DE1252819B

DE1252819B - Elektronisches Festkörperbauelement

Info

Publication number: DE1252819B
Application number: DENDAT1252819D
Authority: DE
Inventors: Mendham N. J. William Rainford Northover Westfield N.J. Arthur David Pearson Bernardsville N.J. Jacob Frederick Dewald (V. St. A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-11-06
Publication date: 1967-10-26
Also published as: US3241009A; NL284820A; BE624465A; FR1351433A; GB1021510A

Description

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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND;

DEUTSCHES

PATENTAMT Int. α.:

HOIl

7 -

Deutsche Kl.: 21g-41/00

Nummer: 1252 819

Aktenzeichen: W 33255 VIII c/21,

Anmeldetag: 2. November 1962

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Festkörperbauelement mit einem Festkörper aus einer aus mehreren Komponenten bestehenden halbleitenden Substanz und einem Paar Elektroden zum Zuführen eines elektrischen Signals durch einen Teil der Substanz. Solche Bauelemente aus bestimmten Stoffen besitzen neuartige elektrische Eigenschaften und können zahlreiche elektrische Funktionen übernehmen. Sie haben sich in Schaltern, Schwingkreisen, Verstärkern, Speichern und verschiedenen anderen elekironischen Festkörpereinrichtungen als brauchbar erwiesen. .

Die üblichen Halbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, bestehen aus kristallinen Halbleitern, von denen Silicium und Germanium die bekanntesten sind.

• Es wurde gefunden, daß Stoffe einer völlig verschiedenen Klasse gänzlich unerwartete elektrische Phänomene aufweisen und somit für zahlreiche Anwendungen geeignet sind, für die derzeit kristalline Halbleiterbauelemente eingesetzt werden. Diese neue Stoffklasse ist als glasiges, einphasiges Mehrstoffsystem mit einem speziellen elektronischen Leitfähigkeitsbereich definiert.

Die glasigen Stoffe mit den die Grundlage der Erfindung bildenden allgemeinen elektrischen und thermischen Eigenschaften werden nach ihren Halbleitereigenschaften und nach ihrer Atomanordnung unterschieden, wie dies noch im einzelnen beschrieben wird. Ein Glas im vorliegenden Sinn soll als unterkühlte Flüssigkeit mit einer Viskosität oberhalb 10⁸ Poise definiert sein.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz von glasiger Beschaffenheit mit einer einen Nahordnurtgsgrad aufweisenden Atomstruktur ist und eine elektronische Leitfähigkeit von etwa 1O^-2 bis 10~⁸ Ohm"¹ cm"¹ besitzt sowie zumindest einen Betriebszustand hohen Widerstands und einen Betriebszustand niedrigen Widerstands aufweist, zwischen denen das Bauelement umschaltbar ist, und zwar vom Zustand hohen in den Zustand niedrigen Widerstands durch ein erstes, den beiden Elektroden zugeführtes Signal vorbestimmter Höhe, ferner vom Zustand niedrigen in den Zustand hohen Widerstands durch ein Signal einer zweiten vorbestimmten Höhe oder durch Abnehmenlassen der Höhe des zugeführten Signals mit einer oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegenden Änderungsgeschwindigkeit.

Das spezielle Phänomen, welches erfindungsgemäß ausgenutzt wird, ist also das Vorhandensein einer mehrdeutig instabilen Strom-Spannungs-Kennlinie einschließlich eines Bereichs negativen Widerstands. Auch Elektronisches Festkörperbauelement

Anmeldex: ■ _:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Jacob Frederick Dewald, Mendham, N. J.;

William Rainford Northover, Westfield, N. J.;

Arthur David Pearson,

Bernardsville, N. J; (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. November 1961
(150 374)

früher bekannte Bauelemente zeigten Bereiche negativen Widerstandes, doch haben sie durchweg Strom-Spannungs-Kennlinien (I-E-Kennlinien), die hinsichtlich des Stroms oder der Spannung eindeutig sind. Mit anderen Worten: Dort können die elektrischen Eigenschaften im Strom-Spannungs-Diagramm durch eine einzige Kurve vollständig dargestellt werden. Indessen sind bei den vorliegenden Bauelementen die I-E-Kennlinien wenigstens zweideutig, sowohl hinsichtlich des Stroms als auch der Spannung, es existieren also wenigstens zwei Betriebszustände, und experimentelle Untersuchungen zeigen, daß weitere Zustände vorhanden sind. Solche mehrdeutigen I-E-Kennlinien ermöglichen zahlreiche völlig neue elektrische Funktionen. Da es außerdem möglich ist, eine oder mehrere Instabilitäten zu unterdrücken,' kann das Bauelement auch in all den zählreichen Schaltungen benutzt werden, die unter Verwendung bekannter bistabiler Elemente mit einem Bereich negativen Widerstands aufgebaut sind. ^;

