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Halbleiterbauelement Die Erfindung bezieht sich auf ein Haibleiterbaueledient
und insbesondere aut einen JBictirektional- oder Komposit-Thyristor mit einer Mehr'#h1
von Funktionsbereichen, von denen zumindest einer zumindest drei pn-Übergänge aufweist.
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Im allgemeinen umfaßt OlIL Bidirektional-Thyristor mit zwei parallel
als Einheit gebildeten Thyristoren (Vierschicht-Trioden) von entgegengesetzter Richtung
aufeinanderfolgende dünne Schichten alternierenden Leitfähig keitstyps, deren äußerste
Schichten in die daran angrensenden Zwischenschichten eingebettet sind unter Freilassung
bestimmter Oberflächenbereiche der Zwischenschichten.
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Bei einem solchen Element werden die äußersten Schichten üblicherweise
so in die angrenzenden Schichten eingebettet, daß sich ihre Projektionen normal
zur Schichtungsrichtung nicht überlappen, dabei aber eine möglichst weite Flächenausdehnung
für eine maximale Erhöhung des Stromflusses besitzen. Wenn sich nun jedoch die Projektionen
der äußersten Schichten in Schichtungsrichtung einander nähern, beeinflus-sen sich
die beiden parallelen aber umgekehrt gerichteten Thyristoren gegenseitig, und die
gewünschten Charakteristiken sind daher schwierig zu erhalten.
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Ziel der Erfindung ist daher ein Halbleiterbauelement, bei dem die
Mängel der bekannten Vorrichtungen nicht auftreten. Ferner soll vorzugsweise ein
schmalerer isolierender Abstand zwischen den Funktionsbereichen vorgesehen werden.
Weiterhin sollen gemäß der Erfindung Inversionsstörungen vermieden werden.
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Das demgemäß entwickelte erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Funk tionsbereichen, von denen zumindest
einer zumindest drei pn-Ubergänge aufweist; eine isolierende Zone mit zumindest
zwei pn-Übergängen zwischen den Funktionsbereichen; und die Lebensdauer der Minoritätsträger
verkürzende tiefe Niveaus bildende (Schwermetall)-Atome zumindest innerhalb der
150 lierenden Zone Nachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen an hand der
angefügten Zeichnungen erläutert Es zeigen sche matischso Fig. 1a und ib Schnitte
durch einen herkömmlichen Bidirektional-Thyristor mit zwei als Einheit gebildeten
parallelen, aber umgekehrt gerichteten Thyristoren bzw, durch einen herkömmlichen
Komposit-Thyristor mit einem Thyristor und einer parallel damit verbundenen, aber
entgegengesetzt gerichteten Diode; Fig. 2a und 2b die Ladungsverteilung in einem
herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Bauelement bei Betrieb; und
Fig.
3a und b Schnitte durch einen Bidirektional-Xlnd einen Komposit-Thyristor gemäß
der Erfindung .
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Zunächst wird zum lesseren Verständnis ein herköi#mlicher Bidirektional-Thyristor
anhand von Fig Ja beschrieben.
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Ein solcher Bidirektional-Thyristor umfaßt einc erste Zwischenschicht
1 eines Leitfähigkeitstyps; zu beiden Seiten unter Bildung von pn-Üsrergängen angrenzende
zweite und dritto Zwischenschichten 2 und 3 des anderen Leitungstyps; sowle eine
erste und eine zweite in die zweite und dritte Zw ischenschicht 2 und 3 unter Bildung
gemeinsames Oberflädion eingebettete aüßere Schichten 7 ,-, ., die mit er ~7~weiten
bzw dritten Zwischenschicht c'11t 2 bv~3~pn-Übergange bilden. Diese äußeren Schichten
sind derart vorgesehen, daß sie sich bei Projektion in SciIi"Jitungsrichtung nicht
überlappen. Der Bidirektional-T11yristor unfaßt weiter eine erste und zweite Hauptelektrode
6 und 7, die mit den freiliegenden Oberflächen der zweiten Zwischenschicht 2 und
der ersten äußeren Schicht 4 bzw. der dritten Zwischenschicht 3 und der zweiten
äußeren Schicht 5 in Ohm'schem Kontakt sind. Ein Hilfsbereich 10 des einen Leitfähigkeitstyps
ist in die zweite Zwischenschicht 2 eingebettet. Steuerelektroden 8 und 9 bilden
mit den Oberflächen der zweiten Zwischenschicht 2 und des Hilfsbereichs 10 einen
Ohm'-schen Kontakt von geringem Widerstand und sind außen elektrisch miteinander
verbunden.
