GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung und insbesondere eine optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung, die auf eine Vorrichtung zur optischen
Informationsverarbeitung usw. anwendbar ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine der herkömmlichen optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtungen ist in "Applied Physics Letters 45(1)", Seiten
13 bis 15, erschienen am 1. Juli 1984, beschrieben. Die
optisch bistabile Photodiodenvorrichtung weist eine
PIN-Photodiode und eine Konstantspannungsversorgung auf, von der eine
Vorspannung in Sperrichtung über einen Reihenwiderstand an
der PIN-Photodiode angelegt wird. Zur PIN-Photodiode gehört
eine Mehrfachschicht innerhalb eines Eigenleitungsbereichs,
an der ein elektrisches Feld senkrecht entsprechend der
Vorspannung in Sperrichtung angelegt ist.
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Im Betrieb wird eine Wellenlänge des einfallenden Lichts
so gewählt, daß sie in der Nähe der Exzitonresonanzposition
für eine Nullspannung an der Photodiode liegt. Bei niedriger
optischer Leistung ist die Versorgungsspannung im
wesentlichen an der Photodiode angelegt, da es infolge des kleinen
Photostroms zu keinem Spannungsabfall durch den
Reihenwiderstand kommt, so daß die Exzitonabsorption zu längeren
Wellenlängen verschoben wird. Bei Erhöhung der optischen Leistung
erhöht sich der Photostrom, so daß sich eine an der
Photodiode angelegte Spannung verringert. Dies führt zur Erhöhung
der Exzitonabsorption infolge der Rückbewegung der
Exzitonresonanzen, wodurch sich der Photostrom weiter erhöht. Als
Ergebnis kommt es zu einem optisch bistabilen Schaltbetrieb in
der PIN-Photodiodenvorrichtung.
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Eine solche optisch bistabile Photodiodenvorrichtung
gemäß der vorstehenden Beschreibung hat zwei stabile
Zustandsmerkmale
und eine nichtlineare Lichtdurchlässigkeit
hinsichtlich der optischen Ein- und Ausgabe. Daher wird davon
ausgegangen, daß in naher Zukunft die Photodiodenvorrichtung in
einer optischen Arithmetikeinheit und einem optischen
Speicher für eine Vorrichtung zur optischen
Informationsverarbeitung die wichtigste Rolle spielen wird. Aus diesem Grund
befaßten sich Forschung und Entwicklung weltweit in vielen
Institutionen immer wieder mit einer solchen
Photodiodenvorrichtung, was auch künftig der Fall sein wird.
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Schaltgeschwindigkeit und Stromverbrauch sind die
wichtigsten Merkmale für eine solche Photodiodenvorrichtung,
besonders in einer Vorrichtung zur optischen digitalen
Arithmetikverarbeitung, die ein Anwendungsfeld unter dem Aspekt
solcher vorteilhaften Eigenschaften des Lichts wie hohe
Geschwindigkeit und störungsfreie Parallelverwendung darstellt.
Beispielsweise wurde dem Energieverbrauch, der das Produkt
aus Schaltgeschwindigkeit und Stromverbrauch ist, als einem
Leistungsmerkmal der optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung große Aufmerksamkeit gewidmet, und in Forschung und
Entwicklung wird nach wie vor eine Senkung dieses
Energieverbrauchs angestrebt.
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Berichten zufolge beträgt der Energieverbrauch in der
optisch bistabilen Photodiodenvorrichtung gemäß der
vorstehenden Beschreibung jedoch bis zu 1 nJ, trotz der Tatsache,
daß für den Energieverbrauch nur 1 pJ und sogar 1 fJ als
Zielwert für einen praktischen Einsatz einer Vorrichtung zur
optischen digitalen Arithmetikverarbeitung wünschenswert
sind.
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In dieser Hinsicht unterliegt die Verringerung des
Energieverbrauchs einer Einschränkung, da wegen des
Betriebsprinzips in der herkömmlichen optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung ein Vorspannungswiderstand in seinem Wert nicht über
eine gewisse Grenze hinaus verringert werden kann, obwohl die
Ansprechzeit schnell und umgekehrt proportional zu einer
Zeitkonstante auf der Grundlage des Vorspannungswiderstands
und der Sperrschichtkapazität der Photodiode sein kann.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, eine
optisch bistabile Photodiodenvorrichtung zu schaffen, in der
ein schnelles Ansprechen ohne Verschlechterung anderer
Merkmale erreicht werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
optisch bistabile Photodiodenvorrichtung zu schaffen, in der
der Stromverbrauch verringert ist.
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Erfindungsgemäß weist eine optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung auf:
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eine Photodiode, in der sich die Lichtabsorption
entsprechend einer daran anzulegenden Spannung ändert,
eine Schaltung zum Detektieren und Verstärken eines
durch die Photodiode fließenden Photostroms und
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eine Schaltung zum Steuern der an der Photodiode
anzulegenden Spannung entsprechend der Ausgabe der Schaltung zum
Detektieren und Verstärken innerhalb eines Bereiches, der
erforderlich ist, um einen optisch bistabilen Betrieb zu
erreichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend wird die Erfindung näher anhand der
beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltbild einer optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung in einer ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
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Fig. 2 eine erläuternde Ansicht der optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung in der ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
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Fig. 3 ein Schaltbild einer optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung in einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
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Fig. 4 eine erläuternde Ansicht der optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung in der zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 zeigt eine optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die
optisch bistabile Photodiodenvorrichtung weist auf: eine
Photodiode 101, eine Verstärkungsschaltung 102 mit einem
Widerstand 121 und einem Transistor 122 und einen
Vorspannungswiderstand 103, wobei die p-Elektrode der Photodiode 101 mit
einem Anschlußpunkt zwischen dem Widerstand 121 und der Gate-
Elektrode des Transistors 122 verbunden ist, während ihre n-
Elektrode mit einem Anschlußpunkt zwischen dem
Vorspannungswiderstand 103 und dem Transistor 122 verbunden ist. Eine
Spannung von -1 V ist an einem Anschluß 141 des Widerstands
121 angelegt, und eine Spannung von +3 V ist an einem
Anschluß 143 des Vorspannungswiderstands 103 angelegt, während
ein Anschluß 142 des Transistors 122 mit Erde verbunden ist.
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Fig. 2 zeigt eine optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung gemäß der Beschreibung von Fig. 1, die so hergestellt
ist, daß sie auf einem halbisolierenden Substrat 100 aus GaAs
auf monolithische Weise integriert ist. Die Photodiode 101
weist auf: eine n-Hüllschicht 11 aus n-Al0,6Ga0,4As mit einer
Dicke von 1 um, eine Mehrfachschicht 12 mit zweihundert
Schichten aus nichtdotiertem GaAs und Al0,4Ga0,6As mit jeweils
einer Dicke von 50 Å, die abwechselnd auf einer Oberfläche
der n-Hüllschicht 11 ausgebildet sind, eine p-Hüllschicht 13
aus Al0,6Ga0,4As mit einer Dicke von 1 um, die auf der
gegenüberliegenden Seite der n-Hüllschicht 11 zur Mehrfachschicht
12 ausgebildet ist, wobei die n-Elektrode 14 auf einem
verlängerten Abschnitt der n-Hüllschicht 11 vorgesehen ist und
die p-Elektrode 15 ein Fenster 16 für einfallendes Licht auf
der p-Hüllschicht 13 hat. Die n-Hüllschicht 11 ist auf einem
Abschnitt des Substrats 100 ausgebildet, durch den eine
Lichtaustrittsöffnung 17 vorgesehen ist, und die
Verstärkungsschaltung 102 und der Vorspannungswiderstand 103 sind
ebenfalls auf der gemeinsamen Oberfläche des Substrats 100
ausgebildet.
