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Elektrische Gedächtnisschaltung mit mindestens einem tiefgeätzten Transistor
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Gedächtnisschaltung mit mindestens einem als Gedächtniselement geschalteten tiefgeätzten Transistor, an dessen Kollektorerschöpfungsschicht zeitweise ein solcher Spannungsunterschied auftritt bzw. aufrechterhalten wird, dass der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt wenigstens teilweise unterbrochen ist, wobei die Kollektorspeisespannung aus einem Steuerimpuls besteht, dessen Amplitude grösser ist als die Kollektor-Basis-Abklingspannung des Transistors, so dass die wirksame Basiszone während dieses Steuerimpulses schwebendes Potential aufweist, mit ändern Worten, dass die wirksame Basiszone ein beliebiges Potential anzunehmen vermag, nach Patent Nr.
210477, und bezweckt eine Verbesserung dieser Gedächtnisschaltung. Gemäss vorteilhaften Ausbildungen nach dem Stammpatent folgt auf den Steuerimpuls ein Löschimpuls mit einer Amplitude kleiner als die dieser Ab- klingspannung. dergegebenenfalls inderBasiszone vorhandene freie Ladungen verbraucht, wobei der Steuerimpuls mit dem Löschimpuls zu einem stufenförmigen oder sägezahnförmigen Impuls vereinigt sein kann.
Auf Grund der USA-Patentschrift Nr. 2, 787, 717 bzw. der brit. Patentschrift Nr. 780, 839 sind Verzöge- rungsschaltungen mit Transistoren an sich bereits bekannt.
Das in dem Stammpatent geschilderte Ausführungsbeispiel einer solchen Gedächtnisschaltung besitzt eine Kaskade"tiefgeätzter"Transistoren, die als elektrische Speicherelemente arbeiten, und verwendet
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pulse liefern. Bei dieser Gedächtnisschaltung wird die in Form eines gegebenenfalls vorhandenen Inhaltes freier Ladungen in der Basiszone eines ersten Transistors eingeschriebene Information bei jedem Zeitim- puls nach einem darauffolgenden Transistor verschoben, so dass zwei Transistoren nötig sind, um die Information während des Zeitraumes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitimpulsen von einer der Quellen zu speichern.
Die Gedächtnisschaltung nach der vorliegenden Erfindung benutzt die Tatsache, dass bei einer Spannung gleich dem sogenannten"Sperr"-Wert der Kollektor-Basisspannung oder höher nicht nur der Kollektorstrom, sondern auch der einer bestimmten vorwärts gerichteten Basis-Emitterspannung entsprechende Basisstrom stark verringert wird. Diese Gedächtnisschaltung besitzt eine Reihe von mindestens zwei"tiefgeätzten Schichttransistoren", wobei die Emitterelektrode eines jeden Transistors der Reihe über eine Belastungsimpedanz an einem Punkt konstanten Potentials liegt.
Sie hat das Merkmal, dass die Basis eines folgenden Transistors derReihe mit dem Emitter des vorangehenden Tral1sistors über ein Verzögerungsnetz- werk gekoppelt ist, und dass die Kollektorelektroden sämtlicher Transistoren gleichzeitig aus einer gleichen Quelle von Spannungsimpulsen gespeist werden, so dass infolge eines während eines Spannungsimpulses erzeugtenStromimpulsesdurch die Belastungsimpedanz eines vorangehenden Transistors der Reihe elektrische Energie im entsprechenden Verzögerungsnetzwerk gespeichert wird, welche Energie erst nach Ablauf dieses Spannungsimpulses eine bedeutende Anzahl freier Ladungsträger in der Basiszone des folgenden Transistors der Reihe erzeugt.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, Fig. l ist ein schematischer Schnitt eines Ausführungsbeispiels eines "tiefgeätzten" Schichttransistors und zeigt ein vorge-
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schlagenes Symbol für einen Transistor dieser Art. Fig. 2 zeigt eine Gruppe von Basis- und Kollektorstrom- Kollektor-Emitter-Spannungscharakteristiken eines Transistors von der in Fig. 1 dargestellten Art, mit der Emitter-Basisspannung als Parameter. Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Gedächt - nischaltung nach der Erfindung, und Fig. 4 zeigt Strom-und Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses Ausfahrungsbeispiels.
