DE1053030B - Bistabile Kippschaltung mit einer Doppelbasisdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft bistabile Kippschaltungen und insbesondere eine bistabile Kippschaltung mit einer Doppelbasisdiode, die besonders vorteilhafte Betriebseigenschaften zeigt.

In den deutschen Auslegesdhriften 1 047 316 und 1 041 160 sind Doppelbasisddoden beschrieben, die aus einem Halbleiterstäbchen bestehen, bei dem normalerweise an den beiden Enden je eine ofomsehe Elektrode und zwisahen diesen ohmschen Elektroden eine Inversionselektrode angeordnet sind. Auch in dem im Jahre 1953 erschienenen Buch von R. F. S'hea, »Principles of Transistor Circtdts·«, S. 466 bis 470, ist die Doppelbasisdiode ausführlich als Schaltelement erörtert, und es sind darin einige Grundscihaltbilder für bestimmte Anwendungszwecke der Doppelbasisdiode gezeigt.

In der im Jahre 1952 veröffentlichten USA.-Patentschrift 2 622 211 ist eine stabilisierte Auslöseschaltung mit einem Transistor bekanntgeworden, die eine Diode, deren eine Elektrode mit einer Elektrode des Transistors verbunden ist, eine Spannungsquelle, die in Reihe mit einer Impedanz parallel zur Diode an derselben Elektrode des Transistors angeschlossen ist, und eine weitere Spannungsquelle enthält, die, mit einem Widerstand in Reihe gesahaltet, in einer Verbindung von einer anderen Elektrode des Transistors zur anderen Elektrode der Diode liegt, so daß ein Strom in einer bestimmten Richtung durch die Diode hindurchgeht. Diese bekannte Schaltung hat den Nachteil, daß in ihr ein Transistor Verwendung findet. Ein Transistor weist mindestens zwei pn-Übergänge auf, deren Herstellung einen gewissen Aufwand erfordert und daher relativ kostspielig ist.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine stabilisierte Auslösesehaltung anzugeben, in der an Stelle des teueren Transistors die nur einen pn-übergang enthaltende und daher in der Herstellung wesentlich billigere Doppelbasisdiode verwendet wird.

Wenn eine Doppelbasisdiode an die Stelle eines Transistors in einer stabilisierten Auslöseschaltung treten soll, muß die besondere Eigenart der Doppelbasisdiode mit einem einzigen pn-übergang in der Schaltung berücksichtigt werden; dies bedeutet, daß spezielle Netzwerke gebraucht werden und ein Transistor nicht ohne weiteres gegen, eine Doppelbasisdiode austauschbar ist. Der Ersatz des einen Schaltelementes gegen das andere ergibt normalerweise wegen der UntersdhiedⁱIidMceit der Charakteristiken noch keine betriebsfähige Schaltung.
_. Gemäß der Erfindung liegt bei einer bistabilen Kippschaltung mit einer Doppelbasisdiode, die, ähnlich wie die bekannte Transistorauslöseschaltung eine Diode, deren eine Elektrode mit einer Elektrode der Doppelbasisdiode verbunden ist, eine Spannungs-Bistabile Kippschaltung
mit einer Doppelbasisdiode

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady,
N.Y. (V.St.A.)

ίο Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Mai 1954

Vernon Paul Mathis und Jerome Joseph Suran,
Syracuse, N.Y. (V.St.A.),
sind als Erfinder genannt worden

quelle, die in Reihe mit einer Impedanz parallel zur Diode an dieselbe Elektrode der Doppelbasisdiode angeschlossen ist, und eine weitere Spannungsquelle enthält, die sich, mit einem Widerstand in Reihe geschaltet, in einer Verbindung von der anderen Elektrode der Doppelbasisdiode zur anderen Elektrode der Diode befindet, eine dritte Spannungsquelle in Reihe mit einer Impedanz zwischen der Inversionsele'ktrode der Doppelbasisdiode und der anderen Elektrode der Diode; die Spannung dieser dritten Spannungsquelle ist geringer als. die der zweiten Spannungsquelle, derart, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie der Doppelbasisdiode einen scharfen, positiven Steilanstieg in dem Sperrgebiet des negativen Stroms aufweist und umgekehrt in dem Übergangsbereich einen negativen Abfall zu einem Minimum hin im Gebiet des positiven Stroms zeigt und dann langsam im Sättigungsbereioh des positiven Stroms ansteigt; außerdem soll die erste Spannungsquelle eine größere Spannung als die zweite Quelle liefern. Bei einer speziellen Ausführungsfοrm dieser bistabilen Kippschaltung ist die zwischen der Inversionselektrode der Doppelbasisdiode und der anderen Elektrode der Diode liegende Impedanz aus zwei Widerständen zusammengesetzt; der eine Widerstand wird von einem Kondensator überbrückt, während an den Klemmen des anderen Widerstands Anschlüsse zur Einführung eines Eingangssignals vorgesehen sind.