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In der vorstehend beschriebenen optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung wird das einfallende Licht so ausgewählt,
daß es eine Wellenlänge hat, bei der eine Resonanz unter
Exzitonabsorption erzeugt wird, wobei ein an der
Mehrfachschicht 12 anzulegendes elektrisches Feld gering ist. Der
Durchmesser der Photodiode 101 beträgt 40 um und ihre
Sperrschichtkapazität beträgt 0,2 pF. Der Widerstand 121 hat 1 kΩ
und detektiert den Photostrom der Photodiode 101. Der
Transistor 122 ist ein rauscharmer MES-FET, in dem die
Eingangskapazität 0,25 pF und die Steilheit 100 mS beträgt. Der
Vorspannungswiderstand 103 hat 2 kΩ und steuert die an der
Photodiode 101 anzulegende Spannung entsprechend einem
Spannungsabfall, der proportional zum Photostromsignal ist, das
in der Verstärkungsschaltung 102 verstärkt wird.
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In der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt
ein optisch bistabiler Betrieb in Übereinstimmung mit einem
elektrischen Feldeffekt der Exzitonabsorption in der
Mehrfachschicht 12 der Photodiode 101, wobei der Photostrom in
der Verstärkungsschaltung 102 so verstärkt wird, daß eine an
der Mehrfachschicht 12 angelegte Spannung zurückgeführt wird.
Im optisch bistabilen Betrieb hängen Ansprechgeschwindigkeit
und Stromverbrauch vom Wert des elektrischen Feldeffekts bei
der Exzitonabsorption sowie vom Stromkreisparameter des
Vorspannungswiderstands 103 ab. Anders ausgedrückt muß eine an
der Photodiode 101 angelegte Spannung um 2 V geändert werden,
um eine Energieverschiebung in der Exzitonabsorption zu
bewirken, die für einen optisch bistabilen Betrieb erforderlich
ist.
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In der Schaltung der ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform beträgt, einschließlich einer Streukapazität der
Verdrahtung von 50 fF, die gesamte Eingangskapazität des
Transistors 122 0,5 pF, so daß die als Produkt aus Kapazität
des Transistors 122 und Widerstandswert des Widerstands 121
bestimmte CR-Zeitkonstante 500 pS beträgt. Ferner beträgt die
anhand des Vorspannungswiderstands 103 und der Photodiode 101
zu bestimmende CR-Zeitkonstante 400 pS. Andererseits beträgt
eine Stromverstärkung in der Verstärkungsschaltung 102 das
100-fache in Abhängigkeit vom Produkt aus dem Widerstandswert
des Widerstands 121 und der Steilheit des Transistors 122,
und ein Ausgabestrom, der für die Spannungsänderung von 2 V
im Vorspannungswiderstand 103 von 2 kΩ erforderlich ist,
beträgt 1 mA in der Verstärkungsschaltung 102. Somit erfolgt
der optisch bistabile Schaltbetrieb, wenn der Photodiode 101
eine Lichtleistung von etwa 10 uW zugeführt wird, sofern die
Quantenausbeute der Exzitonabsorption in ihr 80% beträgt.
Ferner wird eine Schaltgeschwindigkeit von 1 nS erreicht,
während der Energieverbrauch 10 fJ beträgt, also ein
Hunderttausendstel im Vergleich zur herkömmlichen optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung.
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Obwohl Aufbau und Betrieb einer optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung in der ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform näher beschrieben wurden, werden nachfolgend
allgemeine Erläuterungen zum Betrieb einer erfindungsgemäßen
optisch bistabilen Photodiodenvorrichtung gegeben.
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In einer PIN-Photodiode mit einer Mehrfachschicht aus
GaAs- und AlGaAs-Schichten wird das zuzuführende einfallende
Licht so ausgewählt, daß es eine geringe Lichtstärke und eine
Wellenlänge hat, bei der es zur Exzitonabsorption kommt, wenn
ein an der Mehrfachschicht angelegtes elektrisches Feld
gering ist. Bei Anlegen einer Spannung an der Photodiode, die
in einer Vorspannungsschaltung durch eine Ausgabe einer
Verstärkungsschaltung zu ändern ist, in der der durch die
Photodiode fließende Photostrom zum Verstärken detektiert wird,
ist die Lichtabsorption in der Photodiode gering, so daß die
durchgeleitete Lichtstärke hoch ist, da sich die
Exzitonabsorption infolge eines elektrischen Feldeffekts der
Mehrfachschicht zu längeren Wellenlängen verschiebt. Wird
anschließend die Lichtstärke des einfallenden Lichts erhöht, steigt
der Photostrom in der Photodiode, was eine Verringerung des
an der Mehrfachschicht angelegten elektrischen Felds infolge
eines Spannungsabfalls an der Vorspannungsschaltung bewirkt,
der eine Ausgabe der Verstärkungsschaltung zugeführt wird.
