DE1490202C - Festkorperverstarker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Festkörperverstärker mit einem Halbleiterkörper, an dessen Oberfläche an zwei längs einer ersten Achse einander gegenüberliegenden Seiten zwei an eine Gleichspannung anschließbare Elektroden angebracht sind, zwischen denen im Betrieb ein Gleichstrom fließt, dessen Größe durch Widerstandsänderungen des Halbleiterkörpers steuerbar ist, welche durch ein den Halbleiterkörper parallel zu einer zweiten Achse durchsetzendes, signalabhängiges Magnetfeld verursacht sind.

Bei Verstärkern mit negativer Widerstandscharakteristik, wie Masern, parametrischen Verstärkern oder Tunneldiodenverstärkern, werden Kopplungselemente mit richtungsabhängiger Übertragungscharakteristik benötigt, um den Rauschfaktor klein zu halten und ein stabiles Arbeiten zu gewährleisten. Die bekannten, Elektronenröhren oder Transistoren enthaltenden Verstärker sind nur für verhältnismäßig niedrige Frequenzen brauchbar, wenn nicht sehr hoher Aufwand getrieben wird. Ferritgyratoren und Zirkulatoren lassen sich zwar auch bei Frequenzen im Mikrowellenbereich verwenden, sie stellen jedoch passive, verlustbehaftete Bauelemente dar.

Es ist ferner eine Verstärkerschaltung bekannt, die einen pnp-Flächentransistor enthält, dessen Stromverstärkungsfaktor durch ein äußeres elektrisches und/oder magnetisches Feld steuerbar ist (deutsche Auslegeschrift 1047 947). Das Feld beeinflußt dabei die Diffusionslänge der Träger zwischen der Emittersperrschicht und der Kollektorsperrschicht und damit auch den Prozentsatz der vom Emitter injizierten und an der Kollektorsperrschicht ankommenden Träger. Da die Diffusionslänge umgekehrt proportional dem spezifischen Widerstand des Halbleiters ist, ergibt sich eine Widerstandsänderung, die exponentiell vom Magnetfeld abhängt.

Es sind ferner Hallspannungsgeneratoren bekannt, die einen Halbleiterkörper in Form eines rechteckigen Plättchens enthalten, das mit zwei Paaren sich gegenüberliegender Elektroden versehen ist (deutsche Auslegeschrift 1 000 096). Zwischen den Elektroden des einen Paares fließt ein Gleichstrom, während an den Elektroden des anderen Paares eine Ausgangsspannung abnehmbar ist, deren Größe von dem Gleichstrom und einem auf der die Elektroden enthaltenden Ebene senkrecht stehenden Magnetfeld abhängt.

Durch die Erfindung soll ein nicht reziproker Festkörperverstärker angegeben werden, der sowohl bei verhältnismäßig niedrigen als auch bei sehr hohen Frequenzen betrieben werden kann und sich insbesondere für Nachrichtenübertragungs- und Datenverarbeitungsanlagen eignet.

Ein Festkörperverstärker der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche des Halbleiterkörpers in an sich bekannter Weise an zwei längs einer dritten Achse einander gegenüberliegenden Seiten zwei zusätzliche Elektroden angebracht sind, an denen im Betrieb eine zweite Gleichspannung liegt, deren Größe bezüglich der ersten Gleichspannung so bemessen ist, daß freie Ladungen aus demjenigen Bereich des Halbleiterkörpers entfernt werden, der von dem durch das Magnetfeld zu steuernden Strom durchflossen ist.

Hinsichtlich der Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine rechteckige Halbleiterplatte aus Germanium-Indiumantimonid od. dgl. mit zwei Paaren Ohmscher Elektroden verwendet, die mit Gleichstromquellen verbunden sind. Durch die Platte fließen von den Elektrodenpaaren zwei gekreuzte elektrische Ströme in einer Ebene, und außerdem wirkt ein magnetisches Feld ein, das wenigstens annähernd im rechten Winkel zu der beiden elektrischen Strömen gemeinsamen Ebene gerichtet ist. Die Stärke des Stromes in dem widerstandsbehafteten Stromweg zwischen den Elektroden des einen Paares ist eine Funktion des magnetischen Feldes, und es hat sich gezeigt, daß die Stromänderungen wesentlich stärker werden, wenn das zweite elektrische Feld an dem zweiten Elektrodenpaar vorhanden ist.

Bei bestimmten Verhältnissen der den beiden Elektrodensätzen zugeführten Potentiale können die differentiellen Änderungen des Widerstandes zwischen dem einen Elektrodenpaar, die als Eingangselektroden geschaltet sind, extrem empfindlich gegenüber Änderungen des magnetischen Feldes gemacht werden.

Die Erfindung soll an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden, dabei bedeutet

Fig. 1 ein Schaltbild eines Verstärkers mit mehreren mit magnetfeldabhängigem Widerstand arbeitenden Festkörperverstärkern gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Festkörperverstärkers mit magnetfeldabhängigem Widerstand,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen der signalabhängigen und konstanten Magnetfeldelemente in einem Verstärker,

Fig. 5 und 6 Diagramme zur Erläuterung der Betriebseigenschaften des in Fig. 1 dargestellten Verstärkers,

Fig. 7 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei dem Teile vereinfacht per- spektivisch dargestellt sind,

Fig. 8 eine schematische perspektivische Ansicht einer als Mikrowellenverstärker geeigneten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 9 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht des einen Halbleiter mit magnetfeldabhängigem Widerstand enthaltenden Teils der in Fig. 8 dargestellten Anordnung mit den zugehörigen elektrischen Anschlüssen.