Die Doppelbasisdiode weist in diesen Netzwerken den ungewöhnlichen und unerwarteten Vorteil auf, daß sich eine Auslösesehaltung mit einer äußerst

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kurzen Erholungszeit ergibt, die viel kürzer als die · einer gleichwertigen Transistorschaltung ist. Außerdem ist sie eine sehr stabile Schaltung, wenn bestimmte Beziehungen zwischen den Spannungs- und Widerstands werten eingehalten werden.

Weitere Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der bistabilen Kippschaltung werden in der folgenden Beschreibung der Figuren genannt.

Fig. 1 ist ein Schaltbild, .-einer. Kippschaltung mit einer Doppelbasisdiode gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die in der Schaltung nach der Fig. 1 herrschenden Strom-Spannungs-Bezichjingen zeigt; .

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines impulsgetasteten "Halbleiternetzwerkes mit' impulsregenerierenden Eigenschaften und verbesserter Scharfeinstellung und Stabilisierung der Ausgangstiharakteristik.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 10, der stangenoder stabförmig ausgebildet sein 'kann, gezeigt. Es "kann angenommen werden, daß der Stab 10 aus N-Germanium mit einer Beimisdhung einer Donatorverunreinigung, z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon, besteht. An den Enden des-'S tabes 10 sind ohmsche Elektroden 12 und "14 befestigt, die keine nennenswerten Gleichrichtereigenschaften aufweisen; sie sind also in ihrer Leitereigensdhaft vorwiegend zweiwegig oder bilateral. Eine befriedigend arbeitende ohmsche Elektrode kann durch Aufspritzen von Zinn entstehen. Am Stab-IO befindet sich -auch eine gleichrichtende oder Inversionselektrode .16/ - die dadurch erhalten wird, daß man in bekannter Weise eine Akzeptorverunreinigung, z.B. Indium, aufbringt. Zu diesem Zweck kann man sich der. zahlreichen bekannten Verfahren zur Eindiffusion einer Akzeptorverunreinigung in den Stab bedienen.

Eine Spannungsquelle 20, z. B. eine Batterie, die eine Gleichspannung von etwa 9 Volt liefert, ist in Reihe mit einem Widerstand 22 von etwa 1000 Ohm unter Zwischenschaltung spezieller Schaltelemente an die ohmschen Elektroden 12. und 14 der Doppelbasisdiode 10 angeschlossen. Außerdem steht eine weitere Spannungsquelle, z. B. eine. Batterie 19, die eine Spannung in der Größenordnung von 3 Volt liefert, über einen Begrenzungswiderstand 18 mit der Inversionselektrode in Verbindung. Die an den ohmschen Elektroden 12 und 14 liegende Spannung kann als »Basiszwisdhenspannung« bezeichnet werden, während man die zwischen der Inversionselektrode 16 und der ohmschen Elektrode 14 vorhandene Spannung »Inversionselektrodenspannung« nennt. In Fig. 1 sind die Polaritätsverihältnisse so> gewählt, wie es für einen PrT-Halbleiter in Frage kommt. Man kann jedoch auch im Stab 10 eine Akzeptorverunreinigung und an der Inversionselektrode 16 eine Donatorverunreinigung verwenden, so daß ein NP-Halbleiter entsteht. In diesem Falle werden die Polaritäten der Spannungsquelle 19 und 20 umgekehrt.

Die zwischen der Batterie 20 und der ohmschen Elektrode 14 der Doppelbasisdiode eingeschalteten, speziellen Schaltelemente enthalten eine Diode 74, deren Anode bei den Polaritätsverhältnissen nach Fig. 1 mit der negativen Klemme der Quelle 20 ver- , bunden ist. Die Kathode der Diode 74 ist an die ohmsche Elektrode 14 am Halbleiterstab 10 angeschlossen. Die Diode 74 ist so gepolt, daß sie der von der Quelle 20 gelieferten Spannung ihren hohen oder Sperrwiderstand entgegensetzt.