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Zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode wird so ein erster
Thyristorteil A gebildet, der längs der Projektion der ersten äußeren Schicht 4
in Schichtungsrichtung
gebildet ist, und ein zweiter Thyristorteil
B wird durch Projektion der zweiten äußersten Schicht 5 definiert, wobei die beiden
Thyristoren durch eine imaginäre (gestrichelt dargestellte) Linie bzwo Grenze 16
unterteilt werden und in umgekehrt paralleler Beziehung miteinander verbunden sind.
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Bei diesem Bidirektional-Thyristor wird der erste Thy ristorteil
A leitend, wenn an die zweite Hauptelektrode 7 eine gegenüber der ersten Hauptelektrode
6 positive Spannung angelegt und ein positiver Impuls bei der Steuerelekw trode
8 aufgeprägt wird. Ähnlich wird der zweite Thyristorteil E leitend, wenn bei der
ersten Hauptelektrode 6 eine positive Spannung gegenüber der zweiten HaupteXektrode
7 angelegt und ein in bezug auf die an der ersten Hauptelektrode 6 angelegte Spannung
negativer Impuls bei der Steuerelektrode 9 aufgeprägt wird Es wird nun der Fall
betrachtet, daß der Bidirektional-Thyristor einer Zustandsänderung unterworfen wird,
und zwar von einem Zustand, in dem der erste Thyristor leitend ist, zu einem Zustand,
bei dem die erste Elektrode in bezug auf die zweite Hauptelektrode mit einer positiven
Spannung versorgt wird: Solange der erste Thyristor A leitend ist, werden Minoritätsträger
(Löcher und Elektronen) im Überschuß in der ersten-und zweiten Zwischenschicht 1
und 2 gespeichert.
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Derartige Überschußladungen sind nicht allein auf den ersten Thyristorteil
A beschränkt, sondern dehnen sich auch in dem zweiten Thyristorteil B in Nähe der
Grenzschicht 16 aus, wie der Fig. 2a zu entnehmen ist. In den nichtleitenden Teil
des Thyristorteils B nimmt jedoch angrenzend an die Grenzschicht die Ladungsdichte
exponentiell ab.
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Bei Umkehr der Polarität der zwischen erster und zweiter Hauptelektrode
angelegten Spannung können die in der ersten und zweiten Zwischenschicht überschüssig
gespeicherten Ladungsträger zu den Hauptelektroden durch die dritte Zwischenschicht
3 und die erste äußere Schicht 4 abgezogen werden oder sie verschwinden durch Rekombination
Einige der Ladungsträger wirken jedoch in Richtung einer Vorspannung des Emitter-Übergangs
zwischen der äußeren Schicht 5 und der dritten Zwischenschicht 3 in Durchlaßrichtung
im zweiten Thyristorteil in Zusammenwirkung mit einem Anteil von Ladungsträgern,
die im nichtleitenden Thyristorteil B in der Nähe der Grenzschicht 16 überschüssig
vorhanden sind.
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Der Tliyristorteil B kann dabei leitend werden, wenn die Vorspannung
in Durchlaßrichtung stark genug ist. D. h., im Falle, daß der Differentialquotient
der angelegten Spannung oder des Stromes nach der Zeit groß ist, kann Leitung ohne
Aufprägen eines Impulses auf die Steuerelektrode stattfinden, wodurch die DurchlaBspannungs-Sperrcharakteristik
eines Thyristors beeinträchtigt wird.
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Die obengenannten Mängel zeigen sich auch bei einem Komposit-Thyristor,
bei dem ein Thyristor und eine Diode als Einheit in umgekehrt paralleler Relation
gebildet sind.
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Im allgemeinen umfaßt ein Chopperkreis für die Steuerung bzw, Kontrolle
der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges, wie ein Repulsivtyp-Chopperkreìs, einen Thyristor
und eine Diode, die parallel und umgekehrt gerichtet miteinander verbunden sind,
wobei die Diode den Entladungsstrom eines Kondensators am DurchfluB durch einen
Lastkreis nach Abschaltung des Thyristors hindert. Da eine Chopperschaltung Strom
mit hoher Geschwindigkeit chopped bzw. unterbricht oder zerhackt, fließt in dem
Kreis ein hochfrequenter Strom.