In den Zeichnungen tragen gleiche oder gleichartige Elemente gleiche Bezugszeichen.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Verstärkerschaltung enthält als Verstärkerelement einen Körper 10 aus einem Halbleiterwerkstoff, wie z. B. Germanium oder Indiumantimonid, der etwa rechteckig ist und wenigstens annähernd parallele rechteckige Endflächen 11, 12 an der in der Zeichnung senkrecht stehenden, längeren Achse und zwei Paare einander gegenüberliegender, annähernd paralleler Seitenflächen 13, 14 bzw. 15, 16, die senkrecht auf zwei im Zentrum sich kreuzenden Achsen stehen, hat. Vier Elektroden, die alle etwa die gleiche Größe besitzen, sind in der Mitte paarweise auf den Seitenflächen 13, 14 und den Endflächen 11, 12 angebracht. Wie genauer aus Fig. 2 ersichtlich ist, befinden sich die Elektroden 19, 20 auf den Endflächen 11 bzw. 12, und das andere Elektrodenpaar 21, 22 ist an den Seitenflächen 13 bzw. 14 angebracht. Eine Anordnung, die beabstandete Signalleiterelemente 24, 25 enthält,

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die auf gegenüberliegenden Seiten in Richtung der stehen kann, der ein Signalüberbrückungskondensator Längsachse angeordnet sind, dienen zur Erzeugung 50 parallel geschaltet ist. Die Vorspannungsquelle eines signalabhängigen Magnetfeldes, das den Körper F₄ und die Wicklung 48 liegen also in Reihe zwischen zwischen den anderen beiden Seitenflächen 15, 16 den Anschlüssen 46, 44, und der Strom aus der Batquer durchsetzt. - 5 terie fließt durch die Elektroden und die Halbleiter-

Der rechteckige Körper 10 aus einem Halbleiter- körper quer von einer Seite zur anderen; die Wider-

werkstoff ist also mit vier flächenförmigen Elektro- stände der Körper liegen in Reihe, um einen besseren

den versehen, die zwei auf verschiedenen Achsen Steuereffekt zu erhalten, wie noch erläutert werden

einander gegenüberliegende Paare 19, 20 bzw. 21, 22 wird.

bilden; die eine Achse Ey verläuft in Längsrichtung io In entsprechender Weise sind die Endelektroden

des Körpers zwischen den Elektroden 19, 20, und die durch die Leitungen 44, 45 in einen Signalausgangs-

andere Achse Ex verläuft senkrecht zu der erster- oder Signalübertragungskreis geschaltet, der in Rei-

wähnten Achse zwischen den Elektroden 21, 22. henschaltung noch eine Ausgangskopplungsimpedanz

Beide Achsen liegen wenigstens annähernd in einer 52 und eine Betriebsspannungsquelle V_ß enthält. Bei

gemeinsamen Ebene. 15 dem dargestellten Beispiel besteht die Impedanz 52

Die Leiter 24, 25 bilden ein Teil einer Anordnung aus der Primärwicklung eines Kopplungstransformazur Erzeugung eines signalabhängigen magnetischen tors, dessen Sekundärwicklung 53 durch einen verän-Gleichfeldes, das den Körper parallel zu einer dritten derlichen Kondensator 54 auf eine gewünschte Signal-Achse Bz quer durchsetzt, wie durch die Pfeile in frequenz abstimmbar ist. An die Sekundärwicklung Fig. 1 und 2 angedeutet ist; diese Achse Bz steht 20 53 sind außerdem zwei Ausgangsklemmen 55, 56 anwenigstens annähernd senkrecht auf der obenerwähn- geschlossen. Die Wicklung 48 ist induktiv mit der ten gemeinsamen Ebene. Die Elektrodenpaare sind Primärwicklung 52 gekoppelt, um Signale von dieser mit noch näher zu beschreibenden Schaltungsanord- Wicklung in den Steuerkreis 46, 47 rückzukoppeln, nungen verbunden, die Gleichspannungen bestimm- während gleichzeitig diese Signale durch die Sekunter Größe und eines bestimmten Verhältnisses zuein- 25 därwicklung 53 zu den Ausgangsklemmen 55, 56 geander liefern, um in dem Halbleiterkörper elektrische langen.

Ströme in den Richtungen Ey und Ex zu erzeugen. Die die Betriebsenergie für den Verstärker liefernde Wie noch genauer erläutert werden wird, stehen die Gleichspannungsquelle V_B kann beliebig gewählt wer-Spannungen in einem solchen Verhältnis zueinander, den, sie ist hier als zweite Batterie 58 dargestellt. Bei daß sich eine hohe Empfindlichkeit des durch magnet- 3° einer Verstärkerschaltung dieser Art ist die Betriebsfeldabhängige Widerstandsänderungen bestimmten spannung der Quelle V_B normalerweise kleiner als Längsstromes durch den Körper und die zugehörigen die Spannung der Steuerspannungsquelle V_A. Die BeElektroden 19, 20 gegenüber Änderungen des Ma- triebsspannungsquelle ist durch einen Kondensator gnetfeldes ergibt. 59 für Signalströme überbrückt, und der Stromkreis

Um diesen Effekt noch mehr zu vergrößern und 35 von der Leitung 45 durch die Primärwicklung 52 und zu vervielfachen, können mehrere der beschriebenen die Betriebsspannungsquelle V₈ oder Batterie 58 zur Einrichtungen mit magnetf eldabhängigem Widerstand Leitung 44 wird durch einen gemeinsamen Rückvorgesehen werden, die im Abstand voneinander und leiter 60 geschlossen, der an Masse oder ein Chassis ausgerichtet angeordnet sind und miteinander sowohl 61 angeschlossen ist oder durch dieses gebildet bezüglich des Steuerkreises als auch des Signalüber- 4° wird.