Die Batterie 19 und der Widerstand 18 liegen in der gezeigten Polarität zwischen der Inversionselektrode 16 und der Anode der Diode 74. Die Quelle

19 ist so gepolt, daß sie bestrebt ist, die Inversionselektrode 16 positiv gegenüber der Elektrode 14 zu machen. Die Elektrode 14 ist ebenfalls so gepolt, daß sie dem Strom in der Diode 74 einen höhen Widerstand entgegensetzt. Eine Gleidhspannungsquelle 70 und ein Widerstand 72 überbrücken, in Reihe geschaltet, die Diode 74. Die Quelle 70 ist so gepolt, daß der von ihr durch die Diode 74 geschickte Strom diese in der Richtung des minimalen Widerstandes durchläuft. Die Größe des Widerstandes 72 ist so gewählt, daß dieser Strom der Summe der in den betreffenden Schaltungszweigen fließenden Ströme gleich ist, die den Halbleiter 10 derart beeinflussen, daß ein Strom entsteht, der dem gewünschten Maximalstrom im Halbleiter entspricht; speziell kann für die Quelle 70 eine Spannung von 45 Volt bei einem Wert des Widerstands 72 von 5000 Ohm gewählt werden. Aus später ersichtlich werdenden Gründen herrschen dann besonders günstige Verhältnisse, wenn der Wert des. Widerstands 72 so gewählt ist, daß sich eine Strom-Spannungs-Beziehung ergibt, die ungefähr gleich der im Sperrbereich an der Invers ions elektrode 16 herrschenden Strom-Spannungs-Beziehung ist.
. Die Arbeitsweise der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung ist am besten aus Fig. 2 erkennbar. Dort ist die Strom-Spannungs-Kennlinie der Doppelbasisdiode in etwas idealisierter Form-gezeigt. Die Fig. 2 zeigt die Änderung der -zwischen der -Inversionselektrode 16 und der Basis 14 auftretenden Inversionselektrodenspann-ung-in Abhängigkeit von Änderungen in der Stromzufuhr an die Inversionselektrode, die sich z. B. durch Veränderung des Wertes des Widerstandes 18 ergeben können. Die Kurve in Fig. 2 zeigt diese Stromanderungen für eine Basiszwischenspannung von etwa 6 Volt. Wie man sieht, sind bei dieser merklichen Basiszwischenspannung für eine gegebene Spannung drei verschiedene- Stromwerte innerhalb eines charakteristischen Teiles des Arbeitsbereiches möglich.

Wie man weiterhin in Fig. 2 sieht, zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie im -negativen Strombereich einen in positiver Richtung ansteigenden Abschnitt 80, der bei abnehmender Negativität des Stromes anhält. Bei einem -bestimmten ■Stromwert knickt die Kennlinie um-und verläuft nun im Abschnitt 81 so lange in negativer Richtung, bis der Strom einen beträchtlichen positiven Wert erreicht hat. Von da an steigt die gestrichelte Kennlinie wieder in positiver Richtung an. Der besseren- Verständlichkeit halber sollen die verschiedenen-Kennlinienbereiche folgendermaßen bezeichnet werden; der positive Anstieg80 links von der Spannungsachse sei »Sperrbereich«, der links von der Spannungsachse beginnende und-bis rechts von der Spannungsachse reichende,-abfallende Kennlinienteil-81 der »Übergangsbereidh« und der ansteigende, gestrichelte-Kennlinienteil-im positiven -Strombereidh der »Sättigungsbereidh«. Es sei insbesondere auf den verhältnismäßig-- geringen, gestrichelt - gezeichneten, positiven Anstieg im Sättigungsbereich hingewiesen.

