DE2215467A1 - Elektronische Steuereinrichtung - Google Patents

Description

DR. R. POSCHENRIEDER .

DR. E. BOETTNER .

DIPL-ING. H.-J. MÜLLER 9 ? 1 R A R

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Energy Conversion Devices, Inc.-, 1675 West Maple Road, Troy, Michigan 4-3084 (V.St.A.) ' .

Elektronische Steuereinrichtung

Die Erfindung bezieht—si ctTa Uf elektronische Steuereinrichtungen, insbesondere auf dreipolige Steuereinrichtungen, von denen Hauptteile aus amorphem Material hergestellt sind. ■

Έ» 1st bekannt, daß elektronische Steuereinrichtungen, wie Transistoren und Dioden aus kristallinen Halbleitermaterialien, wie Germanium, Silicium und Galliumareenit, hergestellt werden können. Bs wird im allgemeinen angenommen, daß die Fähigkeit dieser Materialien, einen elektrischen Strom zu leiten, eine Funktion der Zahl freier Elektronen in ihren Atomfltrukturen ist. Halbleitermaterialien haben daher mehr freie Elektronen in ihren Atomstrukturen ale Isolatoren, wie Glas und andere amorphe Materialien. Halbleiter haben weniger freie Ladungeträger als Leiter wie Silber, Kupfer, Gold und andere Metalle.

Um eine elektronische Steuereinrichtung herzustellen,

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ORIGINAL INSfEGTSD

wird das kristalline Halbleitermaterial mit Verunreinigungen dotiert, bzw. angereichert oder legiert, die sich nicht ■vollständig mit der Halbleiter-Gitterstruktur verbinden. "Doping" bzw. Anreichern vergrößert daher die Gesamtheit der freien Ladungsträger im Material durch Produzieren mehr freier Elektronen oder, alternativ, verstreuter Mängel von Valenz-Elektronen, die normalerweise "Tocher" genannt werden. Darüber hinaus wird freie Löcher aufweisendes Material mit einem Material verbunden, das freie Elektronen enthält, um eine pn-Verbindüng (junction) au bilden, über die der "Slekfcronenfluß gesteuert worden kann. Eine dreipolige Steueranordnung, die aus kristallinem Halbleitermaterial herge3tolTt ist, erfordert mindestens zwei aölober Verbindungen.

Es wurde auBerdem experimentell festgestellt, daß die Leitfähigkeit einos nicht-kristallinen amorphen Materials durob Richten eines Elektronfe.trahls gegen einen Körper aus ·βΙ-chorn Material vergrößert werden kann, während an den IBrper ein Potential angelegt 1st. Diese Annäherung zur Leitfählfkeitaoteuerung erfordert im allgemeinen eine evakuierte Umgebung für den amorphen Körper und eine separate Elektronen quelle. Ferner erfordert die Emission von Elektronen von der Quelle in den evakuierten Raum zwischen der Quelle und dem Körper relativ große Energiemengen»

Es wurde auch schon gezeigt, daß StromflaS durch eine amorphe Halbleitereinrichtung duroh eine Steuerelektrode gesteuert werden kann, die in engem Kontakt mit der amorphen Einrichtung eteht (US-PS 3 336 486, DL-PS 71 585, P 15 39 739.9-33). Die dort beschriebenen Einrichtungen

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operieren auf den Prinzip eines gesteuerten Stromflussefl durch die Einrichtung und die Steuerelektrode befindet sich daher elektrisch im Stromkreis mit dem Hauptstrompfad durch die Einrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine elektronische. Steuereinrichtung folgendes auf: " ~~

1» ein amorphes anstelle von kristallinem Halbleitermaterial in einem Körper, der einen Hauptstrompfad bildet und dadurch das Bedürfnis für pn-yörbtndungB-paare ins Körper vermeidet.

2. Die Steuermittel sind in engen Kontakt mit dem Halbleiterkörper gebracht und vermelden dadurch den Bödarf an üqt getrennten Elektronenquelle und dem Evakuieren nach den bekannten Einrichtungen und

3. die FodülatiOK des Hauptpfad-Stro:r;flusses wird durch ' LadungstrEgerinjoktion bewerkstelligt, wodurch die Steuermittel elektrisch vom Hauptstrompfad getrennt sind.

Allgemein weist die Steuereinrichtung nach der Erfindung einen Körper aus amorphem Halbleitermaterial auf, der einen primären bzw. Ilaupt-Strompfad bildet und/Jteuermittel in

engem Kon ta !et mit äeii Körper, jedoch elektrisch vom Haupt-Ist
stroispfad getrenny. uni energetische oder "Heise"-Elektronen unter verhältnismäßig geringen Kraft- bzw. Leistungsbedingungen gesteuert in den Körper zu injizieren, damit die Leitfähigkeit des Körpers durch den Hauptstrompföd' gesteuert wird. Demgemäß wird eine drei- oder mehrpolige

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Steuereinrichtung geschaffen, die in dor Lage ist, einfach und schnell viele Steuerf unkt ionen durchzuführen, wie im folgenden noch beschrieben wird.

