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Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende
Anordnung, insbesondere eine supraleitende Anordnung, worin
Slgnalverstärkungseffekte und Schaltoperationen ähnlich jenen
eines Halbleitertransistors erzielt werden können.
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Typische elektronische Anordnungen, welche
Supraleitfähigkeit ausnützen, sind Kryotrone und Anordnungen, die den
Josephson-Tunneleffekt ausnützen. In Kryotronen kann die
supraleitende Lücke Δ eines dünnen Films beseitigt werden, indem ein
Strom, der größer ist als der kritische Strom, durch die Schicht
hindurchgeschickt wird, indem ein externes Magnetfeld darauf
angelegt wird, indem der Film erhitzt wird, oder indem auf andere
Weise der supraleitende Zustand des Films gebrochen wird.
Kryotrone leiden jedoch unter einer langsamen
Schaltgeschwindigkeit, zum Beispiel einige wenige usec, so daß sie nicht in
kommerzielle Verwendung getreten sind.
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In Anordnungen, die den Josephson-Tunneleffekt ausnützen,
wird ein Strom von Null Volt zwischen zwei Supraleitern geleitet,
die durch eine extrem dünne Tunnelschwelle voneinander isoliert
sind, indem Strom den Supraleitern zugeleitet und an sie ein
externes Magnetfeld angelegt wird. Anordnungen, die den
Josephson-Tunneleffekt ausnützen (unten "Josephson-Anordnungen"),
können mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden, und so
wurden Studien über eine mögliche Anwendung derselben auf
Schaltelemente durchgeführt. Mit Josephson-Anordnungen macht es
die Schaltkomplexität jedoch äußerst schwierig, Schaltungen mit
einem hohen Signalverstärkungsfaktor und getrennte Eingangs- und
Ausgangscharakteristiken der Halbleitertransistorschaltungen zu
bilden. Somit ist die Realisierung komplexer Schaltanordnungen
großen Umfanges mit Josephson-Anordnungen schwieriger als mit
Halbleitertransistoren.
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Bekannte supraleitende Anordnungen, die
Signalverstärkungseffekte
und Schaltoperationen ähnlich jener von Transistoren
realisieren, schließen den supraleitenden Transistor von Gray
(Zitat folgend: zum Beispiel Gray, Appl. Phys. Lett. Band 32, No.
6, S. 392 bis 395) und das Quiteron von Faris (Zitat folgend:
Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung (Kokai) No. 57-
12575, korrespondierend zur USP No. 4334158) ein.
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Die supraleitenden Anordnungen von Gray und Faris sind in
der Struktur grundlegend gleich, das heißt, sie bestehen aus drei
Schichten:- einem supraleitenden, dünnen Film und zwei
Tunnelübergängen, die auf und unter dem supraleitenden, dünnen Film
vorgesehen sind. Einer der Tunnelübergänge wird verwendet, um
Quasi-Partikel in den supraleitenden, dünnen Film zu injizieren,
und der andere wird verwendet, ein Ausgangssignal zu erhalten.
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Die Anordnungen von Gray und Faris weisen jedoch kleine
Verstärkungsfaktoren auf. Zum Beispiel zeigen veröffentlichte
Experimente, daß für den Transistor von Gray eine
Stromverstärkung von ungefähr 4 und eine Leistungsverstärkung von
ungefähr 1 kennzeichnend sind, und daß für ein Quiteron eine
Stromverstärkung von ungefähr 8 und eine Leistungsverstärkung von
ungefähr 2 kennzeichnend sind. Weiters war in diesen Experimenten
die Signalspannung in jedem Fall unvorteilhafterweise
abgeschwächt.
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Weiters sind für den Gray-Transistor und das Faris-Quiteron
beträchtlich lange Schaltzeiten kennzeichnend, zum Beispiel 300
psec im einem Fall des Quiterons. Die Schaltzeit hängt von der
Zeit ab, während der der über-besetzte Zustand der Quasi-
Partikel, die durch Injektion der Quasi-Partikel erzeugt wird,
relaxiert wird.
