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Flächentransistor nach dem Legierungsprinzip Die Erfindung bezieht
sich auf einen Flächentransistor nach dem Legierungsprinzip, bei dem zwischen einer
Emitter- und einer Kollektorzone gleichen Leitungstyps eine Basiszone aus Halbleitermaterial
entgegengesetzten Leitungstyps liegt.
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Transistoren sind für Signalübertragungszwecke, z. B. als Verstärker,
als Oszillator oder als Modulator, bekannt. Sie enthalten einen Halbleiterkörper,
auf dem eine Emitter- oder Steuerelektrode, eine Kollektor- oder Arbeitselektrode
und eine Basiselektrode sich in Kontakt mit dem Halbleiterkörper befinden.
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Transistoren pflegt man nach der heutigen Kenntnis dieses Gebietes
in zwei verschiedene Gruppen einzuteilen. Die eine dieser Gruppen umfa.ßt die Punktkontakt-Transistoren,
bei welchen der halbleitende Körper ein Kristall aus N-Germanium sein kann, d. h,
ein Kristall, welcher vermöge des Vorhandenseinseiner Spenderverunreinigung einen
Ü'berschuß von Elektronen aufweist. Der Halbleiterkörper kann aber auch ein Kristall
von P-Germanium sein, d. h. ein Kristall, in welchem vermöge des Vorhandenseins
einer Akzeptorverunreinigung ein Unterschuß an Elektronen besteht. Die Basiselektrode
des Transistors liegt an der Kontaktstelle mit dem Halbleiterkörper mit geringen
Widerstand auf, während die anderen beiden Elektroden aus Sonden bestehen, die einen
Gleichrichterkontakt mit dem Halbleiterkörper bilden.
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Die zweite Gruppe von Transistoren sind Transistoren mit Inversionsschicht,
bei denen der Halbleiterkörper gleichrichtende Schwellen oder Inversionsschichten
zwischen dem P-Gebiet und dem N-Gebiet besitzt. Bei diesen Transistoren kann jede
Elektrode an der Kontaktstelle mit dem P-Gebiet bzw. N-Gebiet einen geringen. Widerstand
aufweisen. Jede Elektrode injiziert, wenn man sie gegenüber der Basiselektrode in
der Vorwärtsrichtung oder Durchlaßrichtung vorspannt, Ladungsträger in dasjenige
Gebiet, auf dem die Basiselektrode aufliegt. Somit werden in ein N-Gebiet Löcher
injiziert, während in ein P-Gebiet Elektronen injiziert werden.
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Ein Transistor mit Inversionsschicht läßt sich dadurch herstellen,
daß man bestimmte Metalle, z. B. Aluminium, Bor, Gallium oder Indium, auf entgegengesetzten
Seiten eines dünnen N-Germaniumkörpers eindiffundieren läßt, so daß ein P-N-P-Transistor
entsteht. Dabei sind Bor, Aluminium, Gallium und Indium als P-Verunreinigungen oder
Akzeptoren bekannt, da sie den Teil des N-Germaniumkörpers, in welchen sie cindiffundieren,
zu einem P-Gebiet machen. Dies geht so vor sich, daß die, Atome dieser Metalle Elektronen
aus dem sie umgebenden Germaniumgitter binden und daher in diesem einen Unterschuß
von Elektronen, d. h. sogenannte Löcher, hervorrufen. Ebenso kann ein N-P-N-Transistor
dadurch hergestellt werden, daß man einen Teil des P-Germaniums in N-Germanium umwandelt.
Dies kann so geschehen, daß man eine N-Verunreinigung, d. h. einen Spender, auf
entgegengesetzten Seiten in einen P-Halbleiter eindiffundieren läßt. Zu den Spenderverunreinigungen
gehören Phosphor, Arsen, Antimon und Wismuth. DieseVerunreinigungen wandeln das
P-Germanium in N-Germanium um, indem sie Elektronen dem Germanium zuführen und daher
in diesem einen Überschuß an Elektronen. erzeugen.
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Man hat auch bereits erkannt, daß die Stromverstärkung eines Inversionsschicht-Transistors
möglichst den Wert 1 erhalten muß. Die Stromverstärkung eines Transistors wird üblicherweise
mit a bezeichnet. Sie Wird definiert als die Änderung des Kollcktorstromes je Einheit
der Änderung des Emitterstromes für eine konstante Kollektorvorspannung.
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Es ist bekannt, daß es für die Bestimmung der Schaltungseigenschaften
des Transistors auf den Wert a ankommt und daß bei Annäherung von
a an den Wert 1 viele Schaltungseigenschaften besser werden.
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Die Ladungsträger, welche von der Emitterelektrode in den Kristall
injiziert werden, bewegen sich von der Emitterelektrode zur Kollektorelektrode und
bestimmen dadurch den Kollektorstrom. Eine
Änderung im Emitterstrom
führt zu einer entsprechenden Änderung im Kollektorstrom. Wenn alle Ladungsträger,
welche in den Kristall injiziert werden, die Kollektorelektrode erreichen:, nimmt
die Stromverstärkung den Wert 1 an.
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Da die Spannung, die der Kollektorelektrode zugeführt wird, ein starkes
Feld hauptsächlich an der Kollekto,rschicht hervorruft, treten die Ladungsträger,
welche in den Kristall durch die Emitterelektrodenschicht injiziert werden, durch
das Basiselektrodengebiet des Transistors hauptsächlich durch Diffusion hindurch.
Wenn man eine Kollektorelektrode von geeigneter Konfiguration und von solcher Größe
vorsieht, daß sie verhältnismäßig groß gegenüber der Emitterelektrode ist, so können
nahezu alle von der Emitterelektrode injizierten Stromträger die Kollektorelektrode
erreichen, und die Stromverstärkung wird dem Wert 1 sehr nahekommen. Die Übertragungseigenschaften
der erfindungsgemäßen Halbleiter sind unsymmetrisch. Dies bedeutet, daß bei Verwendung
der kleineren Elektrode als Kollektor und der größeren Elektrode als Emitter die
Stromverstärkung wesentlich kleiner als 1 wird.
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Bei den bekannten Flächentransistoren sind im allgemeinen Emitter
und Kollektor gleich groß. Es sind jedoch auch Transistoren, bekannt, bei denen
die Kollektorfläche gegenüber der Emitterfläche verkleinert wurde, um Platz für
den Basisa.nschluß zu gewinnen. Diese Maßnahme war nötig, da sieh bei der bekannten
Anordnung Emitter und Kollektor, mit Ausnahme des für den Basisa,nschluß ausgesparten
Platzes, über die, ganze Basisoberfläche erstreckten; sie erfolgte also aus rein
mechanischen Gründen.
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Die vorliegende Anordnung hat die Aufgabe, einen Flächentransistor
nach dem Legierungsprinzip, bei dem zwischen einer Emitter- und einer Kollektorzone
gleichen Leitungstyps eine Basiszone aus Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps
liegt, mit einer Stromverstärkung von annähernd 1 zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Kollektorfläche größer ist als die Emitterfläche. Dabei
soll unter »Kollektorfläche« bzw. »Einitterfläche« die Fläche der jeweils wirksamen
Sperrschichtverstandzn werden.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläuaert werden.
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Fig. 1 stellt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform des Transistors
dar; Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 1 längs der Schn.ittebe:ne
2-2; Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Transistor in einer Verstärkerschaltung; Fig.
4 ist eiin Schnitt durch eine andere Ausführungsform.
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In Fig. 1 und 2 ist ein halbleitender Körper 10 dargestellt, welcher
aus einem Kristall von Siliziiitn oder Germanium bestehen kann. Der Kristall kann
vom Typ P oder vom N-Typ sein. Im folgenden, ist angenommen., daß es sich um einen
IN-Kristall handoln würde.
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Auf den beiden, Seiten des Körpers 10 sind eine Emitterelektrode 11
und eine Kollektorelei;trode, 12 auflegiert. Die Emitterelektrode und die KollAtorelektrode
bestehen aus einem Akzeptormetall, z. B. aus Aluminium oder aus Bor, vorzugsweise
jedoch aus Indium. Durch Wärmebehandlung der Elektroden 11 und 12 nach Aufbringen,
auf den, Kristallkörper 10 diffundiert das Akzeptormetall in den IX-Körper hinein
und, verändert diesen, so daß das P-Gebiet 14 und das P-Gebiet 15 entstehen;. Die
Gebiete 14 und 15 sind von, dem restlichen N-Gebiet durch die Gleichrichterschwellen
oder Schichten 14' und 15' getrennt. Somit wird also ein Halbleiter gebildet, der
zwei Zonen, vom P-Leitungstyp besitzt, welche durch eine Zone vom N-Leitungstyp
getrennt sind.
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Grundsätzlich kann der Körper 10 eine beliebige Dicke haben, jedoch
wurden gute Ergebnisse mit einer Dicke von annähernd 0,075 bis 0.15 mm erreicht.