Die Existenz einer mehrdeutigen I-E-Kennlinie in den in Rede stehenden Substanzen beruht wahrscheinlich auf der Tatsache, daß wenigstens eine Komponente dieser Systeme leicht wenigstens zwei stabile Valenzzustände aufweist. Alle halbleitenden Gläser besitzen notwendigerweise dies bemerkenswerte Kennzeichen. , ^[i ■ ■ ><;::■

,/■",. 709 679/442

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Ii .

Es sei bemerkt, daß zwar die Halbleitereigenschaft bestimmter Gläser bekannt ist, es aber bisher unerkannt geblieben ist, daß die gekennzeichnete Substanzklasse die vorstehend beschriebenen Eigenschaften besitzt.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. IA eine schematische zweidimensionale Darstellung der Atomstruktur einer kristallinen Substanz,

Fig. IB eine entsprechende Darstellung der Atomstruktur einer glasigen Substanz,

F i"g. 2 das ternäre Diagramm eines für Erfindungszwecke brauchbaren Arsen-Tellur-Jod-Glassystems,

Fig. 3A eine Schrägansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Bauelementes,

Fig. 3 B eine Schrägansicht des Oberteils der Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 4 die I-E-Kennlinie (in Milliampere und Volt) des System"saus46%Ä<C 16% Te und 38% J,
i i %

Fig. 5 die I-E-Kennlinie des Systems aus 43 % As, 28%Teund2"9%J, "~

Fig. 6 die I-E-Kennlinie des Systems aus 53 % As, 43 % Te undTf%T, ~~

F i g. 7 die I-E-Kennlinie des.Systems aus 40% As, 48 % Te und TT³J^Se, ~

Fig. 8 die I-E-Kennlinie des Systems aus 30% As, 27,5% Tl, 42,5% Se,

F i g. 9 die I-E-Kennlinie des Systems aus 25% V, 71,5% O und 3$%Υ,

Fig. 10 die I-E-Kennlinie des Systems aus 24,5 % V, 71,0 % O, 3,4 % P und 1,0 % Pb,

Fig. 11 die I-E-Kennlinie des Systems aus 24,4 % V, 70,8 % O, 3,4 % P und 1,4 % Ba,

Fig. 12 die I-E-Kennlinie des Systems aus 53 % As, 43 % TelmT4%Br,

Fig. 13 die I-E-Kennlinie des Systems aus 20,8% Na, 18,5% B, 9,0% Ti und 51,7% O,

Fig. 14 das Schaltschema zur Bestimmung des Schaltverhaltens der elektronischen Festkörperbauelemente,

Fig. 15A und 15B Zeit-Spannungs-Kurven, die mit der Schaltung nach Fig. 14 für die elektronischen Festkörperbauelemente erhalten wurden,

Fig. 16 das Schaltbild eines Schwingkreises und

Fig. 17 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm, das die geeigneten Arbeitspunkte für die Anwendung in logischen oder Speicherschaltungen zeigt.

Die Fig. IA und IB erläutern die Definition glasiger Stoffe an Hand der Atomstruktur. Fig. IA zeigt die ideale Atomstruktur einer als kristallin angenommenen Substanz X₂O₃ (X ist ein geeignetes Kation). Fig. IB zeigt die Atomstruktur eines Glases für die gleiche Substanz X₂O₃. Man sieht, obwohl jedes Atom der gleichen Art die gleiche Anzahl nächster Nachbarn wie im kristallinen Fall hat, daß glasiges Material keinen Fernordnungsgrad aufweist, d.h. keine regelmäßige Atomstruktur besitzt.

Somit können die in Rede stehenden glasigen Substanzen auch als solche bezeichnet werden, die nur einen Nähordnungsgrad, der (in der Hauptsache) auf die nächsten Nachbarn beschränkt ist, zeigen. Diese Definition schließt die eigentlich kristallinen Substanzen aus, zu denen die in aktiven elektronischen Bauelementen gewöhnlich verwendeten Halbleiter gehören. ......

