DE1025011B - Steuereinrichtung mit einem Halbleiterkoerper mit zwei Zonen vom einen Leitungstyp und einer dazwischenliegenden Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp, mit Sperrschichte zwischen einander angrenzenden Zonen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungen unter Verwendung von Halbleitern und insbesondere auf Schaltungen, bei denen Transistoren mit P-N-Schiichten, die einen Strom in beiden Richtungen ■ hindurchlassen, verwendet werden.

Es ist bekannt, daß Schaltvorgänge auf elektronischem Wege durch Benutzung von Vakuumröhren oder von Gasröhren als Schalter bewerkstelligt werden können. Jedoch besitzen alle derartigen elektronischen Schalter einen gemeinsamen Nachteil. Ein elektronischer Schalter kann nämlich niemals einen Strom in beiden Richtungen führen. Durch die Erfindung wird für derartige elektronische Sehalter eine Neuerung geschaffen, in dem nämlich sehr = schnell arbeitende Schaltungen angegeben werden, welche in beiden Richtungen stromdurchlässige elektronische Schalter enthalten. Diese Schalter beruhen auf den Eigenschaften von Transistoren mit P-N-Schichten.

Die theoretischen Grundlagen von Transistoren mit P-N-Schicht sind beipielsweise in dem Buch von S hock ley, »Electrons and Holes in Semiconductors«, Verlag D. van Nostrand Co., 1950, enthalten.

Ein Transistor mit P-N-Schicht enthält einen Halbleiterkörper ζ. B. aus Germanium oder Silizium, in welchem aneinander angrenzende Gebiete von entgegengesetztem Leitfähigkeitstypus vorhanden sind. An diese Gebiete sind Leitungen mittels eines ohmschen und keine Gleichrichterwirkung besitzenden Kontakts (im Gegensatz zu den Kontakten mit Gleichrichterwirkung im sogenannten Punktkontrasttransistor) angeschlossen. Innerhalb des halbleitenden Körpers treten nichtlineare Erscheinungen auf, wobei die Berührungsflächen zwischen den erwähnten verschiedenen Gebieten der Sitz dieser Erscheinungen sind. Bei den grundlegenden Formen von Transistoren, welche für die Erfindung in erster Linie benutzt werden sollen, enthält der Halbleiterkörper drei aufeinanderfolgende Zonen von jeweils abwechselndem Leitfähigkeitstypus, denn er besteht aus P-N-P-Transistoren, bei welchen zwei P-Gebiete durch ein dazwischenliegendes N-Gebiet getrennt sind, oder aus N-P-N~Transistoren, bei welchem ein P-Gebiet zwischen zwei N-Gebieten liegt.

Die vom Erfinder durchgeführten Versuche haben ergeben, daß eine Umkehr der Stromrichtung in einem Steuerkreis zwischen der Mittelzone und einer Endzone eines P-N-P-Transistors oder eines N-P-N-Transistors eine Öffnung oder eine Schließung eines Verbraucherkreises zwischen den beiden Endzonen bewirkt. Die Umkehr der Stromrichtung in dem Steuerkreis beeinflußt nämlich den Widerstand, welchen der Transistor im Verbraucherkreis zwischen den beiden Endzonen aufweist. Dieser Widerstand ändert sich von einem sehr hohen auf einen sehr niedrigen Wert Steuereinrichtung

mit einem Halbleiterkörper

mit zwei Zonen vom einen Leitungstyp

und einer dazwischenliegenden Zone

vom entgegengesetzten Leitungstyp,

mit Sperrschichten zwischen einander

angrenzenden Zonen

Anmelder;

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9, Septemberl952

George Clifford Sziklai, Princeton, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

oder umgekehrt. Ferner wurde bei diesen Versuchen festgestellt, daß, wenn die Stromrichtung im Steuerkreis eine Schließung des Verbraucherkreises bewirkt, der Strom im Verbraucherkreis in beiden Richtungen fließen kann. Die Stromrichtung im Verbraucherkreis hängt dabei von dem Vorzeichen der Spannung zwischen den beiden Endzonen ab.