Dadurch verringert sich die Verschiebung der
Exzitonabsorption, was zu einer weiteren Erhöhung des durch die Photodiode
fließenden Photostroms führt, so daß sich das an der
Mehrfachschicht angelegte elektrische Feld stark verringert und
dadurch die Lichtabsorption darin stark erhöht; im Ergebnis
fällt die Lichtstärke des die Photodiode passierenden Lichts
rapide von einem hohen auf einen niedrigen Wert ab. Somit
wird eine optisch bistabile Charakteristik zwischen dem zur
Photodiode geführten einfallenden Licht und dem aus der
Photodiode austretenden Licht erreicht.
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In einer solchen optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung ist die Ansprechgeschwindigkeit von der Zeitkonstante
abhängig, die anhand von Parametern einer
Verstärkungsschaltung zum Detektieren des zu verstärkenden Photostroms und
einer Vorspannungsschaltung bestimmt wird, der eine Ausgabe der
Verstärkungsschaltung zuzuführen ist. Besteht die
Verstärkungsschaltung aus einem rauscharmen und schnellen
Elektronikbaustein, in dem der Photostrom niederohmig umgewandelt
wird, kann eine Vorspannungsschaltung zum Ändern einer an der
Photodiode angelegten Spannung niederohmig sein, so daß der
Widerstandswert des Vorspannungswiderstands, der in der
herkömmlichen optisch bistabilen Photodiodenvorrichtung dazu
beiträgt, eine schnellere Ansprechgeschwindigkeit zu
verhindern, bedeutend geringer sein kann, was zu einem wesentlich
niedrigeren Energieverbrauch führt.
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Alternativ kann anstelle der Exzitonabsorption ein
elektrischer Feldeffekt einer Bandkantenabsorption angewendet
werden. Auch in diesem Fall ergibt sich eine optisch
bistabile Photodiodenvorrichtung mit geringem Energieverbrauch
nach genau dem gleichen Prinzip, außer daß die Polarität des
Ausgabesignals von der Verstärkungsschaltung umgekehrt ist.
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Fig. 3 zeigt eine optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die
optisch bistabile Photodiodenvorrichtung weist auf: eine
Photodiode 201, eine Verstärkungsschaltung 202 mit Widerständen
221 und 222 sowie Transistoren 224 und 225 und einen
Vorspannungswiderstand 203, wobei die p-Elektrode der Photodiode 201
mit einem Anschlußpunkt zwischen dem Widerstand 221 und der
Gate-Elektrode des Transistors 224 verbunden ist, während
ihre n-Elektrode mit einem Anschlußpunkt zwischen dem
Vorspannungswiderstand 203 und dem Kollektor des Transistors 225
verbunden ist. Eine Spannung von -1,01 V ist an einem
Anschluß 241 des Widerstands 221, eine Spannung von -1 V an
einem Anschluß 243 des Transistors 225 und eine Spannung von
+3 V an einem gemeinsamen Anschluß 244 des
Vorspannungswiderstands 203 und des Kollektors des Transistors 224 angelegt,
während ein Anschluß 242 des mit den Emittern der
Transistoren 224 und 225 verbundenen Widerstands 222 mit Erde
verbunden ist.
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Fig. 4 zeigt die optisch bistabile
Photodiodenvorrichtung gemäß der Beschreibung von Fig. 3, die so hergestellt
ist, daß sie auf einem halbisolierenden Substrat 200 aus InP
auf monolithische Weise integriert ist. Die Photodiode 201
weist auf: eine n-Hüllschicht 21 aus n-InP mit einer Dicke
von 1 um, eine Mehrfachschicht 22 mit zweihundert Schichten
aus nichtdotiertem InAlAs und InGaAs mit jeweils einer Dicke
von 50 Å, die abwechselnd auf einer Oberfläche der
n-Hüllschicht 21 ausgebildet sind, eine p-Hüllschicht 23 aus p-InP
mit einer Dicke von 1 um, die auf der gegenüberliegenden
Seite der n-Hüllschicht 21 zur Mehrfachschicht 22 ausgebildet
ist, wobei die n-Elektrode 24 auf einem verlängerten
Abschnitt der n-Hüllschicht 21 vorgesehen ist und die
p-Elektrode 25 ein Fenster 26 für einfallendes Licht auf der p-
Hüllschicht 23 hat. Die n-Hüllschicht 21 ist auf einem
Abschnitt des Substrats 200 ausgebildet, durch den Licht
geleitet wird, um an der spiegelpolierten Unterseite auszutreten,
und die Verstärkungsschaltung 202 sowie der
Vorspannungswiderstand 203 sind ebenfalls auf der gemeinsamen Oberfläche
des Substrats 200 ausgebildet.