Eine weitere Bedingung gilt hinsichtlich des Leitfähigkeitswertes, den die Substanz unter den voraussichtlichen Arbeitsbedingungen zeigt. Es wurde gefunden, daß Gläser mit elektronischen Leitfähigkeiten im Bereich von 10~² bis 10~⁸ Ohm-¹ αη~^α die in Red-' stehenden elektrischen Eigenschaften zeigen. Es sei darauf hingewiesen, daß hiermit nicht die Gesamtlcitfähigkeit der Substanz gemeint ist, zu der, wie bekannt, neben dem elektronischen Beitrag noch ionische Beiträge hinzukommen.

Für die im nachfolgenden beschriebenen spezieller. Ausführungsformen gelten die in Betracht gezogenen Leitfähigkeitswerte für Raumtemperatur. Da indessen diese Stoffe typischerweise Änderungen der Leitfähigkeit mit der Temperatur aufweisen, kann ein Material) dessen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur unterhalb des vorgeschriebenen kritischen Bereichs liegt, in Wirklichkeit für Anwendungen nützlich sein, bei denen erhöhte Temperaturen benutzt werden. Daher

. braucht der vorgeschriebene kritische Bereich nicht notwendigerweise als Leitfähigkeit bei Raumtemperatur betrachtet zu werden, sondern lediglich als eine

ao Materialbeschränkung für das Bauelement unter den , vorweggenommenen Arbeitsbedingungen. ,

Alle geprüften Gläser, die in den vorstehend vorgeschriebenen Leitfähigkeitsbereich fallen, zeigten bei der Prüfung Strom-Spannungs-Charakteristiken, die in bezug sowohl auf den Strom als auch die Spannung mehrdeutig waren, beispielhaft für die Glassysteme, die innerhalb des spezifizierten Leitfähigkeitsbereichs dies Ergebnis aufweisen, liegen die folgenden Systeme:

Arsen—Tellur—Jod, ■ ._".., Arsen—Tellur—Brom, Arsen—Tellur—Selen, , Arsen—-Thallium—Selen, Vanadin—Sauerstoff—Phosphor, Vanadin—Sauerstoff— Phosphor—Blei, Vanadin—Sauerstoff—Phosphor—Barium, Natrium—Bor—Titan—Sauerstoff.

Um die gewünschten Charakteristiken mit den bei den Bauelementen gemäß Erfindung benutzten Glassystemen zu erhalten, ist folgendes von Wichtigkeit:

1. eine Komposition auszusuchen, die einen wie vor definierten Glaskörper mit ausreichender Viskosität bildet; die Viskosität wird sich natürlich mit der Arbeitstemperatur und den speziellen Anforderungen an das Bauelement ändern; alle in den folgenden Beispielen erwähnten Mischungen stellen echte Glassysteme dar mit dem äußeren Merkmal der Festigkeit bei normalen Arbeitstemperaturen des Bauelementes,

2. die Auswahl eines Systems mit dem vorgeschriebenen Leitfähigkeitsbereich.

Um das elektrische Verhalten dieser Gläser zu erläutern, wurden innerhalb des oben aufgeführten Systems spezielle Kompositionen nach dem folgenden allgemeinen Arbeitsgang hergestellt. , ,

Das Ausgangsmaterial für die Darstellung dieser Gläser war von hoher Reinheit, meist in der bequemen elementaren Form. Die Muster wurden in Ampullen aus klargeschmolzenem Quarzglas bereitet, die ungefähr 0,69 cm inneren Durchmesser und 15,24 cm Länge besaßen. Die Mengen zum Erhalt eines Produktes gegebener Zusammensetzung wurden so berechnet, daß das Erzeugnis ein Kölbchen am Boden der Ampulle gerade füllte. Die erforderlichen Mengen wurden unter trockenem Stickstoff ausgewogen und

in die Quarzampulle übergeführt. Die Ampulle wurde dann evakuiert und mit einer Knallgasflamme abgeschmolzen. Die abgeschmolzene Quarzampulle wurde dann in ein Bombenrohr mit lose aufgesetzten, aber mechanisch gesicherten Verschlußkappen gebracht. Das Bombenrohr wurde dann in einen horizontalen Ofen gelegt, dessen Heizrohr während der Erhitzung um die eigene Achse rotierte. Nach der Reaktion ließ man Bombenrohr und Inhalt in senkrechter Lage abkühlen, so daß der Hauptteil des Reaktionsproduktes im Kölbchen-am Boden der Ampulle erstarrte. Nach dem Abkühlen wurde die Ampulle aus dem Bombenrohr entfernt und kleine Materialmengen, die sich im oberen Teil des Rohrs kondensiert hatten, durch Erhitzen der Ampulle mit einer WasserstofTflamme in das Kölbchen gebracht. Die Ampulle wurde dann mit kleiner Wasserstoffflamme an einer Stelle dicht oberhalb des Kölbchens erhitzt, bis sie zusammenfiel und abgeschmolzen wurde. Das Rohr oberhalb des zusammengefallenen Teils wurde dann abgezogen und der Teil der Ampulle, der das Erzeugnis enthielt, wiederum im Bombenrohr im Drehofen erhitzt. Nach dem Erhitzen wurden Bombenrohr und Inhalt der Ampulle der Abkühlung auf Raumtemperatur überlassen.

