die in den F i g. 7 oder 8 dargestellte Schaltungsanordnung doppelt verwendet werden. Als Steuereinrichtungen 5 finden dann entweder optische oder elektrische Einrichtungen der in den Fig.5 bis 10 gezeigten Art Anwendung. Es kann auch eine zweite Spannungsquelle 11 wie in F i g. 8 verwendet werden.

Wenn der Arbeitspunkt der in Fig. 14 linken Vierschichtdiode 1 im Bereich 111 liegt und diese Licht aussendet, ist die dort linke Photodiode 7 leitend. Daher liegt der Arbeitspunkt der in Fig. 14 rechten Vierschichtdiode 1 im Bereich 1, und diese sendet kein Licht aus (erster stabiler Zustand).

Wenn unter dieser Bedingung dem in F i g. 14 rechten Verbindungspunkt 4 des rechten Schaltungsteils ein positives Auslösesignal zugeführt oder der Wert des rechten Lastwiderstandes 2 zur Verschiebung des Arbeitspunktes der rechten Vierschichtdiode 1 vom Bereich I in den Bereich III wesentlich verringert wird, wird die rechte Photodiode 7 leitend, und die linke Vierschichtdiode 1 des linken Schaltungsteils hat ihren Arbeitspunkt im Bereich I, wo er fest bleibt (zweiter stabiler Zustand).

Diese Schaltung stellt ein R-S-Flipflop dar, wenn eine der beiden Steuereinrichtungen 5 zur Abgabe eines Setzsignals und aie andere der beiden Steuereinrichtungen 5 zur Abgabe eines Rücksetzsignals verwendet wird.

In Fig. 15 ist eine weitere Flipflop-Schaltung aus einer Kombination von zwei der in F i g. 1 dargestellten Grundschaltungen gezeigt. Die Verbindung erfolgt über einen Widerstand.

Der erste Schaltungsteil wird aus der in F i g. 15 linken Vierschichtdiode 1, dem dort linken Lastwiderstand 2, der linken Signalableiteinrichtung 6 und der linken Steuereinrichtung 5 gebildet, während der zweite Schaltungsteil aus der in Fig. 15 rechten Vierschichtdiode 1, dem rechten Lastwiderstand 2, der rechten Signalableiteinrichtung 6 und der rechten Steuereinrichtung 5 besteht Diese beiden Schaltungsteile sind über einen Widerstand 44 verbunden. Anschlußpunkte 40 und 41 führen zu einer GleichspannungsqucHc.

Wenn die Vierschichtdiode 1 des rechten Schaltungsteils ihren Arbeitspunkt im Bereich I hat und kein Licht aussendet, also einen hohen Widerstand bildet, und der Lastwiderstand für die linke Vierschichtdiode 1 des linken Schaltungsteils parallel durch die Parallelschaltung aus dem linken Widerstand 2 und der Serienschaltung aus dem rechten Widerstand 2 und dem Widerstand 44 gebildet wird, verläuft die Arbeitskennlinie in der in Fig. 11 durch die Linie S dargestellten Weise. Die Vierschichtdiode 1 des linken Schaltungsteils hat dann ihren Arbeitspunkt im Bereich HI und sendet Licht mit großer Intensität aus (erster stabiler Zustand).

Wenn dann die linke oder rechte Steuereinrichtung 5 aktiviert wird, um den Arbeitspunkt der Vierschichtdiode 1 des rechten Schaitungsieüs in der. Bereich IH oder den Arbeitspunkt der Vierschichtdiode 1 des linken Schaltungsteils in den Bereich I zu verschieben, wird der zweite stabile Zustand erreicht. In diesem Falle sind der erste und der zweite Schaltungsteil zueinander symmetrisch.

Im zweiten stabilen Zustand hat die rechte Vierschichtdiode 1 einen niedrigen Widerstand. Da der Spannungswert am rechten Verbindungspunkt 4 niedrig ist, hat die Arbeitskennlinie den in Fig. 11 durch die Linie fo dargestellten Verlauf.

Die in Fig. 16 gezeigte Schaltung ist eine weitere Ausführungsform der Grundschaltung von Fig. 1, wobei ein zur in Fig. 10 dargestellten Schaltung zusätzliches Element vorgesehen ist. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 3 liegt etwas unter der Schwellenspannung V,h der Vierschichtdiode 1, und der Widerstand 2 ist so gewählt, daß die Arbeitskennlinie der Linie £ in F i g. 11 entspricht, wenn die zu dem Widerstand 2 parallel geschaltete Photodiode 7 sperrt, und der Linie D. wenn die Photodiode 7 leitend ist. Der Photodiode 7 wird über eine optische Übertragungseinrichtung 51 ein von der Vierschichtdiode 1 ausgesandtes Lichtsignal zugeführt. Außerdem kann die Photodiode 7 mit von außerhalb der Schaltung kommendem Licht 8 beaufschlagt werden. Positive und negative elektrische Impulse werden über den Anschluß 50 und den Kondensator 12 der Schaltung zugeführt.

Sperrt die Photodiode 7, dann liegt der Arbeitspunkt der Vierschichtdiode 1 bei dem mit 55 bezeichneten Punkt der in F i g. 11 gezeigten Linie E Auf die Photodiode 7 auftreffendes Licht verschiebt den Arbeitspunkt von 55 nach 252, ohne daß dieser jedoch in den Bereich III kommt Wird in diesem Zustand dem Anschluß 13 ein positives Auslösesignal zugeführt wird der Arbeitspunkt sofort zum Punkt 21 in dem Bereich III verschoben, und die Photodiode 7, die das ausgesandte Lichtsignal der Vierschichtdiode 1 aufnimmt bleibi leitend. Dieser Zustand bleibt auch nach dem Ende des Lichtsignals bestehen. Der Arbeitspunkt wird erst in den Bereich I zurückverschoben, wenn dem Anschluß 13 ein negativer Impuls zugeführt oder die Spannungsquelle abgeschaltet wird.

Diese Schaltung arbeitet also genau synchron mit elektrischen Auslösesignalen und kann daher als Speicherzelle zur Speicherung von Lichtsignalen dienen. Die gespeicherte Information kann mit Hilfe des von der Schaltung abgegebenen Lichtsignals gelesen werden, ohne daß die gespeicherte Information dadurch gelöscht würde.

Fig. 17 zeigt ein Schieberegister, das aus mehreren miteinander verketteten Schaltungen der in Fig. 16

gezeigten Art besteht, jeder der Blöcke 181, 182,..., 186 symbolisiert die in Fig. 16 gezeigte Schaltung. Die Anschlußstellen 501, 502, ..., 506 entsprechen dem Anschluß 50, die einfallenden Lichtsignale 481, 482,..., 486 entsprechen dem einfallenden Lichtsignal 8, und die i ausgesandten Lichtsignale 521, 522 526 entsprechend dem ausgesandten Lichtsignal 6 in Fig. 16. Die Spannungsquelle 3 ist für alle Schaltungen gemeinsam

verwendet. Die Anschlußstellen 501, 503 505 sind

mit einem Anschluß 57 verbunden und die Anschlußstel- in len 502,504 506 mit einem Anschluß 56.

F i g. 18 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der obigen Schaltung ablaufenden Vorgänge. Der Signalverlauf a zeigt die Form eines ersten Synchronsignals (erste Taktimpulsfolge), das dem Anschluß 56 zugeführt wird, i-> während der Signalverlauf b die Form eines zweiten Synchronsignals (zweite Taktimpulsfolge) zeigt, das dem Anschluß 57 zugeführt wird. Es handelt sich bei beiden um elektrische Signale, bei denen auf negative Auslösesignale positive Auslösesignale folgen. Die :c> Signalverläufe zeigen, daß die ersten Taktimpulse nicht mit den zweiten Taktimpulsen zeitlich zusammenfallen. Der Signalverlauf c zeigt ein Beispiel des der ersten Schieberegisterstufe 181 zugeführten Lichtsignals 481. Beim Eintreffen eines Taktimpulses nach dem Auftref- _>> fen eines Lichtimpulses wird die erste Schieberegisterstufe 181 eingeschaltet und sendet ein Lichtsignal aus (Signalverlauf d). In diesem Moment ist die zweite Schieberegisterstufe 182, da ihr kein Taktimpuls zugeführt wird, nicht eingeschaltet, selbst wenn ein in Lichtsignal auftrifft, und wird erst eingeschaltet, wenn ein Taktimpuls 59 ankommt (Signalverlauf e). Auf diese Weise werden die einzelnen Schieberegisterstufen nacheinander synchron mit den Taktimpulsreihen ein- und ausgeschaltet, und die verketteten Stufen wirken als » Schieberegister.

In dieser Schaltung treten die Taktimpulse in einer ersten und in einer zweiten Folge auf. wodurch verhindert wird, daß ein einzelnes Auslösesignal, auch wenn es eine lange Impulsdauer hat, nacheinander mehrere der Stufen schaltet Diese Anordnung verhindert auch die Abgabe oder Aufnahme von dazwischentretenden Informationen, wenn die Schaltzcit
Vergleich zu den Impulslängen lang ist.

Die in Fig. 19 dargestellte Schaltung ist eine

im Anwendung der in Fig. 14 gezeigten Flipflop-Schaltung. Sie hat die Aufgabe, digitale Zählwerte eines Zählers in optische Analogwerte umzuwandeln.

Jede der Teilschaltungen 65, 66 67 ist eine

Flipflop-Schaltung der in Fig. 14 gezeigten Art. Die Widerstandswerte der Lastwiderstände sind folgendermaßen gewählt:

Lastwiderstände 2 der ersten Stufe (65):

je = R

Lastwiderstände 2 der zweiten Stufe (66):

je = R/2

Lastwiderstände 2 der dritten Stufe (66):

je = R/2²

Lastwiderstände 2 der letzten Stufe (66):

je= R/2"-¹

Das dem Zähler zugeführte Eingangsüchtsigna! wird über Lichtübertragungseinrichtungen 76, 77 den Photodioden 7 der ersten Stufe 65 zugeführt, so daß die Flipflop-Schaltung 65 umgeschaltet wird.

Das Logik-Ausgangssignal der Flipflop-Schaltung 65 wird dann den Photodioden 7 der zweiten Flipflop-Schaltung 66 zugeführt und löst dort diese auf dieselbe Weise aus. Auf diese Weise wird ein Zähler mit /7-Zählstellen gebildet. Das Ausgangssignal jeder Fiipflop-Schaltung wird über Lichtübertragungseinrichtungen 83, 89, 96 einem photoelektrischen Wandler 101 zugeführt und kann nach der Umwandlung als elektrisches Signal weiterverwendet werden. Fig.20 zeigt die Arbeitskennlinien der Schaltung. Die einem Lastwiderstand R entsprechende Kennlinie entspricht der Linie F, und wenn die Flipflop-Schaltung 65 eingeschaltet ist, weist deren rechte Vierschichtdiode 1 eine Stromstärke k auf. In gleicher Weise gibt I\ die Stromstärke an, die die rechte Vierschichtdiode I der zweiten Flipflop-Schaltung 66 aufweist, wenn diese eingeschaltet ist. Wie aus der Darstellung in Fig.20 zu entnehmen ist, ist /i = 2/o. In gleicher Weise sind die Widerstandswerte der Lastwiderstände der weiteren Flipflop-Schaltungen so zu wählen, daß die Beziehungen h = 2²V₀, h = 23/o,... erfüllt sind.

Die Eigenschaften der Vierschichtdioden der einzelnen Flipflop-Schaltungen brauchen nicht identisch zu sein.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optoelektronische Schaltungsanordnung, mit einer Reihenschaltung aus einer Lumineszenzdiode (1), die einen Bereich negativen Widerstandes zwischen einem Bereich hohen und einem Bereich niedrigen Widerstandes aufweist, einem Widerstand und einer die Lumineszenzdiode (1) in Durchlaßrichtung vorspannenden Gleichspannungsquelle (3), und mit einer Steuereinrichtung (5), mit der die Lumineszenzdiode zwischen einem ersten stabilen Arbeitspunkt (19) im Bereich hohen Widerstandes und einem zweiten stabilen Arbeitspunkt (20) im Bereich niedrigen Widerstandes umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdiode (1) eine pnpn-Vierschichidiode ist und daß die Steuereinrichtung (5) parallel und/oder in Sorie zur pnpn-Vierschichtdiode geschaltet und mit einem Steuersignal beaufschlagbar ist, über das die pnpn-Vierschichtdiode (1) vom einen (19) zum anderen (20) stabilen Arbeitspunkt und zurück umschaltbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (5) ein lichtempfindliches Bauelement (7) aufweist, das von der Gleichspannungsquelle (3) in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und dessen Widerstandswert mindestens einen Teil des Arbeitswiderstandes der pnpn-Vierschichtdiode (1) bildet (F i g. 5 bis 8).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (5) mehrere lichtempfindliche Bauelemente (7) in Form eines zwei Anschlüsse aufweisenden Netzwerks aufweist und daß jedes dieser Bauelemente unabhängig mit Lichtsignalzuführeinrichtungen (8) verbunden ist (F ig. Hund 15).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (5) einen Kondensator (12) aufweist, der mit dem Verbindungspunkt (4) zwischen dem Widerstand (2) und der pnpn-Vierschichtdiode (1) verbunden ist (Fig. 10 und 16).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtempfindliches Bauelement (7) parallel zum Widerstand (2) geschaltet ist und eine Lichtkopplungseinrichtung (51) zum Zuführen des von der pnpn-Vierschichtdiode (1) ausgesandten Lichtsignals zu dem lichtempfindlichen Bauelement (7) vorgesehen ist (F i g. 16).

6. Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren pn-Übergänge (Ju /3) der pnpn-Vierschichtdiode (1) in Durchlaßrichtung und der innere pn-übergang (J2) in Sperrichtung vorgespannt werden.

7. Verwendung zweier Schaltungsanordnungen nach Anspruch 2 in einer Flipflopschaltung, bei der eine Lichtkopplungseinrichtung zum Zuführen des von der pnpn-Vierschichtdiode (1) der ersten Schaltungsanordnung ausgesandten Lichtsignals (109) zum lichtempfindlichen Bauelement (7) der zweiten Anordnung und eine Lichtkopplungseinrichtung zum Zuführen des Lichtsignals (110) von der pnpn-Vierschichtdiode (1) der zweiten Schaltungsanordnung zum lichtempfindlichen Bauelement (7) der ersten Schaltungsanordnung vorgesehen ist (F ig. 14).

8. Verwendung der Flipflopschaltung nach Anspruch 7 in jeder von mehreren Stufen (65,66) eines Digital-Analog-Umsetzers, bei dem jede Stufe (65, 66) mit einer Lichtkopplungsiinrichtung (81, 82, 87, 88, 90, 91) zum Zuführen des Ausgangslichtsignals dieser Stufe (65, 66) zu den lichtempfindlichen Bauelementen (7) der jeweils nächsten Stufe und mit einer Sammeleinrichtung (83, 89, 96) zum Sammeln der Lichtausgangssignale von einzelnen Stufen (65, 66) und zu deren Zuführung zu einem photoelektrischen Wandler (101) versehen ist (F i g. 19).

9. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 in jeder von mehreren hintereinander geschalteten Stufen (501 bis 506) eines Schieberegisters, bei dem Lichtkopplungseinrichtungen zum Zuführen des ausgesandten Lichtsignals (481, 521, 522, ...) der pnpn-Vierschichtdiode (1) jeder Stufe zum lichtempfindlichen Bauelement der jeweils nächsten Stufe vorgesehen sind, die Verbindungspunkte zwischen den pnpn-Vierschichtdioden und den Widerständen der ungeradzahligen Stufen (501, 503,...) miteinander verbunden sind, diesen Verbindungspunkten elektrische Verschiebeimpulse zugeführt werden, die Verbindungspunkte zwischen den pnpn-Vierschichtdioden und den Widerständen der geradzahligen Stufen (502, 504, ...) miteinander verbunden sind, und weitere elektrische Verschiebeimpulse, die gegenüber den erstgenannten Verschiebeimpulsen phasenverschoben sind, diesen weiteren Verbindungspunkten zugeführt werden (Fig. 17).

10. Verwendung zweier Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1 oder 4 in einer Flipflopschaltung, bei der ein Widerstand (44) die Verbindungspunkte (4) zwischen den Widerständen (2) und den pnpn-Vierschichtdioden (1) miteinander verbindet (Fig. 15).