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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tast-
und Haltekreis, dessen Tastschalter ein Feldeffekttransistor
ist. Der Tastschalter ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Transistor optisch steuerbar ist, entweder mit Hilfe eines
Halbleiterlasers, der unmittelbar mit der Gatezone des
Transistors gekoppelt ist, oder mit Hilfe eines Lasers und einer
Lichtleitfaser. Die optische Steuerung des Transistors, der
von Materialien der Gruppe III-V gebildet wird, wie z.B. GaAs
oder InP, erlaubt es, den Tast- und Haltekreis bei Frequenzen
in der Größenordnung von 1 GHz oder mehr zu betreiben.
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Die Tast- und Haltekreise mit Transistoren gemäß Figur
1 sind wohlbekannt. Ein analoges Signal, das durch eine
Sinuswelle symbolisiert ist, wird an den Eingang 1 des Tastkreises
angelegt, nämlich an die Source eines als Schalter wirkenden
Transistors 2. Dieser Transistor ist oftmals ein
Feldeffekttransistor und kann auf der Basis von Silizium oder von den
Materialien der Gruppe III-V, wie z.B. GaAs, je nach der
Arbeitsfrequenz ausgebildet sein. Wenn der Transistor 2 leitend
ist, dann lädt das Signal einen Speicherkondensator 3 auf.
Eine Ausgangsschnittstelle 4 liefert am Ausgang 5 getastete
Werte, die je nach Art der Schnittstelle verstärkt,
digitalisiert oder mit anderen Werten gemischt usw. sind.
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Der Transistor 2 wird an seinem Gate mit Hilfe von
Impulsen gesteuert, die durch eine Spannung V&sub1; angedeutet wird.
Das Gate und die Source sind über einen Lastwiderstand R
miteinander verbunden, so daß im Gleichgewichtszustand die
Potentiale von Gate und Source gleich sind. In diesem üblichen
System werden die Paare von Elektronen und Löchern auf
elektrischem Weg erzeugt.
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Wenn dieses System auch für relativ niedrige
Frequenzen im MHz-Bereich gut geeignet ist, so treten doch Fehler
auf, die sich mit der Erhöhung der Frequenz verstärken. Die
Spannung VGS zwischen dem Gate und der Source, die das Öffnen
und Schließen des Kanals steuert, ist nämlich die Summe aus
der Spannung des Analogsignals und der Impulsspannung Vi. Je
nachdem, ob das Analogsignal in einem Punkt getastet wird, in
dem seine Spannung VM nahe dem Höchstwert liegt, oder in einem
Punkt, in dem die Spannung Vm nahe dem Mindestwert liegt,
variiert die Spannung VGS, da VM + Vi ≠ Vm + Vi. Daraus ergibt sich
eine Unsicherheit über den Kippzeitpunkt des Transistors 2 und
damit über den Tastzeitpunkt des Analogsignals. Der Transistor
verliert also seine Linearität mit steigender Frequenz.
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Im übrigen rührt aus der Entwicklung von
Lichtleitfasern zur Informationsübertragung die zunehmende Bedeutung von
Systemen her, die unmittelbar von Licht gesteuert werden.
Außerdem besitzt die optische Steuerung von Vorrichtungen
zahlreiche Vorteile, wie z.B. die nicht vorhandene elektrische
Kopplung, die galvanische Trennung des Steuerkreises, die
geringe Amplitude des optischen Steuersignals, nämlich einige
Mikrowatt, die mit den Ausgangspegeln der Halbleiterlaser oder
Elektrolumineszenzdioden kompatibel ist, und die geringe
Störanfälligkeit.
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Es ist weiter bekannt, daß die Materialien der Gruppe
III-V, wie z.B: GaAs, InP und ihre ternären und quaternären
Verwandten auf eine Lichtstrahlung einer geeigneten Welle
ansprechen, was Möglichkeiten für die Verwendung von Systemen
eröffnet, in denen integrierte Schaltkreise zugleich optische
und elektronische Signale verarbeiten.
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Ein erstes Ziel der Erfindung ist es also, einen Tast-
und Haltekreis vorzuschlagen, der einen mit einem Licht
geeigneter Wellenlänge gesteuerten Transistor auf der Basis von
Materialien der Gruppe III-V enthält. An das Gate des
Transistors wird eine Spannung angelegt, die der Summe der
Schwellspannung und der Spannung Vm sehr nahe kommt. Das Umkippen des
Transistors wird von einer Lichtstrahlung gesteuert, die von
einem Halbleiterlaser ausgeht.
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Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, einen Tast- und
Haltekreis mit einer großen Ansprechlinearität und hoher
Tastgeschwindigkeit
zu erhalten, da es keine Unsicherheit mehr
über den Zeitpunkt des Kippens des vom Transistor gebildeten
Schalters gibt.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine
hervorragende Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Strahlung
und elektrische Störsignale zu erzielen, da die Steuerung des
Tast- und Haltekreises auf optischem Weg erfolgt.