Diese Herstellungstechnik in abgeschmolzener Ampulle vermeidet den Verlust flüchtiger Bestandteile und sichert ein Erzeugnis, dessen Zusammensetzung den verwendeten Mengen der Reaktionskomponenten entspricht. Änderungen in der Zusammensetzung zwischen der Oberfläche des Erzeugnisses und seiner Hauptmenge wurden dadurch klein gehalten, daß das Volum des Endproduktes das Quarzkölbchen soweit als möglich füllt, womit nur ein sehr kleines freies Volum verbleibt, in das hinein eine Verdampfung flüchtiger Bestandteile erfolgen konnte.

Für das System As—Te—J, welches ein bevorzugtes Material für die Bauelemente nach der Erfindung darstellt, wurde der Zusammensetzungsbereich, in welchem sich Gläser bilden, dadurch bestimmt, daß Muster mit zufälliger Zusammensetzung hergestellt und danach geprüft wurden. Ein Material wurde dann als Glas betrachtet, wenn es den folgenden Kriterien entsprach:

1. Vorhandensein einer einzigen Phase;

2. allmähliches Erweichen und anschließendes Schmelzen bei steigender Temperatur an Stelle eines scharfen Schmelzpunktes bei kristallinem Material;

3. muschelige Bruchfläche;

4. Fehlen kristalliner Beugungsbilder bei Röntgendurchstrahlung.

Die so klassifizierten Zusammensetzungen der Muster wurden zur Aufstellung des ternären Phäsendiagramms nach Fig. 2 benutzt. Der schraffierte Teil gibt die Zusammensetzungen an, welche leicht Gläser bilden. ,

Die folgenden Beispiele beziehen sich auf Muster ,mit spezieller Zusammensetzung mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften, die nachstehend im einzelnen dargelegt werden. Die Gläser nach den Beispielenibis V und IX wurden nach der oben beschriebenen Technik unter Verwendung der angegebenen Mengen der aufgeführten Materialien hergestellt. Die entstehenden Gläser wurden in der angegebenen einfachen Schmelztechnik hergestellt. Eine geeignete Temperatur und Zeitdauer für den Erhitzungsvorgang wird im einzelnen jeweils dargelegt. Jeder Stoff mit der in Molprozent angegebenen Zusammensetzung bildet ein Glas, welches den für die in den Bauelementen nach der Erfindung benutzten Materialien gegebenen wesentlichen Vorschriften entspricht. , ,.;

B e i s ρ i e 1 I

Das in diesem Beispiel gebildete Glas bestand aus 46% As, 16% Te und 38% J und wurde durch Erhitzen von 11,61 g metallischem Arsen, 6,59 g metallischem Tellur und 16,06 g resublimiertem Jod bei 600⁰C in 55 Minuten hergestellt.

. B e i sρ i el Il ^: :

Das Glas dieses Beispiels bestand aus 43% As, 28% Te und 29% J und wurde durch Erhitzen von zo 7,96 g metallischem Arsen, 9,11 g metallischem Tellur und 9,20 g resublimiertem Jod bei 600° C in 70 Minuten hergestellt, i.. ...

^; ,V B e i s ρ iel III ^:

In diesem Beispiel bestand das Glas aus 53% As, 43% Te und 4% J und wurde durch Erhitzen von 9,93 g metallischem Arsen, 13,72 g metallischem Tellur und 1,27 g resublimiertem Jod bei 600⁰C in 60 Minuten hergestellt.

Beispiel IV

Das Glas dieses B ;ispiels bestand aus 40% As,

48% Te, 12% Se und wurde durch Erhitzen von 80 Molprozent As₂Te₃ lind 20 Molprozent As₂Se₃ auf 600⁰C für 60 Minuten in einer Gesamtmenge von 10 g hergestellt.