Beispielsweise kann die Elektrode 11 eine Dicke von etwa. 0,25 mm und einen Durchmesser
von etwa 0,37 mm haben, und die Elektrode 12 eine Dicke von. etwa. 0,25 mm und einen
Durchmesser von annähernd 2 mm.
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Auf dem Körper 10 kann eine Basiselektrode 16 durch Auflöten. eines
geeigneten. Metalls angebracht werden. Die Elektrode. 16 ha,t einen Kontakt geringen
Widerstandes und kann. statt durch Auflöten auch durch Aufspritzen, durch Aufstreichen
oder durch ein anderweitiges Überziehen der betreffenden Stelle des Halbleiterkörpers
mit dem Basiselektroden, material hergestellt werden. Die Basiselektrode kann die
Emitterelektrode oder die Kollektorelektrode oder beide Elektroden umgeben und schließt
eine beträchtliche Fläche des Körpers 10 ein. Hierdurch wird eine gleichmäßigere
Diffusion. der in den. Körper 10 von der Emitterelektrode injizierten Träger hervorgerufen,
und zwar aus den. im folgenden erläuterten Gründen. Die Basiselektrode 16 kann jedoch
in einer beliebigen Form mit niedrigem Widerstand auf dem Halbleiterkörper angebracht
werden. Mit jeder Elektrode sind geeignete Zuleitungen verlötet.
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Die Kodlektorelektrode 12 ist verhältnismäßig groß gegen die Emittere:lektrode
11. Somit wird das P-Gebiet 15 und die Schwelle 15' größer als das P-Gebiet 14 und
die Schwelle 14'. Die Emitterelektrode injiziert bei geeigneter Vorspann.ung gegenüber
der Basiselektrode Stromträger oder Löcher in den. Körper 10. Da der größte Teil
der zugeführten Vorspannunge,n als Spannungsabfall an, den. Schwellen 14' und 15'
auftritt, ist das elektrische Feld im Körper 10 vernachlässigbar. Daher hat das
elektrische Feld zwischen der Basiselektrode und der Schwelle 14' einen. geringen.
Einfluß auf die: Bewegung der Stromträger, so daß diese nach dem Durchtritt durch
die Schwelle 14' so wie durch die: Pfeile 18 angedeutet diffundieren:. Die Stromträger
werden durch die großflächige Schwelle 15' abgefangen und treten, in das P-Gebiet
15 ein. Die Kollektorschicht 15', die einen verhältnismäßig großen Teil des Körpers
10 umfaßt, kann. nahezu alle injizierten Löcher aufnehmen.
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Bei der Herstellung von P-N-P-Transistoren hat sich <las folgende
Verfahren bewährt: es besteht im wesentlichen, aus drei Schritten, nämlich aus der
Präparation eines N-Germaniumkörpers, aus der Präparation der Akzeptorverunreinigung
mit Indium und aus dem Brennen oder Eind-iffundieren des Indiums in den Germaniumkörper.
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Der Germaniumkörper wird aus einem Germanium-Einkristall gewonnen,
der einen, beliebigen spezifischen Widerstand haben kann, wobei sich jedoch Werte
von 2 bis 5 Ohm-Zentimeter gut bewährt haben. Der spezifische Widerstand des Germaniums
ist im allgemeinen für das Verhalten des Transistors sehr wichtig und stellt einen
in, hohem Maße kritischen Wert dar. Der spezifische Widerstand hängt im Germa,n.ium
von winzigen Mengen von Spender- oder Akzeptorverunreinigungen ab. Der spezifische
Widerstand von reinem Germanium ist annähernd 60 Ohm-Zentimeter. Wenn, eine
zu große Zahl von. Verunreinigungsatomen, im Germanium vorhanden ist, wird
die
Leitfähigkeit des Germaniums zu hoch. und die Transistorwirkung
wird ungünstig beeinflußt. Es ist daher erwünscht, die Verunreinigungen durch Reinigungsverfahren
möglichst zu entfernen, so daß definierte Mengen von Verunreinigungsmaterial zugeführt
werden können und die gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes erreicht werden.
Andererseits kann jedoch der spezifische Widerstand des zwischen den Schichten 14'
und 15' liegenden Gebietes durch die Menge der in dieses Gebiet eindiffundierten
Verunreinigungen beeinflußt werden. Der Leitungstyp dieser Verunreinigungen ist
der entgegengesetzte wie der dieses Gebietes, jedoch ist ihre Konzentration sehr
klein. Die Wirkung dieser Verunreinigungen besteht darin, daß der spezifische Widerstand
des zwischen den Schichten liegenden Gebietes. steigt. Wegen dieser Möglichkeit
der Beeinflussung des spezifischen Widerstandes im Gebiet zwischen den beiden Schichten
14' und 15' ist die Wahl des anfänglichen Wertes des spezifischen Widerstandes des
Körpers 10 nicht kritisch. Beispielsweise sei erwähnt, daß ein Germanium-Einkrista.ll
in Scheiben von: je 0,5 mm Dicke zerschnitten worden ist. Die. Scheiben werden dann
in dünne Ouadra,te von etwa 37 mm2 aufgeteilt.
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Um einen einwandfreien Betrieb zu erzielen, muß die Oberfläche der
Kristallkörper absolut sauber sein und die Kristallstruktur an der Oberfläche ungestört
sein. Die Dicke der gestörten kristallinen Schicht durch das Zerschneiden und die
Aufteilung der Kristalle beträgt vermutlich einige, hundertstel Millimeter. Dementsprechend
werden die Germaniumstückchen in einer geeigneten Ätzlösung geätzt, bis sie annähernd
eine Dicke von etwa 0,075 bis 0,15 mm annehmen. Die Ätzlösung kann z. B. Salpetersäure
und Flußsäure sein. Die Menge der Ätzlösung muß groß genug sein, um eine schnelle
Gasentwicklung zu verhindern. Die Gennaniumstückchen werden nach der Abätzung auf
die gewünschte, Dicke in fließendem heißem Wasser von etwa 50° C gewaschen, sodann
in destilliertem Wasser abgespült und schließlich in einem Sieb mittels eines warmen
Luftstromes getrocknet. Sodann kann auf die Kristallkörper die Akzeptorverunreinigung
Indium aufgebracht werden.
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In den Kristallkörper wird verhältnismäßig reines Indium eindiffundiert.
Das Indium wird in runde Scheiben zweier verschiedener Größen gestanzt, deren Dicke
0,25 mm beträgt. Der Durchmesser der kleineren Scheiben beträgt etwa 0,37 mm, und
der Durchmesser der größeren Scheiben beträgt etwa 2 inin. Die Scheiben werden durch
Entfetten in Äther und durch anschließendes Waschen in Wasser gereinigt und sodann
getrocknet.
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Das Eindiffundieren der Indiumscheiben . in die Kristallkörper geht
in einer Wasserstoffatmosphäre vor sich, die erst desoxydiert und dann in flüssiger
Luft getrocknet wird. Die größere der beiden Indiumscheiben wird zunächst etwa in
der -litte des Germaniumkörpers angebracht und für etwa eine 'Minute bei 250° C
gebrannt. Dieses anfängliche Brennen dient dazu, die größere Scheibe auf dem Germaniumkörper
zu befestigen. Sodann wird eine kleine Indiumscheibe auf der anderen Seite des Germa,niumkörpers
angebracht. Der mit diesen beiden. Scheiben versehene Körper wird sodann für 10
oder 20 Minuten, bei einer Temperatur zwischen 400 und 500° C gebrannt, wobei das
Indium in den Kristallkörper eindiffundiert.
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Die kleinere Indiumscheibe stellt die Emitterelektrode dar und die:
größere die Kollektorelektrode. Eine Zuleitung wird mit geringem Übergangswiderstand
an jeder der Indiumscheiben durch Löten od. dgl. befestigt. Eine Basiselektrode.
kann durch Anlöten eines Nickelbandes an den German.iumkörper gebildet werden.
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In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispieil eine Verstärkerschaltung unter
Verwendung eines erfindungsgemäßen Transistors dargestellt. Zwischen. der Emitterelektrode
14 und der Basiselektrode 16 wird eine verhältnismäßig kleine, in der Vorwärtsrichtung
wirksame Vorspa,nnung gelegt. Unter einer in der Vorwärtsrichtung wirksamen Vorspannung
wird dabei diejenige Polarität verstanden, bei welcher Ladungsträger entgegengesetzten
Vorzeichens in den Körper 10 eingeführt werden, d. h. eine Polarität, bei der in
einen -N-Kristall Löcher eingeführt werden bzw. in einen. P-Kristall Elektronen.
eingeführt werden,. Wenn die Sendeelektrode in der Vorwärtsrichtung vorgespannt
werden soll, muß sie also bei einem N-Kristall positiv, dagegen bei einem P-Kristall
negativ sein. Zu diesem Zweck kann eine geeignete Spannungsquelle, z. B. eine Batterie
20, mit ihrem negativen Pol an die Basiselektrode und mit ihrem positiven Pol über
ein Widerstandselement, z. B. einen ohmschen Widerstand 21, an die Emitterelektrode
angeschlossen sein. Die Basiselektrode 16 kann, wie dargestellt, geerdet werden.
Ferner wird eine verhältnismäßig große Vorspannung mit der umgekehrten Pola; rität
zwischen die Kollektorelektrode 12 und die Basiselektrode 16 geschaltet.
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Eine Vorspannung in der umgekehrten Richtung kann, als eine Spannung
definiert werden, welche der Einführung von Löchern in einen N-Kristall bzw. von
Elektronen in einen P-Kristall entgegenwirkt. Somit muß der Kollektor 12 negativ
gegenüber der Basiselektrode 16 sein, wenn. es sich um einen N-Kristall handelt,
und muß positiv gegenüber der Basiselektrode 16 sein, wenn es sich um einen P-Kristall
handelt. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Spannungsquelle, z. B. eine Batterie
22, mit ihrem positiven Pol geerdet, d. h. mit der Basiselektrode 16 verbunden,
und ihr negativer Pol über ein Widerstandselement, z. B. einen ohmschen Widerstand
23, an die Kollektorelektrode 12 angeschlossen. Ein Eingangssignal kann, den Eingangsklemmen.
24 zugeführt werden:, wobei die eine; dieser Eingangsklemmen geerdet ist, während
die andere über einen Koppelkondensator 25 an; der Emitterelektrode il liegt. Ein
verstärktes Ausgangssignal kann am Lastwiderstand 23 abgenommen werden, und zwar
beispielsweise dadurch. daß man die Ausgangsklemmen 26 benutzt, von denen die eine
geerdet ist, während die andere, über einen Koppelkondensator 27 mit dem Kollektor
12 verbunden ist.
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In Fig. 4 wird der Körper 10 teilweise geätzt, so daß ringförmige,
Einkerbungen oder Vertiefungen 30 und 31 auf beiden Seiten des. Körpers entstehen.
Die Dicke des Körpers zwischen den. Schichten 14' und 15' wird dadurch vermindert
und die Frequenzeinpfindlichkeit erhöht. Die Emitterelektrode 11 wird, innerhalb
der Vertiefung 30 angebracht. Die Vertiefung 31 ist ringförmig. Die Kollektorelektrode
12 wird symmetrisch zur Vertiefung 31 angeordnet. Die Basiselektrode 16 umgibt die
Emitterelektrode 14 und schließt einen größeren Teil des Körpers 10 ein.
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Es wurde eine Anzahl von Kristallkörpern aus Germanium mit einer Dicke
von, je etwa 0,15 mm geprÜft, die einen spezifischen Widerstand von 3 Ohm-Zentimeter
hatten.. Dabei wurde die Stromverstärkung a als Funktion des Durchmessers von Kollektorelektrode
und Emitterelektrode untersucht. Die Ergebnissg
sind in der folgenden
Tabelle zusammengestellt.
| Kollektor- Emitter- |
| Transistor elektroden- elektrode Strom- |
| Nr. durchmesser Durchmesser verstärkung |
| in mm in mm |
| 1 0,625 0,625 0,7 bis 0,85 |
| 2 1,12 0,37 0,75 bis 0,87 |
| 3 2,13 0,37 0,97 |
| 4 i 3,12 0,37 0,91 bis 0,98 |
| 5 0,37 1,12 I 0,17 bis 0,33 |
Diese Meßergebnisse zeigen, da.ß mit zunehmender Kollektorfläche die Stromverstärkung
sich dem Wert 1 nähert.
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Durch die vorliegende Anordnung wird somit ein verbesserter Halbleiter
für Sign:alübertragungszwecke geschaffen, Der Transistor besteht aus einem Körper
eines halbleitenden Materials mit zwei Gebieten des gleichen Leitungstyps und einem
weiteren zwischen diesen Gebieten liegenden Gebiet des entgegengesetzten Leitungstyps.
Die Trennflächen zwischen diesen Gebieten sind von ungleicher Größe. Die Kollektorelektrod.e
des Transistors ist erheblich größer als die Emitterelektrade@ Der Transistor gemäß
der Erfindung besitzt eine Stromverstärkung, die dem Wert 1 nahekommt, und eine
verhältnismäßig hohe Leistungsverstärkung.