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In der vorstehend beschriebenen optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung wird das einfallende Licht so ausgewählt,
daß es eine Wellenlänge hat, bei der eine Resonanz
entsprechend einer Bandkantenabsorption erzeugt wird, wobei ein an
der Mehrfachschicht 22 angelegtes elektrisches Feld gering
ist. Der Durchmesser der Photodiode 201 beträgt 40 um und
ihre Sperrschichtkapazität beträgt 0,2 pF. Der Widerstand 221
hat 1 kΩ und detektiert den Photostrom der Photodiode 201,
der Widerstand 222 hat 100 Ω und ist mit den Emittern der
Transistoren 224 und 225 verbunden, und der
Vorspannungswiderstand 203 hat 2 kΩ. Die Transistoren 224 und 225 sind
rauscharme InGaAs-Feldeffekttransistoren, deren
Eingangskapazität 0,25 pF und deren Steilheit 100 mS beträgt.
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In der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt
ein optisch bistabiler Betrieb in Übereinstimmung mit einem
elektrischen Feldeffekt einer Bandkantenabsorption in der
Mehrfachschicht 22, wobei der Photostrom in der
Verstärkungsschaltung 202 so verstärkt wird, daß eine an der
Mehrfachschicht 22 angelegte Spannung zurückgeführt wird, um in einer
Richtung verändert zu werden, in der die Lichtabsorption in
der Photodiode 201 größer wird. Auf nochmalige Erläuterungen
wird an dieser Stelle verzichtet, da der Betrieb wie in der
ersten Ausführungsform mit Ausnahme der Tatsache erfolgt, daß
ein entsprechend dem Photostrom in der Photodiode 201
zurückzuführendes Signal in seiner Polarität umgekehrt wird, da
anstelle einer Exzitonabsorption ein elektrischer Feldeffekt
einer Bandkantenabsorption in der Mehrfachschicht 22 genutzt
wird. Daher kommt es aus dem gleichen Grund wie in der ersten
Ausführungsform auch in der optisch bistabilen
Photodiodenvorrichtung der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zu
einer bedeutenden Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit und
des Stromverbrauchs im Vergleich zu einer herkömmlichen
optisch bistabilen Photodiodenvorrichtung.
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Obwohl in der ersten und zweiten Ausführungsform
Parameter festgelegt sind, können deren Werte geändert werden, wenn
Photostrom zum Verstärken detektiert und eine Vorspannung an
einer Photodiode angelegt wird. Beim Herstellen der
Photodiode kann außerdem eine solche Struktur wie ein Übergitter,
ein Superdünnfilm, eine Volumenstruktur usw. verwendet
werden. Ferner kann das einfallende Licht so ausgewählt werden,
daß es eine optimale Wellenlänge hat, bei der ein optisch
bistabiler Betrieb erfolgt. Außerdem können zusätzlich zu dem
GaAs-System und dem InP-System der ersten und zweiten
Ausführungsform auch solche Materialien wie ein Verbundmaterial aus
einem GaAs- und InP-System, ein GaSb-System usw. ausgewählt
werden.
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Obwohl die Erfindung zur vollständigen und deutlichen
Offenbarung anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben
wurde, sind die beigefügten Ansprüche nicht darauf
beschränkt, sondern sollen alle Abwandlungen und
Alternativaufbauten einbeziehen, die dem Fachmann deutlich sein dürften
und der dargestellten grundsätzlichen Lehre entsprechen.