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Bei Hochfrequenzanwendungen werden die Betriebscharakteristiken eines
Kreises durch Induktionen aufgrund der Verdrahtung der Schaltelemente untereinander
beelnträch tigt, In einem solchen Chopperkreis wird daher für die Einbringung von
Kapazitäten und die Verkürzung von Verdrahtung bzw. Leitungen usw. gesorgt, so daß
die Induktionswirkungen vermindert oder beseitigt werden. Durch Zusammenfassung
eines Thyristors und einer Diode einheitlich in einem gemeinsamen Siliciumsubstrat
kann die Verdrahtung der umgekehrt parallelen Verbindung entsprechend entfallen
unter Ausschaltung der obengenannten Mängel und gleichzeitiger Verkleinerung des
Chopperkreises.
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Ein solcher Komposit-Tslyristor wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf Fig. 1b beschrieben, in der ein Thyristorteil 11 eine n-Typ-Emitterschicht NE,
eine p-Typ-Basisschicht PB, eine n-Typ-Basisschicht NB und eine p-Typ-Emitterschicht
PE umfaßt und eine Diode 12 die p-Typ- und n-Typschichten P13 und NB die in umgekehrt
paralleler Verbindung mit dem Thyristor gebildet sind. Eine erste und eine zweite
Hauptelektrode 13 und 14 bilden eine Ohm'schen Kontakt von geringem Widerstand mit
den freiliegenden Oberflächen der Paare von NE und P3-Schichten bzw. PE und NB -Schechten,und
eine Steuerelektrode 15 ist auf der Oberfläche der PB-Schicht im Thyristorteil 11
gebildet.
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Bei einem solchen Komposit-Thyristor wird als Beispiel der Fall betrachtet,
daß die zwischen den Elektroden 13 und 14 angelegte Spannung von einem Zustand,
in dem die Diode 12 leitend ist, zu einem Zustand, in dem der Thyristorteil 11 in
Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wechselt.
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Bei dem p-Typ- und n-Typschichten PB und NB der Diode 12 und auch
bei den PB- und NB-Schichten des Thyristorteils 11
in der Nähe der
Grenzschicht zwischen Thyristorteil 11 und Diode 12 werden Elektronen und Löcher
im Überschuß gespeichert, wenn die Diode leitend ist. Wenn die Spannung zwischen
den Hauptelektroden umgepolt wird, werden die Überscliußladungsträger im Diodenbereich
meist durch die Hauptelektroden abgezogen, aber ein Teil von ihnen wirkt zusammen
mit den im Thyristorteil 11 in Nachbarschaft zur gestrichelten Linie 16a lokalisierten
Ladungsträgern in Richtung auf eine Vorwärts-Vorspannung der Grenzschicht zwischen
den PB- und NE -Schichten. Wenn also die zeitliche Ableitung der Spannung, dV/dt,
groß und die Vorwärts-Vorspannung hoch ist, kann der Thyristor ohne Auftreten eines
Spannungsimpulses an der Steuerelektrode 15 unter Aufgabe des Betriebs als Chopper-Schaltelement
angeschaltet werden.
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Nachfolgend werden nun Ausführungsformen gemäß der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Fig. 3a und 3b beschrieben, in denen ein Bidirektional- und ein
Komposit-Thyristor gezeigt werden.
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Der in Fig. 3a gezeigte Bidirektional-Thyristor umfaßt eine erste
Zwischenschicht 21 von einem Leitfähigkeitstyp, eine zweite und eine dritte Zwischenschicht
22 und 23 des anderen Leitungstyps beidseits der ersten Zwischenschicht 21 und eine
erste und eine zweite äußere Schicht 24 und 25, die in die zweite bzw. dritte Zwischenschicht
unter Bildung einer gemeinsamen freiliegenden Oberfläche eingebettet und vom, ersten
Leitfähigkeitstyp sind. Diese äußeren Schichten sind so angeordnet, daß ihre Projektionen
auf eine Ebene normal zur Schichtungsrichtung voneinander durch einen bestimmten
Abstand getrennt sind, der zumindest gleich der Diffusionslänge W der Träger ist.
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Eine erste und eine zweite Hauptelektrode 26 und 27 sind mit den
freiliegenden Oberflächen der zweiten Zwischen schicht- und ersten äußeren Schicht
(22 und 24) bzw. der dritten Zwischenschicht und der zweiten äußeren Schicht (23
und 25) in Ohmsches Kontakt mit geringem Widerstand.