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Eine nützliche Verbesserung würde im Beseitigen der obigen
Nachteile des Standes der Technik liegen und im Vorsehen einer
supraleitenden Anordnung, die einen vergleichweise großen
Signalverstärkungsfaktor und eine hohe Schaltgeschwindigkeit
aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Supraleiteranordnung vorgesehen, umfassend eine Basiszone aus einem
Supraleitermaterial, welche sich zwischen und in Kontakt mit
einer Emitterzone zum Injizieren von Elektronen im Quasi-
Partikel-Zustand in die genannte Basiszone und einem
Halbleiterteil einer Kollektorzone zum Einfangen von Elektronen im
Quasi-Partikel-Zustand aus der genannten Basiszone, befindet,
wobei die Materialien der genannten Basiszone und des genannten
Halbleiterteils der genannten Kollektorzone so beschaffen sind,
daß, wenn die Anordnung in Verwendung und die genannte Basiszone
in supraleitendem Zustand ist, an einem Übergang zwischen der
genannten Basiszone und dem genannten Halbleiterteil der
genannten Kollektorzone eine Energieschwelle von einer solchen
Höhe existiert, daß Elektronen im Quasi-Partikel-Zustand frei
über diese Schwelle von der genannten Basiszone zum genannten
Halbleiterteil der Kollektorzone passieren können, wogegen die
Passage von Cooper-Paaren von der Basiszone zum genannten
Halbleiterteil der Kollektorzone dadurch im wesentlichen
vollständig verhindert wird.
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Beispielhaft wird auf die beigefügten Zeichungen Bezug
genommen, in denen:-
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Figur 1 ein Energiediagramm ist, zur Verwendung beim
Erklären des Operationsprinzips eines Teils einer
Supraleiteranordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
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Figs. 2A, 2B, 2C und 2D Diagramme sind, zur Verwendung beim
Erklären des Operationsprinzips von Supraleiteranordnungen, die
die vorliegende Erfindung verkörpern;
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Fig. 3 ein Energiediagramm ist, zur Verwendung beim
Verstehen der Struktur einer modifizierten Supraleiteranordnung,
die die vorliegende Erfindung verkörpert;
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt; und
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Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Bevor die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung erklärt werden, wird der Hintergrund der vorliegenden
Erfindung detaillierter erklärt.
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Der Gray'sche Transistor und das Quiteron verwenden einen
Tunnelübergang mit einem Isolator als Schwellenschicht an einem
Teil, der der Quasi-Partikel-Kollektorzone in einer Anordnung
entspricht, die die vorliegende Erfindung verkörpert. Wenn
Quasi-Partikel an einen solchen Tunnelübergang emittiert werden,
ist die Wahrscheinlichkeit der Übertragung der Quasi-Partikel
durch die Schwelle aufgrund des Tunneleffektes im allgemeinen
klein, zum Beispiel ungefähr 10&supmin;&sup5; bis 10&supmin;¹&sup0;. Um daher im
wesentlichen den gleichen Pegel an Quasi-Partikel-Strom zu
erreichen, der in der Schwelle an der Ausgangsseite als der von
einer injizierenden Elektrode injizierte Quasi-Partikel-Strom
fließt, muß die Anzahl der Quasi-Partikel, die auf den
Tunnelübergang pro Zeiteinheit einfallen, das 10&sup5; - bis 10¹&sup0;
- Fache der Anzahl der pro Zeiteinheit injizierten Quasi-Partikel
sein. Um die Anzahl der einfallenden Quasi-Partikel zu erhöhen,
kann die Quasi-Partikel-Dichte im Supraleiter erhöht werden. So
sind sowohl der Gray'sche supraleitende Transistor als auch das
Quiteron konstruiert worden, um die Dichte an Quasi-Partikeln im
Supraleiter durch den injizierenden Strom so viel wie möglich zu
erhöhen.