Der amorphe Halbleiterkörper nach der vorliegenden Erfindung kann aua verschiedenen Materialien hergestellt werden, die viele, wenn nicht alle derjenigen einschließt, die bereits aus der US-PS 3 271 591 bzw. TiL-VS 76 74-4 bekannt, bzw. in der P 14 64 574.0-33 beschrieben sind. Diese Materialien weisen sogenannte* "Sohwellenwertmaterialien" auf, d.h. solche, bei denen ein rascher Wechsel der Leitfähigkeit bei einem speziellen Wert der angelegten Spmnung, des angelegten Feldes, der angelegten Temperatur, des angelegten Strahlungsniveaus oder derrjl. auftritt. Solche Materialien weisen Zusammensetzungen au-3

a) 25 Atomprozent Arsen und 75/j einer Mischung aus 90$ Tellur und 10$ Germanium

b) 40^ Tellur, 35$ Arsen, 18 ?' Silicium, 6,75^ Germanium und 0,25$ Indium und

c) 28$ Tellur, 34,5$ Araen, 15_r5# Germanium und 22<fo Schwefel

auf. Der Körper kann auch aus "Gedäohtnlsmaterlal" bew. Speiche materialien hergestellt werden, dji. aua solchen, die eine rapide Änderung der Leitfähigkeit an einigen relativ gut definierten Schwellen - wie oben beschrieben erleiden und bei denen der Übergang von einem inneren Übergang aus dem amorphen Zustand in den stärker geordneten inneren Zustand begleitet wird; der letztgenannte Zustand bleibt nach der Wegnahme der beeinflussenden

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Größe bzw. Menge bestehen. Solche Speichermatertalten können reversibel durch einen Stromimpuls in den Originalzustand geschaltet werden, wie genauer in der US-PS 3 271 591 beschrieben ist. Die Schwellwertmaterialeinrichtungen erfordern einen "Haltestrom" eines gewissen Minimalwertes, nach dem der Übergang in den Zustand guter Leitfähigkeit stattgefunden hat, um in diesem Zustand zu verbleiben, wogegen dies die Speichermaterialeinrichtungen nicht tun. Beispiele für Speichermaterialzusammensetzungen sind

a) 15 Atomprozent Germanium, 81?$ Tellur, 2$ Antimon und 2% Schwefel und

b) 83^ Tellur und 17# Germanium.

Während die oben genannten Schwellenwert- und Speichermaterialien nützliche Betriebseigenschaften aufweisen, wenn sie derart betrieben werden, daß deren einzigartige Eigenschaften ausgenutzt werden, sei klargestellt, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung solcher Materialien beschränkt ist. Zusammensetzungen, die weder Schwelienwertnooh Speichereigenschaften aufweisen, können vorteilhafterweise verwendet werden. Beispiele solcher Materialien sind ArsentrlsulfId and Arsentrlselenid. Darüber hinaus können Materialien, die die Schwellenwert- oder Speicherβigen- »haften aufweisen, nichtsdestoweniger Innerhalb Bereichen betrieben werden, die jene Eigenschaften nicht zur Wirkung bringen.

Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird eine Mehrschichteneinrichtung hergestellt, die einen dünnen

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Film aus amorphem Material aufweist, der zwischen erste und zweite Elektrodenschichten sandwichartig eingefügt iat, um einen Hauptstrompfad durch das amorphe Material zu bilden. Die Mehrschichtenetruktur weist außerdem einen Elektroneninjektionsmechanismus, wio ο ine Kaltkathodendiode oder eine umgekehrt vorgespannte pn-Verbindung (junction) auf, die durch eine der Ilaupteloktroden mit dem amorphen Material in Verbindung (interfaced) gebracht ist, so daß die Elektronen-injizieronde Diode vollständig außerhalb des Hauptstrompfads durch das amorphe Material liegt. Die Kaltkathodendiode kann beispielsweise benachbarte dünno Schichten aus einem LIetall oder einem Isolator aufweisen. Der Isolator befindet sich zwischen der Hauptelektrode, dio die Diode mit dem amorphen Material verbindet und dem metallischen Elektronenquellenmaterial. Auf dom metallischen TSlektronenquellenmaterial iat oin Kontakt angeordnet, um den Anschluß an eine Spannungsquelle zu erleichtern, \7enn ein elektronenbeschleunigendes Feld an die Diode anzulegen ist. Auf diese Weise werden Elektronen veranlaßt, aus dem metallischen Quellenmaterial beschleunigt zu werden und das Isolatormaterial zu durchqueren und durch die Hauptelektrode in das amorphe Material einzutreten, indem sie eine zeitlang in einem energetischen oder "heißen" Zustand existieren. Obwohl der Nutzen der Erfindung eich nicht auf die Genauigkeit dieser Theorie stützt, wird angenommen, daß die in das amorphe Material injizierten energetischen Elektronen eine Zunahme des Ladüngstragerstroms bewirken und dadurch die Massenleitfähigkeit des amorphen Materials modulieren bzw. ändern. Außerdem können die injizierten Ladungsträger auch solche Umbildungen in polymeren Systemen organischer oder anor-

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ganischer Materialien bewirken, wie Mng*Ketten-Umw©BÜlungen, Umwandlungen von Langlcetten zu Kurzketten, Donator(Donor)-Akzeptorpaarungen, Polymerisation oder Kettenbefestigung, KettenpaciTungsn, elastomere Flußänderungen, die mit Hitzeeffekteingaben, Faltungen, Kristallisation und anderen anordnungsmäßigen und winkelmäßigen Änderungen^ axe afidurch die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen.

