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Dünnfilmtransformator Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnfilmtransformator
mit einem magnetischen Dünnfilm und einem leitenden Dünnfilm.
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Der Dünnfilmtransformator gemäß der Erfindung ist in Kombination
mit integrierten Halbleiterschaltungen zur Bildung einer integrierten Hybridschaltung
verwendbar, in der der Dünnfilmtransformator als ein isolierender Eingang oder als
ein isolierender Ausgang benutzt wird.
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Zur Integrierung von passiven Bauelementen ist es erforderlich, solche
Bauelemente unter Verwendung von Dünnfilmen herzustellen. Die Techniken zur Herstellung
von Widerstandsbauelementen oder Kondensatorbauelementen unter Verwendung von Dünnfilmen
sind gegenwärtig schon verhältnismäßig weit entwickelt, so daß passive integrierte
Schaltungen
mit diesen Bauelementen bereits praktisch hergestellt
und eingesetzt werden. Die Dünnfilmwiderstände oder Dünnfilmkondensatoren werden
häufig mit integrierten Halbleiterschaltungen zur Bildung integrierter Hybridschaltungen
verbunden. Dagegen ist es sehr schwierig, Induktivitätsbauteile unter Verwendung
von Dünnfilmen herzustellen. Kein aus Dünnfilmen hergestellter Transformator war
bisher praktisch einsatzfähig. Experimentelle Induktivitätsbauteile aus Dünnfilmmaterial
wurden indessen vorgeschlagen, und eine Form dieser Bauteile hat einen Aufbau, bei
dem ein leitender Dünnfilm spiralförmig auf einer aus isolierendem Material bestehenden
Unterlage ausgebildet ist. Diese Spule ist vom Luftkernspulentyp, und daher ist
es schwierig, eine im Verhältnis zur Fläche der von der Spiralspule besetzten Unterlage
große Induktivität zu erreichen. Deshalb vermag eine solche Technik zur Herstellung
von Dünnfilm-Induktivitätsbauteilen keinen Transformator geringer Abmessung und
mit hohem Kopplungskoeffizienten zur Verfügung zu stellen.
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Wenn beim Herstellen von Induktivitätsbauteilen ein Dünnfilm aus
magnetischem Material als Kern verwendet wird, sind Induktivitätsbauteile geringer
Abmessung und mit einer großen Induktivität erhältlich. Übliche magnetische Dünnfilme
haben jedoch eine niedrige magnetische Permeabilität und weisen eine von der Frequenz
eines angelegten Magnetfeldes abhängige magnetische Permeabilität auf. Daher ist
es sehr schwierig, einen Dünnfilmtransformator mit einem hohen Kopplungswirkungsgrad
über einen weiten Frequenzbereich durch Verwendung solcher magnetischer Dünnfilme
zu erhalten.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Dünnfilmtransformator
geringer Abmessung und mit hohem
Kopplungswirkungsgrad über einen
weiten Frequenzbereich zu entwickeln, der sich außerdem zur Bildung einer integrierten
Hybridschaltung in Kombination mit einer integrierten Halbleiterschaltung eignet.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelost wird, ist ein
Dünnfilmtransformator mit einer Mehrzahl von isolierten, parallel auf einer Unterlage
angeordneten Dünnfilmleiterbahnen und einem wenigstens einen Teil eines die Leiterbahnen
umgebenden Magnetmaterials bildenden magnetischen Dünnfilm mit einer die harte Achse
in senkrechter Ausrichtung zu den Leiterbahnen aufweisenden uniaxialen magnetischen
Anisotropie.
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Nach einer Ausführungsart der Erfindung dient die Unterlage als Teil
des die Mehrzahl von Leiterbahnen umgebenden Magnetpfades.
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Nach einer anderen Ausführungsart der Erfindung besteht das gesamte
die Leiterbahnen umgebende magnetische Material aus dem magnetischen Dünnfilm, der
sich vorzugsweise aus einem ersten magnetischen Dünnfilm, der auf der Unterlage
ausgebildet ist, und aus einem zweiten magnetischen Dünnfilm zusammensetzt, der
auf dem ersten magnetischen Dünnfilm ausgebildet ist.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Kombination, bei der ein
solcher Dünnfilmtransformator mit einem magnetischen Dünnfilm, der die genannte
uniaxiale magnetische Anisotropie aufweist, und ein Halbleiterplättchen durch ein
Verbindungsverfahren mit einer Unterlage verbunden und elektrisch miteinander verbunden
sind.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 a bis 1D den Aufbau einer Ausführungsart des
erfindungsgemäßen Dünnfilmtransformators im Lauf der einzelnen Fertigungsschritte;
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Dünnfilmtransformators; Fig. 4 a bis 4 i den Aufbau einer anderen Ausführungsart
des erfindungsgemäßen Dünnfilmtransformators im Lauf der einzelnen Fertigungsschritte;
Fig. 5 ein Schaltbild eines Sprechpfadteils eines Halbleiter-Kreuzungspunkt-Schaltsystems,
bei dem der erfindungsgemäße Dünnfilmtransformator anwendbar ist; Fig. 6 ein Schaltbild
eines Sprechpfadteils in einem Halbleiter-Kreuzungspunkt-Schaltsystem, wenn Steuertransformatoren
verwendet werden; Fig. 7 schematisch eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels,
bei dem Halbleiterplättchen mit dem Dünnfilmtransformator nach einem Verbindungsverfahren
verbunden sind; und Fig. 8 ein Äquivalentschaltbild des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 7.
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Man erkennt in Fig. 1 a eine Unterlage 201, wie z. B.
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eine keramische Platte oder eine Einkristallplatte aus Spinell od.
dgl. Wie Fig. 1 b zeigt, ist ein unterer magnetischer Dünnfilm 202 auf der Unterlage
201 nach einem Aufdampf-, Aufstäub- oder Plattierverfahren ausgebildet.
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Der magnetische Dünnfilm 202 besteht aus Permalloy, Ferrit od. dgl.
Ein Teil des magnetischen Dünnfilms 202 wird durch Ätzen entfernt, wie Fig. 1 c
zeigt, und man bildet dann eine Isolierschicht 203, wie z. B. aus Siliziumdioxid
(so02), darauf nach einem Aufdampf- oder Auf stäubverfahren aus, wie Fig. 1 d veranschaulicht.
Im Anschluß daran wird eine leitende Schicht 204, wie z. B.
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aus Aluminium oder Kupfer, auf der Isolierschicht 203 nach einem Aufdampf-
oder Aufstäubverfahren abgeschieden, wie in Fig. 1 e gezeigt ist. Man wendet das
Ätzen auf die leitende Schicht 204 an, um parallele Dünnfilmleiterbahnen 204-1 bis
204-4 entsprechend Fig. 1 f zu bilden, Die Dünnfilmleiterbahnen 204-1 bis 204-4
werden weiter mit einer Isolierschicht 205, z. B. aus Siliziumdioxid (SiO2) abgedeckt,
wie Fig. 1 g zeigt. Nach diesem Verfahrensschritt werden die so abgeschiedene Isolierschicht
205 und die vorher erwähnte Isolierschicht 203 durch Ätzen od. dgl. teilweise entfernt,
wie Fig. 1 h zeigt, so daß im Ergebnis ein Teil des unteren magnetischen Dünnfilms
202 freigelegt wird.
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Wie Fig. 1 i zeigt, wird darüber ein oberer magnetischer Dünnfilm
206 nach dem oben erwähnten Verfahren ab-yeschieden, und man entfernt einen Teil
des oberen magnetischen Dünnfilms 206, wie in Fig. 1 j dargestellt ist, um dadurch
einen Magnetpfad um die leitende Schicht 204 herum zu bilden. Schließlich wird,
wie Fig. 1 k zeigt, die Isolierschicht 205 nach irgendeinem geeigneten Verfahren,
wie z. B. Ätzen, teilweise entfernt, um einen Teil der leitenden Schicht 204 zwecks
Bildung von Anschlußstellen 207 freizulegen. Das Ergebnis ist, daß zwei Einwindungsspulen
erhalten werden,
wie in Fig. 11 durch ein Äguivalentschaltbild veranschaulicht
ist. Falls erforderlich, kann der den oberen magnetischen Dünnfilm 206 enthaltende
Teil mit Ausnahme der Anschlußstellen 207 außerdem noch mit einem Schutzfilm (der
aus Abkürzungsgründen ausgelassen wurde) bedeckt werden. Es ist noch darauf hinzuweisen,
daß bei der Bildung des oberen magnetischen Dünnfilms 206 und auch vorher bei der
Bildung des unteren magnetischen Dünnfilms 202 ein Magnetfeld von einigen Zehnern
Oersted daran in der Richtung X, wie in Fig. 1 b angedeutet, angelegt werden muß.
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Durch das Anlegen dieses Magnetfeldes wird erreicht, daß der magnetische
Dünnfilm eine uniaxiale magnetische Anisotropie mit entsprechend der X-Achse gerichteter
leichter Achse und mit entsprechend der Y-Achse gerichteter harter Achse erhält.
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Z. B. ist im Fall eines "Permalloy"-Films# mit einigen ß Dicke seine
magnetische Permeabilität in Richtung der harten Achse 1000 bis 2000, während jene
in Richtung der leichten Achse etwa 10 000 beträgt, wenn daran ein konstantes oder
niederfrequentes Magnetfeld angelegt wird. Andererseits zeigt, wenn dieser Dünnfilm
einem Hochfreguenzmagnetfeld (etwa 1 MHz) ausgesetzt wird, die Permeabilität in
Richtung der harten Achse nur eine geringe Änderung, während die Permeabilität in
Richtung der leichten Achse erheblich, nämlich auf 200 bis 300 abfällt. Im übrigen
ist, wenn das erwähnte Magnetfeld an den magnetischen Dünnfilm zur Zeit seiner Herstellung
nicht angelegt wird, die magnetische Anisotropie des magnetischen Dünnfilms allgemein
gering, und so liegt seine Permeabilität ohne Rücksicht auf die Richtungen unter
einigen Hunderten. Demgemäß läßt sich der magnetische Dünnfilm nur, wenn man diesem
die magnetische Anisotropie in der Weise und in der Anordnung verleiht, daß die
harte Achse senkrecht zu den Dünnfilmleiterbahnen
204-1 bis 204-4
gerichtet ist, als ein magnetisches Material hoher Permeabilität mit geringer Frequenzabhängigkeit
verwenden. Nur so ermöglicht ein solcher Dünnfilm die Herstellung eines Dünnfilmtransformators
geringer Abmessung mit hohem Kopplungskoeffizient über einen weiten Frequenzbereich.
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Zum konkreten Nachweis wird im folgenden eine Berechnung der physikalischen
Abmessung eines Dünnfilmtransformators angegeben, der unter Verwendung des magnetischen
Dünnfilms mit uniaxialer magnetischer Anisotropie hergestellt wird, dessen magnetische
Sättigungsflußdichte Bs = 104 Weber ist und der zum Steuern eines Thyristors verwendet
wird, bei dem der Torsteuerstrom 1G = 1 mA, die Steuerimpulsspannung VG = 0,7 V
und die Dauer eines Steuerimpulses TG = 0,5 As benötigt werden.
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In diesem Fall ergibt sich die für den magnetischen Dünnfilm erforderliche
Querschnittsfläche 5M (Kernquerschnitts fläche) durch die Gleichung
während, wenn die Dicke des magnetischen Dünnfilms tM mit 10 ;im angenommen wird,
die erforderliche Breite des magnetischen Films WM = 5M = 3,5 cm wird.
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tM Es wird nun angenommen, daß die Dicke tc des leitenden Films 5
Sm und seine Breite Wc 2,5 pm ist. Diese Abmessungen sind derart, daß auch dann,
wenn man einen Strom einer mehr als mehrere hundertmal so großen Stärke wie der
oben erwähnten Stromstärke durch den Leiter fließen läßt, die innerhalb des Leiters
auftretende Elektronenwanderung ausreichend vernachlässigbar ist. Bei diesen Abmessungen
des
leitenden Films ergibt sich seine gesamte seitliche Länge einschließlich
des Magnetdünnfilmteils zu 2tM + 2Wc = 70 Am + der Dicke des Isolierfilms von weniger
als 10 pm entsprechend mehreren hundert V auszuhaltender Spannung, welcher Isolierfilm
zwischen dem Leitfilmteil und dem Magnetdünnfilmteil eingebracht ist.
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In Fig. 2 ist eine Abwandlung des Transformators nach Fig. 1 dargestellt,
und zwar erhält man den Transformator nach Fig. 2, wenn man einen der in Fig. 1
dargestellten Dünnfilmtransformatoren mit einer schmalen Form zu einer Zickzackgestalt
abwandelt. In Fig. 2 sind mit 208 doppelt geschichtete magnetische Dünnfilme ähnlich
denen nach Fig. 1 bezeichnet, und man erkennt außerdem parallele Dünnfilmleiterbahnen
209 und 210, die von diesen magnetischen Dünnfilmen umgeben sind. Das Verfahren
zur Herstellung dieser Filme auf einer Unterlage ist dem nach Fig. 1 gleichartig,
und der Querschnitt der linearen Teile des Transformators nimmt eine mit dem nach
Fig. 1 identische Form an. Die zickzackförmigen linearen Teile verlaufen sämtlich
parallel zueinander. Daher weist der größte Teil des magnetischen Dünnfilms seine
harte Achse senkrecht zur Stromleitrichtung der Dünnfilmleiterbahnen 209 und 210
auf. Der Abstand zwischen benachbarten linearen Teilen ist etwa 20 zm, und es läßt
sich auf der Unterlage von 1,0 mm x 3,5 mm ein Dünnfilmtransformator mit der gleichen
Kernquerschnittsfläche wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und einer Leistungsaufnahmekapazität
ausbilden, die im wese#ntlichen der nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gleich
ist.
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Fig. 3 zeigt ein weiter abgewandeltes-Ausführungsbeispiel eines Dünnfilmtransformators,
dessen Übersetzung mit 3 : 1 gewählt ist. In dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer
211 die zweischichtigen magnetischen Dünnfilme wie
die nach Fig.
1, und diese magnetischen Dünnfilme werden zum Umgeben der parallelen Dünnfilmleiterbahnen
212 und 213 ausgenutzt. Die Dünnfilmleiterbahn 212 stellt eine Primärwicklung dar,
während die Dünnfilmleiterbahnen 213 eine Sekundärwicklung bilden. Die Leiterbahnen
213 sind drei in gleiche Teile geteilte Abschnitte, die parallelgeschaltet sind.
Wie gezeigt, ist es so möglich, einen Transformator mit einer anderen Übersetzung
als 1 : 1 zu bilden.
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Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsart eines Dünnfilmtransformators
gemäß der Erfindung, und zwar besteht danach eine Unterlage 201' aus magnetischem
Material, wie z. B. gesintertem Ferrit od. dgl. ts. Fig. 4 a).
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Fig. 4 b veranschaulicht den Verfahrensschritt der Bildung eines Isolierfilms
203, Fig. 4 c den Verfahrensschritt der Bildung einer leitenden Schicht 204, Fig.
4 d den Verfahrensschritt der Bildung paralleler Dünnfilmleiterbahnen 204-1 bis
204-4 durch Ätzen, Fig. 4 e den Verfahrensschritt der Bedeckung der Dünnfilmleiterbahnen
mit einer Isolierschicht 205, Fig. 4 f den Verfahrensschritt der Beseitigung nicht
benötigter Teile der Isolierschicht 205 durch Ätzen und Fig. 4 g den Verfahrensschritt
der Bildung des magnetischen Dünnfilms 206. Das Material und das Herstellungsverfahren
dieser aufgebrachten Filme und Schichten sind die gleichen wie die beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1. Dann wird ein Teil des magnetischen Dünnfilms 206 im durch Fig. 4 h
veranschaulichten Verfahrensschritt entfernt, und man beseitigt einen Teil der Isolierschicht
205, wie in Fig. 4 i veranschaulicht ist, um dadurch einen Teil der Leiterbahnen
204-1 bis 204-4 zwecks Ausbildung von Anschlußstellen 207 freizulegen. Es sei darauf
hingewiesen, daß der magnetische Dünnfilm 206 die Unterlage 201' aus magnetischem
Material an beiden Seiten der Dünnfilmleiterbahnen
204-1 und 204-2
kontaktiert. Die Unterlage 201 stellt also einen Teil des Magnetpfades dar.
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Fig. 5 zeigt die Schaltung von Halbleitersprechpfadelementen einer
Fernsprechvermittlung. Thyristoren 110-1, 110-2 und 110-3 sind solche, die jeweils
an die Kreuzungspunkte einer Matrix angeschlossen sind, und sie sind so gewählt,
daß sie im Einschaltungszustand sind. Die Schaltbedingungen und die Anschlußreihenfolge
der jeweiligen Thyristoren sind völlig beliebig. Daher ist es erforderlich, individuelle
Steuerquellen zu verwenden, um die zugehörigen Thyristoren unabhängig und genau
zu schalten.
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Außerdem müssen die jeweiligen Steuerkreise vom konstanten Stromquellentyp
sein, damit der Steuerkreis fr jeden Thyristor unabhängig vom Schaltzustand des
vorherigen und des darauffolgenden Thyristors ist. Wenn Kopplun#stransformatoren
111-1 bis 111-3 mit den Steueranschlüssen verbunden werden, wie Fig. 6 zeigt, können
die Eingangskreise gemeinsam geerdet werden, und man kann Spannungssignale des gleichen
Niveaus an die Steueranschlüsse 11-2-1 bis 112-3 anlegen. Im Ergebnis ist die Auslegung
dieser Steuerkreise vereinfacht, und das Rauschen ist erheblich verringert. Jedoch
benötigt man für jeden Thyristor Sen Transformator zum Steuern des Thyristors, und
daher iiht die Verwendung von Wicklungstyp-Transformatoren zu Schwierigkeiten bei
der Installation.
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Die Dünnfilmtransformatoren gemäß der Erfindung können mit Thyristorschalter
bildenden Halbleiterplättchen verbunden werden, um eine integrierte Hybridschaltung
zu erzeugen.
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Man erkennt in Fig. 7 einen Dünnfilmtransfornator 200, wie er in
den Figuren 1 und 3 näher veranschaulicht ist, und ein Halbleiterplättchen 300,
in welchem Thyristoren auf einem N-Plättchen gebildet sind. Außerdem erkennt man
eine aus
keramischem Werkstoff od. dgl. bestehende Unterlage 400.
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Das Halbleiterplättchen 300 und der Dünnfilmtransformator 200 werden
durch ein gesteuertes Eindrückverbindungsverfahren mit den Anschlußdrähten 303,
301, 303', 301', 401, 401', 402, 402', 501, 501', 502 und 502' verbunden, die auf
der Unterlage 400 ausgebildet sind. Fig. 8 zeigt ein Äquivalentschaltbild des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 7, und in dieser Figur 8 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 7 versehen. Wie oben beschrieben, ist der Dünnfilmtransformator gemäß
der Erfindung von geringer Abmessung und zeigt ein gutes Übertragungsverhalten für
Impulse. Außerdem ist er für die Halbleiter-Kreuzungspunktschalter anwendbar, wie
in Fig. 7 gezeigt ist. Aus diesem Grunde kann ein Halbleiter-Kreuzungspunktschalter
mit Verwendung des Dünnfilmtransformators gemäß der Erfindung durch Steuerkreise
betrieben werden, deren Leistungsverbrauch nur einige Zehntel im Vergleich mit solchen
Leistungsverbrauchswerten beträgt, die bei herkömmlichen Halbleiter-Kreuzungspunktschaltern
aufgewandt werden müssen. Außerdem ermöglicht die Verwendung der Transformatorkopplung
eine Verringerung der Impedanz des Steuerkreises, so daß es möglich ist, die Anodenrauschimmunität
dV dt Wert) zu verbessern, die derzeitig ein Problem beim Kreuzungspunkt-Schaltsystem
ist.
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Die zum Steuern der Thyristoren als Halbleitersprechpfadelemente
benötigte elektrische Leistung ist geringer als einige mW. Für den vorerwähnten
Thyristor, dessen Torsteuerstrom IG 1 mA, dessen Antriebsimpulsspannung 0,7 V und
dessen zum Einschalten des Thyristors erforderliche Impulsdauer TG 0,5 Fs sind,
ist, wenn der Dünnfilmtransformator mit der Übersetzung 3 : 1, wie er in Fig. 3
dargestellt ist, verwendet wird, die -Eingangsspannung Vp der Primärwicklung des
Transformators 3 VG und somit 2,1 V, während der Eingangsstrom Ip IG/3 und somit
etwa 300 pA ist.
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Diese Werte fallen in den Betriebsbereich von handelsüblich erhältlichen
Niedervolt-MOS-Transistoren. Dementsprechend können, wenn der in Fig. 3 dargestellte
Dünnfilmtransformator als Transformator 200 in Fig. 7 verwendet wird, herkömmliche
MOS-Transistor-Logikschaltungen ohne irgendeine Änderung als Steuerschaltungen verwendet
werden. Im übrigen kann ein Teil des Steuerkreises in die Unterlage für die Sprechpfadelemente
integriert werden, so daß der Systemaufbau vereinfacht ist. Obwohl im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 7 das Halbleiterplättchen 300 und der Dünnfilmtransformator 200 mit der
Unterlage 400 verbunden sind, läßt sich der Schaltungsaufbau gemäß Fig. 8 auch erhalten,
indem man das Halbleiterplättchen 300 direkt mit der Unterlage des Dünnfilmtransformators
verbindet.
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Diese Techniken sind auch auf ein isoliertes Relais anwendbar, das
in der gleichen Weise wie die gegenwärtig erforschte Photokopplungsrelaisschaltung
verwendet wird, und im Prinzip können sie die gleiche Funktion wie das Photokopplungsrelais
mit einem gleichen Koppiungswirkungsgrad wie dem des Photokopplungsrelais und zu
viel geringeren Kosten als dessen Kosten ausüben.