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Der Gray'sche supraleitende Transistor verwendet Aluminium,
in welchem die Relaxationszeit der Quasi-Partikel lang ist. Auch
der Quasi-Partikel-Multiplikationseffekt wird ausgenützt, in
welchem, wenn hochenergetische Quasi-Partikel injiziert werden,
ein Quasi-Partikel eine Mehrzahl von Quasi-Partikeln anregt,
wobei so die Quasi-Partikel-Dichte erhöht wird. In einem
derartigen Fall übersteigt der Verstärkungsfaktor des
Ausgangsstroms gegen den Eingangsstrom niemals den Verstärkungsfaktor der
Quasi-Partikel. Auch der Effekt bei einer Änderung der
Energielücke ist sehr klein, und so ist der Multiplikationsfaktor der
Quasi-Partikel kleiner als das Verhältnis der Eingangsspannung
zur Energielückenspannung. Um nämlich den
Strommultiplikationsfaktor zu erhalten, muß eine Vorspannung angelegt werden, die das
Zwei- bis Dreifache oder mehr der Lückenspannung ist.
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Andererseits, da die als Last zu verwendende Spannung
kleiner ist als die Lückenspannung, kann der Ausgang des
Gray'schen Transistors nicht andere Anordnungen treiben.
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Das Quiteron nützt die Reduktion der Energielücke durch die
Injektion der Quasipartikel aus. Die Anwendung der Änderung der
Energielücke ermöglicht ein wirksames Erreichen eines großen
Quasi-Partikel-Multiplikatorfaktors. Für das Quiteron ist somit
ein größerer Stromverstärkungsfaktor kennzeichnend, als für den
Gray'schen Transistor.
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In diesem Fall, wie in der Japanischen Ungeprüften
Patentveröffentlichung (Kokai) No. 57-12575 beschrieben, muß die Quasi-
Partikel-Energie hoch sein, um die Energielücke wirksam zu
ändern. Das bedeutet, daß eine hohe Eingangshilfsspannung
erforderlich ist, wie im Gray'schen Transistor. Umgekehrt ist die
Ausgangsspannung im Quiteron im wesentlichen die gleiche, wie die
Energielückenspannung, daher ist auch schwierig, mit dem Quiteron
andere Anordnungen zu treiben.
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Weiter gibt es im Quiteron und im Gray'schen Transistor, bei
denen ein Tunnelübergang als ein Übergang für einen Ausgang
verwendet wird, das Problem, daß die Operationsgeschwindigkeit
von der Rekombinationszeit der Quasi-Partikel bestimmt wird. Das
Problem leitet sich von der Tatsache ab, daß, da die tatsächliche
Wahrscheinlichkeit der Quasi-Partikelübertragung im
Tunnelübergang äußerst gering ist, die Relaxationsgeschwindigkeit der
Quasi-Partikeldichte im Supraleiter im wesentlichen die gleiche
wird, wie die Rekombinationszeit der Quasi-Partikel. Die echte
Rekombinationszeit der Quasi-Partikel beträgt gewöhnlich einige
wenige hundert psec oder mehr.
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Andererseits besitzen Supraleiteranordnungen, die die
vorliegende Erfindung verkörpern, eine Zone, die wir als einen
"Quasi-Partikel-Kollektorübergang" bezeichnen. Die
Einfangwahrscheinlichkeit dieses Übergangs, das heißt die
Übertragungswahrscheinlichkeit der Quasi-Partikel, ist größer, verglichen mit dem
Tunnelübergang. In der Praxis wird eine Einfangwahrscheinlichkeit
von 10&supmin;³ oder höher benötigt. Die Übertragungswahrscheinlichkeit
des Quasi-Partikel-Kollektorübergangs beträgt idealerweise das 1
-, 10&sup5; - bis 10&sup7; - Fache jener eines Tunnelübergangs. Der
Quasi-Partikel-Kollektorübergang der vorliegenden Erfindung
besitzt nicht nur eine hohe
Quasi-Partikel-Übertragungswahrscheinlichkeit. Falls nur eine hohe
Übertragungswahrscheinlichkeit gefordert wäre, könnte ein Tunnelübergang mit einer äußerst
dünnen Dicke der Schwelle verwendet werden. Falls jedoch eine
Vorspannung an einen solchen Tunnelübergang angelegt wäre, würden
nicht nur die Quasi-Partikel im Supraleiter aus dem
Tunnelübergang entkommen, sondern es würde auch ein großer Betrag
an Quasi-Partikel-Strom in den Supraleiter fließen. Der Quasi-
Partikel-Strom existiert ohne Rücksicht auf die Quasi-Partikel-
Injektion von der Elektrode für die Injektion der Quasi-Partikel.