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Ein Hilfsbereich 30 des einen Leitfähigkeitstyps ist in die zweite
Zwischenschicht 22 eingebettet. Steuerelektroden 28 und 29 sind mit Ohmtschem Kontakt
an den Oberflächen der zweiten- Zwischenschicht 22 und des Hilfsbereichs 30 vorgesehen
und durch einen äußeren Leiter elektrisch miteinander verbunden.
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Auf diese Weise wird ein Bidirektional-Thyristor gebildet, der zwischen
der ersten und der zweiten Hauptelektrode einen ersten Thyristorteil 31 umfaßt,
der durch die-Projektion der ersten äußeren Schicht 24 in Schichtungsrichtung definiert
ist sowie einen zweiten Thyristorteil 32, der durch die Projektion der zweiten äußeren
Schicht 25 in Schichtungsrichtung definiert ist und eine isolierende Zone 33 (mit
zwei Übergängen) zwischen den beiden Thyristorteilen, wobei die beiden Thyristoren
als Einheit in umgekehrt paralleler Relation miteinander verbunden sind.
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In die isolierende Zone 33 sind zur Verkürzung der Diffusionslänge
der Träger in dieser Zone unter diejenige in den Thyristorteilen tiefe Niveaus bildende
Atome eingebaut, die als Rekombinationszentren für die Träger wirken, wie Gold,
Kupfer, Indium Mangan, Nickel, Zink usw.
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Bei einem -Bidirekti-onal-Thyristor mit einem solchen Aufbau werden
- wenn ein Thyristorteil leitend. gehalten wird - in den Basis schichten überschüssig
gespeicherte Träger meist einer Rekombination in der isolierenden Zone 33
unterworfen
und verschwinden, wie der Fig. 2b zu entnehmen ist, da die isolierende Zone eine
Breite hat, die zumindest gleich der Diffusionslänge der Träger ist, die somit keinen
Einfluß auf den anderen Thyristorteil haben können. Auf diese Weise wird die herkömmliche
Schwierigkeit vermieden, daß der andere Thyristor in einen leitenden Zustand versetzt
werden kann, bevor ein Spannungsimpuls an die Steuerelektrode angelegt ist.
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Weiter kann die Breite der isolierenden Zone 33 unter die Diffusionslänge
im Thyristorteil herabgesetzt werden, wenn in die isolierende Zone Atome eingebaut
werden, die ein tiefes Niveau bilden. Wenn man beispielsweise Goldatome in einer
Konzentration von 1013 bis 1015 Atomen pro cm3 eindiffundiert, so wird die Diffusionslänge
auf unter 1/10 derjenigen ohne eindiffundiertes Gold herabgesetzt, was eine Verminderung
der Breite der isolierenden Zone auf etwa 1/10 derjenigen ohne eindiffundiertes
Gold ermöglicht.
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Weiterhin existieren einige Fälle, bei denen entsprechend der Anwendung
und Art der Elemente keine scharfen Anforderungen an Einschaltcharakteristiken,
Durchlaßspannungsabfall usw. gestellt werden. In solchen Fällen können tiefe Niveaus
bildende Atome nicht nur in die isolierende Zone 33, sondern auch in die beiden
Thyristorteile 31 und 32 eingebracht werden. Auch diese Ausführung fällt in den
Rahmen der Erfindung.
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Nachfolgend wird ein Komposit-Thyristor gemäß der Erfindung unter
Bezugnahme auf Fig. 3b beschrieben, in der ein Thyristorteil 41 eine n-Typ-Emitter-,
eine p-Typ-Basis-, eine n-Typ-Basis- und eine p-Typ-Emitter-Schicht NE, PB,
NB
und PE umfaßt und ein Diodenteil 42 die PB- B-und NB-Schichten, die den Basisschichten
des Thyristorteils 41 entsprechen, wobei die Diode einheitlich mit dem Thyristor
in umgekehrt paralleler Relation gebildet ist und zwischen dem Thyristorteil und
dem Diodenteil (41 und 42) eine isolierende Zone 43 mit zwei Übergängen durch Ausdehnung
der NE- oder PE-Schichten vom Thyristorteil über eine vorbestimmte Länge zum Diodenteil
42 hin vorgesehen ist, wobei die Länge zumindest gleich der Diffusionslänge W der
Träger ist.