Wie in dem oben erwähnten US-PS 3 271 591 und im US-PS 3 461 296 bzw. in der Γ 14 33 834.7-32 angegeben 1st, weisen für die vorliegende Erfindung verwendbare Materialien eine Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern, Strahlung verschiedener Wellenlängen, Temperatur tind angelegter Spannung auf. Die Einrichtungen, die im folgenden als bevorzugte Ausbildungen der Erfindung beschrieben werden, können daher auf eine Fülle von Wegen und eine Vielzahl von Anwendungen betrieben werden, um auf eine, zwei oder mehrere verschiedene Energie- oder Nachrichtenquellen anzusprechen und dadurch logische Einrichtungen und andere Einrichtungen zum Erwidern auf Mehrfacheinflüsse verschiedener Charaktere zu bilden.

Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung noch verständlicßj die illustrative Ausbildungen der Erfindung beschreibt unä auf die Zeichnung Bezug nimmt. Darin zeigen:

Teil-Fig. 1 einen/Schnitt einer Steuereinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Kollektorstroms in Abhängigkeit von der Kollektorspannung der Elnrlohtong von Fig. 1 mit einer auf O bezogenen Spannung;

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BAD

Pig. 3 ein schematisches Stromkreisdiaßramm eines Verßtärkerkreises, der die Einrichtung von Flg. 1 verwendet;

Fig. 4 eine Kurvo der Verstärkungseigensehaften des Stromkreises von Fig. 3;

Fig. 5 einen Teilschnitt einor Steuereinrichtung, dia eine strukturelle Modifikation in Bezug zur Einrichtung von Fig. 1 verkörpert;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht oines repräsentativen Teils eines zweidimensional^ Feldes der Steuereinrichtungen;

Fig. 7 ein schematieches Diagramm eines bl4lrt1ctl0naltn Steuersystems nach der Erfindung;

Flg. 8 ein schematlaches Diagramm eines impuleabhängigen Steuersystems nach der Erfindung und

PIg. 9 eine Kurve_f die die Abhängigkeit der Erfindung von Impulse ingängen eeigt.

In Fig. 1 1st eine elektronische Mehrschichtensteuereinrichtung 1Q dargestellt, die einen Film 12 aus normalerweise amorphem isolinrenden Material aufweist, das eine Leitfählgkeits-Schwellwert-Charakterlstlk besltet,- wie noch Im folgenden beschrieben wird - der zwischen die niedergeschlagenen Elektroden 14 und 16 eingefügt 1st. Dia Elektroden 14 und 16 sind im wesentlichen parallel «u·Inander und schließen zwischen sich Im wesentlichen

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die Gesamtmasse des amorphen Films 12 ein. Obwohl Aluminium ein bevorzugtes Material sein kann, aue dem die Elektroden 14 und 16 hergestellt werden können, sind auch andere Materialien, die eine gute leitfähigkeit und eine relativ große mittlere freie Weglänge gegenüber heißen Elektronen aufweisen, wie Molybdän, ebenfalls verwendbar; die Forderung großer mittlerer freier Weglänge bezieht sich nur auf die Elektrode 1.6. Die Dicke der Elektrode 16 beträgt etwa 75 bis. 200 fi (Angström)_T wogegen die Dicke des amorphen Films 12 sich in der Größenordnung vom Hundertfachen dieser Abmessung befinden kann.

Die Elektroden 14 und 16 bilden einen Hauptstrompfad durch den normalerweise amorphen isolierenden Film 12; dieser Pfad -kann zwischen einem Zustand hohen Widerstände und einem Zustand hoher leitfähigkeit umgeschaltet werden, wie ausführlicher im US-PS 3 271 591 beschrieben ist. An der Elektrode 14 ist ein Anschluß 18 befestigt, der zum Zwecke der Veranschaulichung des Betriebs der Einrichtung 10 an eine positive Spannungsquelle angeschlossen 1st und als Kollektor der Einrichtung 10 bezeichnet wird. Die Elektrode 16 1st derart hergestellt, daß sie sich seitlich bis über die Grenzen des Films 12 erstreckt, um die Verbindung mit einem Ansokluö 20 zu ermöglichen, der im folgenden als "Emitter* be«elohnet wird. Dieser Anschluß 20 und die Elektrode 16 elnd

daher an einen Punkt 22 eines BezugspotentlaIe angeschlossen, so daß der normale Stromfluö durch den Film 1t von der Kollektorelektrode zur Emitterelektrode verläuft.

Die Einrichtung 10 weist ferner eine Einrichtung amn

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Injizieren energetischer Elektronen in den amorphen PiIm 12 auf. In Fig. 1 ist diese elektronen injizieren de Einrichtung in der Form einer Kaltkathodehdiode ausgebildet, die einen Film 24 aue Aluminium aufweist, der auf einer isolierenden Unterlage 26 niedergeschlagen ist. Zwischen dem Aluminiumfilm 24 und der-Hauptelektrode 16 befindet sicheln dtinner Film 28 aus isolierendem Material, wie Alurainiumoxyd. Der Alutniniumfilm 24 ist mit Hilfe eines Anschlusses 30 an eine negative" Spannungequelle angeschlossen und wird im folgenden als Basisoder Steuerelektrode der Einrichtung 10 bezeichnet. Der Ausdruck "Film" ist im übrigen auch im Sinne von "Schicht·¹ zu verstehen.