Weiters wird in einem Tunnelübergang mit einer hohen
Übertragungswahrscheinlichkeit ein äußerst großer Quasi-Partikel-
Strom von einer kleinen Spannung erzeugt. In einer Anordnung,
welche eine dünne Tunnelschwelle als einen Übergang für einen
Ausgang besitzt, kann daher das Ausgangssignal nicht durch das
Inputsignal gesteuert werden.
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Ein anderes Merkmal des Quasi-Partikel-Kollektorübergangs in
der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß beinahe keine
Quasi-Partikel-Injektion vom Kollektorübergang in den Supraleiter
unter gewöhnlichen Vorspannungsbedingungen ausgeführt wird.
Dieses Merkmal erlaubt dem Quasi-Partikel-Übergang der
vorliegenden Erfindung im wesentlichen gleich zu funktionieren
wie der Kollektorübergang eines bipolaren Halbleitertransistors.
Quasi-Partikel, die aus einem Kontaktteil für Quasi-Partikel-
Injektion, hiernach als ein Quasi-Partikel-Emitter bezeichnet,
injiziert sind, laufen durch einen Supraleiter, hiernach als eine
Basis bezeichnet, und den Quasi-Partikel-Kollektor, und fließen
dann zu einer äußeren Elektrode. Diese Operation ist ähnlich
jener eines bipolaren Halbleitertransistors. Da die Mobilität der
Übertragungswahrscheinlichkeit eines Quasi-Partikel-Kollektors im
Supraleiter der vorliegenden Erfindung hoch ist, wird die
Betriebszeit der Anordnung nicht von der Rekombinationszeit der
Quasi-Partikel limitiert. Der Grund ist, daß beinahe alle der
injizierten Quasi-Partikel den Quasi-Partikel-Kollektorübergang
nach einer sehr kurzen Zeit erreichen, um zu einer äußeren
Elektrode zu fließen. Da sich ein Quasi-Partikel mit einer
Geschwindigkeit der Größenordnung einer Fermi-Geschwindigkeit,
ungefähr 10&sup6; m/sec, bewegt, werden nur ungefähr 0,1 psec
benötigt, um durch die gewöhnliche Basisschicht mit einer Breite
von 100 bis 200 nm zu laufen.
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Das Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß
ein Halbleiter-Supraleiter-Kontakt mit einer niedrigen
Schwellenhöhe, oder mit einem Tunnelübergang mit einer niedrigen
Schwellenhöhe, als ein Quasi-Partikel-Kollektorübergang verwendet
werden, welcher die Quasi-Partikel mit einer hohen Ausbeute
einfängt.
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Das Operationsprinzip einer Supraleiteranordnung, die einen
solchen Quasi-Partikel-Kollektorübergang besitzt, wird nun mit
Bezug auf Fig. 1 erklärt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine Zone der Anordnung, die auf
dem Supraleitermaterial gebildet ist, mit einer anderen Zone der
Anordnung, die auf dem Supraleitermaterial gebildet ist, in
Kontakt, und eine Energieschwelle mit der Höhe ψ, gemessen vom
Fermi-Niveau, wird am Übergang zwischen den zwei Zonen gebildet.
In diesem Fall wird eine Energielücke Δ statt ψ zur Einfachheit
verwendet.
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Nun wird eine positive Spannung, verglichen mit der
Supraleiterzone, an den Quasi-Partikel-Kollektor, der von der
Halbleiterzone gebildet wird, angelegt.