Wie in Fig. l dargestellt, besteht ein"tiefgeätzter"Schichttransistor aus einer Platte 1 aus halbleitendem Material, wie z. B. Germanium oder Silizium, z. B. vom n-Typ, auf der eine in beiden Richtungen leitende Basis- Elektrode 2 angeordnet ist, wobei ein Emitter 3 und ein Kollektor 4 durch Legieren des Plattenmaterials gebildet sind. Sowohl der Emitter 3 als auch der Kollektor 4 stellen also Zonen eines Materials von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp dar, z. B. vom p-Typ. Mit jeder dieser Zonen ist eine Elektrode 5 bzw. 6 z. B. durch Löten verbunden. Ausgehend von der beim Emitter-Kontaktliegenden Grenzfläche der Platte, dringt ein nichtleitender Teil 7 in die Basis ein. Dieser nichtleitende Teil ist ein Einschnitt, der sich rings um den Emitter-Kontakt erstreckt und durch Ätzen gebildet ist.
Infolgedessen ist der Stromweg vom Emitter nach dem Basis-Kontakt örtlich verengt, weil der nichtleitende Teil 7 an den Kollektor bis auf einen Abstand heranrückt, der kleiner ist als der Minimalabstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor. Der Basis-Kontakt 2 ist deshalb vom Emitter durch den nichtleitenden Teil 7 einerseits und durch den Kollektor 4 anderseits getrennt, was durch das Symbol nach Fig. 1 angedeutet wird.
Fig. 2 zeigt den Kollektorstrom Ic und den Basisstrom Ib eines Transistors nach Fig. l als Funktion der Kollektor-Emitterspannung Vce. Sowohl der Kollektor- als auch der Basisstrom nehmen von einem bestimmten Wert der Kollektor-Emitterspannung bei wachsender Spannung ab. Der Transistor hat mithin eine
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der Kollektor-Emitterspannung an sind sowohl der Basisstrom als auch der Kollektorstrom verhältnismässig klein. Dies ermöglicht es, ein Verzögerungsnetzwerk zwischen zwei aufeinander folgenden Transistoren einzuschalten und elektrische Energie in diesem Netzwerk während der Zeit zu speichern, während der eine Spannung zwischen die Kollektor- und Emitter-Elektroden der Transistoren gelegt wird.
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speist werden.
Der Emitter eines jeden Transistors liegt an Erde über je einen Belastungswiderstand 11,21, 31 und 41 und ist mit der Basis des folgenden Transistors über je ein aus einem Längswiderstand 12, 22,32 und einem Querkondensator 13,23, 33 bestehendes Verzögerungsnetzwerk gekoppelt. Der Emitter des letzten Transistors 40 ist mit den Ausgangsklemmen 17 der Schaltungsanordnung verbunden, und die BasisElektrode des ersten Transistors 10 liegt an einer Quelle 16 negativer Eingangsimpulse.
Nötigenfalls können, je nach der Wiederhol1mgsfrequenz der Zeitimpulse, kleine Widerstände 14,24, 34 in die Basisan- schlüsse der Transistoren 20,30 und 40 eingeschaltet werden, und es können je nach der Breite dieser Impulse kleinbemessene Querkondensatoren 15,25, 35,45 parallel zu den Belastungswiderständen 11,21, 31, 41 angeschlossen werden.
Fig. 4 veranschaulicht die Wirkungsweise der Gedächtnisschaltung nach Fig. 3. Die erste Zeile stellt die Zeitimpulse Vc dar, die gegebenenfalls stufenförmig oder sägezahnförmig sein können, wie gestrichelt bzw. strichpunktiert angedeutet. Die zweite Zeile von Fig. 4 zeigt einen Eingangsimpuls bio der aus der Quelle 16 an die Basis des Transistors 10 gelegt wird. Wenn dieser Impuls anlangt, ist der Emitter-Kollek- torkreis des Transistors 10 spannungslos, so dass kein Strom durch diesen Kreis fliessen kann und der Eingangsimpuls ausschliesslich freie Ladungsträger in der Basis-Zone des Transistors 10 zu erzeugen vermag.