B e i sρ i el V ■>

Das Glas dieses Beispiels bestand aus.30%As, 27,5% Tl und 42,5% Se und wurde durch Erhitzen von 4 g Arsen, 10 g Thallium und 6 g Selen auf 600⁰C für 60 Minuten hergestellt. , , ,

Beispiel VI ^; '

Das Glas dieses Beispiels bestand aus 25,0% V, 71,5% O und 3,5% P und wurde durch Erhitzen von 9 g V₂O₆ und 1 g P₂O₅ in einem Quarzglasrohr mittels einer Knallgasflamme für 5 Minuten bis zum völligen Schmelzen erhitzt. ;

■ Beispiel VII

Das Glas dieses Beispiels bestand aus 24,5% V, . 71,0% O, 3,4% P und 1,0% Pb und wurde durch Erhitzen von 8,3 g V₂O₅, 0,9 g P_?O₆ und 0,8 g PbO in einem Quarzglasrohr mittels einer Knallgasflamme während 5 Minuten bis zum völligen Schmelzen hergestellt. '

Beispiel VIII "

Das Glas dieses Beispiels bestand aus 24,4% V, 70,8% O, 3,4% P und 1,4% Ba und wurde durch Erhitzen von 8,3 g V₂O₅, 0,9 g P₈O₅ und 0,8 g BaO in einem Quarzglasrohr mittels einer Knallgasfiämme in 5 Minuten bis zum völligen Schmelzen hergestellt.

^- Beispiel IX - ;

Das,.Glas dieses Beispiels bestand, aus 53% As, _J43%Te und ,4% Br und wurde durch Erhitzen von

hi

If!

I. ι:

3,95 g Arsen, 5,52 g Tellur und 0,31 g Brom bei 600⁰C in 60 Minuten hergestellt.

BeispielX ι-

Das Glas dieses Beispiels bestand aus 20,8 % Na, 18,5% B, 9,0% Ti und 51,7% O und wurde durch Erhitzen von 1 g B₂O₃ (hydratisiert) zum Schmelzen gebracht, bis keine Blasen mehr entwichen, und anschließende Zugabe von 1,5 g Na₂GO₃ und 0,87 g Ti₂O₃ und weiteres Erhitzen während 5 Minuten mit einer Knallgasflamme bis zum völligen Schmelzen dargestellt.

Die elektrischen Kennlinien der nach den Beispielen I bis X hergestellten Proben wurden mittels der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung gemessen. Die Fig. 3 zeigt den Glaskörper20, der auf einem erstarrten Tropfen der Indium-Gallium-Legierung 21 auf einer Bronzeunterlage 22 ruht. Der Tropfen Legierungsmaterial wurde verwendet, um einen richtigen Kontakt zwischen der Unterlage und dem Glaskörper herzustellen. Eine leitende Nadel 23 vermittelt den Punktkontakt 24 mit dem Glaskörper. Der Punktkontakt wurde durch einen Wolframdraht von 0,127 mm Durchmesser mit halbkugeliger Spitze an einem schwächeren Teil mit einem Durchmesser von 0,0127 mm gebildet. Der Punktkontakt kann auch durch einen aus Platin oder Phosphorbronze oder aus einem anderen leitenden, hochschmelzenden Metall bestehenden Draht gebildet werden. Obwohl die vorgelegten Werte unter Verwendung von Punktkontakten erhalten wurden, werden ganz ähnliche Effekte mit breiten Flächenkontakten beobachtet. Wenn ein Flächenkontakt gewünscht wird, können aufgedampfte Goldkontakte oder Indiumelektroden verwendet werden, die in der Technik üblich sind. Für Versuchszwecke lieferte ein in einen Tropfen einer Indium-Gallium-Legierung getauchter Draht, der auf das Glas gesetzt wurde, einen passenden breiten Flächenkontakt in Größe von 1,524 mm Durchmesser. Diese Anordnung ist in Fig. 3B wiedergegeben, wo ein leitender Draht 25 gezeigt wird, der einen Legierungstropfen 26 auf dem Glaskörper 27 berührt. Die Vorrichtung ist im übrigen mit der der Fig. 3A identisch.

Es wurde allgemein festgestellt, daß vor dem Erhalt der angegebenen mehrdeutigen Strom-Spannung Charakteristik eine »Formierung« einer solchen Diode notwendig ist. Die elektrische »Formierung« von Punktkontakten ist speziell in der Technologie der Transistoren bekannt.