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Der Prozeß, bei dem ein Elektron, welches in einem
Quasi-Partikel-Zustand in der Supraleiterzone aufrechterhalten
wird, über den Quasi-Partikel-Kollektorübergang zur
Halbleiterzone übertragen wird, wird unten erklärt.
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Dieses Elektron wird an einem Energieniveau höher als das
Fermi-Niveau der Supraleiterzone durch E aufrechterhalten, wobei
E die Anregungsenergie des Quasi-Partikels ist, die größer als
die Energie Δ ist. Das Elektron fließt daher frei über die
Schwelle in die Halbleiterzone. Andererseits wird in der
Halbleiterzone ein elektrisches Feld aufrechterhalten, das in
eine Richtung gerichtet ist, welche das Elektron aus dem Übergang
zieht. Elektronen im Quasi-Partikel-Zustand, die auf den
Kollektorübergang einfallen, werden so eingefangen und fließen
zur Halbleiterzone hinaus.
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Der Prozess, bei dem supraleitende Cooper-Paare in der
supraleitenden Zone zerfallen, und die erhaltenen Elektronen, die
im Quasi-Partikel-Zustand aufrechterhalten werden, in die
Halbleiterzone übertragen werden, wird erklärt. Die in die
Halbleiterzone übertragenen Elektronen werden durch E an einem
Energieniveau gehalten, welches niedriger als die Fermi-Energie
ist. Falls dieses Niveau im verbotenen Band liegt, oder falls die
Höhe der Schwelle ausreichend größer als das Niveau ist, tritt
ein derartiger Elektronenbewegungsprozeß nicht auf. Cooper-Paare,
welche als sogenannte Majoritätsträger im Supraleiter existieren,
tragen so zum Strom des Quasi-Partikel-Kollektor-übergangs nicht
bei. Die Quasi-Partikel, die zum Strom des Quasi-Partikel-
Kollektorübergangs beitragen, sind die Quasi-Partikel, die aus
einer weiteren Zone, das heißt dem
Quasi-Partikel-Emitterübergang, injiziert werden, und Quasi-Partikel, die durch Anregung
durch Photonen im Halbleiter oder in der Basiszone der Anordnung
erzeugt werden.
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Das Operationsprinzip einer Halbleiteranordnung, welche
einen Quasi-Partikel-Emitterübergang und einen Quasi-Partikel-
Kollektorübergang besitzen, werden nun mit Bezug auf die
Zeichnungen 2A bis 2D erklärt.
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Wie in Fig. 2A gezeigt, wird eine dünne, supraleitende
Basisschicht B, die zum Beispiel aus Nb besteht, zwischen einen
Quasi-Partikel-Kollektorübergang und einen Quasi-Partikel-
Emitterübergang eingebaut. Der Emitter, dargestellt mit E, und
der Kollektor, dargestellt mit C, sind beide aus InSb gefertigt.
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Wie in Fig. 2B dargestellt, wird am Quasi-Partikel-Emitter E
eine negative Vorspannung VEB von ungefähr 1,5 bis 2 meV an der
Seite des Halbleiters angelegt. Eine Kollektor-Basis-Spannung VCB
beträgt ungefähr 4 meV. Beinahe alle Elektronen, die in den
Quasi-Partikel-Zustand aus dem Quasi-Partikel-Emitter E injiziert
werden, fließen in den Quasi-Partikel-Übergang, aber einige
rekombinieren, um Cooper-Paare zu bilden, und fließen zur
Basiselektrode aus (nicht gezeigt).
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Falls der Quasi-Partikel-Emitterstrom mit IE ausgedrückt
wird, kann daher der Quasi-Partikel-Kollektorstrom IC durch
folgenden Ausdruck (1) dargestellt werden.