Diese Erscheinungen sind bei der Schaltung nach der Erfindung zur Schaffung einer elektronischen Steuereinrichtung mit einem Halbleiter benutzt worden, wobei eine Steuerspannung, die an einer Steuerelektrode dieses Halbleiterkörpers liegt, eine Stromsteuerung einer den Verbraucherkreis speisenden Stromquelle erlaubt. In dieser Schaltung ist der Halbleiterkörper mit zwei gleichwertigen Elektroden ausgerüstet, und der Verbraucherkreis liegt zwischen diesen beiden Elektroden. Eine wichtige Eigenschaft dieser elektronischen Schaltanordnung besteht darin, daß der gesteuerte Strom, welcher durch den Transistorschalter fließt, entweder nur eine Richtung oder beide Richtungen haben kann, je nachdem der Verbraucherkreis dies erfordert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Verbraucherkreis eine Drosselspule enthält, wird von der erwähnten Eigenschaft Gebrauch

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gemacht, um eine elektronische Schaltanordnung zu negativ gegenüber der geerdeten Sendeelektrode 21

schaffen, welche als ein einfacher und wirtschaftlicher wird. Die Kollektorelektrode 25 ist mit der geerdeten

Stromsägezahngenerator dient. Sendeelektrode über eine Belastung 29 und über eine

Ein Hauptwerk der Erfindung ist die Schaffung Spannungsquelle 28 verbunden, welche entweder eine

eines- einfachen elektronischen Schaltkreises, der 5 Gleichstromquelle, z. B. eine Batterie, oder eine

Ströme in beiden Richtungen führen kann. Wechselstromquelle, wie in Fig. 1 dargestellt, sein

Weiterhin bezweckt die Erfindung Schaltungsanord- kann. Der Basiselektrode 23 werden zur Schaltung

nungen zu schaffen, bei denen Halbleiter als Schalter dienende Spannungsimpulse 40 von positiver Polarität

für beide Stromdurchgangsrichtungen verwendet gegenüber der geerdeten Sendeelektrode 21 zugeführt,

werden. io wobei die Spannung dieser Impulse größer als die

Ein zusätzlicher Zweck der Erfindung ist die Schaf- Vorspannung der Basiselektrode ist. Diese Spannungs-

fung eines Schaltkreises mit einem P-N-Schichttran- impulse gelangen von den Eingangsklemmen A und Ä

sistor als Schalter für beide Stromrichtungen. über einen Kondensator 37 an die Basiselektrode.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Herste!- Beim Fehlen eines positiven Schaltimpulses fließt lung eines einfachen Stromsägezahngenerators unter 15 der gesteuerte Strom vermöge der in der Vorwärts-

Verwendung eines P-N-Schichttransistors als Schalter richtung liegenden Vorspannung der Basiselektrode 23

für beide Stromrichtungen. in solcher Richtung, daß ein Erregerstrotn sich über

Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches in allgemeiner die Belastung 29 und über die Sendeelektr,ode sowie

Form eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, die Kollektorelektrode im Transistor 10 schließt, in welcher der Stromfluß durch einen Verbraucher 20 Wenn jedoch ein positiver Impuls 40 von solcher

mittels eines P-N-Schichttransistors geschaltet wird; Größe auftritt, daß die Stromrichtung zwischen der

Fig. 1 a zeigt die Abhängigkeit des Verbraucher- Basiselektrode und der Sendeelektrode umgekehrt

Stroms vom Steuerstrom für eine Schaltung mit einem wird, wird der Stromweg zwischen der Sendeelektrode

symmetrischen P-N-Schidhttranaistor, in welcher ein und der Kollektorelektrode geöffnet, und der Be-S teuerkreis zwischen die Basiselektrode und die Sende- 25 lastungskreis wird für die Dauer dieses Schaltimpulses

elektrode und ein gesteuerter Kreis oder Belastung«- stromlos.