Bei Anschluß dea Kollektors 14, Emitters 16 und der Basis 24 der Einrichtung 10 an die in Fig. 1 gezeigten Potentiale wird an die Kaltkathodendiode, die den Aluminlwefilm 24 und den Isolierfilm 28 aufweist, ein Feld angelegt, um die Beschleunigung von Elektronen aus dem Aluminiumfilm

24 zu bewirken, der als Elektronenquellenmateriai in Richtung zur Emitterelektrode 16 wirkt. Da die isolierende Schicht 28 dünn ist und sich in der Größenordnung von 75 bia 200? befindet, durchquert ein gewisser Prosentanteil der energetischen Elektronen, die von der Aluminiumschicht 24 emittiert sind, die Isolierende SohLcht 28 und tritt durch die dUnne Elektrode 16 hinduroh In den Film 12 aus amorphem Material ein. Die Elektronen, die In den amorphen Film 12 eintreten, sind "heiße" Elektronen; daa bedeutet, daß sie in einem energetischen Zustand vorhanden sind, der sich außerhalb des Energieglelchgewlchfce mit der Balance bzw. dem Gleichgewicht, dem Abgleich oder der

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Kompensation des amorphen Films 12 befindet. Die Injektion dieser energetischen Elektronen in den amorphen Film 12 vergrößert die Gesamtheit der Ladungsträger bedeutend und führt zu einer markanten Vergrößerung der Leitfähigkeit des amorphen Filme 12 zwischen den Hauptelektroden 14 und 16. Dieser Effekt, klingt ab, wenn das negative Baeispotential abgeBChaltot.vwird; die Geschwindigkeit dee. Abklingens ist temperaturabhängig. Im" .Rahmen der hier gegebenen Erläuterung kann die. Einrichtung KD von Fig. 1 eine ANALOG-Einrichtung, eine Schwellenwerteinrichtung, eine Speichereinrichtung oder eine Einrichtung sein, die eine Korabination solcher Charakteristika aufweist, und zwar abhängig von der Materialauswahl fUr den Film 12.

Fig.2zeigt die typische Strom-Spannungswellenform der Einrichtung 10 von Fig. 1, bei der der amorphe Film 12 aus einem Schwellenwertmaterial, wie oben beschrieben, hergestellt 1st. Zu FIg.2 sei bemerkt, daß bei Anlegen eines Potentials an bzw. über (ien/irrLm 12 sich der Strom längs der Kurve 52 vergrößert, bis eine Schwellenspaimung überschritten 1st; zu dieser Zelt findet das. Umschalten statt, und danach nimmt der Strom längs der Linie 34 zu. Die Kurve von Fig. 2 zeigt die bidirektionale oder symmetrische Beschaffenheit der typischen Strom-Spannungs-Beziehung des amorphen Ulms 12 mit einer O-Basisvorspannung. Der auf der Ordinate von. Fig. 2 dargestellte Strom ist natürlloh der Hauptstrom, das ist der Strom zwischen den Elektroden 14 und 16 der Einrichtung 10. Wenn die Einrichtung 10 von Flg. 1 als dreipolige Einrichtung duroh An sohl It fen der Steuer- oder Basiselektrode 24 an eine negative Spannungsquelle betrieben wird, um dadurch helfl· Elektronen in das amorphe Material 12 zu injizieren, wird die Strom-

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Spannungsoharakterlstik von Fig. 2 asymmetrisch, d.h.. abhängig von der OrSAe der Basievorspannung; der Sohwelltnwert- oder ZusammenbruohBpunkt zwischen den Kurrentβilen 32 und 34 tritt bei einem in einer Richtung geringeren Wert der Kollektorspannung ala in der anderen auf. Sie Basisvorspannung neigt auch dazu, die Vor-Schwellenwert-Io-Vc-Charakterlstik, die in Flg. 2 gezeigt ist, bu ändern. Wenn die Vorspannung stärker negativ gemacht wird, nimmt der Kollektorstrom infolge der zunehmenden Injektion von energetischen Elektronen zu. Der Strom Io für eine positive Spannung Vo nimmt daher zu, und die SchaItschwelle für ftositive Spannung Vo nimmt ab, wohingegen die Größe von Ic aich vermindert und der Schwellenpegel (Spannung) für negative Spannung Vc zunimmt. Im Sohwellenwertmaterial verbleibt der Zustand guter Leitfähigkeit durch ein« Haltestrom, d.h. ein Ic, das ausreicht, um einen Übergang in dan Zustand geringer Leitfähigkeit zu verhindern. Der Elektroneninjektionsprossese neigt dazu, den Ic-Pegel zu vermindern» der erforderlich ist, um den Halteeffekt für positive Kolektorspannungen herzustellen. Umgekehrt vergrößert die Elektroneninjektion die Haltestrorabedingung far negative Kollektoripannengen. Eine positive Spannung V^ in j liiert keine Elektronen und 1st elektronisch äquivalent dem Wert V_B ■ O. ·

Bei der Herstellung der Einrichtung 10 von Flg. 1 ward· gefunden, daß es vorteilhaft tat, Ladungsträger sperren oder, genauer, Sperrkontakteffakta iwlaohtn den amorphen Film 12 und die benachbarten Elektroden 14 -and 16 einzufahren. DIt "Barriere" ewiaohen der Elektrode und dam Film 12 wirkt ala Sperre fttr EUctroden geringer Energie, die die Elektronen-Film-Verbindung durohqnaran und einen anderen Stromfluß im Film 12 hersteilen ktfontan,

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als der der durch die LadüngeträgerInjection, wie vorher beschrieben, erzeugt wird. Die "Barriere" bzw. Sperre zwischen der Elektrode 14 und dem PlIm 12 hemmt bzw. hindert den Fluß von Löchern an bzw. Über die Elektroden-Fllm-Verbindung, was zu einem Rückstrom (baok-round current) führt, der nicht durch den Injektionsvorgang bewirkt wird.