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IC =αIE + Isat
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worin α ein Stromtransferkoeffizient ist. Die Zeit, in der
injizierte Quasi-Partikel in der Basiszone bleiben, bevor sie vom
Quasi-Partikel-Kollektorübergang eingefangen werden, kann durch
die Zeit bestimmt werden, in welcher die Quasi-Partikel in der
Basiszone laufen. Diese Zeit wird als ungefähr 0,1 psec
angenommen, wie oben erwähnt. Die Aufenthaltszeit in der Basiszone wird
etwas erhöht durch Zerstreuung der Quasi-Partikel in der
Basiszone, oder durch die Übertragungswahrscheinlichkeit des
Quasi-Partikel-Kollektorübergangs, wenn dieser Faktor kleiner als
1 ist. Andererseits ist die Rekombinationszeit von Quasi-
Partikeln zumindest einige hundert psec bis wenige nsec und damit
zwei bis drei Größenordnungen größer als die Aufenthaltszeit in
der Basiszone. Daraus folgt, daß angenommen wird, daß beinahe
alle Quasi-Partikel in den Quasi-Partikel-Kollektor C ohne
Rekombination fließen. Daher wird der Wert α beinahe 1.
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Der obige Ausdruck (1) bedeutet, daß eine
Supraleiteranordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, ähnlich
funktioniert, wie ein bipolarer Halbleitertransistor. Da α
beinahe 1 ist, kann ein großer Stromverstärkungsfaktor durch ein
Emitter-Masse-Schaltkreissystem erzielt werden.
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Wie oben erklärt, benötigt eine Supraleiteranordnung, die
die vorliegende Erfindung verkörpert, nicht notwendigerweise eine
Änderung in der Energielücke für die Operation. Weiters ist die
Zeit, in der die Quasi-Partikel in der Basiszone bleiben, sehr
kurz, was eine Operation mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
Die Arbeitsspannung beträgt ein paar Millivolt, und die Leistung
ist beträchtlich klein.
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Die Schwellenhöhe ψ wird durch die Energielücke Δ vom
Fermi-Niveau zur Einfachheit in den Fig. 1 und 2B gezeigt, aber
die tatsächliche Lage der Schwellenhöhe wird in Fig. 2C gezeigt.
Die Kurve L&sub1; in Fig. 1 und die Kurve L&sub3; in Fig. 2B entsprechen
nämlich eigentlich der Kurve L&sub5; in Fig. 2C. In Fig. 2C ist die
Schwellenhöhe definiert als die Höhe vom Fermi-Niveau zum Teil A,
dem höchsten Teil der Kurve L&sub5;. Der höchste Teil A ist niedriger
als das Niveau der Energielücke Δ . Weiters muß die Breite W
zwischen dem Quasi-Partikel-Kollektorübergang und einer
vertikalen Linie, auf der der Teil A liegt, kleiner sein, als der
mittlere freie Weg im Halbleiter, um wirksam Quasi-Partikel
innerhalb der Kollektorzone C einzufangen.
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Fig. 2D zeigt ein Energiediagramm für die Anordnung in
Abwesenheit von Vorspannungen. Wie in Fig. 2D gezeigt, ist das
Energieniveau im Emitter E im wesentlichen das gleiche, wie jenes
im Kollektor C.
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Figur 3 ist ein Energiediagramm, das die Struktur einer
Anordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, darstellt,
worin die Emitterzone E und die Basiszone B aus Supraleitern
sind. In Fig. 3 wird eine Basis-Kollektorvorspannung VE angelegt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit
Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschrieben.
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Die Anordnung von Fig. 4 besitzt, gebildet auf einem
Halbleitersubstrat 1 aus zum Beispiel GaAs, InP, InAs, oder InSb,
eine Zone, die einen dünnen Film 2 aus einem Supraleitermaterial
umfaßt, zum Beispiel eine Pb-Legierung, Nb oder NbN. Auf dem
dünnen Film 2 aus Supraleiter wird ein Tunneloxidfilm 5 durch ein
Fenster gebildet, welches in einer isolierenden Schicht 6
gebildet ist, zum Beispiel ein aufgedampfter SiO-Film, oder ein
SiO&sub2;-Film, der durch ein chemisches Aufdampfverfahren (CVD)
abgelagert ist, durch ein Sputter-Verfahren oder ähnliches. Der
Tonneloxidfilm 5 besitzt eine auf ihm gebildete Elektrode 3 zum
Injizieren von Quasi-Partikeln und eine Elektrode 4 für die
Basisvorspannung Die Elektrode 3 kann aus Aluminium, Molybdän
oder ähnlichem bestehen, welche normal leitende Metalle sind, und
die Elektrode 4 kann aus einem Supraleitermaterial gefertigt
sein, zum Beispiel eine Pb-Legierung oder Nb. Die Elektrode 3 und
der Teil des Tunneloxidfilms 5, auf welchem sie vorgesehen ist,
bilden zusammen eine Emitterzone der Anordnung. Das
Halbleitersubstrat 1, auf welchem der Supraleiterfilm 2 gebildet ist,
bildet eine Kollektorzone der Anordnung. Die Höhe der
Energieschwelle, die am Übergang zwischen der Basis- und der
Kollektorzone gebildet ist, das heißt die Höhe der Schwelle am
Kontaktteil Supraleiter-Halbleiter, ist beträchtlich niedrig.
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Zwischen dem Supraleiter der Elektrode 4 und dem dünnen
Supraleiterfilm 2, welche als eine Basis arbeiten, ist ein
Josephson-Übergang gebildet. Kein elektrisches Potential wird
durch einen gewöhnlichen Basisstrom erzeugt. Eine
Kollektorelektrode 7 ist mit dem Halbleitersubstrat 1 durch einen
Ohm'schen Kontakt verbunden.
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In dieser Ausführungsform wird die Dicke der Basiszone auf
einfache Weise verringert. So können eine hohe
Stromtransferfunktion und ein kleiner gesättigter Basis-Masse-Strom
Isat verwirklicht werden. Umgekehrt, da ein Tunnelübergang
zwischen der Basis-Vorspannungselektrode und der Basiszone
vorhanden ist, kann der Transfer der Quasi-Partikel aus der
Basis-Vorspannungselektrode zur Basiszone verringert sein,
wodurch Isat vorteilhafterweise verringert wird. Die
Wahrscheinlichkeit für das Einfangen der Quasi-Partikel ist
ungefähr 10&supmin;² bei der Ausführungsform von Fig. 4.
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Figur 5 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist ein Supraleiter 12, der als
Basiszone wirkt, in einem in einem Halbleitersubstrat 11
gebildeten Kanal begraben, der eine geringe Breite besitzt. Das
Halbleitersubstrat 11 besitzt eine Schicht 11(a) mit
Isolierungscharakteristiken bei einer Betriebstemperatur von ungefähr 4,2 K
und eine aktive Schicht 11(b). Der im Halbleitersubstrat 11
gebildete Kanal isoliert den Emitter- und Kollektorteil der
aktiven Schicht 11(b). Ein Supraleiter 14 steht in Kontakt mit
dem Supraleiter 12 über einen Tunneloxidfilm 15, wobei ein
Josephson-Übergang gebildet wird. Der Supraleiter 14 arbeitet in
dieser Anordnung als eine Basiselektrode. Ohm'sche Elektroden 17
und 18 sind als eine Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode
auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 11 vorgesehen. Die
Wahrscheinlichkeit des Einfangens von Quasi-Partikeln ist in der
Anordnung von Fig. 5 ungefähr 10&supmin;².
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In der Ausführungsform von Fig. 5 wird ein Supraleiter-
Halbleiter-Kontakt als ein Quasi-Partikel-Emitter verwendet. Da
der Supraleiter-Halbleiter-Kontakt eine geringe Kapazität
besitzt, sind die Lade- und Entladezeiten des Emitters kurz,
wobei sie ermöglichen, daß die Anordnung vorteilhafterweise mit
einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden kann.
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In der vorliegenden Erfindung kann der als Basiszone
verwendete Supraleiter aus supraleitenden Schichten, inklusive
Metallschichten, zusammengesetzt sein.