Eine »Formierung« besteht im vorliegenden Fall beispielsweise in einer allmählichen Erhöhung des Stromflusses durch die Anordnung und in anschließender langsamer Abnahme. Dies Verfahren wird wiederholt, wobei schrittweise der Maximalstrom erhöht wird bis nach anschließender allmählicher Verringerung des Stroms die Kennlinie annähernd der eines einfachen Widerstandes entspricht. Der Strom wird dann wieder auf Werte oberhalb 20 mA erhöht und plötzlich verringert/Wenn die Formierung vollendet ist, hat sich der Widerstand des Bauelementes für schwache Signale um das Vielfache seines Wertes erhöht, bevor der Strom plötzlich verringert wurde. In einem typischen Beispiel, nämlich dem Beispiel III, bewirkten zwei solcher Zyklen (auf 8 mA und danach auf 16 mA) die gewünschte mehrdeutige Kennlinie. ^;/" '

In den Fig. 4 bis 13 der Zeichnung werden spezifische Strom-Spannungs-Kennlinien wiedergegeben, die mit den Materialien der Beispiele I bis X nach dem dargelegten Verfahren erhalten werden können. Jede der F i g. 4 bis 13 entspricht Kennlinien, die mit den Materialien der diesbezüglichen Beispiele! bis X erhalten wurden. Jede Figur zeigt zwei Kurven, nämlich ' eine mit »HR« bezeichnete Kurve hohen Widerstandes, die in einem Kurvenstück negativen Widerstandes endet, und eine zweite, mit »LR« bezeichnete Kurve niedrigen Widerstandes. Man beachte; daß diese Materialien ein. einander ähnliches elektrisches Verhalten zeigen. Typische Werte, die in den vorhergehenden Untersuchungen erhalten wurden, sind in der Tabelle zusammengestellt.

Die Spitzenwerte der Spannungen können in einem beträchtlichen Bereich durch leichte Änderungen der Behandlung der Probe variiert werden, und die in der Tabelle enthaltenen genauen Werte sind nicht als gang unveränderliche Eigenschaften des Materials allein zu betrachten. ■■'■'. ;^;

Beispiel	System	Zusammensetzung in Molprozent	Leitfähigkeit in Ohm-¹ cm-¹	Spitzenspannung ; in Volt V_p
I	As—Te—J	46As, 16Te, 38 J	ίο-⁸	52
II	As—Te—J	43 As, 28 Te, 29 J	4■10-⁶	¹ 40
III	As—Te—J	53As, 43Te, 4 J	3-10-⁴	10
IV	As—Te—Se	40 As, 48 Te, 12 Se	6-10-0	50
V	As—TI—Se	30 As, 27 Tl, 43 Se	3 · 10-⁸	250
VI	V—O—P	25,0 V, 71,5 O, 3,5 P	5 · ΙΟ-⁴	5
VII	V—0—P—Pb	24,6 V, 71,0 O, 3,4 P, 1,0 Pb	5-10-*	,. 65
VIII	V—0—P—Ba	24,4 V, 70,8 O, 3,4 P, 1,4 Ba	ΙΟ-⁴	... 100
IX	As—Te—Br	.53 As, 43 Te, 4 Br	3-10-⁴	si 30
X	Na-B—Ti—O	20,8 Na, 18,5 B, 5,0 Ti, 51,7 O	ίο-²	■•-ν 55

Die unerwartete Existenz zweier Widerstandszustände in diesen glasigen Stoffen und die damit verbundene Möglichkeit zur Ausnutzung eines negativen Widerstandes regt den Fachmann zu vielen Anwendungsmöglichkeiten an.

In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von besonderem Interesse, die keineswegs erschöpfend oder einschränkend sein sollen, im speziellen vorgelegt.

Eine spezielle Anwendung der zweipoligen elektronischen Bauelemente (im folgenden auch Dioden genannt) ist das Gebiet der Schalter. Die Bauelemente gemäß Erfindung haben eine hohö Schaltgeschwindigkeit über einen bemerkenswerten brauchbaren Be-

■rttl.Yri.rtN Wrt, iftili.'.tin

..ίύί.

lastungsbereich. Ihr Schaltverhalten wurde unter Verwendung einer Diode untersucht, die aus dem Material des Beispiels III hergestellt und in das Schaltbild der Fig. 14 eingesetzt wurde.

Die Anordnung nach der Fig. 14 besteht aus einem Generator 30 für Rechteckimpulse, dem Widerstand 31, dem Kondensator 32, der Belastung 33 und einer Glasdiode 34 von der in Fig. 3 gezeigten Bauart, die alle in der gezeigten Weise miteinander verbunden si'nd. Diode, Kondensator und Generator waren geerdet. Für die hier vorgelegten Werte erzeugte der Rechteckimpulsgenerator ein Signal von 10 kHz mit einer Amplitude von 18 Volt. Der Widerstand 31 hatte einen Wert von 1000 Ohm, das Element 32 eine Kapazität von 500 μμΡ, und der Lastwiderstand hatte 20000 Ohm. Die Spannung (F₀ in F i g. 14) zwischen Diode 34 und Last33 ist in Fig. 15A als Funktion der Zeit aufgetragen, und der Spannungsabfall längs der Diode (Vcin Fig. 14) ist in Fig. 15B gezeigt. Die Zeitachsen (Abszissen) in den Figuren sind gleichwertig. Wegen der Kapazität des Schaltkreises variiert die angelegte Spannung während der Einschaltungs-Halbwelle γοη V_a auf V_a -j- E beim Spitzenwert des Signals. Der Spitzenzuwachs E ist in der Tat der Impuls, der den Schalter vom Zustandhohen Widerstande£_zum Zustand niedrigen 'Widerstandes umscTüäTtetTwie man aus dem Diagramm der Fig. 15B ersieht. Die plötzliche Abnahme des Stroms am Ende des Impulses veranlaßt den Schaltsprung der Diode von geringem Widerstand auf hohen Widerstand. Typische Schaltpunkte für diese spezielle Diode werden in den Punkten S und .S" in der Fig. 6 beim Schnittpunkt der angegebenen Belastungslinien mit den Kurven hohen und niedrigen Widerstandes gezeigt. Die Schaltspannung E der F i g. 15A wird in F i g. 6 als Differenz zwischen V₀. und V_a· gezeigt. In der F i g. 6 werden auch die Ladungsspannungen Vl und Vl' gezeigt. Die Zeit in einer Halbwelle, in der eine Diode schalten wird, kann aus den Fig. 4 bis 13 als der Punkt ermittelt werden, bei der die Spannung längs der Diode den Spitzenwert überschreitet. Der vollständige Schaltvorgang läuft nach der Beobachtung in weniger als einer Mikrosekunde ab.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß solche Schaltelemente einen einzigartigen und bedeutsamen Vorteil in ihrer Arbeitsweise gegenüber konventionellen Schaltelementen aufweisen. Bekannte Elemente erfordern ein beständiges Potential, um ihren niedrigen Widerstand beizubehalten. Nach Aufhebung des Potentials kehren die Schaltelemente in den Zustand hohen Widerstandes zurück. Die Bauelemente gemäß der Erfindung können dagegen den Schaltzustand »ein« auch beim Potential Null behalten, solange der Strom nicht plötzlich vermindert wird. Beispielsweise wurde mit dem Material des Beispiels III beim Arbeiten mit einem Strom von 5 mA generell gefunden, daß das Abschalten des Stromes mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 mA/sec die Diode veranlaßt, in den Zustand hohen Widerstandes zurückzuschalten. Stromabnahmen von weniger als 5 mA/sec werden allgemein bewirken, daß die Diode im Zustand niedrigen Widerstandes verbleibt. Das Arbeiten bei hohem Widerstand findet keine solche Beschränkung. Bis heute ist keine Grenze für die effektive Speicherzeit im spannungslosen Zustand gefunden worden. Zeitabschnitte von mehreren Tagen und vielleicht bedeutend langer für die Speicherzeit scheinen leicht zu verwirklichen zu sein. .

Elektrische Bauelemente gemäß Erfindung können wegen ihrer teilweise negativen Widerstandskennlinie Verwendung in elektronischen Festkörperverstärkern und Schwingkreisen finden. ' ^;

'5 Eine geeignete Gerätekonstruktion für einen Verstärker aus einem Material des Beispiels III ist in Fig. 3 gezeigt. Die Zuleitungen 19 werden mit einer stabilisierenden Stromquelle einer dem Fachmann wohlbekannten Art verbunden, um das Bauelement in

id den Bereich negativen Widerstands der Fig. 6 zu bringen. Das zu verstärkende Signal wird über die Zuleitungen 19 eingeführt. -'

Während für jedes besondere, hier beschriebene Bauelement der physikalische Aufbau nach

is F i g. 3 genügt, können technisch hergestellte Elemente vielerlei Formen annehmen. Das Bauelement könnte auf eine Art verkapselt werden, die der von Dioden und Transistoren ähnlich ist. Die spezielle Ausführung wird im gewissen Umfang von der in Aussicht genommenen Anwendungabhängen. -