tragungskreises in Reihe geschaltet sind. Bei der in Die magnetische Kopplungsanordnung für die zu-Fig. 1 dargestellten Schaltung sind beispielsweise sätzlichen Festkörperverstärker 28, 33 mit magnetzwei zusätzliche Festkörperverstärker mit magnet- feldabhängigem Widerstand enthalten zwei zusätzfeldabhängigem Widerstand entsprechend Fig. 2 in liehe Signalleiterelemente 64, 65, die auf gegenüberdem Verstärker enthalten und bezüglich des ersten 45 liegenden Seiten parallel zur Längsachse des Halbin der dargestellten Weise in einer Reihe angeordnet. leiterkörpers 33 liegen. Die Leiterstücke 24, 25, 64, Der zweite Festkörperverstärker enthält also einen 65 sind also im Abstand voneinander angeordnet und rechteckigen Körper 28 aus einem Halbleiterwerk- verlaufen wenigstens annähernd parallel zueinander stoff mit einem Paar an den Endflächen angebrachten und zu den Halbleiterkörpern, die zwischen ihnen Elektroden 29, 30 und einem Paar an den Längs- 50 liegen, und bilden dadurch eine magnetische Koppflächen angeordneten Seiteneelektroden 31, 32. Der lung für beide Halbleiterkörper durch die Leiter auf dritte Festkörperverstärker enthält einen entsprechen- deren gegenüberliegenden Seite,
den Halbleiterkörper 33 mit Endelektroden 34, 35 Die Festkörperverstärker sind daher in wenigstens und Seitenelektroden 36, 37. annähernd gleichen Abständen voneinander und von

Im Betrieb der dargestellten Anordnung werden 55 den Signalleiterstücken angeordnet und werden durch

die Endelektroden über Leiter 39, 40, die die Elek- ein Eingangssignal mittels eines Modulator- oder Ein-

troden 19 und 29 bzw. 30 und 35 verbinden, in Reihe gangskreises moduliert, der die Leiterstücke 24, 25,

geschaltet. In gleicher Weise werden die Seitenelek- 64, 65 enthält, die derart in_ Reihe geschaltet sind,

troden 22, 31 durch einen Verbindungsleiter 41 und daß sie auf gegenüberliegenden Seiten jedes einzelnen

die Elektroden 32, 36 durch einen Verbindungsleiter 60 Halbleiterkörpers Strom in entgegengesetzten Rich-

42 in Serie geschaltet. Auf diese Weise werden die tungen führen. Diese Schaltungsverbindungen erfol-

Endelektroden zwischen zwei Anschlußleitungen 44, gen durch eine gestrichelt gezeichnete Verbindungs-

45 in Reihe geschaltet, und die Seitenelektroden lie- leitung 65 α zwischen den Leitern 24 und 25 und eine

gen in Reihe zwischen zwei weiteren Anschlußleitern gestrichelt gezeichnete Leitung 66 zwischen den Lei-

46, 47. Die Anschlußleiter 46, 47 gehören zu einem 65 tern 25 und 64 und eine ebenfalls gestrichelt gezeich-

Vorspannungs- oder Steuerkreis, der außerdem noch nete Leitung 67 zwischen den Leitern 64, 65. Der

eine Kopplungswicklung 48 und eine Gleichspan- Leiter 65 ist mit einem Anschlußleiter 68 und der

nungsquelle V_A enthält, die aus einer Batterie 49 be- Leiter 24 mit einem Anschlußleiter 69 verbunden,

der in Reihe mit einem einstellbaren Abstimmkondensator 70 und einer Eingangs-Kopplungsimpedanz 71 in Reihe geschaltet ist; Die Kopplungsimpedanz 71 besteht aus der Sekundärwicklung eines Eingangstransformators, dessen Primärwicklung 72 mit Eingangsklemmen 73, 74 verbunden ist. Das eine Ende der Sekundärwicklung 71 ist über die Masseverbindung 60, 61 mit der Leitung 68 verbunden, womit der Eingangskreis geschlossen ist.

In der dargestellten Schaltungsanordnung dienen die Leiter 24, 25, 64, 65 dazu, ein die Körper quer durchsetzendes Magnetfeld, dessen Stärke vom Signal abhängt, zu erzeugen. Das Feld durchsetzt die den Leitern zugeordneten Körper parallel zur dritten Achse Bz, der Magnetfeldachse, die wenigstens annähernd senkrecht auf der Ebene der beiden Stromwege steht, deren Widerstand magnetfeldabhängig ist und die in Längs- bzw. Querrichtung durch die einzelnen Körper verlaufen. Die Polaritäten der Magnetfelder, die durch die von Signalströmen durchflossenen Leiter erzeugt werden, addieren sich in den einzelnen Halbleiterkörpern und wechseln die Richtung von Halbleiterkörper zu Halbleiterkörper des Verstärkers.

Zusätzlich zu dem vom Signal abhängigen Magnetfeld, das in den Festkörperverstärkerelementen durch die Kopplungsleiter 24, 25, 64, 65 erzeugt wird, wird an die einzelnen Halbleiterkörper noch ein konstantes Magnetfeld gelegt, vorzugsweise mittels einer zugeordneten Permanentmagnetanordnung. Bei dem dargestellten Beispiel werden in den Körpern 10, 28 und 33 Magnetfelder erzeugt, deren Richtung von Körper zu Körper wechselt, wie durch die Markierungen X in den Körpern 10, 33 und den Punkten im Körper 28 angedeutet ist, der Fluß verläuft also bei den Körpern 10, 33 in die Zeichenebene hinein und beim Körper 28 aus dieser heraus. Einzelheiten der Anordnung und Kopplung der Signalfelder und Vormagnetisierungsgleichfelder mit den Halbleiterkörpern sollen nun zusätzlich zu den Fig. 1 und 2 an Hand der Fig. 3 und 4 erläutert werden.

In Fig. 3 und 4 sind die Halbleiterkörper in zwei Reihen, einer oberen und einer unteren angeordnet. Es sind hier zwei Gruppen solcher Halbleiterkörper vorgesehen, um durch eine Vermehrung der Anzahl der Festkörperverstärker mit magnetfeldabhängigem Widerstand einen höheren Steuerungs- und Verstärkungsgrad zu erreichen. Bei der dargestellten Anordnung sind die drei Halbleiterkörper 10,28,33 zwischen Leitern zum Einkoppeln des Signals angeordnet, die am einfachsten und zweckmäßigsten durch zwei Bifilarleiter 76, 77 einer bifilaren Wendelwicklung auf einem isolierenden Träger, beispielsweise einem Rohr 78, gebildet werden. Die Windungen der Wicklungen 76, 77 sind genügend weit beabstandet, so daß die Halbleiterkörper 10, 28, 33 in der dargestellten Weise zwischen ihnen angeordnet werden können. Die Wicklung ist so geschaltet (s. beispielsweise Fig. 3), daß der sie durchfließende Signalstrom in Leitern auf gegenüberliegenden Seiten eines Halbleiterkörpers in entgegengesetzten Richtungen fließt.

Die in den Halbleiterkörpern durch die Signalströme in den Leitern induzierten Magnetfelder addieren sich also gegenseitig, da die Felder der benachbarten Leiter gleiche Richtung im Halbleiterkörper besitzen, dabei wechselt die Richtung des Feldes von Halbleiterkörper zu Halbleiterkörper, wie durch die gestrichelt gezeichneten kreisförmig gekrümmten Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist. Die Pfeile und die Markierungen in den Leitern entsprechen Momentanwerten des Stromes und des Magnetfeldes und wechseln natürlich bei Wechselspannungssignalen dauernd. In Fig. 3 sind keine Endelektroden dargestellt, sie sind natürlich ebenso wie in Fig. 1 vorhanden. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind in Fig. 3 nur die Seitenelektroden der einzelnen Halbleiterkörper dargestellt, und diese sind in entsprechender Weise

ίο wie in F i g. 1 zwischen die Leiter 46, 47 in Reihe geschaltet.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere Reihen von Halbleiterkörpern vorgesehen, um die Anzahl der in Betrieb befindlichen Einheiten zu erhöhen. Da die Leiter wendelförmig sind, können verschiedene Gruppen von Halbleiterkörpern zwischen die Windungen eingesetzt werden und sind dann in derselben Weise wie die Halbleiterkörper 10, 28 und 33 mit diesen magnetisch gekoppelt. In Fig. 3 und 4 ist eine zusätzliche Reihe von Halbleiterkörpern 80, 81, 82 als untere Reihe dargestellt. Es kann eine beliebige Anzahl solcher Reihen von Halbleiterkörpern vorhanden sein, die parallel geschaltet sein können oder unabhängig von der ersten oder anderen Reihe solcher Halbleiterkörper betrieben werden können, die zwischen den Windungen der Doppelwendel angeordnet sind, die durch die Bifilarwicklung 76, 77 oder eine andere geeignete Kopplungsanordnung gebildet werden.

Das ,Vormagnetisierungsfeld für die erwähnten Halbleiterkörper wird durch eine Anzahl von Permanentmagneten in Stabform erzeugt, die in Fig. 3 durch die gestrichelten Rechtecke 85, 86, 87, 88 und in Fig. 4 durch entsprechend bezeichnete ausgezogene Rechtecke dargestellt sind. Entsprechende Magnete 89, 90, 91, 92 sind jeder zusätzlichen Reihe von Halbleiterkörpern zugeordnet, beispielsweise der zweiten, unteren Reihe 80, 81, 82 bei dem dargestellten Beispiel. Das durch die Stabmagnete erzeugte Vormagnetisierungsfeld hat längs der Reihe in Serie geschalteter Festkörperverstärker mit magnetfeldabhängigem Widerstand eine entsprechende Anzahl von Polen mit abwechselndem Vorzeichen. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Stabmagnete mit gleichpoligen Enden aneinandergereiht, so daß zwei aneinander angrenzende Magnetenden Flüsse in gleicher Richtung erzeugen und die Polarität der Flüsse von Einheit zu Einheit wechselt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Stabmagnete 85, 86 also zwei Südpole über dem Halbleiterkörper 10; zwei Nordpole werden in entsprechender Weise über dem Halbleiterkörper 28 durch die Stabmagnete 86, 87 gebildet. Die aneinander angrenzenden Südpole der Stabmagnete 87, 88 decken sich mit dem Halbleiterkörper 33. Die Richtungen der Flüsse von den Nordpolen zu den Südpolen der aufeinanderfolgenden Stabmagnete sind in Fig. 4 durch die gestrichelten Pfeile 95 angedeutet. Die entsprechenden Vormagnetisierungsfelder für die Halbleiterkörper 80, 81, 82 sind ebenfalls. eingezeichnet.

Beim Vergleich der Magnetfelder in Fig. 3 und 4 sieht man, daß der in den einzelnen Halbleiterkörpern 10, 28, 33 längs der ßz-Achse durch die Permanentmagnete erzeugte Fluß abwechselnd längs derselben Achse in den einzelnen Körpern durch den Signalfluß durch die Kopplungselemente wie die Elemente 24, 25, 64, 65 in Fig. 1 und die entsprechen-

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den bifilaren Wicklungselemente 76, 77 in Fig. 3, 4 sehen Modulations- oder Signaleingangskreis entkop-

abwechselnd unterstützt oder geschwächt wird. pelt ist.

Dadurch wird bewirkt, daß sich der magnetische In F i g. 5 und 6 sind die Beziehungen zwischen Fluß in den Festkörperverstärkern mit magnetfeld- den durch das Signal bewirkten Änderungen des maabhängigem Widerstand mit der Signalfrequenz an- 5 gnetischen Gleichfeldes, das die Halbleiterkörper dert und eine Modulation des Stromes aus der längs der Sz-Achsen durchsetzt, und den Wider-Gleichspannungsquelle Vβ bewirkt, die durch die Standsänderungen bzw. den resultierenden Signal-Kopplungsanordnung 52 (Fig. 1) der Ausgangsschal- Stromänderungen in dem den Stromweg längs der tung zugeführt wird. Das den Klemmen 73, 74 züge- Achse Ey enthaltenden Ausgangskreis für verschieführte Eingangssignal wird also durch den magneto- ίο dene Werte der von der Quelle F₄ gelieferten Steuerelektrischen Effekt verstärkt und erscheint in ver- spannung dargestellt.

stärktem Zustand an den Ausgangsklemmen 55, 56. In F i g. 5 ist der Strom / im Ausgangskreis 44, 45 Wegen der größeren Anzahl an Festkörperverstärkern längs der Ordinate in Abhängigkeit von dem auf der mit magnetfeldabhängigem Widerstand in der Rei- Abszisse aufgetragenen Magnetfelds für drei verhenschaltung im Kreis 44, 45 kann ein verhältnis- 15 schiedene Werte der Steuerspannung F₄ dargestellt, mäßig hoher Grad an Signalverstärkung mit kleineren die Kurve 97 entspricht der Spannung Null, die oder weniger Vormagnetisierungsfeldern und elektri- Kurve 98 einem verhältnismäßig niedrigen und die sehen Feldern sowie zugeordneten Elementen erreicht Kurve 99 einem verhältnismäßig hohen Spannungswerden, wert. Die Kurve 99 zeigt, daß schon verhältnismäßig

Die Einführung der zusätzlichen elektrischen 20 kleine Flußänderungen im Halbleiterkörper verhält-Ströme durch den Steuerkreis 46, 47 aus der Span- nismäßig große Stromänderungen im Ausgangskreis nungsquelle V_A oder Batterie 49, ergibt einen höhe- bewirken. Der Grund hierfür liegt darin, daß sich der ren Verstärkungsgrad pro einzelnem Festkörperver- Widerstand des Kreises, d. h. der magnetfeldabhänstärker der Reihenschaltung. Der Grund hierfür be- gige Widerstand der einzelnen aufeinanderfolgenden steht darin, daß die differentielle Widerstandsände- 25 Halbleiterkörper zwischen den Elektroden 19, 20; rung der einzelnen Festkörperverstärker mit magnet- 29, 30 und 34, 35 stark in derselben Weise ändert,
feldabhängigem Widerstand in der Signalübertra- In F i g. 6 ist auf der Ordinate die resultierende gungsschaltung extrem empfindlich für Magnetfeld- Widerstandsänderung R in Abhängigkeit von dem änderungen, wie sie durch die Eingangssignale erzeugt auf der Abszisse aufgetragenen Magnetfeld für drei werden, gemacht werden kann. Die elektrischen Ströme 30 verschiedene Werte von V_A dargestellt, die Kurven längs der .Ey-Achse des Halbleiterkörpers ergeben 97R, 98 R und 99 R entsprechen dabei den Kurven nicht die erwähnte extreme Empfindlichkeit, da längs 97, 98 bzw. 99 in Fig. 5. Eine ÄnderungB_s des einer Achse immer freie Ladungen verbleiben, die die magnetischen Flusses ausgehend vom Wert B₀ oder Steuerung oder Änderung des magnetfeldabhängigen Null auf einen Wert B_m oder einen Maximalwert entWiderstandes verschlechtern, die in der Praxis er- 35 spricht zwei Schnittpunkten 100 bzw. 101 auf der reicht werden kann. Kurve 99R und ergibt eine Widerstandsänderung R

Es wird also eine zusätzliche Steuerschaltung und zwischen den Werten R₀ oder Null und dem Wert R_m

eine Gleichstromsteuerquelle V_A (Fig. 1) vorgesehen, oder dem Maximalwert. Die Kurven zeigen anschau-

und die Steuerspannung wird bezüglich der Spannung lieh den Einfluß der Vor- oder Steuerspannung F₄.

der Betriebsstromquelle V_B so eingestellt, daß ein 40 In einem Verstärker, wie er in F i g. 1 dargestellt

Betriebszustand erreicht wird, in dem die freien La- ist, können die Halbleiterkörper beispielsweise aus

düngen im Hauptsteuerstromweg durch den Körper einem rechteckigen Körper aus Indiumantimonid be-

aus dem Werkstoff mit magnetfeldabhängigem Wi- stehen, dessen in Fig. 2 eingezeichnete Abmessun-

derstand im wesentlichen entfernt oder zumindest gen folgende Werte besitzen: L=9,5 mm, T=3,2 mm

verringert werden. Hierdurch kann erreicht werden, 45 und W—1,5 bis 3,2 mm; das Verhältnis der Steuer-

daß der Stromfluß zwischen den Elektroden 19, 20; spannung zur Betriebsspannung V_A : V_B wurde durch

29, 30 und 34, 35 praktisch vollständig durch die Einjustierung von beispielsweise V_A auf den Wert

signalbedingten Schwankungen des Magnetflusses in 20:1 eingestellt. Auf diese Weise können im Signal-

dem betreffenden Element gesteuert wird. Die Steue- Übertragungskreis von V₈ im Betrieb signalabhängige

rung des magnetfeldabhängigen Widerstandes kann 50 Widerstandsänderungen vom 20- bis zum 200fachen

auf diese Weise sehr viel empfindlicher gemacht wer- erreicht werden. Bei abgeschalteter Spannung V_A ent-

den. sprechend den Kurven 97, 97 R in F i g. 5 bzw. 6 ist

Wenn sich die Stärke des Signals in der Ausgangs- eine derartige Steuerung oder Signalverstärkung nicht

wicklung 52 ändert, wird ein Teil des Signals durch erreichbar.

die Wicklung 48 in die Vorspannungs- oder Steuer- 55 Betrachtet man das Verstärkersystem als Ganzes,

schaltung 46, 47 rückgekoppelt. Diese Rückkopplung so sieht man, daß die in den F i g. 1, 3 und 4 darge-

gewährleistet eine dynamische Steuerung der Ströme stellte Schaltungsanordnung eine Reihe von im Ab-

in den Halbleiterkörpern mit der Signalfrequenz, so stand voneinander angeordneten Signalleitern oder

daß die statisch durch die Spannungsquellen 58, 59 Spulenschleifen enthält, die wenigstens annähernd

einjustierten Verhältnisse auch dynamisch erhalten 60 parallel zueinander verlaufen und polaritäts- oder

bleiben. Die Wicklung 48 ist daher nur so stark an- phasenmäßig gegeneinandergeschaltet sind, so daß

gekoppelt, daß eine wirksame dynamische Steuerung die Signalströme in zwei benachbarten Leitern oder

der Ströme in den Halbleiterkörpern bei der Signal- Spulenwindungen in entgegengesetzten Richtungen

frequenz gewährleistet ist, und diese Wicklung kann verlaufen. Die augenblicklichen Signalströme fließen

daher als dynamische Abgleich-Rückkopplungswick- 65 also abwechselnd in verschiedenen Richtungen durch

lung im Steuerkreis 46, 47 angesehen werden. Es ist die aufeinanderfolgenden Leiter oder Schleifenwick-

ersichtlich, daß der Steuerkreis sonst vom Signal- lungen, wenn sie in der dargestellten Weise in Reihe

übertragungs- oder Ausgangskreis und dem magneti- geschaltet sind. Durch diese Konstruktion ergeben sich

starke periodisch wechselnde hochfrequente Magnetfelder zwischen benachbarten Leitern. Eine Reihe von Halbleiterscheiben aus Indiumantimonid, Germanium od. dgl., die mit geeigneten Elektroden oder Kontaktelementen versehen und auf zweierlei Weise in Reihe geschaltet sind, nämlich longitudinal und transversal, wie beschrieben wurde, können dann eingesetzt werden und sprechen auf die aufeinanderfolgenden, obenerwähnten Felder an und ergeben eine Signalsteuerung und -verstärkung sowohl einzeln als auch in der Reihenschaltung.

Es ist ersichtlich, daß das oder die magnetischen Gleichfelder, die durch die aus Ferrit od. dgl. bestehenden Stabmagnete erzeugt werden, in entsprechendem Sinn oder achsparallel mit den Hochfrequenzmagnetfeldern auf die Körper oder Scheiben aus dem Halbleiterwerkstoff zur Einwirkung gebracht werden, so daß, wie bereits erwähnt worden ist, auf jeden Körper oder jede Scheibe ein konstantes magnetisches Feld, dem ein hochfrequentes Magnetfeld überlagert ist, längs einer Achse einwirkt, die nicht mit einer der beiden Achsen zusammenfällt, parallel zu denen die elektrischen Ströme fließen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird das Eingangssignal den modulierenden Leitern 24, 25, 64, 65 in Reihe mit einer Resonanzanordnung zugeführt, die den Kondensator 70 und die Sekundär- oder Eingangswicklung 71 enthält. Die Leiter liegen also direkt in dem abgestimmten Eingangskreis. Selbstverständlich können auch andere Schaltungsanordnungen vorgesehen sein, um die Signale im Eingangskreis in entsprechende modulierende Signale in den Leitern 24, 25, 64, 65 umzuwandeln oder in diese einzukoppeln. In jedem einzelnen Halbleiterkörper findet eine Modulation des Widerstandes durch den beschriebenen magnetoelektrischen Effekt statt, und da die Einheiten in Serie geschaltet sind, ist der Modulationseffekt kumulativ, ebenso wie der Steuereffekt der Spannungsquelle V_A in der Steuer-Serienschaltung. Die Modulation erscheint dadurch als Signalbestandteil im Signalübertragungskreis, der die Ausgangskopplungsimpedanzanordnung 52 enthält, von der der Ausgangssignalanteil abgenommen werden kann. Die Energie für die Signalverstärkung wird von der Spannungsquelle V_B geliefert.

F i g. 7 zeigt einen nicht reziproken Verstärker mit magnetfeldabhängigem Widerstand, der eine Anzahl von Festkörperverstärkern mit magnetfeldabhängigem Widerstand ähnlich wie F i g. 1 enthält, während die Magnetfeld- und Signalfeldgestaltung und -anordnung F i g. 3 und 4 entspricht. Bei diesem Verstärker sind die drei Halbleiterkörper 10, 28, 29 der oberen Gruppe in Abständen parallel zueinander zwischen entsprechend beabstandeten das Signal magnetisch einkoppelnden Leitern 24 a, 25 a, 64 a, 65 a angeordnet. Konstante Vormagnetisierungsfelder werden von Ferritstabmagneten 85, 86, 87, 88 wie bei F i g. 4 erzeugt. Die Halbleiterkörper 80, 81, 82 mit magnetfeldabhängigem Widerstand in der unteren Gruppe sind in entsprechenden Abständen zwischen entsprechenden Leitern 24 b, 25 b, 64 b, 65 b angeordnet. Die zugehörigen Vormagnetisierungsfelder liefern Ferritstabmagnete 89, 90, 91, 92. Die Halbleiterkörper mit magnetfeldabhängigem Widerstand werden dadurch von Magnetfeldern durchsetzt, deren Richtung von Körper zu Körper in einer Gruppe wechselt, und die die Kopplungsleiter durchfließenden Signale verstärken oder schwächen die konstanten Felder längs derselben Achse zur Modulation der Halbleiterkörper.

Die oberen und unteren Leiter jedes Paars, z. B. die Leiter 24a, 246, sind, wie Fig. 7 zeigt, in eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Rechteckschleifenspulen geschaltet und bilden einen Teil von diesen, die Spulen sind abwechselnd in umgekehrter Polarität oder Phasenbeziehung durch abwechselnde obere und untere Endverbindungsleiter 105, 106 zusammengeschaltet. Durch diese Art der Schaltung fließen die Signalströme in zwei benachbarten Leiterelementen in entgegengesetzten Richtungen, d. h., die Signalströme fließen abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen durch die aufeinanderfolgenden Spulenschleifen, wie durch die Pfeile angedeutet ist, wenn sie in der in F i g. 7 dargestellten Weise durch die Verbindungsleiter 105, 106 verbunden sind.

Die Signalquelle ist in dieser Schaltung durch einen Signalgenerator 109 dargestellt, der einen Innenwiderstand Rg besitzt, der als Serienwiderstand 110 dargestellt ist. Die Signalquelle ist über einen veränderlichen Abstimmkondensator 113 und Leitungen 111, 112 mit den Spulen in Reihe geschaltet.

