DE1762268A1 - Festkoerper-Bildsichtvorrichtungen sowie lichtempfindliche Festkoerper-Vorrichtungen - Google Patents

Description

WESTERN'ELECTRIC COMPANY Incorporated B.W. Hakki 4

Festkörper-Bildsichtvorrichtungen sowie lichtempfindliche Festkörper-Vorrichtungen

Praktisch alle derzeit im Handel befindliche Bildsichtvorrichtungen (Display devices) und Aufnahmekameravorrichtungen für Fernsehzwecke sind Kathodenstrahlröhren, bei denen ein abtastender Elektronenstrahl verwendet wird. Zwar wurde längst erkannt, daß solche Vorrichtungen von hause aus groß und sperrig sind sowie nur begrenzte Lebensdauer besitzen, die bisherigen Anstrengungen aber, konkurrenzfähige, diese Funktionen übernehmende Festkörpervorrichtungen zu entwickeln, waren bislang ohne Erfolg.

Eine bereits vorgeschlagene Festkörper-Bildsichtvorrichtung weist eine Scheibe aus piezoelektrischem Material auf, die man mit Hochspannungsimpulsen beaufschlagt, um gleichzeitig zwei akustische oder elastische Laufwellen einzuspeisen, von denen jede ziemlich lokalisiert und von einer wandernden Zone eines örtlichen elektrischen Feldes begleitet ist. An den Stellen, an denen sich die beiden akustischen Wellen schneiden, addieren

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sich ihre kombinierten elektrischen Felder zur Anregung einer Lichgemmission in einer elektrolumineszenten Schichten, die auf einer Seite der piezoelektrischen Scheibe befestigt ist. Die akustischen Wellen werden wiederholt angeregt und relativ zueinander so synchronisiert, daß das emittierte Licht die Scheibe zur bildung eines Rasters in ähnlicherweise abtastet, wie dies bei einer Kathodenstrahl-Sichtröhre der Fall ist. Ein der elektroluminEseen- W ten Schicht Video-Signal moduliert das emittierte Licht zur Wiedergabe des jeweils gewünschten Bildes.

Eines der Probleme solcher piezoelektrischer 'Bildsichteinheiten ist die Dämpfung der akustischen Wellen durch die piezoelektrische Scheibe sowie durch die elektrolumineszente Schicht, wenn die Energie der akustischen Welle in emittiertes Licht umgesetzt wird. Des weiteren setzt die elektrolumineszente Schicht den elektrischen Strom von der piezoelektrischen Scheibe nur mit schlechtem Wirkungsgrad in emittiertes Licht um. Aus diesen und anderen Gründen konnten Vorrichtungen dieser Art mit Kathodenstrahlsichtröhren nicht konkurrieren«

Aufgabe der Erfindung ist es daher, sowohl verbesserte Festkörper-Bildsichtvorrichtungen als auch verbesserte lichtempfindliche Festkörpervorrichtungen wie Fernsehkameravorrichtungen bereitzustellen.

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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch eine Energieumsetzeinrichtung der im Anspruch 1 gekennzeichneten Art gelöst.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind eine Mehrzahl Halbleitermaterial-Streifen vorgesehen, von denen jedes eine Mehrzahl Lichtelemente längs einer Fläche aufweisen. Letztere sind im Falle einer Bildsichteinheit elektrolumineszente Elemente und im Falle einer Kameraeinheit lichtempfindliche Elemente, Eine ausreichend hohe Gleichspannung wird den Streifen aufeinanderfolgend mit dem Ziel zugeführt, wandernde Bezirke elektrischer Felder, im folgenden kurz E-Feld-Domäne genannt, zu erzeugen, die ihrerseits aufeinanderfolgend die Lichtelemente anregen. Wie noch erläutert wird, haben die Halbleiterstreifen eine spannungsgesteuerte differentielle negative spezifische Leitfähigkeit im massiven Material (bulk negative differential conductivity), 'die zu einer fortlaufenden Regenerierung der wandernden E-Feld-Domäne während des Durchlaufs derselben vom (!inen Ende des Halbleiterstreifens zum ander führt.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Halbleiterstreifen aus sogenanntem "Zwei-Täler-Halbleitermaterial, einem Material, das durch zwei Leitungsbandminima gekennzeichnet ist, die nur durch eine kleine Enorgielücke go~

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trennt sind. Durch das als "Gunn-Effekt" bekannte Phänomen verursacht die angelegte Gleichspannung eine Besetzungsumverteilung zwischen den beiden Bändern, die zu einem negativen Wirkleitwert im massiven Material (bulk negative conductance) und zur Erzeugung einer starken E-Feld-Domäne nahe dem negativ vorgespannten Kontakt {in η-leitendem Material) führen. Die E-FeId-Domäne nimmt in ihrer Intensität bis auf einen bestimmten Sätti- ψ gungswert zu und wandert in Richtung des positiven Kontakts.

Während ihrer Wanderung regt die starke E-Feld-Domäne die längs des Streifen angeordneten Lichtfeldelemente in der vorste-

hend beschriebenen Weise an. Während von der wandernden E-Feld-Domäne Energie an die Lichtelemente während jeder Abtastung abgegeben wird, tritt nichtsdestoweniger keine Dämpfung der wandernden Domäne auf, und zwar wegen des negativen Wirkleitwerts des massiven Materials. Im Ergebnis wird laufend Energie . von der Gleichstromquelle dem Halbleiteretreifen zur Regenerierung

der wandernden E-Feld-Domäne während ihres Durchlaufes durch den Streifen zugeführt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weisen die Halbleiter streif en piezoelektrische Eigenschaften auf, und eine negative spezifische Leitfähigkeit im massiven Material tritt wegen ' der Wechselwirkung der Majoritätsladungsträger mit den akuetiechen oder elastischen Wellen auf, die sich innerhalb des Halbleiters

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fortpflanzen. Die akustischen Wellen werden innerhalb jedes Halbleiterstreifens durch bloßes Anlegen einer vorgeschriebenen Gleichspannung über die länge jedes Streifens angeregt. Die lokali sierte Ε-Feld-Domäne wandert dann mit Schallgeschwindigkeit in der Flußrichtung der Majoritätsladungsträger des Halbleiterstreifens und tastet, wie vorhin, die aufeinanderfolgenden Lichtelemente ab. Wegen des negativen Wirkleitwerts, also der verstärkenden Eigenschaften des Halbleiters, wied die Ε-Feld-Domäne dauernd regeneriert, so daß sie ihre hohe örtliche Intensität während ihres ganzen Durchlaufs beibehält.

Die Lichtelemente können pn-Übergangsdioden sein, die unter Verwendung von Halbleiterstreifen des einen Leitungstyps in der Weise hergestellt sind, daß man Plättchen des entgegengesetzten Leitungstyps aufwachsen gelassen hat. Bei den Bildsichtvorrichtungen sind die Plättchen je eines Streifens über einzelne Kondensatoren mit einer gemeinsamen Leitung verbunden, und eine Video-Signalquelle wird aufeinanderfolgend an die Leitungen angeschaltet, und zwar gleichzeitig mit der Anregung der Domäne in den jeweils zugeordneten Halbleiterstreifen. Keine äußere Gleichvorspannung wird den Diodenübergängen zugeführt, stattdessen wird jeder Diodenübergang von der Spannung über der wandernden Domäne vorgespannt, wenn diese den Diodenübergang überquert. Diese Vorspannung erzeugt eine Lichtemission am

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Übergang, die durch das Video-Signal moduliert wird. Bei der Fernsehkameraausführung liefert die durch die wandernde Domäne vorgespannte Diode eine Aus gangs spannung über dem Diodenkondensator, die eine Funktion des absorbierten Lichts ist, deshalb das Videoausgangssignal bildet. Alternativ kann das Videoausgangs signal abgenommen werden als der fluktuierende Strom im Halbleiterstreifen, wie dies noch im einzelnen erläutert ψ wird.

Der Halbleiter kann auch mit einer Schicht aus isolierendem Material belegt sein, auf der eine Reihe Metallelemente befestigt sind. Jedes Metallelement bildet zusammen mit der Isolierschicht und dem Halbleitermaterial eine sogenannte MIS-Übergangsdiode J^netal-insulator-semiconductor). Wie vorhin verursacht die wandernde Domäne einen Ladungsfluß über den Übergang, der seinerseits zu einer steuerbaren Lichtemission führt.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind Paare von MIS-Übergangsdioden längs jedes Halbleiter streif ens direkt miteinander verbunden, und jede MIS-Diode weist ein am Halbleiterstreifen befestigtes Metallelement auf, ferner eine erste Isolierschicht, eine Halbleiterschicht, eine zweite Isolierschicht sowie eine darüberliegende Metallschicht. Eine wandernde Domäne, die sich zwischen den Dioden jedes Paares befindet, spannt beide Dioden

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zur Erzeugungeiner Lichtemission vor. Wie noch im einzelnen erläutert wird, ist diese Ausführungsform noch wirksamer, weil jede Diode zwei lichtemittierende Übergänge aufweist; die Dioden sind weniger anfällig gegenüber inneren Durchbrüchen, weil in jedem Fall die Spannung einer E-Feld-Domäne auf vier Übergänge eines Diodenpaares aufgeteilt wird und nicht an einem einzigen Übergang ansteht; eine Domäne erzeugt eine konstante Spannung zwischen Dioden eines Paares, was zu einer größeren Zeitspanne zur Erzeugung von Minoritätsladungsträgern und zu einem wirksameren Betrieb der Dioden führt.

Ein Problem, das bei Verwendung der akustischen Wellen-Version nach der Erfindung auftreten kann, ist, daß die die akustisshen Wellen begleitenden E-Feld-Domänen nicht ihren Maximalwert an identischen Stellen längs der einzelnen piezoelektrischen Halbleiterstreifen erreichen kann. Die Erzeugung der starken E-FeId-Domänen kann'aber praktisch identisch in allen Halbleiterstreifen durch anfängliches Anregen einer Gunn-Effekt-Domäne in jedem Streifen, die ihrerseits die akustische Welle liefert. Demgemäß weist bei einer weiteren Ausftihrungsform jeder Halbleiterstreifen einen Endteil aus zwei-Täler-Mate rial auf, das zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist. Wird ein elektrisches Feld an den piezoelektrischen Streifen angelegt, und ein weiteres Gleichfelri an die beiden Elektroden, so wird Gunn-Effekt-Domäne anfäng-

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lieh in dem Zwei-Täler-Material erzeugt« Wenn diese Domäne das Ende des Zwei-Täler-Materialteils erreicht, speißt sie eine akustische Welle in den restlichen Teil des Streifens ein, wodurch eine voraussagbare Erzeugung der akustischen E-FeId-Domäne sichergestellt ist. Wie vorhin, wird die wandernde akustische -Wellen-Domäne fortlaufend regeneriert durch das elektrische Gleichfeld über dem piezoelektrischen Halbleiters tr e if en.

Es sei bemerkt, daß der Ausdruck "licht¹¹ hier in seinem breitesten Sinn zu verstehen ist, also jede elektromagnetische Strahlung gleich welcher Wellenlänge umfaßt, so beispielsweise infrarotes Licht, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht, Röntgenlicht usw.

Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung Pfeile 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 den Verlauf des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Entfernung in einem der Halbleiterstreifen der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 4 bis 7 je eine schematiache Schnittansicht verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele.

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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist eine Festkörper-Bildsichtvorrichtung mit einer Mehrzahl η-leitender Halbleiterstreifen 11, auf deren Oberseite je eine Mehrzahl transparenter p-leitender Plättchen 13 zur Bildung einer Reihe von pn-Übergangsdioden 12 befestigt sind. Jede der Dioden ist mit einem Leiter 14 über einen gesonderten Kondensator 15 verbunden. Die Leiter 14 der Halbleiterstreifen werden aufeinanderfolgend an eine Quelle für Video-Eingangs signale mit Hilfe von Schaltern angeschaltet. Ohmsche Kontakte 18 und 19 an den beiden Enden jedes Halbleiterstreifens 11 werden aufeinanderfolgend an eine Gleichspannungsquelle 21 mit Hilfe von Schaltern angeschaltet. Die einzelnen Halbleiterstreifen 11 sind zu unterstützungszwecken auf einer halbisolierenden (semi-insulator) Platte 22 befestigt.

Jeder Halbleiterstreifen 11 ist aus einem Material hergestellt, das eine spannungsgesteuerte negative spezifische Leitfähigkeit im massiven Material aufweist. Wie noch im einzeihen gezeigt wird, kann dieses Material entweder ein "Zwei-Täler"-Material oder ein geeignet piezoelektrisches Halbleitermaterial sein. Wenn der Schalter 20 die Gleichspannung der Quelle auf einen Halbleiterstreifen 17 aufschaltet, entsteht eine Zone hoher E-Feld-Intensität nahe des kathotischen Kontaktes 18, die in der Intensität rasch bis auf einen Maximalwert zunimmt und in Richtung zum anodischen Kontakt 19 läuft. Wie noch erläutert wird, kann, wenn einmal eine

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solche wandernde E-Feld-Domäne erzeugt worden ist, eine
weitere nicht erzeugt werden, bis die E-Feld-Domäne am
anodischen Kontakt 19 ausgelöscht wird»

Wie durch die gestrichelten Linien in der Zeichnung angedeutet ist, sind die jedem Halbleiterstreifen 11 zugeordneten Schalter 20 und 17 für eine gleichzeitige Betätigung miteinander gekoppelt. Eine
geeignete Schalteinrichtung (nicht dargestellt) schließt nacheinander die Schalter 20-17 aufeinanderfolgender Halbleiterstreifen 11.
So wird beispielsweise der Schalter 20 des obersten Streifens geschlossen wordurch eine längs dieses Streifens wandernde E-FeId-Domäne 24 erzeugt wird. Hat die Domäne den Streifen vollständig durchquert, so wird der Schalter geöffnet und der Schalter 20 des nächsten Halbleiterstreifens 11 wird geschlossen, so daß in
letzterem Streifen eine ähnliche Domäne erzeugt wird, die längs
des Streifens läuft. Im Ergebnis werden alle Dioden der Vorrichtung aufeinanderfolgend durch eine wandernde E-Feld-Domäne abgetastet, die in der Zeichnung von links nach rechts läuft. Die
Dioden des jeweiligen Halbleiterstreifens sind an die Videosignalquelle 16 über den Schalter 17 nur dann angeschlossen, wenn eine E-Feld-Domäne durch diesen Streifen läuft· Entwurf und Aufbau einer entsprechenden Einrichtung zur Ausführung der beschriebenen
Schaltfunktionen liegen im Bereich normalen fachmännischen Könnens.

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Die Dioden 12, von äenen jede durch ein transparentes p-leitendes Plättchen 13 und durch einen Teil des n~leitenden Halbleiterstreifens gebildet ist, sindii bekannter Weise so ausgelegt, daß sie, ansprechend auf eine angelegte Vorspannung, elektrolumineszent sind. Wie bekannt, führt bei entspre chender Vorspannung solcher Dioden, der Strom durch den Übergang zu einer Rekombination von Löchern und Elektronen. Eine derartige Rekombination rührt von den Übergängen zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband her, die entweder direkt oder über Störstellenzentren innerhalb der Bandlücke erfolgen und dabei Strahlungsenergie in Form von sichtbarem Licht freisetzen. Bei Abwesenheit einer wandernden E-Feld-Domäne im Halbleiterstreifen 11 ist keine der Dioden vorgespannt, und zwar weder in Durchlaß- noch in Sperr-Richtung. Wenn jedoch eine starke E-Feld-Domäne 24 eine betrachtete Diode abtastet, wird ein Teil des Übergangs positiv gegenüber dem anderen wegen des innerhalb der E-Feld-Domäne vorhandenen hohen Spannungsabfalls vorgespannt, wie dies in Fig. 2 schematisch angedeutet ist. Folglich ist ein Teil des Übergangs in Durchlaßrichtung vorgespannt, was zu einer Elektroneninjektion in das p-Plättchen 13 führt, während der andere Teil des Übergangs in Sperrichtung vorgespannt ist, was eu einer Löcherinjektion in das Plättchen führt. Wie erläutert, führt der Übergangsstrom zu strahlender Rekombination und Lichtemission, die durch das transparente Plättchen sichtbar ist.

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Der Übergangs strom in jeder Diode und deshalb das von jeder Diode emittierte Licht ist eine Funktion jeglicher momentaner Spannung, die dem p-Plättchen zugeführt wird. Im Ergebnis steuert also das den Kondensatoren 15 zugeführte Video-Eingangssignal die Lichtemission an jeder Diode, während diese von der wandernden E-Feld-Domäne. abgetastet wird.

Falls gewünscht, könnte das Video-Signal in paralleler Weise allen Streifen gleichzeitig zugeführt werden, wodurch die Schalter 17 entfallen würden. Dies jedoch würde das Videosignal zu "verheizen" und die Impedanz der Modulations schaltung zu erniedrigen suchen. Des weiteren könnte statt der Verwendung einer Reihe von Dioden 12 auf jedem Streifen der Aufbau dahingehend vereinfacht wwrden, daß lediglich eine Schicht aus phosphoreszentem Material verwendet wird, der das Videosignal zugeführt wird. Die dargestellten Dioden sind bevorzugt, weil sie wirksamer als eine phosphoreszente Schicht den elektrischen Strom in emittiertes Licht umsetzen. Darüber hinaus ist einer der Vorteile der Erfindung der, daß die Geometrie der Anordnung die Verwe ««dung elektroluminenszenter Dioden gestattet, während solche Vorrichtungen nicht bei den bekannten Festkörper-Bildsichteinheiten der einleitend beschriebenen Art eingebaut werden können.

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Werden die Halbleiterstreifen aus Zwei-Täler-Material hergestellt, so zeigen sie eine negative spezifische Leitfähigkeit im massiven Material infolge eines Mechanismus, der im einzelnen im Januarheft 1966 der Zeitschrift Electron Devices, Band ED-13, Nr. 1, beschrieben ist, einer speziellen Ausgabe, die sich Vorrichtungen widmet, in denen dieses Phänomen ausgenutzt ist. Kurz gesagt, rührt die negative spezifische Leitfähigkeit von einem Übergang "heißer" Elektronen von den niedrigeren Energiebandminima auf höhe Energiebandminima her, wo ihre effektive Masse und Beweglichkeit stark erhöht sind. Zu diesen Materialien gehören beispielsweise geeignet dotiertes Galliumarsenid, Galliumantimonid, Indiumphosphid und Cadmiumtellurid.

Ein Zwei-Täler-Material wird eine spezifische negative Leitfähigkeit aufweisen fFig. 3), wenn es elektrischen Gleichfeldern oberhalb eines vorgeschriebenen Schwellwerts E_n, unterworfen wird. Überschreitet die Feldstärke im Material infolge einer zugeführten Gleichspannung den Wert E , so tritt eine Konzentration der Feldintensität nahe dem negativen Kontakt auf, die sich in einem Aufbau einer E-Feld-Domäne E und in einem Abfall des elektrischen Felds außerhalb der Domäne äußert, wie dieses durch den Teil

E₀ dargestellt ist. Wie erwähnt, wird die Domäne E in Richtung ο D

der Majoritätsladungsträger wandern, wie dies durch den Pfeil dar-

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gestellt ist, und in der Intensität bis auf einen bestimmten Maximalwert zunehmen. Da E₀ unterhalb E_ liegt, kann eine neue Domäne nicht erzeugt werden, bis die Domäne E am entgegengesetzten Kontakt ausgelöscht sein wird. Ein Nachteil der Verwendung eine Zwei-Täler-Mate rials ist der, daß die Domänengeschwindigkeit, die annähernd der Ladungsträgertriftgeschwindigkeit entspricht, relativ hoch ist, was bei Fehlen jegliche Modifi- f kation eine hohe Videofrequenz erfordert. Jedoch können (siehe

weiter unten) Kamera vor richtungen aus denselben Materialien wie die Bildsichtvorrichtungen hergestellt werden, wodurch einjt Videosignal entsteht, das der hohen Abtastgeschwindigkeit der Bildsichtvorrichtung entspricht.

Piezoelektrisches Material kann ebenfalls für die Halbleiterstreifen 11 verwendet werden. Wie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 173 100 (D.K. White; erteüt am 9.3.65) sowie in dem Artikel "Electronic Signal Amplification in the UHF Range with Ultrsonic Traveling Wave Amplifier" von John E, May, jr., Proceedings of the IEEE, Band 53, Nr, 10, Oktober 1965, Seite 1465, beschrieben ist, zeigen entsprechend dotierte piezoelektrische Halbleitermaterialien eine negative spezifische Leitfähigkeit in massivem Material bei geeigneter Vorspannung. Diese Literaturstellen beziehen sich auf die Verwendung solcher Materialien zu Verstärkungszwecken; wird hier ein Wechselstromeignal zugeführt, so

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regt dieses eine akustische Welle an, die mit den Majoritätsladungsträgern, welche längs des vorgespannten Materials mit der Driftgeschwindigkeit laufen, in Wechselwirkung tritt. Wenn kein Signal zugeführt wird, kann gezeigt werden, daß eine akustische Welle mit einer sie begleitenden wandernden Domäne in einem solchen Material spontan erzeugt wird, und zwar praktisch auf die in Fig. 3 dargestellte Weise, wenn das Material oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts vorgespannt ist. Die Erzeugung der Domäne nahe dem negativen Kontakt 18 rührt entweder vom plötzlichen Anlegen des Gleichfeldes her, das eine anfängliche Störung der akustischen Energie nahe den beiden Kontakten 18 und 19 erzeugt, oder von einer Verstärkung des thermischen Rauschens am negativen Kontakt. Die akustische Energie nahe dem negativen Kontakt 18 wächst sich zu einer Domäne aus, und zwar wegen der Wechselwirkung mit den Majoritätsladungsträgern, die selbstverständlich in Richtung des positiven Kontaktes 19 driften. Andererseits werden anfängliche akustische Störungen in der Nähe des positiven Kontakts 19 gedämpft, weil sie sich einem positiven Widerstand gegenüber sehen.

Wie bei der Gunn-Effekt-Version reduziert die Erzeugung einer starken E-Peld-Domäne das Feld außerhalb derselben derart, daß sich eine weitere Domäne nicht ausbilden kann. Nachdem die Domäne eine maximale Intensität erreicht hat (vergl. Fig. 3), behält

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sie diese hohe Intensität bei, obgleich Strom succesive zu den verschiedenen Dioden gegeben wird. Wenn das Domänenfeld E als Folge hiervon momentan gedämpft wird, wird es wegen der negativen spezifischen Leitfähigkeit rasch wieder bis auf den ihm eigenen Maximalwert verstärkt; der Strom zum Aufrechterhalten dieser Intensität wird von der Batterie 21 erhalten« Die Länge L einer spontan erzeugten laufenden akustischen Domäne ist, wie gezeigt werden kann, annähernd gegeben durch die Beziehung

L -1
^LD K

Hierin bedeuten £ die Dielektrizitätskonstante, V , die Spannung über der Domäne, q die Ladung eines Majoritätsladungsträgers, η die Ladungsträgerkonzentration und K den piezoelektrischen Kupplungskoeffizient. Die Domänenspannung ist gegeben durch

(2)

Hierin bedeuten V die zwischen de%Kontakten anstehende Spannung,

el

E die Feldstärke, die zur Bewegung eines Majoritätsladungsträgers bei Schallgeschwindigkeit im Halbleiterstreifen erforderlich ist, und L die Länge des Streifens. Sowohl bei der Gunn-Effekt- als auch bei der akustischen Wellenausführung sollten die Halbleiterstreifen weitgehend homogen und frei von Defekten sein.

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Die Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 kann als Fernsehkamera-^ einrichtung verwendet werden, wenn man jede der Dioden 12, statt aus elektrolumineszentern Material, aus geeignet lichtempfindlichen Material herstellt und die Dioden, statt mit der Signalquelle, mit einer (gestrichelt eingezeichneten) Last 25 verbindet. Auch hier sind die p-leitenden Plättchen 13 aller Dioden transparent. Wie bekannt, induziert auf einen lichtempfindlichen pn-übergang einfallendes Licht eine Spannung, die zur Lichtintensität proportional ist. Wenn die vorbeilaufende Domäne jede aufeinanderfolgende Diode 12 vorspannt, wird ein örtlicher Durchbruch erzeugt, der proportional zur an diesem Element anstehenden Fotospannung ist. Die resultierende induzierte Spannung über dem Kondensator 15 ist ein direktes Maß der Lichtintensität, der die Diode ausgesetzt war. Im Ergebnis sind daher die aufeinanderfolgenden Strombeiträge, die der Last 25 zugeführt werden, proportional zu der räumlichen Verteilung der Lichtintensität auf der Diodenreihe und bilden daher ein Videoausgangssignal.

Die Halbleiterstreifen 11 der Ausführungsform nach Fig. 1 können 5 bis 50 η dick bei etwa 1000 A dicken und 5 - 50 η langen (wide) Plättchen 13 sein. Für einen auf dem Gunn-Effekt beruhenden Betrieb kann die Ladungsträgerkonzentration in den Streifen 11 von 10 bis 10 Ladungsträger / cm reichen und in den Plättchen

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10 Ladungsträger/cm betragen. Für Galliumarsenid ist die

Spannung E„, annähernd 10 geteilt durch die Ladungsträgerbeweglichkeit oder annähernd 3000 V/cm· Für einen auf akustischen Wellen beruhenden Betrieb können die Streifen und Plättchen aus

IB 17 3

Cadmiumsulfid mit 10 -10 Ladungsträger/cm in den Streifen

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und mit 10 Ladungsträger/cm in den Plättchen sein« Das Feld

E ist die Schallgeschwindigkeit geteilt durch die Trägerbeweglich-" keit, und liegt in der Größenordnung von 800 - 1200 V/cm.

Statt das Ausgangssignal von jeder einzelnen Diode abzunehmen, kann das Aus gangs signal an einem Lastwiderstand in der Batterie·· schaltung nach Fig. 4 abgenommen werden· Zur Vermeidung von Wiederholungen sind in dieser Figur, ebenso auch in den übrigen, entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugsziffern versehen, wobei jeweils noch die zugehörigen Figurennummer vorangestellt ist. So hat beispielsweise der Halbleiter streif en 411 in Fig. 4 die gleiche Funktion wieder Halbleiterstreifen 11 der Fig. 1 und 2«

Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine lichtempfindliche Vorrichtung, bei der jede der Dioden 412 Fotoleiter sind· Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist praktisch die gleiche wie die licht» empfindliche Version nach Fig. 2, ausgenommen daß die Auegangsspannungen nicht von den einzelnen Dioden abgenommen wird. Statt dessen fließt, wenn eine wandernde Domäne eine Diode abtastet,

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ein Strominkrement durch das fotoleitende Plättchen. Dieses Strominkrement ist eine Funktion der Lichtintensität, und ein entsprechendes Strominkrement fließt von der Batterie 421 zum Halbleiterstreifen 411. Dieses Strominkrement erzeugt ein Spannungsinkrement an einem Widerstand R , das als das Video-Au s gangs signal abgenommen wird. Wiederum wird ein kontinuierliches Videoausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der räumlichen Intensitätsverteilung des auf die ganze Vorrichtung auftrefenden Lichtes ist.

Der Betrieb einer solchen Bildabtastvorrichtung beruht auf folgenden Erwägungen: Ein transparenter Metallkontakt f. 426 einer Länge w liegt auf der Oberseite jedes fotoleitenden Plättchens 412. Die Dicke und die spezifische Leitfähigkeit (die einer Funktion der Lichtintensität ist) der fotoleitenden Diode seien d.. bzw. o*T. In ähnlicherweise seien d und Cf die Dicke bzw. spezifische Leitfähigkeit des piezoelektrischen Halbleiters, der die E-FeId-Domäne führt. Läuft die Domäne unter einer der fotoleitenden Dioden hindurch, so wird diese durch einen quer zum fotoleitenden Film und in den Kontakt 426 fließenden Strom kurzgeschlossen. Das Verhältnis des Wirkleitwertes durch die Diode, D₁, zu dem im massiven Material, G„, ergibt sich, wie gezeigt werden kann, annähernd aus folgender Beziehung:

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Ιβ

^G2 ² °2 ^dl

Sind beispielsweise w = 20/u, d = 20 yu und dj = 0,1 n_t dann ist

Λί ι ι G₁ZG- = 100 ο*/ο". Für halbleitendes Material mit ofJOhm" cm"

1 £t X ti a

1 2 1 «·1

sowie mit 10 (unbeleuchtet) ^ O₁ "^10 (beleuchtet) Ohm cm gilt dann 10 (unbeleuchtet) -CGj/G» ^ 1 (beleuchtet). Dies zeigt, daß der durch die fotoleitende Diode kurzgeschlossene Strom in Abhängigkeit der an jener herrschenden Lichtintensität durch Hinzufügen des Kontakts 426 beachtlich erhöht werden kann.

Aus dem vorhergehenden ist ersichtlich, daß bei der Herstellung der Ausführungsformen nach Fig. 2 oder 4, Kompromisse hinsichtlich der Auswahl der Materialien gemacht werden müssen. Das heißt, der Halbleiterstreifen 411 sollte entweder ein gutes Zwei-Täler-Mate rial oder ein gutes piezoelektrisches Material sein und dabei noch einen guten elektroluminuszenten Übergang oder einen guten lichtempfindlichen Übergang mit dem halbleitenden p-Plättchen bilden, das seinerseits transparent sein soll· p Ist die akustische Betriebsart vorgesehen, so sollte dem weiteren Problem Rechnung getragen werden, daß die wandernde Domäne, die an einer vorbestimmten Stelle in jedem Streifen entsteht, weitgehend ihren Maximalwert angenommen hat« bevor sie die erste Diode der Reihe abtastet. Derartige Entwurfserwägungen können auf zahl-

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reichen Wegen berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Störung im Streifen nahe dem kathodischen Kontakt eingeführt werden, um in beabsichtigter Weise eine elektrische Feldstörung zu erzeugen, die dann veranlaßt, daß an dieser Stelle eine E-Feld-Domäne gebildet wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bildsichtvorrichtung, bei der ein Kontaktpaar 526 und 518 an einem Ende des Halbleiterstreifens 511 angeordnet sind. Der zwischen den Kontakten 526 und 518 liegende Bereich des Halbleiterstreifens ist aus Zwei-Täler-Material hergestellt, während der Teil zwischen den Kontakten 518 und 519 aus piezoelektrischem Halbleitermaterial hergestellt ist. Wenn die Schalter 520 und 520^J geschlossen werden, wird eine Vorspannung einer Batterie 527 an die Kontakte 526 und 518 gelegt, die ausreichend hoch ist, um via Gunn-Effekt eine wandernde Domäne am Kontakt 526 zu erzeugen, die dann in Richtung auf den Kontakt 518 läuft. Erreicht die wandernde Domäne den Kontakt 518, so wird sie nicht durch diesen ausgelöscht, stattde ssen ,führt sie mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Mechanismus zur Erzeugung einer akustischen Welle, die in Richtung auf den Kontakt 519 läuft. Die Gunn-Effekt-Domäne bildet daher einen Trig^ermechanismus zum Erzeugen der akustischen Welle an einer vorbestimmten Stelle im Streifen 111.

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Der Halbleiterstreifen 511 kann aus Galliumarsenid bestehen, das so geschnitten ist, daß seine Längs dimension in Richtung der 110-Kristallachse verläuft. Unter diesen Umständen zeigt der Streifen piezoelektrische Eigenschaften, und akustische Wellen werden mit einer Geschwindigkeit von annähernd 3, 5 χ 10 cm/s fortschreiten. Der Teil zwischen den Kontakten 526 und 518 kann

Iß eine Länge von 15Ou sowie eine Dotierkonzentration von etwa 10 Ladungsträger/cm haben. Die Batterie 527 soll dann ein elektrisches Feld zwischen den Kontakten 526 und 518 von etwa 3000 V/cm zum Auslösen der Gunn-Effekt-Domänen haben. Die Länge des Halbleiterstreifens zwischen den Kontakten 518 und 519 kann etwa 5 - 7, 6 cm (2-3 ") sowie eine Ladungsträgerkonzentration von

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10 -10 Ladungsträger pro ecm haben. Die Batterie 521 kann ein elektrisches Feld von etwa 100 - 200 V pro cm zwischen den Kontakten 518 und 519 erzeugen, das dann ausreichen würde, die akustische Domäne aufrecht zu erhalten, während sie mit Schallgeschwindigkeit fortschreitet. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Galliumarsenid für den Halbleiterstreifen 511 ist der, daß die von der Batterie 521 zugeführte Spannung zum Erhalt von Majoritätsladungsträger-Geschwindigkeiten, die sich der Schallgeschwindigkeit annähern, wie dies für eine Wechselwirkung mit akustischen Wellen erforderlich ist, kleiner als die für andere piezoelektrische Halbleitermaterialien erforderliche ist.

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Statt die lichtemittierenden Übergänge der Dioden von dem Material des Halbleiter Streifens 511 abhängig zu machen, können die Dioden 512 auch MIS (metal-insulator-semiconductor) Dioden sein. Wirksame Lichtemission kann erhalten werden durch Vorspannen in Sperrichtung einer Diode mit einer dielektrischen Schicht zwischen einer Metallschicht und einer Halbleiterschicht, um Minoritätsladungsträger im Halbleiter an der dielektrischen Grenzfläche zu erzeugen, so dann durch Vorspannen der Diode in Durchlaßrichtung, um die Minoritätsladungsträger in das massive Material des Halbleiters zu injizieren, wo diese unter Emission sichtbarer Strahlung rekombinieren. Bei der Vorrichtung nach Fig. sind MIS-Dioden 512 durch eine Halbleiterschicht 529, eine Isolierschicht 530 und Metallelemente 531 gebildet. Wenn die wandernde Domäne jeweils eine durch eines der Metallelemente definierte Diode passiert, spannt sie diese Diode zunächst in Sperrichtung vor und sodann in Durchlaßrichtung, um dadurch die strahlende Rekombination'zu erzeugen.

Die Halbleiterschicht 529 kann aktiviertes Zinkoxid oder Zinksulfid mit einer Dicke von etwa 1000 A sein. Der Isolator kann etwa 1000 A dick sein, und die metallischen Elemente 531 etwa 400 A dick, so daß sie beide weitgehend transparent sind. Wie erwähnt, ist der Vorteil von MIS-Dioden der, daß sie unabhängig vom für den Halbleiterstreifen benutzten Material hergestellt werden können.

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Ein weitere Ausführungsform, bei der MIS-Dioden noch wirksamer eingesetzt sind, ist in Fig. 6 dargestellt. Die einzelnen Dioden 612 sind durch eine Reihe Metallelemente 634 definiert die direkt auf den Halbleiterstreifen niedergeschlagen sind. Die Metallelemente werden dann mit einer ersten Isolierschicht 635, einer Halbleiters chicht 636, einer zweiten Isolierschicht 637 und einer oberen Metallschicht 638 beschichtet. Die Dioden sind paarweise . zusammengefaßt, wobei die obere Metallschicht 638 die Dioden

jedes Paares miteinander verbindet und ein Kondensator 615 jedes Diodenpaar an die Leitung 614 anschließt. Jedes Diodenpaar wirkt dann als eine Einheit, so daß modulierte Lichtemission von jedem Diodenpaar stattfindet, statt von nur einer einzelnen Diode auszugehen.

Wegen des mehrschichtigen Aufbaues bildet jede Diode 612 im Effekt ihrerseits zwei Dioden, von denen die eine definiert ist durch die • Metallelemente 634, ersten Isolator 635 und Halbleiter 636, während

die andere definiert ist durch die obere Metallschicht 638, zweiten Isolator 637 und die Halbleiterschicht 636. Wenn eine wandernde Domäne eine Stelle zwischen den Dioden eines Paares erreicht, werden die Dioden gegeneinander durch die Spannung auf entgegengesetzten Seiten der Domäne vorgespannt, wie dies bei 624 angedeutet ist. Im Ergebnis werden Minoritätsladungsträger an beiden Grenzflächen der Halbleite rs chicht 636 mit den Isolier-

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schichten 635 und 637 erzeugt. Wenn die Domäne 624 das Diodenpaar durchquert, wird die Vorspannung an den Halbleiterschichten umgekehrt und Mcht emittiert .

Der Aufbau der Dioden 612 erhöht den Wirkungsgrad, weil Minoritätsladungsträger an beiden Grenzflächen der Halbleiters chicht erzeugt werden und nicht nur an einer. Ein weiterer Vorteil ist der, daß die Spannung der Domäne 624 über zwei Dioden aufgedrückt wird, die vier Halbleiter-Isolator-Übergänge aufweisen, und nicht nur über einen einzigen Halbleiter-Isolator-Übergang. Dies reduziert die Gefahr eines Materialdurchbruches infolge übermäßiger Domänenspannung. Schließlich wird eine weitgehend konstante Vorspannung den Dioden während der Zeitspanne aufgeprägt, die die Domäne zum Durchlaufen zwischen aufeinanderfolgenden Elementen 634 benötigt. Hierdurch ist für jede Diode mehr Zeit für die Erzeugung der Minoritätsladungsträger verfügbar, die für die strahlende Rekombination verantwortlich sind. Die Dimensionen dieser Ausführungsform können denjenigen der analogen Elemente nach Fig. 5 entsprechen. Die Metallschicht 638 sowie die Isolierschicht sollten dünn genug sein, um transparent zu sein.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 hat gewisse Vorteile bezüglich leichter Herstellung. Die halbisolierende Unterlage 722 ist

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Cadmiumsulfid, auf dem eine η-leitende Cadmuimsulfidechicht

16 17 3

mit einer Dotierung von 10 - 10 Ladungsträger/cm als der Halbleiterstreifen 711 epitaktisch aufgewachsen ist. Wie bekannt, ist das epitaktiische Aufwachsenlassen eine Methode zum Erhalt einer hochhomogenen und defektfreien Kristallstruktur. Eine Schicht aus η-leitendem Ga As P₁ mit einer Dotierung von

1 O 1 Q r%

10 -10 Ladungsträger/cm und einer Dicke von annähernd 1000 A wird dann durch Dampftransport auf der Oberseite des Halbleiterstreifens 711 aufwachsen gelassen. Diese Schicht wird dann evtl. zu η-leitenden Plättchen-Komponenten 740 der Dioden 712. Eine Schicht aus p-leitenden Ga As P mit einer Dotierung von 10 -10 Ladungsträger/cm³ und einer Dicke von annähernd 1000 A wird dann auf der Oberseite der n-leitenden Schicht aufwachsen gelassen, die evtl. zu p-leitenden Plättchen 741 wird. Sonach werden nach Fotoätzmethoden Teile der Ga As P₁

Schichten abgeätzt« um die Plättchen 740, 741 und daher die einzelnen Dioden 712 zu erzeugen. Die pn-Übergänge der Dioden bilden dann, wie beschrieben, wirksame Lichtemissionselemente·

Zusammengefaßt ist ersichtlich, daß nach der Erfindung wirksame und praktisch handzuhabende Festkörper-Fernsehbildwiedergabeeinheiten und -Bildaufnahmeeinheiten bereitgestellt werden können. Auf den gleichen Prinzipien arbeitende Bildaufnahme- und Bildwiedergabevorrichtungen, die in einem einzigen System benutzt werden,

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ergeben Vorteile bezüglich großer Einfachheit, weil die Abtastgeschwindigkeiten der Bildaufnahmeeinrichtungen identisch mit denen der Bildwiedergabevorrichtungen gemacht werden können, wodurch die Notwendigkeit für spezielle Schaltsysteme oder Abtastgeschwindigkeitsumsetzer entfällt. Zu den weiteren Vorteilen der Erfindung gehören die Wirksamkeit der Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie und umgekehrt, sowie die Minimalis ie rung oder völlige Ausschaltung einer Dämpfung der wandernden E-Feld-Domänen, die das Raster bilden. Zahlreiche Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise können statt der hier als η-leitend beschriebenen Halbleiterstreifen auch p-leitende Halbleiterstreifen verwendet werden.

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Claims (16)

1. Jt

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   PATENTANSPRÜCHE "^Οαθ°

   /1. ) Energieumsetzeinrichtung mit einem längeren Halbleiterstreifen und zumindest einem Lichtelement längs einer Oberfläche des Streifen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstreifen eine spannungsgesteuerte negative spezifische Leitfähigkeit im massiven Material sowie die Fähigkeit aufweist, begrenzte wandernde E-Feld-Domänen, ansprechend auf ein über die Länge des Streifens angelegte elektrisches Gleichfeld, intern zu erzeugen, wobei die E-Feld-Domänen die Anregung des Lichtelements verursachen.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl längerer Halbleiterstreifen und eine Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes aufeinanderfolgend an

   die Vielzahl der solcherart gebildeten Energieumsetzeinrichtungen, > um aufeinanderfolgend in jeder Energieumsetzeinrichtung eine wandernde E-Feld-Domäne anzuregen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtelement ein elektrolumineszentes Element ist und daß eune Einrichtung dem Lichtelement auf dem Halbleiterstreifen ein Videosignal in Synchronismus mit dem Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes über die Länge des Halbleiterstreifens zuführt.

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4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtelement eine Übergangs diode ist,
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtelement eine fotoleitende Vorrichtung ist und daß eine Schaltung dazu vorgesehen ist, ein Aus gangs signal aus jedem Streifen abzunehmen, wenn eine E-Feld-Domäne längs des Streifens wandert.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zum Abnehmen einer Aus gangs spannung von dem Lichtelement auf dem Halbleiterstreifen in Synchronismus mit dem Anlegen des elektrischen Gleichfeldes über die Länge des Streifens vorgesehen ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtelement eine pn-Übergangsdiode ist, daß eine Vielzahl von Übergangs dioden auf jedem Streifen vorgesehen sind, daß eine Vielzahl von Kondensatoren mit den Dioden derart verbunden sind, daß eine 1:1- Entsprechung zwischen den Kondensatoren und den Dioden vorhanden ist, und daß die Schaltung zum Abnehmen des Aus gangs signals eine Vielzahl Ausgangsleitungen aufweist, die je an die Kondensatoren der Dioden nur eines Halbleiterstreifens ange schloss en sind.

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8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen aus Zwei-Täler-Halbleitermaterial aufgebaut ist und eine negative spezifische Leitfähigkeit infolge eines Ladungsträger-Überganges von einem unteren Energieband auf ein höheres Energieband aufweist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstreifen aus Zwei-Täler-Material aufgebaut ist und eine Einrichtung jedem Streifen eine Gleichspannung zuführt, die ausreichend hoch ist, um innerhalb der Streifen wandernde E-Feld-Domänen via Gunn-Effekt zu erzeugen.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen piezoelektrischem Halbleitermaterial aufgebaut ist und eine negative spezifische Leitfähigkeit infolge einer

    Wechselwirkung von akustischen Wellen mit sich bewegenden Ladungsträgern aufweist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter streif en aus piezoelektrischem Halbleitermaterial aufgebaut ist und daß eine Einrichtung eine Gleichspannung jedem Streifen in einer Höhe zuführt, die ausreichend ist, um innerhalb des Streifens wandernde akustische E-Feld-Domänen zu erzeugen.

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12. 12. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Diode weitgehend parallel zu der Hauptdimension des zugeordneten Halbleiterstreifens verläuft und daß der Übergang länger ist als die Länge einer in dem Halbleiterstreifen erzeugten wandernden Domäne, wodurch beim Passieren des Überganges durch eine Domäne ein großer Spannungsgradient auf der Länge des Übergangs erzeugt wird.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Diode eine erste Metallschicht aufweist, die am Halbleiterstreifen festgelegt ist, ferner eine erste Schicht aus Isoliermaterial, die an der ersten Metallschicht festgelegt ist, eine Schicht aus Halbleitermaterial, die an der ersten Isolierschicht festgelegt ist, eine zweite Schicht aus isolierendem Material, die an der Halbleiterschicht festgelegt ist, und schließlich eine zweite Metallschicht, die an der zweiten Isolierschicht festgelegt ist.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden paarweise längs des Streifens angeordnet sind, daß die zweiten Metallschichten der Dioden jedes Paares leitend miteinander verbunden sind, wodurch Ladung zwischen den Dioden eines Paares, ansprechend auf eine wandernde Domäne in dem Streifen zwischen solchen Dioden, fließt.

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15. 15. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Schicht aus Halbleitermaterial aufweist, die an dem Halbleiterstreifen festgelegt ist, ferner eine Schicht aus Isoliermaterial, die an der Halbleiterschicht festgelegt ist, sowie eine Metallschicht, die an der Isolierschicht festgelegt ist.
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

    daß jeder Halbleiterstreifen aus piezoelektrisch aktivem Halbleitermaterial aufgebaut ist, daß ein erster und ein zweiter Kontakt nahe dem einen Ende jedes Streifens sowie ein dritter Kontakt nahe dem anderen Ende jedes Streifens vorgesehen sind, daß der Teil des Streifens zwischen dem ersten und zweiten Kontakt aus piezoelektrisch aktivem Zwei-Täler-Halbleitermaterial aufgebaut ist, daß die Dioden jedes Streifens vollständig zwischen dem zweiten und dritten Kontakt dieses Streifens liegen und daß eine Vorrichtung, vorgesehen ist, die auf die zweiten Schaltmittel anspricht und wandernde Gunn-Effekt-Domänen nur in dem Teil des Streifens zwischen dem ersten und zweiten Kontakt erzeugt, die vom ersten Kontakt in Richtung auf den zweiten Kontakt läuft, wodurch wandernde akustische E-Feld-Domänen am zweiten Kontakt erzeugt werden.

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