Der Kurventeil 80 zeigt also die Spannungsänderung-in Abhängigkeit vom Strom im Sperrbereich, während der Kurvenabschnitt 81-den gesamten Übergangsbereich umfaßt und sich bis zum Sättigungsbereieh erstreckt und einen Teil dieses Bereiches einschließen kann. Am Punkt 84-der-Kurve 81 wird jedooh der Strom in der EMctrode 14 gleich dem Strom in dem Schaltungszweig-mit der Spannungsquelle 70-und dem Widerstand 72. Steigt der nach der Elektrode 14 gerichtete Strom weiter an, so muß dieser erhöhte Strom hauptsächlich durch den Wider-

Claims (1)

stand 72 fließen, und zwar wegen des hohen" Sperrwiderstandes, den die Diode 74 aufweist, wenn man versucht, einen Strom durah sie hindurch in der Sperrichtung zu schicken. Dementsprechend steigt die Spannung an der Inversionselektrode 16 bei etwaigem weiterem Ansteigen des Stroms nach dieser "Elektro de scharf längs eines Kurvenabschnittes 82 an. Der Anstieg des Kurvenabschnittes 82 wird hauptsächlich durch die Größe des Widerstandes 72 bestimmt. Die Vorteile der Arbeitsaharakteristik nach Fig. 2 werden am besten bei einer Betrachtung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ersichtlioh. In Fig. 3 sieht man wiederum den Halbleiterstab 10 mit den beiden ohmsdhen Elektroden 12 und 14 sowie einer Inversionselektrode 16, die am Stab 10 an einem Punkt, der siah innerhalb des durch die Spannung zwischen den Elektroden 12 und 14 gebildeten Gefälles befindet, angeordnet ist. Der positive Pol der Quelle 20 ist mit der Elektrode 12 verbunden, während der negative Pol der Klemme 20 über den Widerstand 22 mit der Anode der Diode 74 verbunden ist. Die Kathode der Diode 74 ist mit der Elektrode 14 verbunden; sie ist durch die Reihenschaltung der Spannungsquelle 70 und des Widerstandes 72 in der Weise überbrückt, daß der Strom durch die Diode 74 in deren Durchlaßrichtung fließt. Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt, ist die Größe dieses Stromes so gewählt, daß er bei einem vorbestimmten Wert des in die Inversionselektrode 16 fließenden Stromes gleich der Größe des Stromes in der Elektrode 14 ist. Widerstände 50 und 52 sind in Reihe zwischen der Inversionselektrode 16 und der Anode der Dio>de 74 eingeschaltet. Zwischen den Widerständen 50 und 52 kann eine geeignete Vorspannungsquelle 55 eingesdhaltet sein. Der Widerstand 50 ist mit einem Kondensator 54 überbrückt. Zwischen einer Eingangsklemme 62 und einer nicht geerdeten Klemme 60 des Widerstandes 52 ist ein Isoliefkondensator 56 eingeschaltet, über den der Schaltung Auslöseimpulse zugeführt werden können. Das Ausgangssignal wird den Klemmen 58 und 60, die mit der Inversionselelktrode 16 bzw. der Anode der Diode 74 verbunden sind, entnommen. In der Praxis hat es siah gezeigt, daß die Schaltungbefriedigend arbeitet, wenn die Quelle 20 eine Spannung von 9 Volt bei einem Wert von 1000 Ohm für den Widerstand 22 liefert. Der Widerstand 50 kann ungefähr 3900 0hm betragen, während der Wert des Widerstandes 52 in der Größenordnung von 500 Ohm liegt. Der Überbrückungskondensator 54 kann eine Kapazität von 0,01 Mikrofarad haben, während der Ankoppelungskondenisator 56 für das Schaltsignal ungefähr einen Wert von 2 Mikrofarad haben kann. Der Widerstand 52 ist bei einer Spannung der Quelle 55 von 2 Volt so gewählt, daß sich eine der Linie 86 in Fig. 2 entsprechende Arbeitsbelastung ergibt; wie man sieht, schneidet diese Linie die Halbleitercharakteristik im Sättigungsbereioh. Im Idealfall soll der Widerstand 52 so klein wie möglich sein, bei dem eine verläßliobe Schaltwirkung gerade noch gewährleistet ist; der Leitwert des Widerstandes 50 dagegen muß kleiner sein als der negative Nettoleitwert zwischen der Inversionselektrode 16 und dem zur Inversionselektrode hin liegenden Ende des Widerstandes 52. Ein Wert von 2000 Ohm kann für den Anstieg der Entladebelastungslinie 86 gewählt werden. Die Bezugslinien für den Arbeitspunkt und dessen Verschiebung in Fig. 2 sind aus den Daten der Schaltung nach Fig. 3 abgeleitet. Das Potential der Quelle 55 wird durch einen Punkt 79 auf der Ordinate der Spannungsachse bestimmt. "Der Anstieg einer- Ladebelastungslinie 77 ergibt sich aus der Summe der Widerstände 50 und 52. Der Schnittpunkt 85 dieser Linie mit dem Sperrteil 80 der Charakteristik ergibt den Arbeitsruhepunlit der Schaltung.' Auch die" Entladebelastungslinie 86 läuft durch den Schnittpunkt 85. Ihr Anstieg entspricht dem Wert des Widerstandes 52. Ihr Sdhnittpunkt 87 mit dem Kurvenabschnitt 82 bestimmt die Grenze der Änderungen des Inversionselektrodenstromes. Eine Arbeitslinie 89 verläuft vom Schnittpunkt 87 parallel zur Abszisse bis zu einem Sahnittpunkt 83 mit dem Sperrteil 80 der Charakteristik.. Wird der Eingangsklemme 62 in Fig. 3 ein positiver Sdhaltimpuls zugeführt, so wird die Entladebelastungslinie 86 längs der" Ordimatenachse bis zu einem Punkt oberhalb der Spitze 78 verschoben; der Strom zur Inversionselektrode steigt auf Grund des an der Inversionselektrode 16 auftretenden negativen Widerstandes sofort längs der Linie 86' an, die eine zeitweise verschobene Entladebelastungslinie ist. Am Ende des Schaltimpulses fällt der Strom auf einen dem Schnittpunkt 87 der Linie 86 mit der Kurve 82 entsprechenden Wert ab. Ist der Kondensator 54 soweit entladen, daß sein Potential bis zu einem Wert abgefallen ist, bei dem sich die Inversionselektrode 16 im Spannungsgleiahgewicht mit dem Stab 10 befindet, so' kehrt sich der Stromfluß in der Inversionselektrode 16 um; der Strom nimmt längs der Linie 89 so- lange ab, bis er einen dem Schnittpunkt 83 entsprechenden negativen Wert erreicht. Alsdann steigt die Spannung im Inversionselektrodenkreis so lange längs der Linie 80 an, bis der stabile Ruihepunkt 85 erreicht ist. Besonders ist zu beachten, daß die beim Auftreten eines' Schaltimpulses sich ergebende Stromänderung trotz der momentanen Verschiebung der Entladedharakteristik 86 in die Lage 86' im wesentlichen konstant ist. Dadurch gestaltet sich der Betrieb im Entladeteil des Zyklus von der Größe des Schaltimpulses weitgehend unabhängig. In dier Praxis hat sidh herausgestellt, daß bei einer Amplitudenämderung des Sahaltimpulses an der Klemme 62 um 30 db die Größe des Ausgangsimpulses an der Klemme 58 sich lediglich um 10% ändert, wenn die Schaltung nach Fig. 1 in der in Fig. 3 gezeigten Weise stabilisiert wird. Die für die verschiedenen Spannungs quellen,. Widerstandselemente usw. angegebenen Werte sind lediglich als Beispiele zu betrachten. Diese Werte können jeweils so geändert werden, wie es für die gegebenen äußeren Erfordernisse am passendsten ist. Zum Beispiel genügt es, wenn der Widerstand 50 größer ist als der gemeinsame negative Widerstand, der sich aus der Kombination des Widerstandes 52 mit dem Eingangswiderstand der InversionseMctrode 16 ergibt. Patentansprüche:

1. Bistabile Kippsdhaltung mit einer Doppelbasisdiode, mit einer weiteren Diode, deren eine Elektrode mit der einen ohmsdhen Elektrode der Doppelbasisdiode verbunden ist, mit einer Spannungsquelle, die in Reihe mit eimer Impedanz parallel zur Diode ebenfalls an die eine ohmsche Elektrode der Doppelbasisdiode angeschlossen ist, und mit einer weiteren Spannungsquelle, die-, mit einem Widerstand in Reihe geschaltet, in einer Verbindung von der anderen ohmscben Elelitrode der Doppelbasisdiode zur anderen Elektrode der Diode liegt, so daß ein Strom in einer bestimmten Richtung durch die Diode hindurchgeht, dadurch