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Schnelles UND-Gatter Die Erfindung befasst sich mit einem schnellen
UND-Gatter mit zwei entkoppelten Eingängen.
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Es ist bekannt, dass Gunn-Elemente als schnelle Schalter benutzt werden
können, die interne Schaltzeit liegt dabei in der Grössenordnung der Domänenaufbauzeit,
die wiederum in der Grössenordnung der dielektrischen Relaxationszeit T= Pc(p =
spezifischer Widerstand, c= Dielektrizitätskonstante) liegt. So ist die Relaxationszeit
z.B. für GaAs mit p = 1 Qcm T= 10 12 . Voraussetzung ist dabei, dass das nL-Produkt
der Gunn-Elemente gross gegen den kritischen Wert -2 5 lO1lom ist (z.B. nL = 1013cm
, n = Ladungsträgeranzahl, L = aktive Länge des Ialbleiterelementes).
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Wird ein Gunn-Element mit der Betriebsgleichspanxlung UB
unterhalb
der kritischen Spannung UK für Domänenauslösung, aber oberhalb der Domänenerhaltungsspannung
Uz vorgespannt und ein Triggerimpuls dieser Vorspannung Us überlagert, dessen Amplitude
grösser als UK - UB ist, dann wird ii. Gunn-Element bei Erreichen der kritischen
Spannung Ux zum Zeitpunkt t1 einmalig eine Domäne ausgelöst (vgl. Fig. 1). Als Folge
davon steigt der Strom durch das Gunn-Element zunächst von seinem der Betriebsspannung
UB zugehörigen Wert IB auf den kritischen Wert 1K an und bricht dann innerhalb der
Do--änenaufbauzeitT auf den Talwert IT zusammen. Auf diesem Wert bleibt der Strom
für die Dauer der Durchlaufzeit der Domäne durch das Gunn-Element-Volumen zwischen
den ohmschen Kontakten und steigt dann innerhalb der Domänenabbauzeit (etwa gleich
der Domänenaufbauzeit) wieder an. Ist der Triggerinpuls kürzer als die Domänendurchlaufzeit,
so ist nach Ankunft der Domäne an der Anode die Spannung kleiner als UK, so dass
keine neue Domäne ausgelöst und folglich kein neuer Stromimpuls erzeugt wird. Die
beschriebenen zeitlichen Zusammenhänge sind in der Fig. 1 schematisch dargestellt.
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Es ist weiter bekannt, dass diese Triggerung über einen Zusatzkontakt
erzielt werden kann, der vorzugsweise in der Nähe des Erzeugungszentrums der Domäne,
u.a. also in der Nähe der Kathode, angebracht wird. Dieser Zusatzkontakt kann ohmisch
oder in Form eines pn-Überganges oder eines Metall-Halbleiter-Kontaktes (Schottky-Diode)
oder kapazit v über eine Isolierschicht auf dem lalblesterkörper ausgebi^
det
sein.
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Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Elementes Pr.
An den Kontakten Kathode K und Anode A liegt die Betriebsspannung Uß < UK Der
Zusatzkontakt G ist mit UQ gegen Masse negativ vorgespannt. Dadurch wird erreicht,
dass aufgrund der Raumladungszone, die sich im Bereich des Überganges, z.B. Metall-Halbleiter,
bildet, eine Stromkanalverengung und folglich eine Vergrösserung des elektrischen
Feldes im Bereich des Metall-Halbleiter-Überganges ausbildet.
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Werden nun UB und UG so gewählt, dass beide Spannungen zur Auslösung
einer Domäne nicht ausreichen, so kann durch einen negativen Spannungsimpuls auf
den Kontakt G, der sich der Vorspannung UG überlagert, das Feld soweit angehoben
werden, dass eine Domäne ausgelöst, folglich ein Stromimpuls und damit am Lastwiderstand
s ein Spannungsimpuls auftritt, der hinter dem Kondensator C am Ausgang A1 abgegriffen
werden kann.
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Diese Konfiguration soll in vorliegender Erfindung nun benutzt werden,
um eine UND-Schaltung aufzubauen. Für eine UND-Schaltung ist es wichtig, dass eine
Entkopplung der Eingänge der UND-Schaltung möglich ist. Da der Zusatzkontakt G in
Fig. 2 als gesperrter pn-Übergang, als gesperrter Metall-Halbleiter-Kontakt oder
als kapazitiver Kontakt betrieben wird, liegt ein sehr hoher Eingangswiderstand
der Schaltung vor
Die UND-Schaltung wird nun derart aufgebaut, dass
die Vorspannung UB und die Gate-Spannung -UG so bemessen werden, dass allein ein
positiver Spannungsimpuls vorgegebener Impulshöhe (ist durch ohmsche Spannungsteilung
immer erzielbar) an der Anode A oder allein ein negativer Spannungsimpuls vorgegebener
Impulshöhe am Steuerkontakt G nicht ausreichen, um eine Domäne und damit einen Ausgangsimpuls
hervorzurufen. Nur das gleichzeitige Aufgeben eines positiven Spannungsimpulses
auf die Anode und eines negativen Spannungsimpulses auf den Steuerkontakt rufen
eine Domäne und damit einen Ausgangsimpuls hervor.
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In Fig. 3 ist eine ausgeführte Schaltung dargestellt. Erfindungsgemass
wird nun vorgeschlagen, eine Schaltung nach Fig. 3 zur Herstellung einer UND-Schaltung
mit entkoppelten Eingängen zu verwenden. Der Aufbau kann vorzugsweise mit planaren
Gunn-Elementen erfolgen, was eine Integration der gesamten Schaltung begünstigt.
In Fig. 3 stellt das Gunn-Element Pr1 den im Zusammenhang mit Fig. 2 besprochenen
Grundbaustein der UND-Schaltung dar. Die in Fig. 3 und der folgenden Beschreibung
gewählten Polaritäten der Gleichvorspannungen UBt, UB2 und UB3 gelten nur beispielhaft,
wenn positive Impulse auf die Eingänge E1 und E2 gegeben werden.
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Die Polarität ist umzukehren bei negativen Eingangsimpulsen.
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Über einen Vorwiderstand Rvi wird das Gunn-Element mit der Spannung
UBl unterkritisch vorgespannt. Der Vorwiderstand * 1 soll einen Kurzschluss des
von Eingang E1 über den Kondensator
C1 eingekoppelten Impulses
über die Gleichspannungsquelle UB1 verhindern. RV kann ebenso wie 2 3 und auch durch
eine Induktivität ersetzt werden. Über den Vorwiderstand N 3 wird eine negative
Spannung an den Zusatzkontakt (vorzugsweise ein Metall-Flalbleiter-Kontakt) gelegt.
Das Gunn-Element Pr2 gilt der Eingangsimpulsinvertierung. Es wird mit einer Vorspannung
UB2 derart unterkritisch vorgespannt, dass ein auf den Eingang E2 über den Kondensator
C2 gegebener positiver Impuls eine Domäne triggert. Der daraus resultierende Stromimpuls
erscheint, da e-in Domänenaufbau nach Fig. 1 eine Stromabnahme im Aussenkreis hervorruft,
als negativer Spannungsimpuls über dem Lastwiderstand 2 Dieser negative Impuls wird
nun über den Kondensato,r C3 - gleichzeitig mit dem Spannungsimpuls an E1 - auf
den Steuerkontakt G1 des Elementes Pr1 gegeben. Nur wenn die Impulse an den Eingängen
1-und 2 gleichzeitig kommen, wenn also für eine bestimmte Pulskoinzidenz gesorgt
ist, wird in G1 eine Domäne, damit ein Stromimpuls und über dem Lastwiderstand RLt
ein negativer Spannungsimpuls erzeugt, der über den Kondensator C4 am Ausgang A1
erscheint. Soll der Ausgangsimpuls die gleiche Polarität wie der Eingangsimpuls
haben, so kann, wie in Fig. 3 gezeigt, der negative Spannungsimpuls noch auf ein
über 4 negativ unterkritisch vorgespanntes Gunn-Element Pr3 gegeben werden, das
dann am Ausgang A2 einen positiven Spannungsimpuls erzeugt. Die Schaltung stellt
also eine UND-Schaltung mit invertierten Ausgängen dar. Bei Festlegung einer bestimmten
Potentialhöhe am Ausgang als Zustand "1" kann dann der
jeweils invertierte
Ausgang als Zustand "Null" gewertet werden. Damit ist die Schaltung sowohl für eine
positive als auch für eine negative Impulslogik verwendbar.
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Bei einer Zusammenschaltung solcher UND-Gatter zu UND-Schaltungen
mit mehr als zwei Eingängen ergeben sich, wie in Fig.
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4 für ein Gatter mit vier Eingängen gezeigt, einfache Zusammonschaltungen
Je ein Vierpol V Y2 bzw. V3 repräsentiert darin das in Fig. 3 gezeigte UND-Gatter.
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Die in Fig. 3 gezeigten Kondensatoren können u.U. zusätzliche Verzögerungszeiten
und Amplitudenbegrenzungen der Impulse hervorrufen. Deshalb ist auf eine sorgfältige
Auslegung der Schaltung, insbesondere bezüglich der Zeitkonstanten, zu achten, die
durch die Koppelkondensatoren in Verbindung mit den Widerständen der Gunn-Elemente
und den Lastwiderständen auftreten können.
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Die Pulskoinzidenz ist dadurch beeinflussbar, dass durch die Laufzeit
der Domäne im Element Pr2 die Impulsbreite an s 2 durch die Länge des Elementes
Pr2 vorgegeben werden kann. Dadurch lässt sich dann eine zeitliche Überlappung des
Impulses von Ei und des Impulses an G1 und damit sichere Koinzidenz erzielen.