DE2329009A1 - Logische schaltung aus bistabilen widerstaenden - Google Patents

Description

Böblingen, 5. Juni 1973 heb-oh

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Annonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 071

Logische Schaltung aus bistabilen Widerständen

Die Erfindung betrifft eine logische Schaltung aus bistabilen Widerständen, d.h. Halbleiterschalter, die zwei nichtflüchtige stabile Zustände aufweisen, wobei die Schaltzustände von der Richtung des sie durchfließenden Stromes abhängen, je nachdem, ob der Wert des Stromes oberhalb oder unterhalb eines Schwellwertes liegt. Insbesondere betrifft die Erfindung logische Schaltungen, die aus paarweise mit einem Knotenpunkt verbundenen bistabilen Widerständen bestehen, an welchem Strom zugeführt oder abgeleitet werden kann, so daß einer der beiden Widerstände in einen Zustand hohen Widerstandes und der andere in einen Zustand niedrigen Widerstandes umschaltet. Ein Zustand, bei dem sich beide bistabilen Widerstände im Zustand hohen Widerstands befinden, wird dadurch erzielt, daß Strom durch beide Widerstände in einer Richtung fließt, bei der die bistabilen Widerstände entweder in ihren Zustand hohen Widerstandes umschalten oder, falls sie diesen bereits einnehmen, in diesem verbleiben. Der gewünschte Stromfluß in der richtigen Richtung wird durch Anlegen von Potentialen an die Widerstände erzielt, deren eines positiver als das andere ist. Durch Potentialumkehr kann der Strom in eine andere Richtung gezwungen werden und, falls er einen Schwellwert überschreitet, bewirken, daß die beiden bistabilen Widerstände in ihren Zustand niedrigen Widerstandes umschalten oder, falls sie sich in diesem

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bereits befinden, verbleiben.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Anwendung der oben erwähnten logischen Schaltungen auf eine Schieberegisterschaltung, bei der von drei der vier zur Verfügung stehenden nichtflüchtigen stabilen Zustände Gebrauch gemacht wird. Die Erkenntnis, daß das Umschalten einer logischen Schaltung von einem Zustand mit hohem Widerstand - niedrigem Widerstand in einen Zustand mit hohem Widerstand und hohem Widerstand für die Arbeitsweise des Schieberegisters nicht nachteilig ist, läßt eine Verwendung solcher Bauelemente zu, wo man sie normalerweise nicht verwenden würde, da ein solcher bistabiler Widerstand umschaltet, wenn durch ihn ein Strom in Durchlaßrichtung fließt. Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Lösung überwindet diesen möglichen Nachteil, da sie das Umschalten zuläßt und gleichzeitig den Widerstand des bistabilen Schaltelementes steuert, wenn es aus seinem Zustand niedrigen Widerstandes heraus schaltet. Die Schaltung kann auch als logische Inverterschaltung benutzt werden in solchen Bereichen, wo die Kosten, Packungsdichte, die Arbeitsgeschwindigkeit, Fertigungserfordernisse für andere Bauelemente zu ungünstig wären.

Logische Schaltungen, die aus Paaren von Tunneldioden bestehen, sind seit langem bekannt. Solche Schaltungen halten jedoch die in ihnen eingespeicherte Information nicht dauernd, wenn sie nicht in geeigneter Weise vorgespannt sind, während die neu vorgeschlagenen Schaltungen keine Vorspannung benötigen, um in einem stabilen Zustand die in ihnen eingespeicherte Information zu halten. Außerdem sind paarweise in Reihe geschaltete Tunneldioden nicht in der Lage, eine Inversion durchzuführen, wenn nicht Reaktanzelemente, wie z.B. Induktivitäten, schaltungsmäßig damit kombiniert werden. Die Verwendung von Reaktanzelementen, wie z.B. Induktivitäten, ist in der Herstellung von integrierten Schaltungen praktisch nicht durchführbar, was einer weit verbreiteten Verwendung solcher logischen Schaltungen entgegensteht. Die Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung benötigen keinerlei Reaktanzelemente und können daher in integrierter Schaltungs-

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1-echnik eingesetzt werden. Außerdem besitzen Tunneldioden Schwellwertspannungen in nur einem Quadranten ihrer Stromspannungskennlinien, während bistabile Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung Schwellwertumschaltpunkte in zwei Quadranten ihrer Stromspannungskennlinien aufweisen. Wenn daher eine gewisse Verwandtschaft zwischen Tunneldioden und bistabilen Widerständen zu bestehen scheint, so ist eine solche Verwandtschaft nur rein oberflächlich gegeben und steht in keiner Beziehung zu der Arbeitsweise der verschiedenen Bauelemente.

Die neuen Schaltungen sind in der Lage, die Funktionen der Boole'sehen Algebra, wie UND, ODER und INVERTIEREN, durchzuführen, und können durch eine endliche Anzahl von impulsmäßig getasteten Stromquellen betätigt werden, wenn eine Übertragung von Information von einem Zustand zum nächsten Zustand erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist gemäß ihrer allgemeinsten Form aus zwei bistabilen Widerständen aufgebaut, die in Reihe an einem Knotenpunkt angeschlossen sind. Jeder der Widerstände hat eine solche Kennlinie, daß ein in einer Richtung fließender Strom, der einen Schwellwert überschreitet, den Widerstand in einen Zustand hoher Impedanz umschaltet, und daß ein Strom in der entgegengesetzten Richtung, der einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, den Widerstand in einen Zustand niedriger Impedanz zurückschaltet.

Somit handelt es sich also bei der Erfindung um eine logische Schaltung aus bistabilen Widerständen, die derart ausgestaltet ist, daß ein erster und ein zweiter bistabiler Widerstand in Reihe an einem Knotenpunkt angeschlossen sind, an dem eine Eingangsleitung und eine Ausgangsleitung angeschlossen sind, daß die beiden bistabilen Widerstände an je einer Potentialquelle angeschlossen sind, und daß die bistabilen Widerstände entsprechend ihrer Strom-Spannungskennlinie durch angelegte Potentiale entsprechend der Stromrichtung jeweils bei überschreiten eines Schwellwertes von einem Zustand hohen Widerstandes in einen Zu-

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stand niedrigen Widerstandes bzw. umgekehrt umschaltbar sind, so daß die bistabilen Widerstände vier verschiedene Widerstandskombinationen annehmen können. Insbesondere ist die Anordnung dabei so getroffen, daß zusätzlich zu den mit den Widerständen verbundenen Potentialquellen an dem Knotenpunkt eine Stromquelle und eine Stromsenke angeschlossen sind, und daß als bistabile Widerstände Galliumnitrid-Silizium Halbleiterbauelemente mit material-verschiedenen Übergängen dienen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Stromspannungskennlinie eines bistabilen

Widerstandes mit zwei stabilen Widerstandzuständen, und zwar einen Zustand hohen Widerstandes RH und einen Zustand niedrigen Widerstandes RL. Ist das Bauelement ursprünglich im Zustand RL, dann bewirkt der in Durchlaßrichtung fließende Strom, wenn er einen ersten Schwellwert IT1 überschreitet, daß der Widerstand in seinen Zustand hohen Widerstandes umschaltet und dort verbleibt. Ist das Bauelement im Zustand RH, dann bewirkt ein in der entgegengesetzten Richtung fließender Strom, der einen zweiten Schwellwert IT2 überschreitet, daß der bistabile Widerstand in seinen Zustand niedrigen Widerstandes umschaltet und dort verbleibt. Die Umschaltung erfolgt nur in den Quadranten I und III.

Fig. 2A schematisch die Schaltung von zwei bistabilen

Widerständen mit Kennlinien gemäß Figur 1, die an einem Knotenpunkt in Reihe angeschlossen sind. An dem Knotenpunkt sind Leitungen zum Zuführen und Ableiten von Strom angeschlossen.

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Weiterhin ist eine Spannungsquelle gezeigt, die mit jedem bistabilen Widerstand verbunden ist.

Fig. 2B eine Schaltung identisch zur Figur 2A, nur,

daß die bistabilen Widerstände umgekehrt angeordnet sind.

Fig. 3 eine Schieberegisterschaltung mit einer ersten

und einer zweiten Stufe, deren jede eine modifizierte Form der logischen Schaltung von Figur 2A enthält.

Fig. 4 ein Impulsdiagramm der an den verschiedenen

Klemmen anliegenden Impulse, wobei die Bezeichnungen in Figur 4 denen von Figur 3 entsprechen.

In Figur 1 ist die Stromspannungskennlinie eines bistabilen Widerstandes gezeigt, der zur Durchführung der Schaltung gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Bistabile Widerstände, die dem Schaltungsfachmann bekannt sind, haben gewöhnlich eine Schaltkennlinie, wie sie in Figur 1 gezeigt ist. Ein bistabiler Widerstand, wenn er sich in seinem Zustand niedrigen Widerstandes, RL in Figur 1, befindet, schaltet in seinen Zustand hohen Widerstandes, RH in Figur 1, um, wenn ein Schwellwertstrom IT1 erreicht wird. Befindet sich der bistabile Widerstand bereits im Zustand hohen Widerstandes, dann hat ein in der gleichen Richtung wie IT1 fließender Strom keinen Einfluß auf den bistabilen Widerstand, der in seinem Zustand hohen Widerstandes verbleibt. Das Umschalten vom Zustand niedrigen Widerstandes in den Zustand hohen Widerstandes findet im ersten Quadranten der Figur 1 statt. Wird ein Strom in entgegengesetzter Richtung zu IT1 angelegt, dann schaltet der bistabile Widerstand von einem Zustand hohen Widerstandes um, wenn eine Schwellwertspannung -VT in Figur 1 überschritten wird und geht in seinen Zustand niedrigen Wider standes über. Der der Schwellwertspannung -VT zugeordnete Strom

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ist in Fig. 1 bei IT2 angedeutet. Die Umschaltung vom Zustand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen Widerstandes findet im dritten Quadranten in Figur 1 statt. Daraus läßt sich aber ableiten, daß der durch einen bistabilen Widerstand hindurchfließende Strom, der diesen Widerstand von seinem Zustand niedrigen Widerstandes in seinen Zustand hohen Widerstandes umschaltet, als in Durchlaßrichtung fließend gekennzeichnet werden kann. In"gleicher Weise kann ein in der entgegengesetzten Richtung fließender Strom, der bewirkt, daß der bistabile Widerstand von seinem Zustand hohen Widerstandes in seinen Zustand niedrigen Widerstandes umschaltet, als Strom in Sperrichtung gekennzeichnet werden. Im Hinblick auf Figur 1 muß noch angemerkt werden, daß bistabile Widerstände Schwellwertbedingungen in zwei Quadranten aufweisen, im Gegensatz zu Schwellwerten in nur einem Quadranten, wie sie bei anderen Zweipol-Bauelementen, wie z.B. Tunneldioden, vorkommen. Ferner muß darauf hingewiesen werden, daß die hier erzielten stabilen Schaltzustände nicht flüchtig sind, d.h. daß die dadurch eingespeicherte Information erhalten bleibt und keine Vorspannung zur Aufrechterhaltung des Zustandes erfordern, in den die Bauelemente umgeschaltet worden sind.

In Figur 2A sind also ein Paar bistabiler Widerstände HJD1 und HJD2 in Reihe an einem Knotenpunkt N1 angeschlossen. Eine Potentialquelle V1 ist mit dem Widerstand HJD1 verbunden, während eine Potentialquelle V2 mit dem Widerstand HJD2 verbunden ist. Der Strom soll dabei in der Pfeilrichtung von links nach rechts in die Schaltung hinein und in gleicher Richtung nach rechts aus ihr heraus fließen. Die bistabilen Widerstände HJD1 und HJD2 sollen dabei so ausgerichtet sein, daß ein Strom in der Richtung des Pfeiles in Figur 2A beide bistabilen Widerstände in den Zustand hohen Widerstandes umschaltet, wenn sich diese Widerstände nicht bereits in diesem Zustand befinden. Die Richtung des Pfeiles zeigt daher die Durchlaßrichtung des Stromes an. Ein entgegengesetzt zur Pfeilrichtung fließender Strom schaltet die bistabilen · Widerstände HJD2 und HJD1 vom Zustand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen Widerstandes um, falls die Widerstände sich

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nicht bereits in diesem Zustand befinden. Eine Stromrichtung entgegen der Pfeilrichtung wird als Strom in Sperrichtung bezeichnet. Sowohl in Durchlaßrichtung als auch in Sperrichtung findet ein Umschalten dann statt, wenn der Schwellwert überschritten wird. Aus dem Vorangegangenen wird klar, daß Strom in Durchlaßrichtung dadurch erzeugt wird, daß V1 positiver gewählt wird als V2. Beispielsweise kann V1 eine positive Spannung sein, während V2 Erdpotential ist. Wenn nach diesem Fall IT1 für beide Bauelemente überschritten wird, werden beide bistabilen Widerstände HJD1 und HJD2 in ihren Zustand hohen Widerstandes umgeschaltet bzw. verbleiben in diesem Zustand, wie dies bei RH im ersten Quadrant von Figur 1 gezeigt ist. Legt man ein positives Potential an V2 und ein niedrigeres Potential an V1, dann fließt der Strom durch die Widerstände HJD2 und HJD1 in Sperrichtung. Wenn dann in diesem Fall der Schwellwert -VT überschritten ist, schalten beide Widerstände vom Zustand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen Widerstandes um oder verbleiben in diesem, falls sie diesen bereits einnahmen. Diese Situation ist bei RL im dritten Quadrant von Figur 1 gezeigt.

Liegen beide Spannungsquellen V1 und V2 auf dem gleichen Potential und wird dem Knotenpunkt Nl über die Leitung I EIN von einer nicht gezeigten Quelle ein Strom zugeführt, fließt dieser Strom durch den Widerstand HJD2 in Durchlaßrichtung und durch den Widerstand HJD1 in Sperrichtung. Wenn in diesem Fall der durch HJD2 fließende Strom den Schwellwert IT1 in Figur 1 überschreitet, schaltet HJD2 in den Zustand hohen Widerstandes um. Dann steigt die Spannung am Knotenpunkt N1 an, bis die Schwellwertspannung -VT über HJD1 und der zugehörige Schwellwertstrom IT1 überschritten wird, so daß HJD1 vom Zustand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen Widerstandes umschaltet. Befinden sich die Bauelemente bereits in diesem Zustand, findet keine Umschaltung statt, sondern dieser Zustand wird lediglich aufrechterhalten. Für diesen Fall ist es also möglich, den Zustand niedrigen Widerstandes für Widerstand HJD1 und hohen Widerstandes für den Widerstand HJD2 gleichzeitig zu erzielen.

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Gibt man den Potentialquellen V1 und V2 den gleichen Wert und zieht Strom vom Knotenpunkt N1 über die Leitung I AUS nach einer Stromsenke ab, dann wird die Richtung des Stromflusses durch die Elemente HJD1 und HJD2 umgekehrt gegenüber dem Fall, wo Strom über die Leitung I EIN dem Knotenpunkt N1 zugeführt wurde. Unter diesen Umständen, wenn Strom aus dem Knotenpunkt N1 über die Leitung I AUS nach einer Stromsenke fließt, fließt Strom in Durchlaßrichtung durch,HJD1 und in Sperrichtung durch HJD2, die dann jeweils den Zustand hohen Widerstandes bzw. niedrigen Widerstandes annehmen. Daraus ergibt sich, daß durch die Reihenschaltung von bistabilen Widerständen vier stabile Betriebszustände erzielbar sind, wenn diese eine Kennlinie, wie in Figur 1 gezeigt, aufweisen. Diese Zustande sind a) hoher Widerstand - hoher Widerstand, b) niedriger Widerstand - niedriger Widerstand, c) niedriger Widerstand - hoher Widerstand, d) hoher Widerstand - niedriger Widerstand für die Bauelemente HJD1, HJD2.

Wegen der Möglichkeit, den Schaltzustand der bistabilen Widerstände HJD1 und HJD2 in der angegebenen Weise zu ändern, lassen sich die Boole'sehen Funktionen UND, ODER und Inversion darstellen.

Betrachtet man Figur 2B, so erkennt man ein Paar bistabiler Widerstände HJD1 und HJD2, die wiederum in Reihe mit einem Knotenpunkt N1 verbunden sind, wobei die Anordnung die gleiche ist wie in Figur 2A, wobei nur die Richtung der bistabilen Widerstände umgekehrt ist. Ist in diesem Fall V2 positiver als V1, fließt der Strom in Durchlaßrichtung entsprechend dem Pfeil in Figur 2B und schaltet beide Widerstände in den Zustand hohen Widerstandes, und wenn V1 positiver ist als V2, fließt der Strom in Sperrichtung und schaltet beide Widerstände in den Zustand niedrigen Widerstandes um. Wenn ein Strom über die Leitung I EIN zum Knotenpunkt N1 fließt, schaltet HJD1 in den Zustand hohen Widerstandes und Widerstand HJD2 in den Zustand niedrigen Widerstandes um, wenn V1 und V2 das gleiche Potential aufweisen. Wenn endlich bei gleichem Potential von V1 und V2 der Strom vom Knotenpunkt N1 über

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die Leitung I AUS nach einer nicht gezeigten Stromsenke fließt, nimmt HJD2 den Zustand hohen Widerstandes und HJD1 den Zustand niedrigen Widerstandes an.

Figur 2B zeigt lediglich, daß sich durch Umkehr der Polung der bistabilen Widerstände die gleichen Spannungs- und/oder Stromverhältnisse mit entgegengesetzter Wirkung erzielen lassen, wie sie im Zusammenhang mit Figur 2A erläutert wurde.

Eine Schieberegisterschaltung nach Figur 3 besteht beispielsweise aus zwei Stufen, wobei die Bauelemente einer Stufe in einem gestrichelten Block 10 dargestellt sind. Dabei soll der Knotenpunkt NI entweder eine binäre "1" oder eine binäre "0" darstellen, entsprechend einem hohen bzw. niedrigen Potential am Knotenpunkt N1, wenn Information von einer Stufe zur nächstfolgenden Stufe übertragen werden soll. In dem gestrichelt gezeichneten Block der Fig. 3 ist eine Klemme EIN gezeigt, die mit dem Knotenpunkt N1 über einen Strombegrenzungswiderstand R1 und eine Diode D1 verbunden ist, die verhindert, daß Strom vom Knotenpunkt N1 nach der Klemme EIN fließen kann. Der Knotenpunkt N1 liegt zwischen einem bistabilen Widerstand H3 und bistabilen Widerständen H1 und H2, die parallel mit einer impulsförmig getasteten Spannungsquelle oder Impulsquelle φ1 verbunden ist, während H3 mit einer anderen impulsmäßig getasteten Spannungsquelle oder Impulsquelle <j>iR verbunden ist. H1, H2 und H3 bilden eine Schieberegisterstufe, die dieselbe Aufgabe erfüllt wie andere Schieberegisterstufen, mit der Ausnahme, daß diese Stufe vier stabile Zustände aufweist gegenüber zwei stabilen Zuständen der üblichen Schaltungen. Eine Diode D2 liegt parallel zu den bistabilen Widerständen H1 und H2 und ist mit einer impulsmäßig betriebenen Spannungsquelle oder Impulsquelle VR verbunden und stellt somit einen gerichteten Strompfad zur Einstellung der nächsten Stufe mit Widerständen H1, H2 und H3 in den Ausgangszustand dar. Selbstverständlich könnten die beiden bistabilen Widerstände H1 und H2 durch einen einzigen bistabilen Widerstand ersetzt werden, dessen Stromschwellwert für ein einzelnes Element größer als IT1 ist,

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oder H2 könnte weggelassen werden, wenn man parallel zur Diode D2 einen Widerstand schaltet mit einem Widerstandswert etwa gleich dem Widerstand von R1. Das parallele Paar H1, H2 wurde zur Erzielung eines "fan-out" benutzt. Diese Parallelschaltung gestattet auch die Verwendung von bistabilen Widerständen, die alle die gleichen Kennlinien haben. Auf diese Weise werden besondere Fertigungsschwierigkeiten umgangen.

Die in Figur 3 nächstfolgende Schieberegisterstufe, die außerhalb des durch gestrichelte Linien dargestellten Blocks 10 liegt, ist identisch aufgebaut, mit der einen Ausnahme, daß den verschiedenen, impulsmäßig betriebenen Spannungsquellen oder Impulsquellen verschiedene Bezugszeichen gegeben wurden, um ihre Ausgangssignale und BetätigungsZeitpunkte beim Betrieb der Schaltung nach Figur in Verbindung mit den Impulsdiagrammen der Figur 4 näher erläutern zu können. Damit ist eine impulsmäßig betriebene Spannungsquelle VR mit der Diode D2 verbunden. Die impulsmäßig betriebene Spannungsquelle φ2 ist mit den bistabilen Widerständen H1 und K2 und die impulsmäßig betriebene Spannungsquelle <{>2R mit dem bistabilen Widerstand H3 verbunden. Der zwischen den Widerständen H1 bzw. H2 und H3 liegende Knotenpunkt wurde mit N2 bezeichnet. Die Ausgangsklemme des Schieberegisters der Schieberegisterstufe 11 ist mit AUS bezeichnet.

Im Betrieb wird die in Figur 3 gezeigte Schieberegisterschlatung durch Impulse betätigt, wie sie in Figur 4 für die dargestellten Zeitpunkte gezeigt sind.

Unabhängig vom Zustand der bistabilen Widerstände H1, H2 und H3 werden diese Bauelemente während des Zeitabschnittes ti bis t2 in Figur 4 zurückgestellt. Der willkürlich gewählte Rückstellzustand für die bistabilen Widerstände H1, H2 und H3 der Stufe ist H1 und H2 im Zustand hohen Widerstandes (im folgenden RH-Zustand) und H3 im Zustand niedrigen Widerstandes (im folgenden RL-Zustand genannt). Aus Figur 2A ist somit klar, daß durch Ableiten von Strom vom Knotenpunkt N1 mit V1 und V2 im wesentlichen

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auf gleichem Potential der Strom in HJD1 nach dem Knotenpunkt N1 und in gleicher Weise in HJD2 nach dem Knotenpunkt N1 fließt. Ein in HJD1 fließender, den Schwellwert IT1 überschreitender Strom schaltet HJD1 in den RH-Zustand um, während ein den Schwellwert IT2 überschreitender Strom HJD2 in den RL-Zustand umschaltet.

Dies ist genau der Betriebszustand in Figur 3, bei der die impulsmäßig betriebenen Spannungsquellen oder Impulsquellen φ1 und 4>1R während des Rückstellzeitraumes ti bis t2 das gleiche Potential +V aufweisen, das in Figur 4 mit RÜCKSTELLEN 1 bezeichnet ist. Man sieht, daß in Figur 4 die Impulsquelle φ1 das Rückstellintervall ti bis t2 mit dem Potential +V einleitet, das in Fig. 4 das Bezugszeichen 20 trägt. Die Impulsquelle <}>1R beginnt das Rückstellintervall ti bis t2 mit O-Potential und geht unmittelbar danach auf das Potential +V über, das in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet ist. Sind φ1 und φ^ auf dem Potential +V, dann geht die Impulsquelle VR vom Potential +V auf Erdpotential über, wie dies bei 22 für das Rückstellintervall ti bis t2 dargestellt ist. In diesem Fall fließt also Strom von den Impulsquellen φ1 und <|>1R parallel über den Knotenpunkt N1 und die Diode D2 nach VR. Die Diode D1 sperrt den Stromfluß nach der Eingangsklemme EIN. Wenn der Strom in der angegebenen Richtung fließt, nehmen H1 und H2 den Zustand RH und H3 den Zustand RL an und die Schieberegisterstufe, bestehend aus den bistabilen Widerständen H1, H2 und H3, ist in ihren Ausgangszustand zurückgestellt.

Zur gleichen Zeit wird der Knotenpunkt N2 der Stufe 11 über die Diode D2, die von der Potentialquelle VR her an Erdpotential liegt, selbst auf Erdpotential gehalten. Damit sind aber H1, H2 und H3 der Stufe 11 unbeeinflußt.

Zum Beginn des Intervalls t2 bis t3, das in Figur 4 mit ÜBERTRAG bezeichnet ist, wird ein positiver Impuls 23 mit Potential +V der Klemme EIN der Schieberegisterstufe 10 zugeführt. Zur gleichen Zeit fallen die impulsmäßig getasteten Potentiale φ1 und φ^, wie bei 24, 25 in Figur 4 gezeigt, auf Erdpotential ab. Das Potential

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VR liegt wieder bei +V, nachdem es zuvor bei 22 für die Dauer des Intervalls ti bis t2 auf Erdpotential abgefallen war und bleibt jetzt auf dem Potential +V. Das Anlegen eines positiven Impulses 23 mit Potential +V in Verbindung mit dem Anlegen von Erdpotential 24, 25 der Impulsquellen φ1 und ^1R an der Schieberegisterstufe am Knotenpunkt N1 bewirkt, daß dem Knotenpunkt N1 Strom zugeführt wird. Dies ist analog zu der Situation in Figur 2A, wenn der Strom von EIN nach dem Knotenpunkt N1 fließt, während V1 und V2 das gleiche Potential haben. Im vorliegenden Fall fließt also der Strom vom Knotenpunkt N1 in Figur 3 über H3 wegen des positiven Potentials 23 an der Klemme EIN nach der Impulsquelle <J>1R, so daß H3 den Zustand RH einnimmt. Wenn die Spannung am Knotenpunkt N1 wegen des Übergangs von H3 in den RH-Zustand ansteigt, fließt Strom nach der Impulsquelle φ1 und wenn der Schwellwert -VT erreicht und überschritten wird, schalten H1 und H2 in den Zustand RL um, so daß am Knotenpunkt N1 Erdpotential auftritt, da φ1 auf Erdpotential 24 liegt und für das Intervall t2 bis t3 dort verbleibt. Es muß daran erinnert werden, daß am Ende der Betätigung des RÜCKSTELLEN 1-Intervalls ti bis t2 H1 und H2 im Zustand RH und H3 im Zustand RL waren. Das Anlegen eines positiven Impulses 23 an EIN in Figur 4 schreibt also eine binäre "1" in die Schieberegisterstufe 10 ein. Läßt man während des Schreibintervalls Erdpotential an der Klemme EIN, dann bleiben H1, H2 und H3 in ihrem Rückstellzustand, da keine Ströme fließen. Auf diese Weise wird eine binäre "O" eingeschrieben. Diese Bezeichnungen sind natürlich willkürlich und können jederzeit andersherum gewählt werden.

Angenommen, H1 und H2 sind beide im Zustand RL und H3 ist im Zustand RH, dann ist eine binäre "1" in der Schieberegisterstufe 10 eingespeichert. Nach Abnahme des positiven Potentials 23 von der Klemme EIN werden die Impulsquellen für den Rest des Intervalls t2 bis t3 und während des Intervalls t3 bis t4, das in Figur 4 auch mit RÜCKSTELLEN 2 bezeichnet ist, auf Erdpotential gehalten. Das letztgenannte Intervall ist das Rückstellintervall für die Schieberegisterstufe 11. Im Intervall t2 bis t3 liegt VR

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auf positivem Potential. Ein Stromfluß nach den anderen Impulsquellen φ1, φ1ΙΙ und EIN, die auf Erdpotential liegen, wird durch die Dioden D1 und D2 verhindert. Somit verbleibt die Schieberegisterstufe 10 in dem Zustand, der durch das Potential +V oder Erdpotential an der Klemme EIN bestimmt ist.

Während des RÜCKSTELL 2-Intervalls t3 bis t4 geht für die Stufe 11 VR auf Erdpotential, was in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet ist. Zur gleichen Zeit wird die Impulsquelle φ2 auf +V gehalten und die Impulsquelle φ2R wird auf +V getastet, wie bei 27 in Figur 4 zu sehen, unter diesen Bedingungen fließt der Strom von den Impulsquellen φ2 und φ2R über die bistabilen Widerstände H1, H2 und H3 nach dem Knotenpunkt N2. Der durch H1 und H2 fließende Strom, wenn er den Schwellwert überschreitet, bewirkt, daß die bistabilen Widerstände H1, H2 in den RH-Zustand umschalten. (Eine andere Art die Stromrichtung zu kennzeichnen besteht darin, die Durchlaßrichtung des Stromes als denjenigen Strom oberhalb eines Schwellwertes zu bezeichnen, der den bistabilen Widerstand in den RH-Zustand umschaltet. Umgekehrt kann die Sperrichtung des Stromes als der Strom oberhalb eines Schwellwertes bezeichnet werden, der den Widerstand in seinen RL-Zustand umschaltet.) Der durch H3 nach N2 fließende Strom fließt in Sperrichtung und schaltet H3 in den RL-Zustand um, wenn die Schwellwertspannung überschritten wird. Auf diese Weise wird dann die Stufe 11 in Vorbereitung einer möglichen Informationsübertragung aus Stufe 10 während des Intervalls t4 bis t5 oder ÜBERTRAGEN 2 zurückgestellt.

Während des Intervalls t4 bis t5 geht die Impulsquelle VR wieder auf das Potential +V. Die Impulsquellen φ1 und φ2 nehmen das Potential +V bzw. Erdpotential an und ihre Potentialpegel sind in Figur 4 durch die Bezugszeichen 28 bzw. 29 bezeichnet. Zur gleichen Zeit wird die Impulsquelle φ2R auf Erdpotential gebracht, wie bei 30 in Figur 4 zu sehen, während φ^, wie bei 25 in Figur 4 gezeigt, auf Erdpotential bleibt. Mit allen Impulsquellen auf Erdpotential, mit Ausnahme der Impulsquellen φ1 und VR, fließt Strom von der Impulsquelle φ1 über die bistabilen Widerstände H1,

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H2 (die im RL-Zustand sind) über den Widerstand R1 und Diode D1 der Stufe 11 nach Knotenpunkt N2. Nach Erreichen des Knotenpunktes N2 fließt der Strom über den Widerstand H3 in Durchlaßrichtung nach der Impulsquelle <J>2R, die auf Erdpotential liegt. Der bistabile Widerstand H3 schaltet in den Zustand RH um, wenn der in Durchlaßrichtung fließende Strom den Schwellwert überschreitet und der Knotenpunkt N2 geht auf das Potential +V der Impulsquelle φ1 über. Zu diesem Zeitpunkt schaltet der in Sperrichtung durch H1 und H2 fließende Strom, wenn er den Schwellwert überschreitet, H1 und H2 in den RL-Zustand um.

Aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt sich, daß ein anfänglich an der Klemme EIN der Stufe 10 angelegter positiver Impuls die Widerstände H1, H2 und H3 aus ihrem Rückstellzustand umschaltet, so daß dann, wenn die Information weitergeschoben wird, ein positives Potential von der Impulsquelle φ1 dem Knotenpunkt N2 zugeführt wird, wobei die dadurch hervorgerufenen Ströme das Umschalten der bistabilen Widerstände der Stufe 11 bewirken. Wenn das an der Klemme EIN angelegte Potential ein Erdpotential ist, dann würden die bistabilen Widerstände der Stufe 10 nicht umschalten, und wenn während des Übertragsintervalls von der Impulsquelle φ1 ein positives Potential angelegt würde, würde an den Knotenpunkten N1 und N2 Erdpotential auftreten, so daß die bistabilen Widerstände der Stufe 2 in ihrem Rückstellzustand verbleiben. Somit sind also unter Verwendung der Impulsformen in Figur 4 entsprechend dem Eingangssignal an der Klemme EIN zwei Zustände möglich. Um an der Ausgangsklemme AUS ein Ausgangssignal zu erzielen, muß das Potential von φ2 = +V sein, während die Impulsquelle Φ2Κ auf Erdpotential liegt. Sind H1 und H2 der Stufe 11 in ihrem Zustand RH und ist H3 im Zustand RL, dann tritt Erdpotential an der Ausgangsklemme AUS auf. Sind aber H1 und H2 im Zustand RL und H3 im Zustand RH, dann tritt an der Ausgangsklemme AUS ein positives Potential auf. Die Schaltzustände der bistabilen Widerstände der Stufe 11 werden natürlich durch das Eingangssignal an der Klemme EIN bestimmt.

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Bis jetzt wurde noch nicht viel über die Parallelanordnung der bistabilen Widerstände H1, H2 gesprochen. Diese Anordnung ist konstruktiv einfacher. Es soll nun die Situation in Figur 2A betrachtet werden, wenn HJD1 im Zustand RL und HJD2 im Zustand RH ist. Wenn V1 ein positives Potential annimmt und V2 auf Erdpotential gehalten wird, fließt der Strom in HJD1 an eine an I AUS angeschlossene Last, die an Erdpotential angeschlossen ist, wodurch HJD1 in den Zustand RH umschaltet, wenn der Schwellwert des Bauelements überschritten wird. Unter diesen Umständen ist das am Knotenpunkt N1 auftretende Potential V1/2, da die Werte der Widerstände für HJD1 und HJD2 praktisch die gleichen sind. Um den Entwurf von Schaltungen zu vermeiden, die zwischen den Grenzen von V1 und V1/2 arbeiten müssen, hat man der Einfachheit halber zwei bistabile Widerstände parallel geschaltet. Dasselbe Ziel läßt sich erreichen, wenn man parallel zu HJD1 einen linearen Widerstand schaltet. Somit ergibt also die Parallelschaltung der Widerstände H1 und H2 in Figur 3 eine ausreichende Stromkapazität für das Ausgangssignal.

Ein Problem besteht noch, wenn eine Stufe eine binäre "1" speichert, während die zwei nächstfolgenden Stufen eine binäre "O" speichern. Wenn man in diesem Fall die binäre "1" an die nächstfolgende Stufe weiterüberträgt, wird dadurch.die dritte Stufe in aen Zustand RH-RH überführt. Für die Arbeitsweise eines Schieberegisters ist aber der Zustand RH - RH dem Zustand RH-RL äquivalent. Daraus sieht man, daß eine binäre "O" zwei Zustandsbedingungen haben kann:

a) wenn H1, H2 im RH-Zustand und H3 im RL-Zustand sind;

b) wenn H1 und H2 im Zustand RH und auch H3 im Zustand RH ist. Unter diesen Bedingungen, wenn H1, H2 und H3 im RH-Zustand sind, wird der Strom auf einen Wert unterhalb IT1 begrenzt und kann somit eine binäre "1" nicht an die

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nächstfolgende Stufe übertragen. Es sollte außerdem klar sein, daß der Zustand binäre "1 nur eine Bedingung hat, nämlich die, daß H1 und H2 im Zustand RL und H3 im Zustand RH sind.

Eine weitere Möglichkeit, die Schaltung gemäß Figur 3 aufzubauen, besteht darin, für die Parallelkombination aus H1 und H2 nur einen einzigen bistabilen Widerstand vorzusehen, der einen höheren Stromschwellwert aufweist. Aus dem Vorangegangenen sollte es klargeworden sein, daß mit Vorteil drei der vier möglichen nicht flüchtigen, stabilen Zustände der bistabilen logischen Schaltungen gemäß Figur 2A, 2B zum Aufbau eines Schieberegisters benutzt wurden, dessen Aufbau bisher mit bistabilen Widerständen nicht möglich erschien. Wegen der Benutzung der beiden stabilen Zustände für die Darstellung eines einzigen binären Zustandes ist es möglich, Schaltungen aufzubauen, die sehr schnell, wirtschaftlich und mit hoher Packungsdichte herstellbar und als integrierte Schaltung aufbaubar sind.

Wie bereits erläutert, können an sich bekannte bistabile Widerstände zum Aufbau der Schaltungen gemäß der Erfindung benutzt werden. Beispielsweise können Gallium-Nitrid-Silicium-Halbleitervorrichtungen mit material-verschiedenen übergängen mit den folgenden Eigenschaften in einem Schieberegister gemäß Figur 3 verwendet werden:

IT = 1 mA

-VT = -0,5 Volt
RH = 2 χ 1Ο⁶ 0
RL = 100 Ohm

Weiterhin kann R1 = 1000 Ohm sein und die Diode D1 kann eine handelsübliche Diode sein.

Ferner ist es einleuchtend, daß in Figur 3 zwar eine Anordnung unter Verwendung von zwei Phasen dargestellt ist, daß aber eine

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andere Anzahl von Phasen, nämlich drei oder vier Phasen, durchaus verwendet werden können.

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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE

1. Logische Schaltung aus bistabilen Widerständen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (HJD1) und ein zweiter (HJD2) bistabiler Widerstand in Reihe an einem Knotenpunkt (N1) angeschlossen sind, an dem eine Eingangsleitung und eine Ausgangsleitung angeschlossen sind, daß die beiden bistabilen Widerstände (HJD1, HJD2) an je einer Potentialquelle (VI bzw. V2; φ1 , <|>1R, <j>2, φ2R) angeschlossen sind, und daß die bistabilen Widerstände entsprechend ihrer Strom-Spannungskennlinie durch angelegte Potentiale entsprechend der Stromrichtung jeweils bei überschreiten eines Schwellwertes (IT1, IT2, -VT) von einem Zustand hohen Widerstandes (RH) in einen Zustand niedrigen Widerstandes (RL) bzw. umgekehrt umschaltbar sind, so daß die bistabilen Widerstände vier verschiedene Widerstandskombinationen (RH-RH; RL-RL; RL-RH; RH-RL) annehmen können.

2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den mit den Widerständen (HJD1, HJD2; H1, H2, H3) verbundenen Potentialquellen an dem Knotenpunkt eine Stromquelle und eine Stromsenke angeschlossen sind.

3. Logische Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als bistabile Widerstände Galliumnitrid-Silizium Halbleiterbauelemente mit material-verschiedenen Übergängen dienen.

4. Logische Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den bistabilen Widerständen verbundenen Potentialquellen (V1 , V1; φ1, φ2, 4>1R, φ2Κ) Impulsquellen sind.

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5. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der beiden bistabilen Widerstände im ersten (RH) und im zweiten (RL) Widerstandsbereich jeweils gleich groß sind.

6. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des ersten bistabilen Widerstands im Zustand hohen Widerstandes kleiner ist als der Widerstand des zweiten bistabilen Widerstandes im Zustand hohen Widerstandes.

7. Anwendung von logischen Schaltungen gemäß Anspruch 1 in einem Schieberegister, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Knotenpunkt (N1, N2) einer Schieberegisterstufe (1O, 11) gleichsinnig gerichtete bistabile Widerstände (H1, H2, H3) angeschlossen sind, die außerdem mit Impulsquellen (φ1, φ2, <|>1R, <|>2R) verbunden sind.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste bistabile Widerstand jeder Stufe (10, 11) aus einer Parallelschaltung zweier bistabiler Widerstände (H1, H2) besteht, die parallel zwischen Potentialquelle (φ1, φ2) und Knotenpunkt (N1, N2) eingeschaltet sind.

9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig an jedem Knotenpunkt (N1, N2) eine in Rückwärtsrichtung sperrende Diode (D1) und ein Strombegrenzungswiderstand (R1) in Reihe eingeschaltet sind.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Knotenpunkt (N1, N2) eine weitere Potentialquelle (VR) über eine Diode (D2) angeschlossen ist.

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