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Weiter sind tiefe Niveaus bildende Atome, die als Rekombinationszentren
wirken, wie Gold, Kupfer, Mangan, Nikkel, Zink usw. in die isolierende Zone 43 zur
Herabsetzung der Diffusionslänge der Träger in dieser Zone eingebaut.
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Eine erste und eine zweite Hauptelektrode 44 und 45 bilden einen Ohmschen
Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche der NE- und PB-Schichten bzw. der PE- und
NB-Schichten, und eine Steuerelektrode 46 ist auf der Oberfläche der PB-Schicht
des Thyristorteils 41 vorgesehen.
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Für einen Komposit-Thyristor einer solchen Struktur wird nachfolgend
als Beispiel der Fall beschrieben, daß die zwischen den Hauptelektroden angelegte
Spannung von einem Zustand, in dem der Diodenteil 42 leitend gehalten wird, zu einem
Zustand wechselt, in dem der Thyristorteil 41 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Wenn die Diode leitend gehalten wird, werden Elektronen und Löcher im Diodenteil
42 und in der isolterenden Zone 43 in Nachbarschaft zur Grenzfläche zwischen Diode
und isolierender Zone im Überschuß gespeichert. Wenn die zwischen den Hauptelektroden
angelegte Spannung umgepolt wird, gelangen die zunächst (wenn die
Diode
leitend gehalten wird) in der Nähe der Grenzschicht von Diode und isolierender Zone
überschüssig vorhandenen Ladungsträger zu den Hauptelektroden; da aber die isolierende
Zone 43 eine Breite hat, die zumindest gleich der Diffusionslänge der Elektronen
und Löcher in diesem Bereich ist, unterliegen die überschüssigen Ladungsträger in
dieser isolierenden Zone meist der Rekombination und verschwinden und haben keinen
Einfluß auf den Thyristorteil. Es besteht also keine Gefahr, daß der Thyristorteil
durch Träger vom Diodenteil angeschaltet wird, bevor ein Spannungsimpuls auf die
Steuerelektrode aufgebracht wird.
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Wenn ferner tiefe Niveaus bildende Atome in die isolierende Zone
43 eingebracht werden, kann die Breite der isolierenden Zone 43 unter Erzeugung
eines kompakten Kompo sit-Thyristors geringer gemacht werden.
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Die Fähigkeit zur Herstellung kompakter Bauteile ist besonders interessant
für die Fertigung von Halbleiterbauelementen geringer Kapazität für die Verwendung
in elektrischen Haushaltsgeräten, für die Nachrichtentechnik, für Überwachungs-
und Kontrolleinrichtungen usw. Weiter kann der Ausnutzungsfaktor einer Halbleiterscheibe
durch das Ausmaß erhöht werden, in dem die Breite der isolierenden Zone vermindert
werden kann. Dieser Effekt ist selbstverständlich augenfälliger bei Bauelementen
von geringer Flächenausdehnung und Kapazität.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung bedeutet die Bezeichnung
11Funktionsbereich!' eine Zone bzw. einen Bereich L.,'#t einer Gleichrichtfunktion-,
wie einen Thyristor oder einen Diodenbereich.
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Nachfolgend wird eine konkrete Ausführung des- obengenannten Komposit-Thyristors
beschrieben: Ausgehend von bzw. innerhalb einer Siliciumscheibe wurde ein Komposit-Thyristor
mit einem Thyristorteil 41 mit einer Flache von 1,16 cm2, einem Diodenteil 42 mit
einer Fläche von 0,04 cm und einer isolierenden Zone 43 einer Trennbreite von 0,17
mm erzeugt. Nach Aufdampfen ~von Gold auf die Oberfläche der isolierenden Zone 43
wurde der Gesamtkörper zum Eindiffundieren des Goldes in die isolierende Zone 0,5
Stunden lang in einem Heizofen auf eine Temperatur von 870 °C aufgeheizt.
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Eine Sinuswellen-Spannung von 130 /uS Dauer wurde am Diodenteil 42
angelegt. Der Durchlaß-Peakstrom der Diode betrug dabei 1850 A. Das Ergebnis zeigt,
daß der maximale Differentialquotient der Spannung nach der Zeit, dV/dt, keinem
Inversionsfehler unterlag und 135 V/ms betrug bei einem Differentialquotienten des
Stroms nach der Zeit, di/dt, von 74 A/ms.