Diese Ladung Vb 10 der Basis-Zone kann aber nicht abfliessen und bleibt bis zum Zeitpunkt der Ankunft des erstfolgenden Zeitimpulses V bestehen, wie in der dritten Zeile von Fig. 4 dargestellt ist. Dieser Zeitimpuls hat eine steile Vorderflanke und eine Amplitude gleich dem Sperrwert der Kollektor-Emitterspan-
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sistors 10 wird vom Zeitimpuls V c ein Stromimpuls Ie 10 durch seinen Emitter-Kollektorkreis erzeugt. Dabei wird dieser Stromimpuls nach einem anfänglich hohen Stromwert sehr schnell auf den sogenannten Sperrwert begrenzt, und die freien Ladungsträger in der Basis-Zone können vorläufig nur noch in geringem Masse wegfliessen.
Am Ende des Zeitimpulses nimmt die Kollektor-Emitterspannung plötzlich wieder ab, wodurch ein zweiter kurzer Emitter-Stromimpuls grösserer Amplitude, unter teilweiser Entladung der Basis-Zone des Transistors 10 entsteht. Danach entlädt sich diese Basis-Zone mehr oder weniger schnell, entsprechend der Form der Zeitimpuls. Ist z. B. die Rückflanke dieser Zeitimpulse etwas weniger steil als ihre Vorderflanke, so wird die Basis-Zone während des Endes der Zeitimpuls verhältnismässig schnell entladen, wonach sie sich langsam weiter entlädt.
Folgt auf den Zeitimpuls ein stufenförmiger Löschimpuls
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mit einer Amplitude kleiner als der Sperrwert der Kollektor- Emitterspannung, wie in der ersten Zeile von Fig. 4 gestrichelt angedeutet, so kann sich die Basis-Zone während dieses Löschimpulses völlig entladen, wie in der dritten und vierten Zeile von Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist.
Der Kondensator 13 wird über den Widerstand 12 durch den, den Widerstand 11 durchsetzenden Stromimpuls bis zu einer Spannung V C13 aufgeladen, wie in der fünften Zeile von Fig. 4 dargestellt. Nach dem Zeitimpuls entlädt sich dieser Kondensator langsam über die Widerstände 11 und 12 und, gegebenenfalls über den Widerstand 14, in die Basis-Zone des Transistors 20, wobei die Basis-Zone dieses Transistors infolgedessen eine Ladung Vb freier Ladungsträger erhält, wie in der sechsten Zeile von Fig. 4 dargestellt ist. Infolge der Zeitkonstante des Verzögerungsnetzwerkes 12, 13 ist die Ladung der Basis-Zone des Transistors 20 während des ersten Zeitimpulses noch ungenügend, um einen merklichen Stromimpuls durch seinen Emitter-Kollektorkreis zu bewirken.
Infolge der Entladung des Kondensators 13 in die Basis-Zone des Transistors 20 ist der Inhalt dieser Zone an freien Ladungsträgern während des darauffolgenden Zeitimpulses aber so gross geworden, dass der zweite Zeitimpuls einen verhältnismässig starken Stromimpuls into durch den Emitter-Kollektorkreis des Transistors 20 verursacht, wie in der letzten Zeile von Fig. 4 dargestellt.
Wie in den dritten und vierten Zeilen der Fig. 4 ist auch in den drei letzten Zeilen dieser Figur der Verlauf der verschiedenen Ströme und Spannungen bei Verwendung stufenförmiger Zeitimpulse gestrichelt angedeutet. Der Emitterstrom eines jeden Transistors bleibt während des zweiten Teiles des entsprechendenZeitimpulses noch bestehen, wobei er infolge der Entladung der Basis-Zone dieses Transistors allmählich abnimmt.
Das Entladen der Basis-Zonen der unterschiedlichen Transistoren zwischen den Zeitimpulsen Vc durch einen Vorwärtsleckstrom der entsprechendenBasis-Kollektor-Dioden wird vom Gleichrichter 19 verhindert.
Die scharfen Spitzen der Ermitter-Stromimpulse werden durch die Emitter-Kapazität des entsprechenden Transistors stark abgedämpft, so dass die in der vierten und letzten Zeile von Fig. 4 dargestellte Form nicht der Wirklichkeit entspricht. Trotzdem kann es vorkommen, z. B. bei verhältnismässig langen Zeitimpulsen, dass die Emitter-Stromimpalse tatsächlich zwei verhältnismässig scharfe Spitzen erhalten. Dies kann unerwünscht sein und mittels eines kleinbemessenen Kondensators 15, 25 usw. vermieden werden, der die Eigen-Emitterkapazität der entsprechenden Transistoren 10, 20 usw. erhöht.
Die Zeitkonstanten der Belastungskreise, bestehend aus den Widerständen 11, 12 usw. und den Parallelkondensatoren 15, 25 usw., welche wenigstens teilweise durch die Eigen-Emitterkapazitäten der Transistoren 10, 20 usw. gebildet werden, sollen von der Grössenordnung der Dauer der Zeitimpulse sein.
Die Kondensatoren 13, 23 usw. sollen sich über die Widerstände 12, 22 usw. schnell aufladen können, und müssen sich überdieWiderständell und 12, 21 und22 usw. verhältnismässig langsam entladen. Die Widerstände 12, 22 usw. sollen deshalb viel kleiner sein als die Belastungswiderstände 11, 21 usw. Anderseits soll die Verzögerung, mit der die Basis-Zone des folgenden Transistors 20, 30 usw. aufgeladen wird, grösser sein als die Breite der Zeitimpulse, da sonst der der Basis des Transistors 10 zugeführte Eingangsimpuls beim ersten Zeitimpuls bis nach der Basis des letzten Transistors 40 und selbst weiter ilbertragen. wird.
Die Zeitkonstanten der aus den Eigenkapazitäten der Basis-Elektroden der Transistoren 20,30 usw. und aus den Reihenwiderständen 14, 24 usw. bestehenden Kreise, zwischen jede dieser Basis-Elektroden und dem gemeinsamen Punkt des entsprechenden Widerstandes 12, 22 oder 32 und des entsprechenden Kondensators 13, 23 oder 33, soll deshalb auch grösser als die Breite der Zeitimpuls sein. Normalerweise werden die. Widerstände 14, 24 usw. durch die Eigenwiderstände der Basis-Elektroden der Transistoren 20,30 usw. gebildet. Sind diese Eigenwiderstände aber zu klein, so können sie, wie in Fig. 3 gezeigt, durch besondere Widerstände erhöht werden. Schliesslich soll die Entladezeitkonstante des Verzögerungsnetzwerkes den Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitimpulsen übersteigen.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 bedeutet, dies, dass die Zeitkonstanten aus dem Produkt der Kapazitäten der Kondensatoren 13, 23 usw. und der Summe der Widerstände 11 und 12, 21 und 22 usw. den Zeitraum zwischen den Zeitimpulsen übersteigen sollen.
Die Gedächtnisschaltung nach Fig. 3 stellt ein Verschiebungsregister dar, wodurch Eingangsimpulse bei jedem Impuls einer Reihe von Zeitimpulsen eine Stufe weiter übertragen oder verschoben werden. Dabei bildet die Kombination eines jeden Verzögerungsnetzwerkes mit dem nächsten Transistor einen Speicher, in dem ein Impuls oder ein Ladungszustand der Basis-Zone des vorangehenden Transistors während des Zeitintervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitimpulsen gespeichert wird. Die geschilderte Schaltung hat also den Vorteil, dass nur ein Transistor verwendet wird, um eine gegebene Information während eines Zeitimpulsintervalles zu speichern, und dass deshalb nur eine Reihe von Zeitimpulsen der Schaltung zugeführt zu werden braucht.