Wie für solche verständlich ist, die mit Energieniveau-Diagrammen, Austrittsarbeit und dergl. vertraut'sind, verhindern die oben genannten Barrinren bzw. Sperren, Schranken oder Trennlinien den Eintritt von entsprechenden negativen und positiven Ladungsträgern in den PiIm 12 durch Auferlegen eines höheren ISnergienivea übe darf s als jenem, das durch eine rein ohmische Kontaktanordnung verlangt wird. Die Sperren neigen dazu, den effektiven Widerstand des Films 12 zu vergrößern und den Stromfluß-Steuereffokt der Ladungsträgerinjelction von der Quellenmaterialschicht 24- zu steigern.. Die Einführung der Sperre kann den Widerstand des Films 12 beispielsweise von 1Or" Ohm auf 5 χ 10 Ohm ohne Strominjektion und bei* Zimmertemperatur vergrößern.

Die Einführung solcher Sperren kann leicht daroh eine von verschiedenen Methoden realisiert werden einschließlich des lediglich Luftalteme der Elektrode 16 Tor dem VI·- derschlagea des Pil» 12 und entsprechenden Lufteltom* des Films 12 vor dem Niederschlagen der Elektrode H. Die Sperren-Einführung kann alternativ auoh daroh Zugabe von Luft, Wasserdampf, Stickstoff oder anderem 9·« in eine anderweitig evakuiert« Zerstäubungitewmr wtbnrad des Niederschlags der Schichten der Einrichtung 10 bewirkt werden. Genauer gesagt, findet der Eintritt der

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Fremdeübetanζ während der letzten paar Sekunden des Niederechlagene der Elektrode '16 statt, um die Elektronensperre su bilden, und wiederum während der letzten paar Sekunden des fllederechlagens des Films 12, um die Lochersperre zu bilden.

Das echamatische Diagramm von 71g. 3 veranschaulicht die Anschaltung der Einrichtung 10 als Basis vorgespannter Verstärker, der entweder im Steuerbereich oder im Sohaltberelch arbeiten kann; der Steuerbereioh ist der Kurvwlderatands-Teil der Ic-Vc-Charakterietik innerhalb des Schwellenwerts eines Schaltmaterials. Gemäß Flg. 3 ist die Kollektorelektrode 14 der Einrichtung 10 über einen Lastwideretand 36 an eine positive Speisung und die Elektrode 16 an einen Funkt des als Masse 22 gezeigten Bezugspotentiale gelegt. Die Steuerelektrode 24, die auch Basis genannt 1st, let Über eine kleine Wecheelepannungsquelle 38 und eine negativ vorgespannte Basisquelle 40, wie dargestellt, an den Haaseptmkt 22 gelegt. Demgemäß spannt die Glelohepannange-Bielevorepannung minus Yj, die Kaltkathodendiode In edbher Welee vor, daß eine ho chen er ge tische Elektroneninjektion In den amorphen Film 12 etattflndet, jedoch mit einem eoloben

Pegel bzw. auf einem eolohen Mlveau, daft der aaorphe Film 12 in de« duroh die Karre 32 In Fig. 4 veraneohanllear ten Bereich verbleibt. Me alternierende Torepannungaqielle 33 kann dadurch einen Stromveratärkungeeffekt erseogen, dts in Fig. 4 dargestellt let, in der die Baeieepannunge-Amplltudenänderung mit dem. Logarlthnue der lollektoretre·- weIlenform bei einer konstanten Kollektorepannong vergllohen 1st. Bei diesem Betrlebemodue Überschreitet der Schalt-Schwellenwert der Einrichtung 10 den XeIl 42 der dargestellten Kurve/ Winn der Injizierte Strom wirke» ist,

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um den Svhaltschwellenwert auf einen Wert von Yc unter den Im Stromkreis von Pig. 3 realisierten zu vermindern, wird der Betrieb der Einrichtung rasch auf den Teil 44 der in unterbrochenen Linien dargestellten Kurve umgeschaltet, um die plötzliche Zunahme des Kollelctorstroms anzuzeigen. Wie nunmehr ersichtlich ist, können alle Schwellwert- und Speichermaterialien, die unte^ dein Schwellenwert arbeiten, sowie nicht-schaltende Materialien, wie jene oben als Beispiele genannten, verwendet werden, um die durch den Teil 42 der Kurve von Pig. 4 angegebene Charakteristik zu erzeugen.

Pig. 5 zeigt einen alternativen Aufbau der Einrichtung 10», bei der die Hauptelektrode 16' mit einer zentralen Diskontinuität, wie einem Loch oder einem Einschnitt ausgebildet ist, um einen kleinen Bereich des amorphen Pilme 12 zu veranlassen, sich direkt in Nachbarschaft zur Aluminiurnoxyd-Isolierephicht 28 anzuordnen. Im Bereich der Diskontinuität ist die Dichte der injizierten ladungsträger in Gegenwart der dicken Elektrode 16' sehr groß. Dies bewirkt, daß der Schalttibergang von nicht-leitendem zu leitendem Zustand beschleunigt wird. Die Einrichtung 10' von Pig. 5 ist sonst gleich der Einrichtung 10 von Pig. 1 und gleiche Komponenten sind mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen.

Pig. 6 zeigt eine noch weitere illustrative Anwendung der Einrichtung, bei der ein Gitter zweidimensionalen Charakters dadurch gebildet ist, daß die Aluminiumbasts-Bchicht 46 in der Porm eines langgestreckten-Streifenβ sich in X-Richtung hinzieht und sioh die Emitter-Elektrode 48 in Porm eines langgestreckten Streifens

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in Y-Richtung erstreckt. Die Aluminiumoxyd-Schicht §0 ist zwischen die Streifen 46 and 48 an deren inneren Bereich eidgefügt und ein amorpher Film 52 ist unmittelbar oberhalb dee Aluminiumoxydfilms 50 ,jedoch an der Oberseite des Streifens 48 angeordnet. Sine betriebsfähige Einrichtung ist durch Anordnung einer oberen Elektrode 54 vervollständigt, die als Kollektor dient, wie in Pig. 5 angegeben. In Fig. 6 ist eine Vielzahl von Streifen 46 und 43 in Abständen voneinander in zweidimensionaler Anordnung aufgebaut, d.h. daß eine Mehrzahl von Streifen 48 parallel zueinander in einer Ebene und eine Mehrzahl von Streifen 46 parallel zueinander in einer anderen Ebene angeordnet sind. Die betriebsfähige Einrichtung weist zusätzliche Schichten 50» 52 und 54 auf, die an den verschiedenen Zwischenabschnitten der Streifen 46 und 43 angeordnet sind, um ein zweidimensiönales Feld von auswählbaren Einrichtungen zu bilden, von denen jede die oben beschriebenen Schalteigenschaften aufweist. Auf diese Weise kann ein Auswahlverfahren nach dem Koinzidenz*» typus dadurch erzielt werden, daß das negative und das Bezugspotential an die Streifen 46 und 48 in "Halbwahl"-Beträgen angelegt wird, so daß lediglich diejetjig» Einrichtung zum Schalten ausgewählt wird, die am inneren Abschnitt der betreffenden Streifen 46 und 48 amutreffen ist. Andere Anordnungen in zwei- und dreidimensionalen Feldern können natürlich vom Fachmann benutzt werden.

Gemäß Fig. 7 dient der gezeigte Stromkreis ium iyeeetriechen, bidirektionalen Stromsteuern zwischen den Anschlüssen 6Ö und 62, Beim Stromkreis von Fig. 7 sind Steuereinfieht«ü#ee 64 und 66 des in Fig. 1 gezeigten Typei defifi in Oe gen takt

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(back-to-baclc) geschaltet, daß der Stromfluß vom Anaohluß 60 zum Anschluß 62 durch die Einrichtung 64 fließt, während der Stromfluß in entgegengesetzter Richtung durch die Einrichtung 66 fließt. Die Einrichtung 64 wird bezüglich ihrer Leitfähigkeit durch einen Schalter 68 gesteuert, der zwischen der Trägerinjektions-Steuerelektrode 69 und die in Reihe geschaltete negative Spännungsquelle 70 angeschlossen ist. Wenn der Schalter 68 geschlossen ist, erfährt daher die Einrichtung 64 einen Übergang . aus dem Zustand geringer Leitfähigkeit In den Zustand großer Leitfähigkeit. Bei der Einrichtung 66 1st die Trägerinjektiona-Steuerelektrodo 72 entsprechend über den Schalter 76 an eine negative Quelle 74 angeschlossen. Wenn der Schalter 76 geschlossen ist, schaltet die Einrichtung 66 in den Zustand guter Leitfähigkeit am.

''λ Es versteht sich, daß die Schalter 63 und 76 lediglich j

repräsentativ für die verschiedenen,Festkörper-Elektroniken f sind, die zu Steuerzwecken verwendet werden können. So kann f z.B. ein regelbarer aatabiler Multivibrator zur Steueiöög der Schaltzeiten der Einrichtungen 64 und 66 entweder in Phase oder außer Phase mit einer an die Anschlüsse 60 nnä 62 angelegten w_Qcheelstromwellenform sein, um dadurch eine Phasenmodulation ähnlich derjenigen zu erzielen, die üblicherweise bei Benutzung von thyratronartigen Einrichtungen erreicht wird. Darüberhin·us hat eine desartige Regelung die Wirkung der Modulation der Dauer und infolgedessen der Durchschnitte- oder Effektivwert· von an die Anschlüsse 60 und 62 angelegten periodischen Wellenformen. Diese Wirkung kann - falls erwünscht - mit ein©« geeigneten Glättungsfilter bzw. einer geeigneten Siebschaltung vergrößert werden.

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Schließlich können die Schalter 63 und 76 repräsentativ für Fotozellen, Thermistoren und andere zustandeabhängig· Einrichtungen sein, um einen plötzlichen Stromübergang In Abhängigkeit eines Warnsustancto oder einer entsprechenden Größe sein. Bei dieser und anderen Anwendungen können natürlich Gleich- oder Einweg- bzw. unipolare Spannungen benutzt werden, indem nur eine der Einrichtungen 64 oder 66 zur Anwendung gelangt.

In I¹Ig. 8 und 9 wird das Impulseinganga-Ansprechen der Einrichtung 10 von Fig. 1 beschrieben.

Bei der vorhergehenden Erläuterung wurde angenommen, daß die Kollektorspoisespannung, die an die Einrichtung 10 angelegt ist, eher konstant als sich mit der Zelt ändernd _;

ist, daß die Leitfähigkeit der Einrichtung 10 durch den Hauptweg zwischen den Elektroden 14 und 16 durch Ändern der an die Basiselektrode 24 angelegten Spannung verändert wird. Die Pig. 8 und 9 veranschaulichen eine Yariable, die sich durch Anlegen von Kollektorspannüngsimpulsen an die Einrichtung 10 von einer Impulsquelle 78 ergibt, die _;

über den lastwiderstand 77 an die Kollektorelektrode 14 '

angeschlossen ist. Der Betrieb wird veranschaulicht und beschrieben unter verschiedenen BasIsspannongszuständen, j

die durch den Schalter 79 gesteuert werden. Als Material für die Halbleitereinrichtung 10 wird ein Sohwellenwertmaterial angenommen.

In PIg. 9 entspricht die Abszisse der Zeit während dl· ■'■

Ordinate der Spannung am Kollektor 14 In Besag ear Mite·, ·■

d.h. den Abfall zwischen den Elektroden 14 und 16 angibt. Wenn eine Null-Basis Vorspannung angenommen wird, tritt bei Anlegen eines positiven SpannungsImpulses an dtn Kollektor 14, der einen durch den Teil 80 der poeitlTtn

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Kurve von Flg. 9 veranschaulichten steilen Anstieg hat, eine Verzögerung D^ auf, ehe der Übergang in den Zustand geringer Leitfähigkeit in der Einrichtung 10 stattfindet» Der Übergang führt dazu, daß die Kollektorspannung schnell i

dem Teil 82 der Kurve folgt; der Zustand großer -bzw. guter Leitfähigkeit wird durch den unteren Spannungsteil 84 veranschaulicht. Das Ende der Spannungskurve am Punkt 86 tritt bei Abschalten der Kollektorspannung auf.

Mit einer an die Basis 24 angelegten negativen Spannung bewirkt das Injizieren von Elektronen in den Körper 12,

daß der Übergang in kürzerer Zelt - wie durch die Veraö- ·

gerungszeit D₂ angegeben - erfolgt. Bei dem dargestellten Vergleich werden gleiche Kollektorspannungen in beiden

Fällen von V_B = 0 und negativen V₃ angenommen. Infolge- ί

dessen erlaubt die impulsabhängige Zeitmodulation* die

eich in der Einrichtung 10 bei Änderung der Baslsvor- \

spannung ergibt, daß die Pulsbreitenmodulation (PDM) ^!

leicht in analoger Weise zu bewerkstelligen ist.

Die negative Kurve 88 von Flg. 9 wird bet Anlegen eines negativen Kollektorspannungsimpulses erzielt und veranschaulicht die Übergangszeit D*, die in Verbindung mit einer ITuIl- (oder positiven) Bas is vor spannung auftritt« im Vergleich mit der Übergangszeit D., die in Verbindung mit einer negativen BasIbvorspannung zustande kommt. Der unterschied zwischen D^ und D₂ wird als etwas gröSer als der unterschied zwischen D, und D. angenommen.

Die Erfindung stellt daher insbesondere eine dreipolIgt elektronische Steuereinrichtung dar, die mit eine« Körper aus im wesentlichen amorphem Halbleitermaterial, das einen Hauptstrompfad bildet, und einem spannung·-

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steuernden Elektronenemitter aufweist, der mit dem Körper über eine dünne Elektrode flächig in Verbindung steht. Eine Isolierschicht dient zum selektiven .Ändern der Leitfähigkeit des Körpers durch Injizieren hochenergetisoher Ladungsträger in den Körper durch die Elektrode.

Es versteht sich, daß die obige Boscbreibung lediglich zur Veranschaulichung dient und die Erfindung nicht beschränkt.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Elektronische Steuereinrichtung, gekennzeichnet duroh einen Körper aus im wesentlichen amorphem Halbleitermaterial, daa einen Hauptleitungspfad bildet, und zur Steuerung der Leitfähigkeit des Hauptpfades dienende Steuerorgane, die physikalisch mit der Einrichtung insbesondere flächig in Verbindung gebracht (interfaced) sind, aber sich elektrisch außerhalb des Körpers befinden und zum Injizieren energetischer Elektronen in den Körper dienen und dadurch die Leitfähigkeit des Hauptpfads steuern.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan eine Kaltkathodendiode ist, die eine leitfähige Schicht und eine ηicht-leitfähige Schicht - eine Verbindung (junction) bildend- auf-

   " weist, und daß eine Einrichtung zum Anlegen bzw. Einprägen eines elektronenbeschleunigenden Feldes an die Verbindung vorhanden 1st.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Körper ein Paar im Abstand voneinander befindlicher Hauptelektroden angelegt ist ■ und daß das elektronenabgebende bzw. Elektronenquellen-Material Über eine dieser Hauptelektroden mit dem Körper In Verbindung steht.

   4·. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Grenzflächen zwischen dem amorphen Körper und den Hauptelektroden derart aasgebildet Ist, daß sie eine Sperre (barrier) für geringonorgotiache Ladungsträger bildet.

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   5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein amorphes -Material verwendet ist, das im wesentlichen analoges Verhalten in einem wesentlichen bzw. großen Bereich der angelegten Spannungen aufweist.

   6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oin amorphes Material verwendet ist, das Zustände guter und schlechter Leitfähigkeit aufweist, zwischen dor.en das Material abrupt schaltbar Ist.

   7. Einrichtung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Zustände guter und schlechter Leitfähigkeit

   /ι η
   relativ geordneten und relativ amorphen

   inneren Zuständen entsprechen, die retentiv bzw. auf Dauer im Matertal verbleiben können.

   B. Elektronische Steuereinrichtung, gekennzeichnet durch einen Körper aus im wesentlichen amorphem Halbleitermaterial, das Zustande guter und sohlechter Leltfähig^ keit aufweist und zwischen diesen schaltbar 1st, durch ein Paar Im Abstand voneinander befindlicher Hauptelektroden ain Körper, um einen HauptleitfähigkaltB-pfad zu bilden, und eine feldabhängige elektronen-

   de
   aussenden/3inriohtung, die mit dem Körper durch eine der Hauptelektroden In Verbindung gebracht 1st, um zur Steuerung dor Leitfähigkeit des Körpers zwischen den Hauptelektroden Selektivelektronen in den Körper zu injizieren.

   9. Einrichtung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein zwinchon die Hauptelektroden eingefügter Film Lot.

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   10* Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Grenzflächen zwiechen dem Film und den Hauptelektroden eine Laäüngsträgerschwelle bzw. -sperre geringer Energie bildet.

   11. "Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10,,dadurch gekennzeichnet, daß die elektronen© usoenden/Sinrichtung erste und zweite Schichten aus elektronisch unterschiedlichen Materialien aufweist, die eine Verbindung (junction) bilden, und daß eine der Schichten mit dem Film durch eine Hauptelektrode verbunden ist, wodurch die clektronenauBäendori/^inrichtung elektrisch außerhalb des Ilauptleiterpfades liegt. *

   12. Einrichtung nach Anspruch 11» dadurch gekennzeichnet» daß die arete Schicht eine metallische und die zweite Schicht eine isolierende ist und sich der Isolator neben der Hauptelektrode befindet.

   13» Einrichtung nach Anspruch. 11 oder 12, dadurch gekenn- ]

   zeichnet, AaB die Schichtdicke der zweiten Schicht I

   75 % und 250 S beträgt. \

   14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13_t dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen bzw* Einprägen eInes.Feldes an die Verbingung eine Spannungequelle dient.

   15. Einrichtung nach einem der AnsprÜohe 8 bis Η» dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hauptelektrode mindestens eine darin ausgeformte Öffnung aufweist.

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   Steuerkreis gekennzeichnet durch eine erste Steuereinrichtung nach Anspruch 7, eine in R^ihe mit den Hauptelektroden geschaltete elektrische Last und eine Einrichtung zum Anschließen einer Steuersignalquelle zum selektiven Betätigen der elektronenaussendonden Einrichtung.

   17. Steuerkreis nach Anspruch 16. ferner gekennzeichnet durch eine zweite Steuereinrichtung nach Anspruch 5, die im Gegsntalct (back-to-back) zur ersten Steuereinrichtung über deren Hauptelektroden angeschlossen ist, und durch eine Einrichtung zum Anschließen einer Steuersignalquelle an die elektronenaussendondji Einrichtung der zweiten steuere!«richtung,

   18. Steuersystem, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung mit einem Körper aus amorphem Halbleitermaterial, das für angelegte Spannungen eine verhältnismäßig «brupte LeitfähigkeitBschwelle zwiochen verhältnismäßig guten und schlechten Leitfähigkeitszuständen aufweist, durch ein Paar Hauptstromelektroden im Abstand am Körper, durch eine steuerbare, olektronenaussendonKinrichtung, die zum Injizieren von energetischen Elektronen in den Körper durch bzw. über eine der Elektroden mit dem Körper in iFlächenverbindeng steht, und durch eine an die andere Elektrode angelegte ImpuIsspannungsquelle.

   -19. SteuereJ-nrichtungsmatrix, gekennzeichnet durch ein zweidimensionales nlcht-koplanares bzw. nlcht-planparalleles PeId von Leiterelementen, die sich gegenseitig an einer Mehrzahl von Punkten kreuzen, durch zwischen den Elementen an den Punkten angeordnete

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   de
   elektronenaussendenyiiJinrichtungen, die in beiderseitigem physikalischem Kontakt mit. diesen stehen, durch diskrete Körper aus amorphem, normalerweise isolierenden Material an diesen Punkten und duroh ausgewählte Leiterelemente
   im Abstand von den 9Iektrodenauasendenden Einrichtungen* duroh Hauptstromkreiselemente, die diskrete Stromkreispfade durch die Körper aus amorphem Material bilden, und durch Steuermittel zum selektiven Betätigen der
   elektronenaussenden/Einrichtungen, wodurch die Körper
   durch Injizieren hochenergetischer !ladungsträger in
   d,ie Körper selektiv; in einen stärker leitfähigen
   Zustand geschaltet werden.

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