Eine Schaltanordnung für einen Schwingkreis mit zwei Anschlüssen, der mit einem Bauelement gemäß der Erfindung ausgeführt ist, wird in der Fig. 16 gezeigt. Diese Figur zeigt eine Stromquelle 40 mit konstantem Strom, deren Elektroden über eine nach F i g. 3 ausgeführte Diode 41 miteinander verbunden sind. Ein konventioneller Schwingkreis, der aus^der Induktionsspule 42, dem Kondensator 43 und dem Widerstand 44 besteht, wird in der gezeigten Weise mit den Ausgangsklemmen 45 verbunden. Unter Verwendung einer aus dem Material des Beispiels III aufgebauten Diode, einer Induktanz von 0,03 Henry, einer Kapazität von 24 000 μμΕ und einem Widerstand von 100000 Ohm wurden Schwingungen von 13 kHz mit Amplituden bis zu 4 Volt und Strömen bis zu 100 mA erhalten.

Die Bauelemente ermöglichen gleichfalls neue und brauchbare Speicherelemente.

Die typischen bekannten Speicherelemente schalten von einem Zustand hohen Widerstands auf einen Zustand niedrigen Widerstands bei einem geeigneten Spannungsimpuls als Nachrichtensignal. Solange das Potentional nicht umgekehrt oder gänzlich entfernt wird, verbleibt das Speicherelement im Zustand niedrigen Widerstands. Solche Vorrichtungen können auch mit den vorliegenden Bauelementen aufgebaut werden. Als Beispiel und unter Bezugnahme auf Fig. 17 wird ein Gleichstrompotential mit einer Lastlinie x-y angelegt, welche die Linien niedrigen und hohen Widerstands der I-E-Kennlinie in den Punkten A bzw. B schneidet. Das Bauelement soll anfänglich den Zustand im Punkt i? besitzen. Wird nun ein Spannungsimpuls' angelegt, der größer ist als (Va -Vb), so schaltet das Bauelement auf Punkte. Um auf Punkt B zurückzuschalten, wird ein negativer Impuls angelegt, dessen Größe etwas geringer als (Va + Vb) ist. Dies veranlaßt einen stärken negativen, Stromfluß durch das Bauelement, und die plötzliche Verringerung des Stroms bewirkt, daß das System auf Punkt B zurückschaltet. Impulse gleicher Größe und einer Polarität, die der beschriebenen (in jedem Vorgang) entgegengesetzt ist, veranlaßt keine Übergänge zwischen A und B.

Es wurde beobachtet, daß in bestimmten Stoffen außer den beiden beschriebenen noch weitere Widerstandszustände existieren. Auch Gleichrichtereffekte wurden beobachtet.

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Festkörperbauelement mit einem Festkörper aus einer aus mehreren Komponenten bestehenden halbleitenden Substanz und einem Paar Elektroden zum Zuführen eines elektrischen Signals durch einen Teil der Substanz, dadurch - ge kennzeichnet, daß die Substanz von glasiger Beschaffenheit mit einer einen Nahordnungsgrad aufweisenden Atomstruktür ist und eine elektronische Leitfähigkeit von etwa 10-² bis ICh⁸ Ohm"¹ cm"¹ besitzt sowie zumindest einen Betriebszustand hohen Widerstands und einen Betriebszustand niedrigen Widerstands aufweist, zwischen denen das Bauelement umschaltbar ist, und zwar vom Zustand hohen in den Zustand niedrigen Widerstands durch ein erstes, den beiden Elektroden zugeführtes Signal vorbestimmter Höhe, ferner vom Zustand niedrigen in den Zustand hohen Widerstands durch ein Signal einer zweiten vorbestimmten Höhe oder durch Abnehmenlassen der Höhe des zugeführten Signals mit einer oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegenden Änderungsgeschwindigkeit.

2. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer mehrkomponentigen Substanz, die in zumindest einem der Widerstandszustände einen Bereich negativen Widerstands besitzt. .■■.:■,.

■ 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus ,■dem System As—Te—J ist.

4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch .gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System As—Te—Se ist.

5. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System As-Tl—Se ist.

6. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System V—Ο—Ρ ist.

7. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System V—O—P—Pb ist. . ■

8* Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch .,gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System V—O—P—Ba ist.
•

9. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ' gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System As—Te—Br ist.

10. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ein Glas aus dem System Na-B—Ti—O ist..

In Betracht gezogene Druckschriften: "
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 105 066;
Journal of the Electrochemical Society, April 1957, S. 237 bis 239. ..

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen