DE1068301B - - Google Patents

Description

FATciiiiiSiSS

DEUTSCHES

ANMELDETAG: 25. J A N U A R 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DEK AUS LEGE SCHRIFT:

5. NOVEMBER 1959

Es ist bekannt, bistabile Kipp- oder Schaltvorgänge mit sogenannten Flip-Flop- oder ähnlichen Schaltungen zu erzeugen. Die bekannten Schaltungen dieser Art sind unter Anwendung von Röhren oder Transistoren aufgebaut. Die Erfindung schlägt eine unter Anwendung von Doppelbasishalbleiteranordnungen aufgebaute Schaltung vor. Unter Doppelbasishalbleiteranordnungen sind dabei in bekannter Weise Halbleiteranordnungen zu verstehen, bei denen ein z. B. stabförmiger Halbleiterkristall mit zwei Basiselektroden an den Enden sperrfrei kontaktiert und außerdem mit mindestens einer weiteren, zwischen den Basiselektroden auf dem Halbleiterkristall aufgesetzten, gleichrichtenden Elektrode mit pn-übergang — im folgenden als Emitterelektrode bezeichnet — versehen ist. Eine solche Anordnung läßt sich als elektrisches Kipp- oder Schaltelement anwenden, da der pn-übergang der Emitterelektrode einen Betriebsbereich mit fallender Charakteristik (vgl. Fig. 2) aufweist. ZO

Es ist deshalb möglich, den pn-übergang der Emitterelektrode aus dem Sperr- in den Flußzustand und umgekehrt zu kippen. Besitzt die Anordnung noch eine weitere mit pn-übergang versehene Elektrode, deren Vorspannung so gewählt ist, daß diese Elektrode ständig in Sperrichtung liegt, so funktioniert sie ausschließlich als Kollektor. Eine Doppelbasishalbleiteranordnung, die ohne einen solchen Kollektor aufgebaut ist, wird als Doppelbasisdiode, die Anordnung mit Kollektor als Doppelbasistransistor bezeichnet.

Im Hauptpatent 1 042 128 ist ein solcher Doppelbasistransistor zum Erzeugen von Schalt- oder Kippvorgängen, bestehend aus einem dotierten Halbleiterkristall stabförmiger Gestalt mit zwei an den Stabenden sperrfrei angebrachten Basiselektroden, an die ein Potential angelegt ist, und zwei weiteren, in den Halbleiterkörper einlegierten, als Emitter bzw. als Kollektor dienenden Elektroden beschrieben, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Emitterelektrode in an sich bekannter Weise an ein solches Zwischenpotential gelegt ist, daß zwei Stabilitätslagen seiner Strom-Spannungs-Charakteristik entstehen und in der einen Stabilitätslage eine Injizierung von Minoritätsladungsträgern in den Halbleiterkörper stattfindet, daß die auf Sperrpotential liegende Kollektorelektrode in Richtung der Stabachse gegen die Emitterelektrode versetzt einlegiert ist und daß der Abstand zwischen Emitter und Kollektorelektroden mindestens eine Größenordnung größer als die übliche Basishalbleiterdicke bei Legierungstransistoren ist. Diese Anordnung hat vor den bekannten Doppelbasishalbleiteranordnungen den Vorteil einer höheren Spannungsfestigkeit, einer höheren Leistungsabgabe und insbesondere den Vorteil eines stabil und rasch verlaufenden Kippvor-

Halbleiteranordnung zur Erzeugung
bistabiler Kippvorgänge

Zusatz zum Patent 1 042 128

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Heinz Dorendorf, München,
ist als Erfinder genannt worden

ganges. Ein solcher Doppelbasistransistor läßt sich deshalb in einer Anordnung nach der Erfindung mit besonderem Vorteil verwenden.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, die an sich bekannten Flip-Flop-Kippvorgänge und ähnliche Schaltmechanismen mittels Doppelbasishalbleiteranordnungen, insbesondere Doppelbasistransistoren zu verwirklichen. Hierdurch soll eine besonders einfache Halbleiteranordnung zum Erzeugen bistabiler Schalt- bzw. Kippvorgänge geschaffen werden, welche den bisher bekannten, dem gleichen Zwecke dienenden Röhren- oder Transistorschaltungen an Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit überlegen ist.

Eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung zur Erzeugung bistabiler Kippvorgänge unter Verwendung von mindestens je eine kippfähige Emitterelektrode aufweisenden Doppelbasishalbleiterbauelementen, vorzugsweise von Doppelbasistransistoren, deren Kollektor gegen den Emitter in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den beiden Basisanschlüssen versetzt ist, insbesondere nach Patent 1 042 128·, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen gleichartige Doppelbasishalbleiterbauelemente parallel geschaltet sind, deren Emitterelektroden über vorgeschaltete Widerstands-Kapazitäts-Kombinationen und einem gemeinsamen Vorwiderstand derart an Spannung liegen, daß immer nur ein als Emitter dienender pn-übergang in Fluß richtung liegen kann, während der andere als Emitter dienende pn-übergang in Sperrichtung liegen muß.

Mit anderen Worten, ist also bei einer Anordnung nach der Erfindung ein Doppelbasishalbleiterbauelement, z. B. ein Doppelbasistransistor, entsprechend

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lern Hauptpatent mit einem zweiten, im wesentlichen ;leichartigen Doppelbasisbauelement parallel gechaltet. Dabei liegt jeder der beiden parallel gechalteten Emitter an einer besonderen Widerstands-Capazitäts-Kombination, die über einen gemeinsamen )hmschen Widerstand an einer Spannungsquelle liefen, die so gewählt ist, daß immer nur einer der heilen Emitter in Fußrichtung liegen kann. Beaufschlagt nan die parallel geschalteten Basisanschlüsse der heilen Halbleiterkörper (vgl. Fig. 1) mit einem Spanlungsimpuls geeigneter Höhe, so polt sich der in Sperrichtung liegende Emitteranschluß in Flußrichung, der in Flußrichtung liegende Emitteranschluß lagegen in Sperrichtung um. Dieser Vorgang wiederiolt sich bei jedem weiteren Impuls.

An Hand der Fig. 1 und 2 soll die Wirkungsweise iner Anordnung nach der Erfindung näher beschneien werden.

Fig. 1 stellt die Schaltung einer Anordnung nach Ier Erfindung in Form eines Beispieles dar.

Die die Enden der Halbleiterstäbchen H, H' der eiden Doppelbasishalbleiterbauelemente kontaktieenden BasiselektrodenS₁, B₂ bzw. B₁', B₂' sind einnder parallel geschaltet und liegen an einer Spanungsquelle (z.B. 20V). Die EmitterelektrodenD₁, ~)₂ sind über je eine Widerstands-Kondensator-Kom-Iinationii₁, C₁ bzw. R₂, C₂ und einen gemeinsamen ^orschaltwiderstand R_s an eine Gleichspannungsuelle (z. B. 50 V) gelegt. Der Widerstand R₃ ist so ;roß bemessen, daß immer nur einer der als Emitter Iienenden pn-Übergänge D₁ oder D₂ in Flußrichtung iegt. Lägen beide pn-Übergänge D₁ und D₂ zugleich 11 Flußrichtung, so wäre der Spannungsabfall an R₃ nfolge des doppelten Stromes so groß, daß infolge Ies Absinkens des Potentials des Punktes A einer der eiden pn-Übergänge in Sperrichtung umkippt.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Es (ird angenommen, daß der pn-Anschluß D₁ in Flußichtung liegt und ein Strom von etwa 2 mA fließt. )₂ liege in Sperrichtung. In

Fig. 2 ist der prinzipielle Verlauf einer Stromipannungs-Charakteristik des Emitterbasissystems iner Doppelbasishalbleiteranordnung dargestellt.

Die Emitterbasissysteme der beiden Doppelbasisalbleiteranordnungen sollen im Interesse einer symletrischen Dimensionierung der verwendeten SchaItlemente eine möglichst gleiche Charakteristik beitzen. Auf der Spannungsachse in Fig. 2 ist das Poential P des Punktes A eingetragen. Die schräge Viderstandsgerade χ entspricht den Widerständen R₁ izw. R₂. Ihr SchnittpunktI mit der Charakteristik ;ibt den stabilen Arbeitspunkt des in Flußrichtung legenden pn-Anschlusses D₁. DerSchnittpunktII stellt Ien stabilen Arbeitspunkt des in Sperrichtung liegen-Ien pn-Anschlusses D₂ dar.

Gibt man nur an den Eingang des Übertragers Ü inen Impuls, so wird das positive Potential von B₂ md B₂ kurzzeitig gesenkt. Dadurch kippt auch D₂ in ^rIuBrichtung um. Der einsetzende Flußstrom findet inen leeren Kondensator C₂ vor und fließt zunächst lurch diesen, bis der Kondensator aufgeladen ist. Vährend dieser Zeit laufen folgende Vorgänge ab: Vährend der Aufladung von C₂ besitzt D₂ eine anlähernd waagerechte Widerstandsgerade Y (Fig. 2), la der Strom nicht durch R₂, sondern durch C₂ fließt. )er Arbeitspunkt von D₂ läge beim Schnittpunkt III. Durch den erhöhten Strom in R₃ sinkt das PotentialP Ies Punktest nach P¹ (Fig. 2). Die Widerstandsgeaden χ und y verschieben sich infolgedessen nach x' md y'. x' liefert nur noch einen stabilen Arbeits-

punkt IV im Sperrbereich. D₁ kippt also in Sperrrichtung um. y' liefert nach wie vor einen stabilen ArbeitspunktV im Flußbereich. D₂ bleibt also in Flußrichtung. Da D₁ in Sperrichtung gekippt ist, wandert P' wieder nach P. Nun geht auch die Aufladung von C₂ zu Ende. Die Neigung von y wird steiler und geht schließlich in χ über. Im stationären Zustand nach dem ersten Impuls liegt also jetzt umgekehrt D₂ in Flußrichtung und D₁ in Sperrichtung. Der Arbeitspunkt von D₂ liegt jetzt bei I, der von D₁ bei II.

Nach diesen Ausführungen besteh! also eine bevorzugte Ausführung der Anordnung nacVder Erfindung darin, daß der Vorwiderstand R₃ im Sctomkreis der Emitter D₁, D₂ der beiden Doppelbas^halbleiterelemente so bemessen ist, daß der bei nur^feriem in Flußrichtung liegenden Emitter an ihm erzeugtRj|Dannungsabfall einen stabilen Schnittpunkt der ΚΙ»^ linien der diesem Emitter zugeordneten i?C-KomDKi nation mit der Strom-Spannungs-Charakteristik dieses Emitters sowohl im Flußbereich (Schnittpunkt I) als auch im Sperrbereich (Schnittpunkt II) liefert und daß bei einem — z. B. durch einen Schaltimpuls ausgelösten — zusätzlichen Kippen des zweiten Emitters in Flußrichtung der Spannungsabfall am Vorwiderstand R₃ eine weitere so bemessene Verschiebung der Kennlinien der i?C-Kombinationen verursacht, daß nur die ihren endgültigen Verlauf noch nicht besitzende Kennlinie y' der dem zusätzlich in Flußrichtung gekippten Emitter zugeordneten i?C-Kombination einen SchnittpunktV im Flußbereich der Strom-Spannungs-Charakteristik ihres Emitters behält.

Außerdem ist vorteilhaft zum Auslösen des wechselseitigen Kippvorganges der Emitter der beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente ein mit Schaltimpul sen zu betreibender, in den Stromkreis der parallel geschalteten Basiselektroden beider Doppelbasishalbleiterbauelemente eingeschalteter Übertrager Ü vorgesehen.

Zweckmäßigerweise sind außer den bisher erörterten Teilen der Einrichtung noch —· in Übereinstimmung mit dem Hauptpatent —-je ein Kollektor K₁ und K₂ auf den Halbleiterstäben H und H' vorgesehen und über Ohmsche Widerstände R₁ und R₅ an negative Vorspannungen gelegt. Diese Teile sind in Fig. 1 durch Strichelung angedeutet, da die Einrichtung nach der Erfindung grundsätzlich auch ohne diese Teile die gewünschten Flip-Flop-Kippvorgänge erzeugt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, liegen die Kollektoren an einer negativen Spannung von 50 Volt, während die beiden Emitter über den Widerstand R₃ an einer gemeinsamen Vorspannung von 50 Volt liegen und die Basisanschlüsse B₂ und B₂ über den Übertrager Ü an 20 Volt gelegt sind.

Im Interesse einer gedrängten Bauart empfiehlt es sich, die beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente in einem einzigen Halbleiterkörper zu vereinigen. Das kann z. B. geschehen, indem ein als rechteckiges Blättchen geformter, an zwei gegenüberliegenden Längsseiten mit je einer Basiselektrode sperrfrei kontaktierter Halbleiterkörper auf einer Rechteckfläche mit den Emitterelektroden, gegebenenfalls auch Kollektorelektroden der beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente versehen ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß beide Doppelbasishalbleiterbauelemente derart zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind, daß ein stabförmiger, an seinen Enden mit zwei sperrfrei kontaktierten und parallel geschalteten Basiselektroden B₂ versehener Halbleiterkörper in seiner Mitte eine beiden Doppelbasishalbleiterbauelementen

Claims (6)

gemeinsame Basiselektrode B1 aufweist und die Emitterelektroden, gegebenenfalls auch Kollektorelektroden, je einer der beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente auf je einem der durch die mittlere Basiselektrode B1 getrennten Abschnitten des Halbleiterstabes angeordnet sind. In den Fig. 3 und 4 sind dementsprechend zwei beispielsweise Ausführungsformen dargestellt, gemäß welchen die beiden Doppelbasisbauelemente zu einem gemeinsamen einheitlichen Halbleiterkörper baulich vereinigt sind. Die Bezugszeichen sind in diesen Figuren die gleichen wie in den Fig. 1 und 2. Die Emitter- und Kollektoranschlüsse sind in einen gemeinsamen Halbleiterkörper einlegiert. Sie könnten auch — mindestens teilweise — als Spitzkontakte ausgebildet sein. Der Halbleiterkörper hat gemäß Fig. 3 die Gestalt eines rechteckigen Plättchens, dessen gegenüberliegende Längsseiten mit den Basisanschlüssen B1 und B2 sperrfrei kontaktiert sind. In der Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt ist, hat der Halbleiter- kjgpfer eine längliche, stabförmige Gestalt mit einer gemeinsamen MittelbasisS1. Diese kann beispielsweise in der Weise angebracht sein, daß zunächst zwei getrennte Stäbchen hergestellt werden, deren Basiskontakte B1 aufeinandergelegt oder anderweitig miteinander vereinigt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen einheitlichen durchgehenden Halbleiterstab herzustellen, welcher an der Stelle B1 mit einer sperrfreien Elektrode an der Oberfläche belegt ist. B1 und B2 sowie Emitter D und Kollektor K können auch miteinander vertauscht sein. Als Halbleitermaterial eignet sich besonders Germanium oder noch besser Silizium, aber auch andere Halbleiterstoffe mit großen Difussionslängen wie z. B. ^111-Bv-Verbindungen. Zweckmäßigerweise wird möglichst hochohmiges Halbleitermaterial benutzt, welches z. B. im Falle von Germanium 20 bis 30 Ohm-cm aufweist oder im Falle von Silizium mehrere hundert Ohm-cm besitzt. Man kann mit dem Wi der stands wert weitgehend bis an die Grenze der Eigenleitfähigkeit des Materials herangehen. Es sei bemerkt, daß die Sperrschichtkontakte von Emitter und/oder Kollektor auch nach anderen Verfahren hergestellt sein können und insbesondere als Randsperrschichten ausgebildet sein können. PatentanspkücHE:

1. Halbleiteranordnung zur Erzeugung bistabiler Kippvorgänge unter Verwendung von mindestens je eine kippfähige Emitterelektrode aufweisenden Doppelbasishalbleiterbauelementen, vorzugsweise von Doppelbasistransistoren, deren Kollektor gegen den Emitter in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den beiden Basisanschlüssen versetzt ist, insbesondere nach Patent 1042128, dadurch gekennzeichnet, daß zwei· im wesentlichen gleichartige Doppelbasishalbleiterbauelemente parallel geschaltet sind, deren Emitterelektroden über vorgeschaltete Widerstands-Kapazitäts-Kombinationen und einem gemeinsamen Vorwiderstand derart an Spannung liegen, daß immer nur ein als

Emitter dienender pn-übergang in Flußrichtung liegen kann, während der andere als Emitter dienende pn-übergang in Sperrichtung liegen muß.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (i?₃) im Stromkreis der Emitter (D₁, D₂) der beiden Doppelbasishalbleiterelemente so bemessen ist, daß der bei nur einem in Flußrichtung liegenden Emitter an ihm erzeugte Spannungsabfall einen stabilen Schnittpunkt der Kennlinie (x) der diesem Emitter zugeordneten i?C-Kombination mit der Strom-Spannungs-Charakteristik dieses Emitters sowohl im Flußbereich (SchnittpunktI) als auch im Sperrbereich (Schnittpunkt II) liefert und daß bei einem ■—· z. B. durch einen Schal timpuls ausgelösten —· zusätzlichen Kippen des zweiten Emitters in Flußrichtung der Spannungsabfall am Vorwiderstand (R₃) eine weitere so bemessene Verschiebung der Kennlinien der i?C-Kombinationen verursacht, daß nur die ihren endgültigen Verlauf noch nicht besitzende Kennlinie (y') der dem zusätzlich in Flußrichtung gekippten Emitter zugeordneten i?C-Kombination einen Schnittpunkt (V) im Flußbereich der Strom-Spannungs-Charakteristik ihres Emitters behält (Fig. 2).

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslösen des wechselseitigen Kippvorganges der Emitter der beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente ein mit Schaltimpulsen zu betreibender, in den Stromkreis der parallel geschalteten Basiselektroden beider Doppelbasishalbleiterbauelemente eingeschalteter Übertrager (Ü) vorgesehen ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Doppelbasishalbleiterbauelemente in einem einzigen Halbleiterkörper vereinigt sind.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein als rechteckiges Blättchen geformter, an zwei gegenüberliegenden Längsseiten mit je einer Basiselektrode sperrfrei kontaktierter Halbleiterkörper auf einer Rechteckfläche mit den Emitterelektroden, gegebenenfalls auch Kollektorelektroden der beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente versehen ist.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Doppelbasishalbleiterbauelemente derart zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind, daß ein stabförmiger, an seinen Enden mit zwei sperrfrei kontaktierten und parallel geschalteten Basiselektroden (B₂) versehener Halbleiterkörper in seiner Mitte eine beiden Doppelbasishalbleiterbauelementen gemeinsame Basiselektrode (B₁) aufweist und die Emitterelektroden, gegebenenfalls auch Kollektorelektroden, je einer der beiden Doppelbasishalbleiterbauelemente auf je einem der durch die mittlere Basiselektrode (B₁) getrennten Abschnitten des Halbleiterstabes angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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