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Schließlich kann der Tast- und Haltekreis gemäß der
Erfindung auf einem Chip eines integrierten Schaltkreises
untergebracht werden, und die zur Betätigung erforderliche
optische Leistung liegt unter der, die von einem
Halbleiterlaser geliefert wird. Außerdem ist die vom Laser verbrauchte
Leistung geringer als die von einer die gleiche Funktion
realisierenden elektronischen Schaltung verbrauchte Leistung.
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Genauer gesagt, besteht die Erfindung in einem
Mikrowellentast- und -haltekreis mit einem zwischen dem Eingang für
ein elektrisches Signal und einem Speicherkondensator
liegenden Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein
Feldeffekttransistor ist, der mit einer optischen Steuerung
seiner Kanalzone versehen ist.
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Die Erfindung wird nun anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Figur 1 zeigt den bereits oben beschriebenen bekannten
Tast- und Haltekreis.
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Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen Tast- und
Haltekreis.
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Figur 3 zeigt die Anordnung der Metallbeläge eines
Schalttransistors in einem erfindungsgemäßen Tast- und
Haltekreis.
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Figur 4 zeigt die Kennlinie eines Halbleiterlasers,
der zur Steuerung des Transistors eines erfindungsgemäßen
Tast- und Haltekreises verwendet wird.
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Die prinzipielle Anordnung eines Tast- und
Haltekreises gemäß der Erfindung geht aus Figur 2 hervor. Wie beim
Stand der Technik wird ein am Eingang 1 vorliegendes
Analogsignal in einem Kondensator 3 gespeichert, wenn der Schalter 6
während einer sehr kurzen Zeit leitend ist. Eine
Ausgangsschnittstelle 4 verarbeitet die im Kondensator 3 gespeicherten
Tastproben und liefert sie an den Ausgang 5.
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Die Besonderheit dieses Tast- und Haltekreises besteht
darin, daß der Schalter 6 ein Transistor mit optischer
Steuerung ist. Dieser Transistor besteht aus den Materialien der
Gruppe III-V, deren am meisten verwendete Vertreter GaAs,
AlxGa1-xAs und InP sind. Es handelt sich also um einen
Feldeffekttransistor, dessen innere Struktur hier nicht im einzelnen
erläutert werden muß. Es kann sich um einen MESFET oder einen
Transistor mit Heteroübergang handeln, wie z.B. einen TEGFET,
und der Transistor kann im Ruhezustand gesperrt oder leitend
sei, vorausgesetzt, er wird durch eine Gatespannung
ausreichend vorgespannt, um den Kanal einzuschnüren. Das wichtigste
Kennzeichen dieses Transistors ist, daß er lichtempfindlich
ist und eine hohe Grenzfrequenz besitzt.
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Die Unterscheidung zwischen den verschiedenen
Absorptionstypen im Halbleitermaterial hängt von der Energie des
ankommenden Lichtstrahls im Vergleich zur Breite des
verbotenen Bands des Materials ab.
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Wenn also die Energie der ankommenden Strahlung gleich
oder größer als die Breite des verbotenen Bands des Materials
ist (hv > Eg), dann ergibt sich eine intrinsische
Lichtabsorption. Elektronen werden aus dem Leitband mit Konservierung des
Moments im Fall des direkten Übergangs zwischen Bändern
übertragen. Die Absorptionsschwelle kennzeichnet die Energie der
ankommenden Strahlung, für die gilt hv = Eg.
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Die intrinsische Absorption ergibt sich, wenn die
Wellenlänge der ankommenden Strahlung so gewählt ist, daß
gilt:
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λ(nm) < K/Eg(ev);
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hierbei ist K ein Beiwert.
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GaAs spricht auf eine Lichtstrahlung mit λ < 869 nm
(bei 300ºK) an und InP spricht auf eine Strahlung mit λ < 1500
nm an.
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Der Absorptionskoeffizient kennzeichnet die Abnahme
des ankommenden Photonenflusses in Richtung der Ausbreitung
der Lichtstrahlung durch die aktive Schicht des Transistors.
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Dieser Absorptionskoeffizient nimmt mit der Dotierung ab, so
daß die aktive Schicht des Transistors stark dotiert sein muß,
d.h. ≥ 10¹&sup8;at.cm&supmin;³.
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Der Transistor 6 wird mit einer Gleichspannung VP
vorgespannt, die an das Gate über einen Metallbelag 7 angelegt
wird, derart, daß sich der Transistor in einem Punkt knapp
unterhalb der Summe seiner Schwellspannung und von Vm befindet.
Der Transistor ist gesperrt und das am Eingang 1 anliegende
Signal ist von dem Speicherkondensator 3 isoliert.