Wie bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung ist die Vorspannungsquelle V _A durch eine Batterie 49 dargestellt, die für die Signalfrequenzen mit dem Kondensator 50 überbrückt ist. Der Steuerkreis enthält nacheinander ausgehend von der Quelle V_A die Querelektroden der einzelnen Halbleiterkörper 10, 28, 29 zwischen den Leitungen 46, 47, dann die Rückkopplungswicklung 48 und schließlich innen an der anderen Klemme der Spannungsquelle V_A die hintereinandergeschalteten Körper 82, 81 und 80. Die Gleichspannungsquelle V_B ist ebenfalls als Batterie 58 dargestellt, die durch den Kondensator 59 für Signalfrequenzen überbrückt ist, und liegt in einer Reihenschaltung mit den Leitern 44, 45, die die Rückkopplungswicklung 116 und die hintereinandergeschalteten Halbleiterkörper zwischen den in Serie geschalteten Elektroden an deren Längsenden enthält. Der Signalübertragungs- oder Ausgangskreis ist ähnlich ausgebildet, wie in Fig. 1, mit der'Ausnähme, daß zwei Gruppen von Halbleiterkörpern vorhanden und durch einen Leiter 115 in Reihe geschaltet sind und daß das Rückkopplungssignal in der Spule 48 durch eine Kopplungswicklung 116 induziert wird, die durch den die Betriebsspannungsquelle V_B überbrückenden Kondensator 59 praktisch dem Ausgangskreis parallel geschaltet ist. Das Ausgangssignal wird von Ausgangsklemmen 55, 56 abgenommen und irgendeinem geeigneten Verbraucher R_L zugeführt, der als Arbeitswiderstand 117 dargestellt ist. Zwischen die Ausgangsklemme 55 und eine Klemme 119 am nicht auf Massepotential liegenden Ende der Wicklung 116 und der Leitung 45 ist ein Reihen-Koppelkondensator 118 eingeschaltet.

Die Arbeitsweise der in F i g. 7 dargestellten Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen F i g. 1 und soll daher nur kurz beschrieben werden:

Eingangssignale von der Quelle 109, die eine beliebige, beispielsweise verhältnismäßig hohe Frequenz besitzen können, werden der Spulenreihe durch die Eingangsleitungen 111, 112 zugeführt und bewirken, daß das von den Permanentmagneten stammende Feld in den einzelnen Halbleiterelementen im Rhythmus der Signalfrequenz schwankt. Die Steuervor-

Claims (10)

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spannung F₄ wird bezüglich der Spannung V_B so ein- eine Addition eintritt, und wird einem Verbraucher

gestellt, daß sich die gewünschte Empfindlichkeit für über eine geeignete Hochfrequenzkopplungsanord-

magnetische Flußänderungen ergibt und die die auf- nung, wie eine Bandleitung, zugeführt, die zwei Lei-

einanderfolgenden Spulenschleifen durchfließenden ter oder Platten 141, 142 enthält, die an ihren beab-

Signalströme die hintereinandergeschalteten Festkör- 5 standeten Enden mit dem obersten und dem unter-

perverstärker zwischen den Leitungen 44, 45 mit sten Körper des Stapels gekoppelt sind, der auf diese

maximalem Wirkungsgrad modulieren und maximale Weise einen Teil der Wellenleitung darstellt. Der

Stromänderungen im Ausgangskreis hervorrufen und Wellenwiderstand der Bandleitung stimmt vorzugs-

hochverstärkte Signale den Ausgangsklemmen 55, 56 weise mit dem in Serie geschalteten magnetfeldab-

und dem Verbraucher R_L zugeführt werden. Bei die- io hängigen Widerstand der Scheibenelemente des Sta-

ser Ausführungsform der Erfindung, die zusätzliche pels überein.

Festkörperverstärkerelemente in Serie enthält, ergibt Die gestapelten Halbleiterkörper werden in Rich-

sich ein höherer Verstärkungsgrad für das Signal und tung der Pfeile 143 von einem magnetischen Gleich-

die Kopplung der konstanten durch die Permanent- feld durchsetzt, also in Längsrichtung des Stapels

magnete erzeugten und der signalabhängigen Felder 15 und in Richtung der längsten Achse der einzelnen

mit den Festkörperverstärkern magnetfeldabhängigen Scheiben parallel zur Richtung der magnetischen

Widerstandes. Ferner können die Vor- und Betriebs- Komponente 138 in dem Hohlleiter. Das konstante

spannungen verhältnismäßig klein sein und durch Vormagnetisierungsfeld wird also ebenso wie bei den

verhältnismäßig einfache Schaltmittel erzeugt wer- anderen Ausführungsbeispielen durch das Signalfeld

den. Man erhält hierdurch eine billige und wirksame 20 verstärkt oder geschwächt, wobei der magnetfeldab-

Signalverstärkung in den interessierenden höherfre- hängige Widerstand der Elemente des Stapels ge-

quenten Bereichen. steuert und ein verstärktes Ausgangssignal erzeugt

Zur Verstärkung von Signalen im Mikrowellenbe- werden. Die Ausgangsbandleitung ist hier mit einem

reich können die Festkörperverstärker mit magnet- koaxialen Anschluß versehen, der einen Innenleiter

feldabhängigem Widerstand zu einem kompakten 25 145 und einen Außenleiter 146 enthält, die mit den

Stapel aufeinandergeschichtet werden, anstatt sie in Leitern 142 bzw. 141 der Bandleitung verbunden

Abständen voneinander anzuordnen, wie in den sind.

Fig. 1 und 7 dargestellt wurde. Eine solche Anord- Die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes ist vor-

nung der Festkörperverstärker ist in den F i g. 8 zugsweise so bemessen, daß das Signalfeld keine

und 9 dargestellt. Wie am besten aus Fig. 9 ersieht- 30 Polaritätsumkehr des Feldes in den Halbleiterkör-

lich ist, sind bei dieser Konstruktion mehrere gleich- pern erzeugen kann.

artige Halbleiterkörper 120, 121, 122, 123 in Form Durch die Erfindung wird also ein nicht reziproker

rechteckiger Scheiben zu einem Stapel 119 aufein- Festkörperverstärker angegeben, der bei verhältnis-

andergeschichtet und durch Seiten- und Endelektro- mäßig hohen Frequenzen betrieben werden kann,

den verbunden, von denen die Endelektroden 125, 35 Die Verstärkung oder Signalsteuerung wird sowohl