kreis zwischen die Sendeelektrode und die Kollektor- In Fig. 1 ist zwar eine Wechselstromquelle im Beelektrode des Transistors geschaltet ist; lastungskreis dargestellt, jedoch kann die Schaltung Fig. 2 ist eine Schaltung einer anderen Ausfüh- auch ohne weiteres auf die Speisung des Belastungsrungsform der Erfindung, bei welcher zwei P-N- 30 kreises mit Gleichstrom umgestellt werden. Die Unter-Schichttransistoren zur Bewerkstelligung der Schalt- suchung des Verhaltens der Schaltung bei Ersatz der steuerung des Stromes in der Belastung benutzt Wechselstromquelle 28 durch eine Gleichstromquelle werden; kann sogar zum besseren Verständnis der Wirkungs-Fig. 3 ist ein Schaltbild einer zusätzlichen Ausfüh- weise der Schaltung dienen. Es sei zunächst angerungsform der Erfindung, bei welcher ein Stromsäge- 35 nommen, daß die Wechselstromquelle 28 durch eine zahn erzeugt wird, und Batterie ersetzt sein möge, deren negative Klemme an Fig. 4 ist eine Darstellung der Ströme und der der geerdeten Sendeelektrode liegt. Solange dann Spannungen in der Schaltung nach Fig. 3. keine positiven Schaltimpulse auftreten, fließt der In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, Strom im Belastungskreis von der Sendeelektrode 21 bei welcher ein P-N- Schichttransistor 10 zur Steue- 40 durch die Batterie und die Belastung29 zur Kollektorrung eines Wechselstroms in einer Belastung benutzt elektrode 25. Wenn ein positiver Schaltimpuls zwiist, die durch einen Belastungswiderstand 29 dar- sehen der Sendeelektrode und der Basiselektrode aufgestellt ist. tritt und sich die Stromrichtung im Steuerkreis um-Der Transistor 10 kann, wie dargestellt, ein P-N-P- kehrt, so wird der Belastungskreis geöffnet, und es Transistor sein und somit einen Halbleiterkörper, 45 fließt daher während der Dauer dieses positiven Imz. B. einen Germaniumkörper, enthalten, in welchem pulses kein Strom durch die Belastung, zwei P-Gebiete 11 und 15 durch ein N-Gebiet 13 von- Es sei nunmehr angenommen, daß die an Stelle der einander getrennt sind, wobei diese drei Gebiete Wechselstromquelle 28 getretene Batterie die umgesich gegenseitig berühren. Sogenannte elektrische kehrte Polarität haben möge, so daß also ihre positive Schwellen, wie sie in dem obengenannten Buch von 50 Klemme an der geerdeten Sendeelektrode liegt. So-S hock ley erwähnt sind, treten an den Trennflächen lange kein positiver Schaltimpuls auftritt, verläuft 17 und 19 zwischen den verschiedenen Gebieten auf. dann der Strom (bei Betrachtung der klassischen Die Elektroden 21, 23 und 25, welche auf den Ge- Stromrichtung) von der Kollektorelektrode 25 durch bieten 11., 13 und 15 aufliegen, stellen ohmsche, d. h. die Belastung und die Batterie zur Sendeelektrode 21. nicht gleichrichtende Kontakte mit diesen Gebieten 55 Beim Auftreten eines positiven Schaltimpulses im her. Steuerkreis wird die Stromrichtung in diesem umge-Wie bei Transistoren üblich, werden die Elektroden kehrt und der Belastungskreis geöffnet, so daß in 21, 23 und 25 als die Sendeelektrode, die Basiselek- diesem für die Dauer des Impulses wieder kein Strom trade und die Kollektorelektrode bezeichnet werden. fließt.

Jedoch ist mit Rücksicht auf die beiden möglichen 60 Bei Beachtung dieses Verhaltens des Belastungs-Stromrichtungen im Belastungskreis die Bezeichnung kreises bei beiden Gleichspannungsrichtungen läßt sich der Elektrode 21 als Sendeelektrode und die Bezeich- die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 beiVornung der Elektrode 25 als Kollektorelektrode will- handensein einer Wechselstromquelle im Belastungskürlich und darf nicht als eine Beschränkung der kreis leicht verstehen. Während der positiven HaIb-Funktion dieser Elektroden aufgefaßt werden. 65 wellen der Wechselspannungsquelle 28 verhält sich In der Anordnung nach Fig. 1 ist die Sendeelek- nämlich die Schaltung nach Fig. 1 ebenso wie mit trode 21 unmittelbar geerdet. Die Basiselektrode 23 einer Gleichspannungsquelle der einen Polarität im liegt über einen Widerstand 26 an einer Spannungs- Belastungskreis, während bei den negativen Spannungsquelle, z. B. einer Batterie 27, wobei die Polarität der halbwellen sich die Schaltung ebenso verhält wie bei Batterie so gewählt ist, daß die Basiselektrode 23 70 einer Gleichspannungsquelle der umgekehrten Polari-

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tat im Belastungskreis. Beim Vorhandensein einer Wechselstromquelle im Belastungskreis wird also, solange dieser Belastungskreis durch eine in der Vorwärtsrichtung wirkende Vorspannung zwischen der Basiselektrode 23 und der Sendeelektrode geschlossen wird, der Belastungskreis abwechselnd von Strömen beider Richtungen durchflossen, so daß in der Belastung 29 ein Wechselstrom fließt.

Man erkennt leicht, daß sich für die Schaltung nach Fig. 1 die Verwendung eines sogenannten symmetrisehen P-N-Schichttransi'stors empfiehlt, d. h. die Verwendung eines Transistors, bei welchem der Zusammenhang zwischen dem Steuerstrom und dem Laststrom für die eine Richtung des Laststromes praktisch symmetrisch zu diesem Zusammenhang für die andere Richtung des Laststromes ist. Jedoch besitzen nicht alle P-N-Schichttransistoren diese Symmetrie, und zwar hauptsächlich infolge des bei ihrer Fabrikation benutzten Herstellungsverfahrens. Manche Transistoren besitzen für. den Strom in der einen Stromrichtung zwischen den äußeren Gebieten einen größeren Widerstand für bestimmte Werte der Vorspannung als für die andere Stromrichtung bei gleichwertigen Vorspannungen zwischen den äußeren Gebieten.

Das Vorhandensein oder das Fehlen dieser Symmetrie hängt zwar von vielen Faktoren ab, jedoch nehmen die Erfinder an, daß, wenn der spezifische Widerstand der beiden äußeren Zonen annähernd gleich ist und wenn die beiden Schichten 17 und 19 symmetrisch, d. h. gleich groß sind, die Ströme so weitgehend gleich ausfallen, daß man den Transistor als einen Transistor symmetrischer Art betrachten kann.

Genügend symmetrische Kennlinien eines P-N-P-Tranisiistors sind in Fig. 1 a dargestellt, welche den Zusammenhang zwischen dem Steuerstrom und dem Laststrom für Transistoren veranschaulichen, wobei der Strom des Steuerkreises, also der Strom zwischen der Basiselektrode und der Sendeelektrode ebenso wie in Fig. 1 als Steuerstrom bezeichnet wird und der Strom zwischen der Sendeelektrode und der Kollektorelektrode als Laststrom. Der Steuerstrom i_b ist längs der horizontalen Achse aufgetragen, wobei die positive Halbachse der klassischen Stromrichtung des Stromflusses in die Basiselektrode entspricht und die negative Halbachse dem Austritt des Stromes aus der Basiselektrode. Ferner entspricht in Fig. la der Belastungsstrom i_ec auf der oberen Halbachse dem Eintritt des Stromes in die Kollektorelektrode und die negative Halbachse dem Austritt des Stromes aus der Kollektorelektrode.

Die Kennlinie 30 zeigt den Verlauf des Laststromes in Abhängigkeit vom Steuerstrom, wenn die Kollektorelektrode positiv, und zwar konstant positiv zur Sendeelektrode vorgespannt ist, während die Kennlinie 31 den Laststrom in Abhängigkeit vom Steuerstrom zeigt, wenn der Kollektor ebenso stark negativ gegenüber der Sendeelektrode ist.

Man sieht, daß, wenn der Steuerstrom aus der Basiselektrode herausfließbar (d. h. wenn im Kreise zwisehen der Basiselektrode und der Sendeelektrode eine in der Vorwärtsrichtung wirksame Vorspannung liegt), der Belastungsstrom sich mit zunehmendem Steuerstrom vergrößert und daß diese Stromverhältnisse dieselben sind unabhängig davon, ob durch die Vorspannung zwischen der Sendeelektrode und der Kollektorelektrode die Stromrichtung so beeinflußt wird, daß Strom in die Kollektorelektrode hineinfließt oder daß Laststrom aus der Kollektorelektrode herausfließt. Man sieht außerdem, daß der Laststrom in beiden Richtungen verschwindend klein oder Null wird, und zwar für alle Werte des Steuerstromes, die in die Basiselektrode hineinfließen (d. h. wenn im Kreis zwischen der Basiselektrode und der Sendeelektrode eine sogenannte umgekehrte Spannung wirksam ist).

Es sei bemerkt, daß bei manchen Anwendungen der Schaltung nach Fig. 1, nämlich wenn die Symmetrie der Wechselstromspeisung der Belastung nicht kritisch ist oder wenn die Belastung nur mit Gleichstrom erregt werden soll, der Transistor 10 nicht im Sinne der Fig. 1 a symmetrisch zu sein braucht. Man kann in diesen Fällen sogar gewünschtenfalls einen stark unsymmetrischen Transistor als Schalter wählen. Wenn jedoch der Belastungsstrom. in beiden Richtungen gleiche Größe besitzen muß, streng symmetrisch sein muß, kann man statt der Schaltung in Fig. 1 auch die Schaltung in Fig. 2 benutzen.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist dann von besonderem Vorteil, wenn die Transistoren zur Steuerung von Wechselströmen dienen sollen. Wenn man die Schaltung so wählt, daß der Stromweg zwischen der Sendeelektrode und der Kollektorelektrode beider Transistoren 40 und 60 parallel, aber in umgekehrter Richtung verläuft und wenn beide Transistoren vom gleichen Typus sind und gleiche Unsymmetrie^ bezüglich ihrer Kennlinien zwischen dem Steuerstrom und dem Laststrom besitzen, so kann man auch mit solchen unsymmetrischen Transistoren einen symmetrischen Belastungskreis für beide Stromrichtungen schaffen.

Der Transistor 40 in Fig. 2 ist ein P-N-P-Transistor mit zwei P-Gebieten 41 und 45, zwischen denen ein N-Gebiet43 liegt, und mit Schwellen oder Sperrschichten zwischen den einzelnen Gebieten an den Trennflächen 47 und 49. Die Sendelektrode, die Basiselektrode und die Kollektorelektrode 51, 53 und 55 befinden sich in ohmischen Kontakt ohne Gleichrichtereigenschaften mit den entsprechenden Zonen 41, 43 und 45.

Die Sendeelektrode 51 liegt unmittelbar an Erde, während die Basiselektrode 53 über einen Widerstand 79 und eine Vorspannungsquelle, z. B. eine Batterie 77, mit der geerdeten Sendeelektrode verbunden ist. Die Polarität dieser Batterie ist so gewählt, daß die Basiselektrode 53 in der sogenannten umgekehrten Richtung vorgespannt wird, d. h. auf positives Potential gegenüber der Sendeelektrode kommt. Die Kollektorelektrode 55 ist über eine Belastung, welche durch den Widerstand 83 angedeutet ist und über eine Spannungsquelle 81 mit der geerdeten Sendeelektrode 51 verbunden. Es sei angenommen, daß die Kennlinie des Transistors 40 im oben besprochenen Sinne symmetrisch verlaufen möge und daß der Strom in der klassischen Stromrichtung im äußeren Kreis von der Kollektorelektrode zur Sendeelektrode fließen möge.

Die Schaltung nach Fig. 2 enthält ferner noch einen zweiten Transistor 60, der bezüglich seiner Art und seiner Unsymmetrie dem Transistor 40 entspricht. Somit hat der Transistor 60 zwei P-Zonen 61 und 65, zwischen denen eine N-Zone 63 liegt, besitzt zwei Zwischenschichten 67 und 69 sowie eine Kolleiktorelektrode 71, eine Basiselektrode 73 und eine Sendeelektrode 75, welche sich in ohmschen und keine GIeichrichterwirkung besitzenden Kontakt mit den Zonen 61, 63 und 65 befinden. Die Unsymmetrie des Steuerstromes und des Laststromes des Transistors 60 sei derart, daß der Strom im äußeren Belastungskreis von der Kollektorelektrode zur Sendeelektrode fließt.

Der Kollektor 71 des Transistors 60 ist mit der geerdeten Sendeelektrode 51 des Transistors 40 ver-

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bunden, wähnend die Sendeelektrode55 des Transistors mit den Gebieten 111, 113 und 115 und werden im 60 mit dem Kollektor 55 des Transistors 40 verbun- folgenden als die Sendeelektrode, die Basiselektrode den ist. Die Basiselektrode 73 des Transistors 60 ist und die Kollektorelektrode bezeichnet, mit der Basiselektrode 53 des Transistors 40 verbun- Die Sendeelektrode 121 ist geerdet, und es beisteht

den, und die Basiselektrode 73 ist somit in der söge- 5 ein Steuerstromkreis mit einem Widerstand 126 und nannten umgekehrten Richtung, d. h. positiv gegen- einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie über dem geerdeten Kollektor 71 vorgespannt. Dem 127 zwischen der Basiselektrode 123 und der Sende-S teuerkreis zwischen der Basis elektrode und der Sende- elektrode 121. Die Anschlüsse der Batterie sind so geelektrode des Transistors 40 (und somit auch dem wählt, daß die Basiselektrode in der Vorwärtsrichtung, Steuerkreis zwischen der Basiselektrode und der KoI- io d. h. negativ gegenüber der Sendeelektrode vorgelektorelektrode des Transistors 60) werden Spannungs- spannt ist. Eine !Drosselspule 131, deren verteilte Kaimpulse 87 negativer Polarität von den Eingangs- pazität durch einen punktiert dargestellten Kondensaklemmen B und B' über einen Kondensator 85 züge- tor 133 angedeutet ist, liegt in Reihe mit einer Vorführt, spannungsquelle (nämlich dem aufgeladenen Konden-In der Pause zwischen diesen negativen Spannungs- 15 sator 129) zwischen der Kollektorelektrode 125 und impulsen ist die Stromrichtung in den beiden Steuer- der geerdeten Sendeelektrode 121. kreisen wegen der umgekehrten Vorspannung derart, Die kollektorseitige Belegung des Kondensators 129 daß der Stromfluß zwischen den äußeren Zonen beider liegt über einen Widerstand 135 an der durch ein Transistoren gesperrt wird und die Belastung 83 so- Pluszeichen angedeuteten positiven Spannungsquelle, mit stromlos.bleibt. Wenn jedoch durch einen Impuls ao kann aber auch mit einer negativen Spannungsquelle 87 die Vorspannung in den beiden Steuerkreisen über- verbunden werden. Periodisch wiederkehrende Spanwunden wird und sich die Stromrichtung in diesen nungsimpulse 140 werden von einer an die Klemmen S Steuerkreisen daher umkehrt, fließt ein Strom in den und S' angeschlossenen Impulsquelle über den Konbeiden parallel geschalteten Zweigen zwischen der densator 137 an den Steuerkreis zwischen der Basis-Sendeelektrode und der Kollektorelektrode der beiden 25 elektrode und der Sendeelektrode geliefert. Transistoren, und für die Dauer der Impulse wird die In Fig. 4 ist der Verlauf des über die Drosselspule Belastung 83 daher von einem Wechselstrom durch- 131 fließenden Stromes mit i_L bezeichnet, während die flössen. Während dieser Impulsdauer stellen die posi- Spannung an dieser Drosselspule mit e_L bezeichnet ist. tiven Spannungshalbwellen der Spannungsquelle 81 Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 soll eine Vorspannung im Sinne des Stromdurchlasses 30 unter Benutzung der Fig. 4 erläutert werden, durch den Belastungskreis von der Sendeelektrode zur Im Zeitpunkt J₁ ist die Stromrichtung im Steuer-Kollektorelektrode des einen Transistors und im Sinne Stromkreis zwischen der Basiselektrode und der Sendeder Stromsperrung für den anderen Transistor dar, elekt ■ de infolge der in der Vorwärtsrichtung wirkenwährend innerhalb der negativen Halbwellen der um- den "* Urspannung zwischen der Basiselektrode 123 und gekehrte Fall vorliegt. Somit fließt in der Belastung 35 der Sendeelektrode 121 derart, daß der Belastungs-83 ein symmetrischer, unverzerrter Wechselstrom, da kreis über die Sendeelektrode und die Kollektorelekfür die dargestellte Art der Parallelschaltung der trode geschlossen wird. Wegen der Polarität der beiden Stromwege zwischen der Sendeelektrode und Spannung am Kondensator 129 fließt daher durch die der Kollektorelektrode die Verhältnisse im ganzen Drosselspule ein Strom in der Richtung von der Kolsymmetrisch sind. 4.0 lektorelektrode zur Sendeelektrode, der in der Spule Es sei bemerkt, daß die Fig. 2 in den Steuerstrom- ein Magnetfeld aufbaut. Wenn dieser Stromkreis einen kreisen eine Richtung der Vorspannung zeigt (nämlich vernachlässigbaren ohmschen Widerstand hat, wird eine Vorspannung in der sogenannten umgekehrten der Strom i_L bis zum Zeitpunkt i₂ linear ansteigen, in Richtung), welche sich für Schaltungen eignet, in welchem ein Impuls 140 dem Steuerkreis zugeführt denen der Kreis für den gesteuerten Strom oder Last- 45 wird, so daß sich die Stromrichtung in diesem umstrom normalerweise offen sein muß, während die kehrt. Der Belastungskreis zwischen der Sendeelek-Fig.l im- Steuerstromkreis eine Vorspannung zeigt trode und der Kollektorelektrode wird dadurch ge-(nämlich eine in der Vorwärtsrichtung wirkende Vor- öffnet, und die in der Drosselspule 131 gespeicherte spannung) für Schaltungen, bei denen der Kreis für Energie beginnt sich schwingungsmäßig in die Kapaden Laststrom normalerweise geschlossen sein muß. 50 zität 133 hinein zu entladen.

Wenn also in Fig. 1 die Anschlüsse der Batterie 27 Wenn die Breite der Impulse 140 gleich der halben

vertauscht werden, ist der Belastungskreis normaler- Dauer der Sehwingungsperiode dieses Schwingungsweise offen und wird durch geeignete negative Schalt- Vorganges gemacht wird, so verschwindet der Impuls impulse geschlossen. Ebenso wird in Fig. 2, wenn die im Zeitpunkt i.„ nachdem der Strom i_L und seine AbAnschlüsse zur Batterie 77 vertauscht werden, ein nor- 55 leitung, nämlich die Spulenspannung e_L jeweils eine malerweise geschlossener Kreis für die Belastung 83 halbe Schwingungsdauer durchlaufen haben. Zu dieser hergestellt, und dieser Kreis kann durch geeignete Zeitig wird also die in der Vorwärtsrichtung wirkende positive Schaltimpulse geöffnet werden. Spannung zwischen der Basiselektrode und der Sende-

Fig. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel, bei welchem elektrode im Steuerkreis wiederhergestellt und der von der Fähigkeit der dargestellten Transistoren, 60 Belastungskreis somit wieder geschlossen. Der Strom einen Strom für beide Stromrichtungen schalten zu zwischen der Sendeelektrode und der Kollektorelekkönnen, zur Schaffung eines einfachen und zuver- trode verläuft nun in der Richtung von der Sendeeleklässigen Stromsägezahngenerators Gebrauch gemacht trode zur Kollektorelektrode, da die Drosselspule 131 wird. Der Transistor 110 in Fig. 3 kann ein P-N-P- ihre Energie an den Kondensator 129 abgibt, wobei Transistor sein, wie es die Fig. 3 zeigt, und besitzt 65 der Strom zeitlich linear abnimmt, bis im Zeitpunkt t_i somit ein N-Gebiet 113 zwischen zwei P-Gebieten 111 ein Stromgleichgewicht erreicht ist. Von nun an und 115, wobei die Trennflächen zwischen diesen Ge- wiederholt sich der Vorgang in der geschilderten bieten mit 117 und 119 bezeichnet sind. Die Elek- Weise, da die Spannungsquelle 129 einen zeitlich troden 121, 123 und 125 befinden sich in ohmschen, linear ansteigenden Strom an die Drosselspule 131 keine Gleichrichtereigenschaften besitzendem Kontakt 70 liefert, bis im Zeitpunkt t₅ ein neuer Impuls 140 den

Belastungskreis öffnet usw. Da die Spannung an der Elektrode 123 positiv gegenüber den Elektroden 121 und 125 sein muß, um den Transistor stromdurchlässig zu machen, ist es von Vorteil, die Polarität der Spannungsquelle umzukehren (d. h. ihren negativen Pol zu erden) statt die in Fig. 3 dargestellte Schaltung zu benutzen, wenn die Amplitude der Steuerimpulse 140 klein gehalten werden soll.

Die Anordnung nach Fig. 3 stellt somit eine sehr hochwertige Anordnung zur Erzeugung von Sägezahnströmen dar, da die Energie des geladenen Kondensators, welche während eines Teiles der Arbeitsperiode in der Drosselspule gespeichert wird, während eines späteren Teiles der Arbeitsperiode an den Kondensator zurückgeliefert wird. Wenn der Belastungskreis überhaupt keinen ohmschen Widerstand besitzen würde, so würde zur Herstellung des Stromsägezahns überhaupt keine äußere Energiequelle mit Ausnähme derjenigen für die Schaltimpulse erforderlich sein.

Da jedoch im Belastungskreis stets ein gewisser ohmscher Widerstand vorhanden ist, so werden in diesem Kreis gewisse Energieverluste auftreten, und es fließt zur Deckung dieser Verluste stets ein kleiner Strom über den Widerstand 135.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist für Kathodenstrahlröhren mit elektromagnetischer Ablenkung weitgehend anwendbar. So kann z. B. die Schaltung nach Fig. 3 für die Horizontalablenkung in einem Fernsehempfänger benutzt werden, wobei die Impulse 140 die horizontalen Synchronisierimpulse darstellen, welche an den Ausgangsklemmen der sogenannten Impulstrennstufe auftreten. Diese Trennstufe kann somit an die Klemmen S und S' angeschlossen werden, und die Spule 131 ist dann die Zeileiiablenkspule der Bildwiedergaberöhre.

Es soll bemerkt werden, daß der Steuerstromkreis zwischen die mittlere Zone und eine beliebige der beiden äußeren Zonen des Transistors angeschlossen werden kann. Wenn also beispielsweise die Elektrode auf der einen äußeren Zone eines symmetrischen Transistors willkürlich als Sendeelektrode und die Elektrode auf der anderen äußeren Zone dementsprechend als Kollektorelektrode bezeichnet wird, so ist die Wahl zwischen dem Steuerkreis zwischen Basiselektrode und Sendeelektrode oder zwischen Basiselektrode und KoI-lektorelektrode im wesentlichen willkürlich. Ferner kann, wenn ein unsymmetrischer Transistor benutzt wird, der Steuerstromkreis zwischen die Basiselektrode und die Sendeelektrode oder zwischen die Basiselektrode und die Kollektorelektrode gelegt werden, je nach den Bedürfnissen des Einzelfalles.

Ferner soll betont werden, daß an Stelle der P-N-P-Transistoren in den beschriebenen Ausführungsbeispielen auch N-P-N-Transistoren benutzt werden können. Bei geeigneter Polaritätsumkehr für die Vorspannungen und die Steuerimpulse, lassen sich alle beschriebenen Steuervorgänge auch mit N-P-N-Transistoren erzielen.

Es sei außerdem bemerkt, daß bei der praktischen Ausführung der Erfindung die Steuersignale und die Belastung verschiedene Formen annehmen können. So können die Steuersignale beispielsweise sinusförmig oder nicht sinusförmig sein oder aus periodischen oder nicht periodischen Impulszügen bestehen oder auch eine andere Form aufweisen, je nach dem jeweils durchzuführenden Steuervorgang. Wenn beispielsweise ein kontinuierlich veränderliches Steuersignal benutzt wird, so sieht man aus Fig. 1 a, daß das Ausgangssignal sich ebenfalls kontinuierlich ändern würde. Auch die Belastung kann bereits selbst der Nutzverbraucher, beispielsweise eine Lampe, ein Heizkörper oder eine Ablenkspule sein, kann aber auch lediglich den Eingangskreis einer Vorstufe eines gesteuerten elektronischen Systems darstellen oder kann schließlich je nach dem gewünschten Verbraucher eine andere Art einer Steuervorrichtung sein.

Claims (14)

Patentansprüche-.

1. Steuerschaltung mit einem Halbleiterkörper mit zwei Zonen vom einen Leitungstyp und einer dazwischenliegenden Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp, mit Sperrschichten zwischen aneinander angrenzenden Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter ein Wechselstromventil ist, daß ein Verbraucherzweig zwischen den beiden äußeren Zonen liegt, daß diese Zonen sogenannte gleichwertige Elektroden, d. h. vom gleichen Leitungstyp und von gleicher Größe sind und daß der Zusammenhang zwischen dem aus diesen äußeren Zonen in die mittlere Zone fließenden Strom in Abhängigkeit von der Vorspannung gegenüber dieser letzteren Zone gleich ist und daß eine Stromquelle zwischen den äußeren Zonen liegt, die einen Wechselstrom durch den Verbraucherzweig und durch den Halbleiter zwischen den äußeren Zonen hervorruft.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode vorgespannt ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung der konstanten Vorspannung der Steuerelektrode überlagert wird, um den Widerstand, den der Halbleiterkörper im Verbraucherkreis darstellt, zu beeinflussen.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromkreis einen Widerstand in Reihenschaltung mit einer Vorspannungsquelle enthält und daß dieser Widerstand zwischen die Vorspannungsquelle und die Steuerelektrode geschaltet ist, wobei die eine Eingangsklemme für die Steuerspannung ebenfalls mit dieser Steuerelektrode verbunden ist.

5. Steuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung eine kontinuierlich veränderliche Spannung ist.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung durch einen Impuls gebildet wird, durch welchen der Widerstand, welchen der Halbleiterkörper im Verbraucherkreis darstellt, von einem Wert auf einen davon verschiedenen Wert gebracht wird.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Werte des Widerstandes dem stromdurchlässigen Zustand und dem stromundurchlässigen Zustand des Halbleiterkörpers entsprechen.

8. Steuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Halbleiterkörper mit zwei gleichwertigen Elektroden und einer Steuerelektrode, welche alle drei den Elektroden des zuerst genannten Halbleiterkörpers entsprechen und welche mit den Elektroden des zuerst genannten Halbleiterkörpers verbunden sind, derart, daß die Unsymmetrien der beiden Halbleiterkörper in den beiden mit umge-

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kehrter Stromrichtung parallel liegenden Kreisen wirksam sind.

9. Steuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherkreis eine mit dem Verbraucher in Reihe geschaltete Stromquelle enthält.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherkreis eine schwingungsfähige Schaltung und eine Gleichspannungsquelle enthält, welche einen Strom in der schwingungsfähigen Schaltung und in dem Halbleiter in einer Richtung hervorruft, und daß die Steuerspannung aus periodisch wiederkehrenden, den Halbleiterkörper in einen nicht leitenden Zustand versetzenden Schaltimpulsen einer Dauer, annähernd gleich der halben Eigenschwingungsperiode der schwingungsfähigen Schaltung besteht.

11. Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähige Schaltung an eine der beiden gleichwertigen Elektroden unmittelbar und ferner an die andere dieser gleichwertigen Elektroden über die Gleichstromquelle angeschlossen ist.

12. Steuerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Klemme der Gleichspannungsquelle unmittelbar an die andere der beiden gleichwertigen Elektroden angeschlossen ist und ihre negative Klemme über die schwingungsfähige Schaltung an die erste der gleichwertigen Elektroden.

13. Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähige Schaltung aus einer Spule mit verteilter Kapazität besteht, so daß in dieser Spule ein Sägezahnstrom entsteht.

14. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein P-N-P-Halbleiter ist und daß in seiner mittleren Zone eine positive Spannung gegenüber beiden äußeren Zonen liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 594 449;
belgische Patentschrift Nr. 498 396;
Zeitschrift: »Proceedings of the IRE«, Juni 1953, S. 720 bis 722.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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