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Die Kanalzone des Transistors 6 wird aber außerdem von
einem Lichtstrahl gesteuert, der schematisch in Figur 2 durch
eine Lichtleitfaser 8 angedeutet ist, welche die von einem
Halbleiterlaser 9 erzeugte Strahlung überträgt.
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Natürlich kann die optische Steuerung auf andere Weise
erfolgen, nämlich durch direkte Kopplung zwischen einem Laser
und einem Transistor oder durch eine andere Strahlungsquelle
als ein Halbleiterlaser: Die Lichtleitfaser ist lediglich ein
praktisches Kopplungsmittel zwischen einer Lichtquelle und der
Kanalzone eines Transistors.
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Wenn der Laser 9 einen gepulsten Lichtstrahl mit einer
für das Material des Transistors geeigneten Wellenlänge
aussendet, dann erzeugt das optische Signal in der an
Ladungsträgern abgereicherten Zone des Transistors Paare von
Elektronen und Löchern, die zu einem Strom zwischen Source und
Drain des Transistors und zu einer Ladung oder Entladung des
Speicherkondensators 3 führen, bis die Eingangsspannung
vollkommen kopiert ist.
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Während der Laser 9 ausgeschaltet ist, befindet sich
der Transistor 6 im Dunkeln, und das Signal am Eingang 1 ist
vom Speicherkondensator 3 isoliert. Die Vorrichtung 4, die auf
den Tast- und Haltekreis folgt, gibt den exakten Wert der im
Kondensator 3 gespeicherten Spannung wieder.
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Der erfindungsgemäße Tast- und Haltekreis erfordert
keine besondere Geometrie für den Transistor 6. Die erhaltene
Tastfrequenz, 1 GHz, ist nämlich bereits ein Fortschritt
gegenüber den bekannten Tastkreisen, aber sie wird durch die
Ladezeit Ron.C des Kondensators 3 begrenzt, wobei Ron der
Durchgangswiderstand und C die Kapazität ist.
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Daher eignet sich ein Transistor 6 mit einer
Grenzfrequenz oberhalb von 1 GHz besonders gut. Es ist bekannt, daß
die Grenzfrequenz eines Transistors zum Teil vom Abstand
zwischen Drain und Source abhängt. Man erkennt in Figur 3, die
von oben die Metallbeläge des Drain, des Gate und der Source
des Transistors 6 zeigt, daß die Abstände d zwischen Drain und
Gate und zwischen Gate und Source ausreichen, um die
darunterliegenden Schichten des Kanals zu beleuchten, mindestens im
erwähnten Frequenzbereich von 1 GHz.
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Es wurde bereits gesagt, daß der Transistor 6 mit
einer Spannung Vp so vorgespannt wird, daß er sehr nahe bei
seinem Kippunkt zwischen leitendem und gesperrtem Zustand
liegt. Um dieses System zu verbessern und die Ungewißheit über
den Zeitpunkt des Leitendwerdens des Transistors 6 zu
beseitigen, wird der Laser 9 ebenfalls sehr nahe bei seiner
Emissionsschwelle gehalten.
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Es ist bekannt (siehe Figur 4), daß die optische
Leistung P, die von einem Halbleiterlaser ausgeht, praktisch bis
zu einer Schwellintensität i&sub0; des in den Laser eingespeisten
Stroms I Null ist. Jenseits dieser Schwellintensität i&sub0; steigt
die optische Leistung sehr rasch an. Da der Laser 9 im
Pulsbetrieb arbeiten soll, um den Schalter 6 abwechselnd zu öffnen
und zu schließen, hat der den Laser durchquerende pulsierende
Strom einen niedrigen Wert, der bei oder sehr nahe bei i&sub0;
liegt: Sobald ein Stromimpuls ic kommt, sendet der Laser einen
Lichtimpuls aus, und da der Transistor 6 seinerseits nahe bei
seiner Schwelle liegt, kippt er. So gibt es keine Ungewißheit
mehr über den Zeitpunkt der Öffnung oder des Schließens des
Kanals des Transistors 6.
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Da es keine Verbindung zwischen der Source und dem
Gate gibt, hängt außerdem die Kippzeit des Transistors 6 nicht
vom Pegel des Eingangssignals ab.
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Wenn eine Lichtleitfaser, oder ein Element einer
Lichtleitfaser zur Kopplung des Lasers 9 mit dem Transistor 6
verwendet wird, dann werden vorzugsweise die Mehrmodefasern
mit einem Kerndurchmesser von etwa 50 Mikrometer für ein Licht
von 869 nm mit GaAs verwendet, während man vorzugsweise
Monomodefasern eines Kerndurchmessers von etwa 9 Mikrometer bei
1500 nm mit InP verwendet.
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Der Tast- und Haltekreis gemäß der Erfindung wird in
der Instrumentierung, bei der Datenverarbeitung, in
integrierten Mikrowellenkreisen und im ISDN verwendet.