126 für den die Betriebsspannungsquelle V_B, die als durch das Verhältnis der Felder und ihre Einwir-

Batteriel28 dargestellt ist, enthaltenden Kreis und kungsweise auf die einzelnen Festkörperverstärker

die Seitenelektroden 129, 130 für den die Vorspan- als auch durch die Reihenschaltung einer Anzahl

nungsquelle V_A (Batterie 132) enthaltenden Kreis von Festkörperverstärkern verbessert,

sichtbar sind. Die Quer- und Längselektroden und 40 Durch die Erfindung wird der Steuerbereich des

-leitungsverbindungen für die verschiedenen Kreise. magnetfeldabhängigen Widerstandes einer Signalüber-

die in der Zeichnung nicht direkt sichtbar sind, sind tragungs- oder Verstärkerschaltung beträchtlich ver-

durch die gestrichelten Linien 133, 134 angedeutet. größert, und es können sehr gute nicht reziproke

Die Vorspannungs- und Arbeitskreise sind prak- Verstärker, Oszillatoren, Konverter, Mischstufen tisch dieselben, wie bei den vorher beschriebenen 45 oder ähnliche Signalübertragungsschaltungen für Ausführungsbeispielen, mit der Ausnahme, daß die Mikrowellen gebaut werden.
End- und Seitenelektroden gleichzeitig die Verbingungsleitungen bilden, die die Serienschaltungen herstellen, die quer und längs durch den Bauelement- Patentansprüche:
stapel für die die Vorspannungsquelle V_A und die Be- 50
triebsspannungsquelle V_B enthaltenden Kreise führen. 1. Festkörperverstärker mit einem Halbleiter-

In F i g. 8 wird das Eingangssignal für die gesta- körper, an dessen Oberfläche an zwei längs einer pelten Halbleiterkörper über einen Rechteckhohl- ersten Achse einander gegenüberliegenden Seiten leiter 135 über einen Eingangskoppelleiter 136 züge- zwei an eine Gleichspannung anschließbare Elekführt, der durch den Außenleiter 137 in das Innere 55 troden angebracht sind, zwischen denen im Bedes Hohlraumes geführt ist. Auf diese Weise wird ein trieb ein Gleichstrom fließt, dessen Größe durch starkes signalabhängiges Magnetfeld längs der Seiten- Widerstandsänderungen des Halbleiterkörpers wände des Hohlleiters erzeugt, das durch die mit steuerbar ist, welche durch ein den Halbleiter-Pfeilen versehene, gestrichelte und geschlossene körper parallel zu einer zweiten Achse durchset-Linie 138 angedeutet ist. Der Stapel 119 aus Halb- 60 zendes, signalabhängiges Magnetfeld verursacht leiterscheiben ist in einem Fenster 140 in einer Sei- sind, dadurch gekennzeichnet, daß an tenwand des Hohlleiters angeordnet, wo ein starkes der Oberfläche des Halbleiterkörpers (10) in an Signalfeld vorhanden ist, das den magnetfeldabhängi- sich bekannter Weise an zwei längs einer dritten gen Widerstand des Stapels und damit den Wider- Achse (Ex) einander gegenüberliegenden Seiten stand in dem die Betriebsspannungsquelle V_B enthal- 65 zwei zusätzliche Elektroden (21, 22) angebracht tenden Kreis moduliert. sind, an denen im Betrieb eine zweite Gleich-

Das verstärkte Ausgangssignal wird von den ge- spannung (F₄) liegt, deren Größe bezüglich der

stapelten Elementen in Reihe so abgenommen, daß ersten Gleichspannung (V_B) so bemessen ist, daß

freie Ladungen aus demjenigen Bereich des Halbleiterkörpers entfernt werden, der von dem durch das Magnetfeld zu steuernden Strom durchflossen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers (10) im Abstand von diesem vom Signalstrom durchflossen Leiter (24,25) derart angeordnet sind, daß sie ein parallel zur zweiten Achse (Bz) gerichtetes, signalabhängiges magnetisches Wechselfeld liefern und daß eine Permanentmagnetanordnung (85, 86) vorgesehen ist, die ein parallel zur zweiten Achse gerichtetes Vormagnetisierungsgleichfeld liefert.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) rechteckig ist und daß die in der ersten Achse (Ey) liegenden Elektroden (19, 20) an den den größten Abstand voneinander aufweisenden Endflächen (11, 12) des Körpers (10) angebracht sind.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld den Körper (10) senkrecht zu den den geringsten Abstand voneinander aufweisenden, gegenüberliegenden Flächen (15, 16) durchsetzt.

5. Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter zum Erzeugen des signalabhängigen Magnetfeldes Stücke (24, 25) umfassen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers (10) parallel zu seiner Längsachse (Ey) verlaufen.

6. Verstärker nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Halbleiterkörper (10, 28, 33, 80, 81, 82), die jeweils mit zwei Elektrodenpaaren (19-20, 21-22; 29-30, 31-32; 34-35, 36-37) versehen sind, wobei entsprechende Elektrodenpaare gleichsinnig in Reihe geschaltet sind.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halbleiterkörpern (10, 28, 33, 80, 81, 82) Leiter (24, 25, 64, 65; 76, 77) angeordnet sind, die von dem das signalabhängige Magnetfeld erzeugenden Strom derart durchflossen sind, daß die erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig im Sinne einer Erhöhung der Signalverstärkung unterstützen.

8. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung zur Einstellung der Relativwerte der den beiden Elektrodenpaaren eines Halbleiterkörpers zugeführten Gleichspannungen.

9. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsanordnung zwischen einem die beiden ersten Elektroden (19, 20) eines Halbleiterkörpers (10) enthaltenden Ausgangskreises (45, 52, 58) und einem das zweite Elektrodenpaar (21, 22) dieses Halbleiterkörpers enthaltenden Steuerkreis (46, 48, 49), die so bemessen ist, daß die Größenverhältnisse der Spannungen im Betrieb dynamisch erhalten bleiben.

10. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das signalabhängige Magnetfeld erzeugenden Leiter Teile einer Wellenleiteranordnung (135) bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen