DE2159772A1 - Schnelles oder-gatter - Google Patents

Description

• Schnelles Ol)ER-Gatter Die Erfindung befasst sich mit einem schnellen ODER-Gatter mit zwei entkoppelten Eingängen.
• 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 X = pc (p = spezifischer Widerstand, c = Dielektrizitätskonstante) liegt. So ist die Relaxationszeit z.B. für GaAs mit p = 1# cm T = 10 12S. Voraussetzung ist dabei, dass das nL-Produkt der Gunn-Elemente gross gegen den kritischen Wert 5 , 1011 cm-2 ist (z.B. nL = 1013 cm-2, n n = Ladungsträgeranzahl, L = aktive Länge des lalbleiterelementes).
• Wird ein Gunn-Element mit der Betriebsgleichspannung UB unterhalb der kritischen Spannring UK fiir Domänenauslösung, aber oberhalb der Domsinenert1altungsspannung LrE vorgespannt und ein Triggerimpuis dieser Vorspannung UB überlagert, dessen Amplitude grösser als UK - UB ist, dann wird im Gunn-Element beiErreichen der kritischen Spannung UK zum Zeitpunkt t1 einmalig eine Domäne ausgelöst (vgl. Fig. I). Als Folge davon steigt der Strom durch das Gunn-Element zunächst von seinem der Betriebsspannung UB zugehörigen Wert In auf den kritischen Wert IK an und bricht dann innerhalb der Domänenaufbauzeit # 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 Triggerimpuls 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.
• 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 kapazitiv z.B.
• über eine Isolierschicht auf dem Halbleiterkörper ausgebildet sein.
• Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Elementes Pr. An den Kontakten Kathode K und Anode A liegt die Betriebsspannung UB < . Der Zusatzkontakt G ist mit UG gegen Masse negativ vorgespannt. Dadurch wird erreicht, dass aufgrund der Raumladungszone, die sich im Bereich des Uberganges, z.B. Metall-Halbleiter, bildet, eine Stromkanalverengung und folglich eine Vergrösserung des elektrischen Feldes im Bereich des Metall-Halbleiter-Uberganges ausbildet.
• 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 t ein Spannungsimpuls auftritt, der hinter dem Kondensator C am Ausgang A1 abgegriffen werden kann.
• Diese Konfiguration soll in vorliegender Erfindung nun benutzt werden, um eine ODER-Schaltung aufzubauen. Für eine solche Schaltung ist es wichtig, dass eine Entkopplung der Eingänge 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 ODER-Schaltung wisd nul derart aufgebaut, dass die Vorspannung UB und die Gate-Spannung - UG so bemessen werden, dass ein positiver Spannungsimpuls vorgegebener Impulshöhe (ist durch ollmsche Spannungsteilung immer erzielbar) an der Anode A oder ein negativer Spannungsimpuls vorgegebener Impulshöhe am Steuerkontakt G ausreicht, um eine Domäne und damit einen Ausgangsimpuls hervorzurufen.
• In Fig. 3 ist eine ausgeführte Schaltung dargestellt. Der Aufbau kann vorzugsweise mit planaren Gunn-Elementen erfolgen, was eine Integration der gesamten Schaltung begiinstigt.
• In Fig. 3 stellt das Gunn-Element Pr1 den im Zusammenhang mit Fig. 2 besprochenen Grund baustein der ODER-Schaltung dar.
• Die in Fig. 3 und der folgenden Beschreibung gewählten Polaritäten der Gleichvorspannungen UB1, UB2 und UB3 gelten nur beispielhaft, wenn positive Impulse auf die Eingänge E1 und E2 gegeben werden. Die Polarität der Gleichvorspannungen UB1, UB2 und UB3 ist umzukehren bei negativen Eingangsimpulsen.
• Über einen Vorwiderstand RV1 wird das Gunn-Element mit der Spannung UB1 unterkritisch vorgespannt. Der Vorwiderstand RV1 soll einen Kurzschluss des von Eingang E1 über den Kondensator C1 eingekoppelten Impulses über die Gleichspannungsquelle UB1 verhindern. N 1 kann ebenso wie , N 3 und RV4 auch durch eine Induktivität ersetzt werden. Über den Vorwiderstand RV3 wird eine negative Spannung an den Zusatzkontakt (vorzugsweise ein Metall-llalbleiter-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 gegebeher positiver Impuls eine Domäne triggert. Der deraus resultierende Stromimpuls erscheint, da etn Domänenaufbau Iiach Fig. 1 eine Stromabnahme im Aussenkreis hervorruft, als negativer Spannungsimpuls über dem Lastwiderstand RL2. Dieser negative Impuls wird nun über den Kondensator C3 auf den Steuerkontakt G1 des Elementes Pr1 gegeben. Es wird in Pr eine Domäne . damit ein Stromimpuls und über dem Lastwiderstand RL1 ein negativer Spannungsimpuls erzeugt, der über den Kondensator C4 am Ausgangs A1 erscheint. Soll der Ausgangsimpuls die gleiche Polarität wie der Eingangsimpuls haben, so kann, wie ira Fig. 3 gezeigt, der negative Spannungsimpuls noch auf ein über negativ unterkritisch vorgespanntes Gunn-Element Pr3 gegeben werden, das dann am Ausgang A2 einen positiven Spannungsimpuls erzeugt. Wird auf den Eingang E1 ein Triggerimpuls bestimmter Amplitude gegeben, so wird bei geeignet gewählten Vorspannungen üUB1 und -UG ebenfalls eine Domäne ausgelöst. Die Schaltung stellt also eine ODER-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.
• Bei einer Zusammenschaltung soLcher ODER-Gatter zu ODER-Schaltungen mit mehr als zwei Eingängen ergeben sich, wie in Fig. 4 für ein Gatter mit vier Eingängen gezeigt, einfache Zusammenschaltungen. Je ein Vierpol V1, V2 bzw. V3 repräsentiert dari das Ln Fig. 3 gezeigte ODER-Gatter: 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 Koppel@ ndensatoren in Verbindung mit den Widerständen der Gunn-Elemente und den Lastwiderständen auftreten können.

Claims (7)

P a t e n t a n s p 1 ii c h e

1. Schnelles ODER-Gatter mit zwei entkoppelten Eingängen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einen Eingang (E und den korrespondierenden Ausgang (A1) ) ein erstes unterkritisch vorgespanntes Gunn-Element (Pr ) eingefügt ist, das zwischen Kathode und Anode einen zusätzlichen Steuerkontakt (G1) hat, an den eine negative Spannung (-UG) angelegt ist, und dass zwischen dem anderen Eingang (E2) und dem Steuerkontakt (G1) ein weiteres Gunn-Element (Pr2) eingefügt ist, das einen auf diesen Eingang (E2) gegebenen Eingangsimpuls invertiert.

2. Gatter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkontakt (G ) als pn-Ubergang oder als Metall-lilbleiter-Kontakt ausgebildet ist und in Sperrichtung betrieben wird.

3. Gatter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vorspannungsquelle (UBl) und dem am eingangsseitigen Koppelkondensator (C ) liegenden Kontakt des ersten Gunn-Elementes (Pr1) ein Vorwiderstand ( 1) eingefügt ist.

4. Gatter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mit dem eingangsseitigen Koppelkondensa tor (C2) verbundenen Kontakt des weiteren Gunn-Element (Pr2) und der Vorspannungsquelle (UB2) ein Vorwiderstand (RV2) eingefügt ist.

5. Gatter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichvorspannungen (UB1 bzw. -UG) so gewählt sind, dass entweder ein auf die Anode des ersten Gunn-Elementes (Pr oder ein auf die Steuerelektrode (G1) gegebener Impuls eine Domäne im ersten Gunn-Element (Pr ) und damit einen Stromsprung im Aussenkreis dieses Elementes hervorruft.

6. Gatter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ausgangsimpuls die gleiche Polarität aufweist wie die Eingangsimpulse, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes unterjritisch vorgespanntes Gunn-Element (Pr3) zwischen dem einen Ausgang (A1) und einem weiteren Ausgang (A2) 1 2 eingefügt ist.

7. Schaltung mit Gatter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ODER-Gatter ausgangsseitig auf ein diesem gemeinsames weiteres ODER-Gatter geschaltet sind.

L e e r s e i t e