DE1131269B

DE1131269B - Bistabile Kippschaltung

Info

Publication number: DE1131269B
Application number: DEG29951A
Authority: DE
Inventors: Clarence S Jones; Frank P Lewandowski
Original assignee: General Precision Inc
Current assignee: General Precision Inc
Priority date: 1959-07-02
Filing date: 1960-07-01
Publication date: 1962-06-14
Also published as: US3040194A; GB961159A

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile Kippschaltung mit Halbleiterelemeneten, die durch Impulse zwischen den beiden stabilen Zuständen hin- und herschaltbar ist.

Bistabile Kippschaltungen werden in großer Zahl 5 für elektronische Regel- und Digitalrechensysteme benötigt, wobei der eine stabile Zustand durch die Anlegung eines »Einstelk-Impulses an die hierfür vorgesehene Eingangsleitung und der andere stabile Zustand durch die Anlegung eines »Rückstell«-Impulses an die entsprechende Eingangsleitung hergestellt wird. Bei den bekannten bistabilen Schaltungen ist die Ausgangsimpedanz hoch, so daß nur eine begrenzte Ausgangsleistung zur Weiterleitung an nachfolgende Schaltkreise zur Verfügung steht.

Es müssen daher oft Zwischenverstärkerstufen eingeschaltet werden. Weiterhin benötigen die meisten bistabilen Schaltungen mindestens zwei verstärkende Elemente, wie Röhren oder Transistoren, nebst den zugehörigen Schaltkomponenten. Dadurch ergibt sich eine komplexe Schaltung mit einer entsprechenden Abnahme der Zuverlässigkeit trotz Zunahme der Kosten, verbunden mit einer Zunahme der Mindestgröße einer solchen Kippschaltung. Oft sind einige der zum Aufbau der bisher bekannten bistabilen Kippschaltungen benötigten Schaltelemente temperaturempfindlich, wodurch nicht nur Änderungen der Betriebswerte, sondern auch der Anstiegs- und Abfallzeiten usw. des Ausgangsimpulses entstehen. Außerdem können die bisher benutzten bistabilen Schaltungen nicht ohne weiteres für eine parallele oder verbundene Arbeitsweise zusammengestellt werden.

Die bistabile Kippschaltung nach der Erfindung vermeidet die angegebenen Nachteile und weist insbesondere eine sehr geringe Ausgangsimpedanz auf, wobei nur wenige, im wesentlichen gegen Temperaturänderungen unempfindliche Bauelemente benötigt werden. Die neue Anordnung kennzeichnet sich dadurch, daß eine normalerweise leitende, den Stromfluß steuernde Einrichtung, beispielsweise ein Transistor oder ein Relais, in Serie mit einer Vierschichtdiode geschaltet ist, die einen stabilen Zustand hohen Widerstandes besitzt, der in einen Zustand hoher Leitfähigkeit bei Anlegung einer Durchschlagspannung übergeht, worauf der Zustand hoher Leitfähigkeit bei einer Spannung aufrechterhalten wird, die kleiner ist als die minimale Durchschlagspannung, bis der Stromfluß durch die Vierschichtdiode unter einen bestimmten Minimalwert einer Haltespannung abfällt, daß ferner eine Belastungsimpedanz und eine Diode in Flußrichtung in Serie zur Vierschichtdiode Bistabile Kippschaltung

Anmelder:

General Precision, Inc.,
Hillcrest, Binghamton, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. K.-R. Eikenberg, Patentanwalt,
Hannover, Am Klagesmarkt 10/11

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Juli 1959 (Nr. 824 591)

Clarence S. Jones und Frank P. Lewandowski,

Hillcrest, Binghamton, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

geschaltet sind, daß an dem der Vierschichtdiode abgewendeten Ende der Belastungsimpedanz die Speisespannung, die kleiner ist als die minimale Durchschlagspannung, angeschlossen ist, daß ein zweiter Anschluß zur Zuführung eines Impulses, der momentan die Spannung an der Vierschichtdiode auf die Durchschlagspannung erhöht, an dem Verbindungspunkt zwischen Diode und Vierschichtdiode vorhanden ist und daß ein weiterer Anschluß vorgesehen ist, über den zu der stromflußregelnden Einrichtung (z. B. Transistor) ein Rückstellimpuls zugeführt wird, der momentan den Stromfluß durch die gesamte Anordnung auf einen Pegel verringert, bei dem die Vierschichtdiode in ihren Zustand hohen Widerstandes zurückgeführt wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung können verschiedene der genannten in Serie geschalteten Halbleiterelemente zu einem gemeinsamen Halbleiterkörper zusammengefaßt werden, wobei vier aufeinanderfolgende Zonen eine PNPN-Diode bilden, so daß die mit diesem Körper aufgebaute bistabile Schaltung schließlich außer der Belastung nur noch zwei ohmsche Widerstände enthält.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor, die an Hand der Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele erläutert. Es stellt dar

Fig. 1 ein Schaltdiagramm einer Ausführung einer Ü-S-Flip-Flop-Schaltung gemäß der Erfindung, bei der eine PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen verwendet wird,

209 609/285

Fig. 2 eine Stromspannungskurve einer mit zwei impedanz 18 verbunden. Eine ohmsche Impedanz 19 Anschlüssen versehenen Vierschicht-PNPN-Diode ist zwischen die ^+-Spannung und die Kollektorder in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Art, elektrode 12 geschaltet, damit ein minimaler Srom-

Fig. 3 eine graphische Darstellung der zeitlichen fluß durch den Transistor 10 stattfinden kann, wenn

Änderungen der Spannungen an bestimmten Punkten 5 sich die PNPN-Diode 13 in ihrem nichtleitenden Zu-

in der Schaltung nach Fig. 1, stand befindet.

Fig. 4 eine Modifikation der Schaltung nach Fig. 1 Es möge darauf hingewiesen werden, daß eine

unter Verwendung eines zusammengesetzten Halb- elektronische Röhre entweder thermionischer oder

leiterkörpers, photoelektrischer Art oder ein elektromechanisches

Fig. 5 a und 5b Schaltdiagramme weiterer Ausfüh- io Relais an Stelle des Transistors 10 für die Erfindung

rungsformen unter Verwendung von PNPN-Dioden verwendet werden kann. Jedes dieser Elemente be-

mit drei Anschlüssen und sitzt gewisse Eigenschaften, die für bestimmte An-

Fig. 6 ein Schaltschema eines durch ein einziges Wendungsfälle besonders geeignet sind. Wird z. B. Strömventil betätigbaren binären Pufferregisters mit ein Ventil zur Regelung eines sehr hohen Stromes einer Mehrzahl von Ä-5-Flip-Flop-Schaltungen ge- 15 benötigt, beispielsweise für ein Puffer- oder Ausmaß der Erfindung. gleichsregister mit einer großen Anzahl von Stufen,

Zahlreiche Weiterbildungen der Erfindung ergeben hat sich ein Relais als besonders brauchbar gezeigt, sich dadurch, daß ein Vierschicht-Silizium-PNPN- Kommt es dagegen auf hohe Arbeitsgeschwindigkeit Halbleiter (im folgenden als PNPN-Diode bezeichnet) an, können wegen ihrer großen Arbeitsgeschwindigein einziges Stromventil, beispielsweise einen Transi- 20 keit entweder thermionische Röhren oder Transtor, eine Röhre oder ein Relais, mit einer Spannungs- sistoren gewählt werden. Transistoren sind auch dort quelle verbindet, die den Belastungsstrom liefert. Die vorzuziehen, wo kleine Spannungen vorhanden sind PNPN-Diode arbeitet dabei als Stromschalter und und kleine Abmessungen und niedrige Arbeitstemgestattet im leitenden Zustand den Durchfluß eines peraturen gewünscht werden.

großen Belastungsstromes in einer Richtung, so daß 25 Die R-S-Flip-Flop-Schaltung nach Fig. 1 erzeugt das gewünschte Ausgangssignal von einer Belastungs- ihr Ausgangssignal Q an einer mit dem Anschlußimpedanz, die zwischen die PNPN-Diode und die punkt B verbundenen Leitung. Die Einstell- und Spannungsquelle geschaltet ist, abgenommen werden Rückstellimpulse, die mit S und R bezeichnet sind, kann. Der leitende Zustand der PNPN-Diode wird können an Zuleitungen angelegt werden, die mit den erzielt durch Zufuhr eines »Einstelk-Impulses, der 30 Anschlußpunkten C bzw. A verbunden sind. Es hat die PNPN-Diode zum Durchschlagen bringt. Die sich als wünschenswert — jedoch nicht als not-Diode bleibt im leitenden Zustand, bis der Belastungs- wendig — herausgestellt, jede Eingangsleitung mit strom unter einen Minimalwert fällt, und sie kehrt einem Sperrkondensator, beispielsweise Kondenin ihren nichtleitenden Zustand bei Anlegung eines satoren21 und 22, zu versehen, um die Flip-Flop- »Rückstelk-Impulses zurück, der den Belastungs- 35 Schaltung von der die Impulse liefernden Schaltung strom auf einen Wert verringert, der unter dem zum zu isolieren. Außerdem unterstützen die Sperrkon-Halten des leitenden Zustandes erforderlichen Mini- densatoren die Erzeugung scharfer Impulse, malwert liegt. Hierbei reicht selbst ein kurzer Rück- Die Diode 13 ist eine Silizium-Vierschicht-Schaltstellimpuls, der den Belastungsstrom momentan diode des PNPN-Typs. Vorrichtungen, wie beispielsunterbricht, aus, um die PNPN-Diode in ihren nicht- 40 weise die Diode 13, werden allgemein als »PNPN-leitenden Zustand zu setzen, bis ein weiterer Einstell- Dioden mit zwei Anschlüssen« bezeichnet und sind impuls zugeführt wird. ausführlich in einem Artikel von W. Shockley

In Fig. 1 ist ein elektronisches Ventil in der Form unter dem Titel »The Four-Layer-Diode« in der eines Transistors 10 mit seinem Emitter 11 an ein Augustausgabe 1957 von Electronic Industries & TeIe-Bezugspotential, beispielsweise Erde, gelegt. Die 45 Tech, beschrieben. Kurz gesagt arbeitet eine PNPN-Kollektorelektrode 12 ist mit der N-Zone einer Diode in einem von zwei Zuständen, nämlich in einem PNPN-Diode 13 mit zwei Anschlüssen verbunden, »offenen« Zustand mit hoher Impedanz von 1 bis deren P-Zone mit der N-Zone einer üblichen PN- 100 M Ω und in einem »geschlossenen« Zustand mit Diode 14 in Kaskade geschaltet ist. Der Einfachheit niedriger Impedanz von weniger als 9 Ω. Die PNPN-halber werden die Leitungen, die mit den P-Zonen 50 Diode wird von dem einen in den anderen Zustand und N-Zonen der PNPN-Diode 13 verbunden sind, durch Anlegen von Spannung und Strom umgeschalals Anode und Kathode der PNPN-Diode 13 bezeich- tet. Wird die Spannung in Durchlaßrichtung erhöht, net, wie dies bei der Beschreibung von PN-Dioden bis sie an der PNPN-Diode eine vorgegebene »Durchallgemein üblich ist. Somit ist die Kathode der Schlagspannung« erreicht, wechselt die Diode in den PN-Diode 14 mit der Anode der PNPN-Diode 13 55 Zustand hoher Leitfähigkeit und niedriger Impedanz verbunden, und es kann Strom fließen, wenn die um, und es wird der Stromweg zwischen den beiden PNPN-Diode 13 in ihrem leitenden Zustand ist und Anschlüssen »geschlossen«. Er bleibt geschlossen, den Ausgangsanschluß B gegen einen an den An- solange der erforderliche Haltestrom aufrechterhalten schlußpunkt C gelegten Einstellimpuls abschirmt. wird. Fällt der Haltestrom unter den Mindestwert, so Die Anode der PN-Diode 14 ist an eine Span- 60 nimmt die Vorrichtung wieder den »offenen« Zustand nungsquelle B⁺ angeschlossen, und zwar über den mit hoher Impedanz ein. Die Schaltzeit für eine Anschluß 15 und eine Belastungsimpedanz 16. Die PNPN-Diode beträgt im allgemeinen weniger als Steuerelektrode des elektronischen Ventils 20, das ist 0,1 Mikrosekunden. Eine wesentlich ausführlichere die Transistor-Basiselektrode 17, liegt an einem Erläuterung der PNPN-Diode ist in der USA.-Patent-Potential, das einen ausreichend großen Basisstrom 65 schrift 2 855 524 enthalten.

ergibt, um den Transistor 10 völlig gesättigt zu halten. In Fig. 2 ist die Spannung, die über den beiden

Die Basiselektrode 17 ist mit der ^+-Spannung an Anschlüssen der PNPN-Diode 13 erscheint, gegen

dem Anschluß 15 über eine ohmsche Vorspannungs- den vom Anschlußpunkt C zum Anschlußpunkt D

(Fig. 1) fließenden Strom aufgetragen. Eine steigende Spannung wird der PNPN-Diode 13 bei Null beginnend zugeführt, und es fließt ein kleiner Strom während des offenen Zustandes der PNPN-Diode 13, bis die Durchschlagsspannung V_b erreicht wird. Dann folgt ein instabiler negativer Widerstandsbereich (durch den gestrichelten Linienteil angedeutet) in der Stromspannungscharakteristik. Daran schließt sich ein Beerich, bei dem, obgleich der Stromfluß bemerkenswert ist, nur eine kleine Spannung an der PNPN-Diode 13 erscheint. Dieses ist der Zustand niedriger Impedanz der Diode. In diesem Bereich wird der größte Teil der angelegten Spannung (es handelt sich um die ^+-Spannung) an der Belastungsimpedanz 16 erzeugt. Nachdem Durchschlag ausgelöst ist, bleibt der Durchschlagzustand aufrechterhalten, solange an der PNPN-Diode 13 eine ausreichende Spannung V_s aufrechterhalten wird, die den Haltestrom/_s sicherstellt. Falls die zugeführte Spannung unter den Wert V_s absinkt, kehrt die PNPN-Diode 13 in ihren Zustand hoher Impedanz zurück und bleibt in diesem Zustand, bis die Durchschlagspannung V_b wieder erreicht wird.

Nach dem Anlegen der ^+-Spannung an Anschluß 15 steigen die Potentiale an den Anschlußpunkten B und C beide auf das ^+-Potential an, da anfänglich die PNPN-Diode im Zustand hoher Impedanz liegt. Gleichzeitig beginnt ein Vorspannungsstrom durch die Vorspannungsimpedanz 18 zu fließen, wodurch der Basiselektrode 17 ein Basisstrom zugeführt wird, der ausreicht, um den Transistor 10 völlig zu sättigen und seine Impedanz zwischen Kollektor- und Emitterelektrode auf ein Minimum zu bringen. Als Folge davon gelangt der Anschlußpunkt D auf ein Potential, das etwas oberhalb des Bezugspotentials liegt, an das die Emitterelektrode 11 angeschlossen ist, und sich von diesem lediglich durch den Spannungsabfall über dem Transistor 10 auf Grund des Stromflusses durch den Widerstand 19 unterscheidet. Fehlte der fakultative Widerstand 19, wäre das Potential an dem Anschlußpunkt D im wesentlichen das gleiche wie das an der Emitterelektrode 11. Die Spannung über der PNPN-Diode 13 entspricht daher fast genau dem ^+-Potential und weicht von diesem nur durch den Spannungsabfall über dem Transistor 10 ab. Da aber die PNPN-Diode 13 in ihrem Zustand hoher Impedanz gehalten werden soll,bis ein Einstellimpuls angelegt wird, muß die Größe der ^+-Spannung sehr sorgfältig so ausgewählt werden, daß sie unterhalb der Durchschlagspannung V_b der PNPN-Diode liegt. Die stationären Spannungsbedingungen an den verschiedenen Anschlußpunkten nach Anlegen der J3+-Spannung an die Leitung 15 sind in Fig. 3 durch die links von der Zeitlinie t_t liegenden Teile der den jeweiligen Anschlußpunkten zugeordneten Kurven dargestellt.

Bei Anlegen eines positiven Einstellimpulses 30 (Fig. 3) zur Zeit t_x über den fakultativen Sperrkondensator 21 an den Anschlußpunkt C steigt dort das Potential momentan auf einen Wert an, welcher gleich dem ^+-Potential plus der Spannung des Impulses 30 ist (Punkt 32 in Fig. 3). Die Größe des Impulses 30 ist sorgfältig so ausgewählt, daß der Anschlußpunkt C auf ein Potential gelangt, welches größer ist als die Durchschlagspannung V_b der PNPN-Diode, damit die PNPN-Diode 13 durchschlagen und ihren Zustand hoher Leitfähigkeit einnehmen kann. In Abwesenheit der sperrenden PN-Diode 14 (sperrend mit Bezug auf den positiven Einstellimpuls) müßte der Einstellimpuls durch eine sehr starke Stromquelle geliefert werden, um das erforderliche Durchschlagpotential V_h über dem Widerstand 16 zu erzeugen (der im allgemeinen oder vorzugsweise von niedriger Impedanz ist, d. h. kleiner als 600 Ω). Durch die Diode 14 in der Schaltung ist der Anschlußpunkt C wirksam abisoliert, was die Entstehung des erforderlichen Durchschlagpotentials F₆ begünstigt. Sobald

ίο die PNPN-Diode 13 leitend wird, fließt ein großer Belastungsstrom durch den Belastungswiderstand 16, die Diode 14, die PNPN-Diode 13 und den Transistor 10, was in einem Potentialabfall an dem Anschlußpunkt B resultiert, an dem das Ausgangssignal Q über eine Ausgangsleitung abgenommen wird. Das Potential an dem Anschlußpunkt C wird ebenfalls herabgesetzt und weicht von dem des Anschlußpunktes B nur um den kleinen Spannungsabfall über die Diode 14 ab. Die stationären Spannungsbedingungen an den verschiedenen Anschlußpunkten nach Anlegung eines Einstellimpulses sind in Fig. 3 durch die zwischen den Zeitlinien t₁ und L₂ liegenden Teile der entsprechend bezeichneten Kurven dargestellt.

Bei Zufuhr eines negativen Rückstellimpulses 34 (Fig. 3) zur Zeit L₁ über den Sperrkondensator 22 zum Anschlußpunkt A fällt das Potential des Anschlußpunktes momentan auf ein Potential ab, welches unter dem Bezugspotential liegt, auf dem sich die Emitterelektrode 11 befindet, wie bei Punkt 36 in Fig. 3 veranschaulicht ist. Dieser Potentialabfall bewirkt ein Absinken des Basisstromes zur Basiselektrode 17 auf Null und damit eine Abschaltung des Transistors 10, was wiederum einen momentanen Anstieg des Potentials an dem Anschlußpunkt D zur Folge hat. Sobald der Transistor 10 abgeschaltet ist, nimmt der Belastungsstrom durch die Belastungsimpedanz 16 rapide ab, und die PNPN-Diode 13 geht in ihren Zustand hoher Impedanz über, sobald der Belastungsstrom unter den Haltestrom/;, abgefallen ist. Ist einmal die PNPN-Diode 13 abgeschaltet, bleibt sie in diesem Zustand, bis ein weiterer Einstellimpuls angelegt wird. Die stationären Spannungsbedingungen an den verschiedenen Anschlußpunkten nach Anlegung eines Rückstellimpulses sind in Fig. 3 durch die rechts von der Zeitlinie L₂ liegenden Teile der entsprechend bezeichneten Kurven dargestellt.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, einen Stromfluß durch den Transistor 10 zu gestatten, wenn die PNPN-Diode 13 sich in ihrem nichtleitenden Zustand befindet, um eine schnellere Schaltwirkung bei der Anlegung eines Einstellimpulses an die Anschlußstelle C zu erhalten. Die Impedanz 19 in der Schaltung nach Fig. 1 erzeugt einen konstanten Kollektorstrom und hält damit den Transistor 10 in Bereitschaft für den Belastungsstrom, der bei Durchschlag der Diode 13 nach Anlegung eines Einstellimpulses an die Anschlußstelle C ausgelöst wird.

Die Diode 14 kann wegfallen, wenn eine Quelle vorhanden ist, die so ausreichend Strom liefert, daß sich das erforderliche Potential über dem Belastungswiderstand 16 entwickeln kann. Wie weiter unten ausführlich beschrieben werden wird, kann die Kombination der PNPN-Diode 13 mit zwei Anschlüssen und der Sperrdiode 14 ersetzt werden durch eine PNPN-Diode mit drei Anschlüssen, wobei der Einstellimpuls deren Steuerelektrode zugeführt wird. Die

7 8

Verwendung einer PNPN-Diode mit drei Anschlüs- vorrichtungen 10, 13 und 14 der Fig. 1 ergibt sich

sen macht es möglich, die Schaltung mit einem Ein- ohne weiteres, daß die vier ersten Zonen einer

stellimpuls zu schalten, der Meiner ist als 1V, was PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen entsprechen, die

die Schaltung weiter vereinfacht. sechste und siebente Zone einer PN-Diode, die

Die folgende Tabelle gibt die Schaltkomponenten 5 neunte, zehnte und elfte Zone einem NPN-Tran-

und deren Werte an, die sich als befriedigend bei sistor und die erste und zweite Leitfähigkeitszone den

einem praktischen Ausführungsbeispiel für eine Schal- Anschlußpunkten C bzw. D. Die Elektroden 47 und

tung nach Fig. 1 erwiesen haben: 48 entsprechen der Basiselektrode 17 bzw. der Emitterelektrode 11, und die Elektrode 44 entspricht dem

Transistor 10 General Electric 2N167 ₁₀ Anschluß B.

PN-Diode 14 Hughes IN 191 Die Schaltung gemäß Fig. 4 zeigt eine Ausgestal-

PNPN-Diode 13 Beckman/Helipot tung, die der Fig. 1 äquivalent ist nach Vertauschung

4 N 30 D der PN-Diode 14 und der PNPN-Diode 13, so daß

„.., . _ΑΛί. rrnn der Anschluß C auf den Anschluß D folgt anstatt auf

Widerstand 16 560 Ω ^ _{deQ Anschluß 5- Als Folge davon kam}\ _{die Schal}.

Widerstand 18 22 kQ tung »eingestellt« werden durch Anlegung eines ne-

Widerstand 19 12 kQ gativen Impulses, der das Potential der Verbindungs-

ß+-Potential +28V stelle C (Elektrode 45) unter das Bezugspotential

S-Kippimpuls +6V (Elektrode 48) um einen Wert absenkt, der gleich

. . ao dem angelegten Einstellimpuls ist.

tf-Kippimpuis -6 V Halbleiterkörper ähnlich dem Körper 40 können

ß-Ausgangsimpuls .. 28 V aus, 3,6 V em zusammen mit der Schaltung nach Fig. 1 verwendet

werden und auch mit der abgeänderten Schaltung,

Die Schaltung nach Fig. 1 kann zum Betrieb mit die weiter oben besprochen wurde und bei der unter negativen Einstell- und Rückstellimpulsen abgeändert 25 Verwendung einer B—-Spannung sich Ausgangswerden, und zwar einfach dadurch, daß die ent- signale Q von im wesentlichen dem Wert »Null« ersprechenden Stellungen der PNPN-Diode 13 und der geben, wenn die Schaltung im »eingestellten« Zu-PN-Diode 14 umgetauscht werden. Fig. 4 zeigt diese stand ist, und negative Ausgangssignale Q, wenn die Abänderung und außerdem die Verwendung eines Schaltung im »rückgestellten« Zustand ist. Ein solcher zusammengesetzten Halbleiterkörpers, der die PNPN- 30 für die Schaltung gemäß Fig. 1 geeigneter Halbleiter-Diode 13, die PN-Diode 14 und den Transistor 10 körper hat die folgende Gestalt: P-Zone, N-Zone, ersetzt. Dadurch ergibt sich eine Schaltung von mini- Leitfähigkeitszone, P-Zone, N-Zone, PrZone, N-Zone, malem Raumbedarf. Ein ähnlich zusammengefaßter Leitfähigkeitszone, N-Zone, P-Zone, N-Zone. Im Halbleiterkörper, bei dem der Vierschichten- und der Falle der erwähnten abgeänderten Schaltung und bei Zweischichtenteil vertauscht sind, kann für die drei 35 Verwendung eines positiven Rückstellimpulses und Halbleitervorrichtungen 10, 13 und 14 nach Fig. 1 eines positiven Einstellimpulses hat der Halbleiterverwendet werden. Die Schaltung nach Fig. 1 und körper die folgend&Gestalt: N-Zone, P-Zone, N-Zone, Fig. 4 kann auch dahingehend abgeändert werden, P-Zone, Leitfähigkeitszone, N-Zone, P-Zone, Lehdaß sie ein hohes Ausgangssignal Q (im wesentlichen fähigkeitszone, P-Zone, N-Zone, P-Zone. Soll der gleich Null) in dem »eingestellten« Zustand und ein 40 zuletzt erläuterte Halbleiterkörper mit negativen niedriges Ausgangssignal Q (negativ) in dem »rückge- Einstellimpulsen betrieben werden, erhält er die stellten« Zustand erzeugt, indem der NPN-Transistor Form: N-Zone, P-Zone, Leitfähigkeitszone, N-Zone, 10 durch einen PNP-Transistor ersetzt, die Anoden- P-Zone, N-Zone, P-Zone, Leitfähigkeitszone, P-Zone, und Kathodenleitungen der PN-Diode und der N-Zone, P-Zone.

PNPN-Diode umgetauscht und die positive Strom- 45 Ein Elf-Zonen-Halbleiterkörper des Typs gemäß quelle durch eine negative ersetzt werden. In einer Fig. 4 kann mit einer Länge von weniger als 6 mm solchen Abänderung kann die beschriebene Ä-5-Flip- und einem Durchmesser von weniger als 3 mm her-Flop-Schaltung durch einen positiven Rückstellimpuls gestellt werden. Eine Kippschaltung, die durch und entweder einen positiven oder einen negativen Schaltimpulse in zwei Zustände überführt werden Einstellimpuls betätigt werden, je nachdem, ob die 50 kann und die aus einem der beschriebenen HaIb-PNPN-Diode oder PN-Diode direkt mit dem PNP- leiterkörper aus elf Schichten und drei Impedanzen Transistor verbunden ist. besteht, besitzt außerordentliche Vorteile gegenüber Es soll nun der in Fig. 4 gezeigte zusammen- üblichen Schaltungen, weil die Herstellung in begesetzte Halbleiterkörper 40 näher beschrieben wer- sonders kleiner Form möglich ist, was bisher nicht den. Dieser Körper besitzt elf aufeinanderfolgende 55 möglich war. Außerdem sind die Zuverlässigkeit und Zonen oder Schichten, nämlich eine P-Zone, eine die Festigkeit wesentlich erhöht, während die An-N-Zone, eine P-Zone, eine N-Zone eine Leitfähig- zahl der Schaltkomponenten ganz beträchtlich verkeitszone, eine P-Zone, eine N-Zone, eine Leitfähig- ringert ist.

keitszone, eine N-Zone, eine P-Zone und eine Die Schaltung gemäß Fig. 1 oder Fig. 4 kann N-Zone. Fünf Anschlußelektroden sind mit diesem 60 weiter dadurch vereinfacht werden, daß eine Vier-Körper verbunden, und zwar folgendermaßen: Die schicht-PNPN-Diode mit drei Anschlüssen verwendet Anschlußelektrode 44 mit der ersten Zone, die An- wird, beispielsweise wie sie von SoUd State Products, schlußelektrode 45 mit der fünften Zone (erste Leit- Inc., unter dem Namen »Silicon PNPN Controlled fähigkeitszone), die Anschlußelektrode 46 mit der Switch« vertrieben wird. Zusätzlich zu den beiden achten Zone (zweite Leitfähigkeitszone), die An- 65 Anschlüssen an der Beckman/Helipot-PNPN-Diode schlußelektrode 47 mit der zehnten Zone und die ist die mit drei Anschlüssen versehene PNPN-Diode Anschlußelektrode 48 mit der elften Zone. Durch mit einem zusätzlichen, als Gatterelektrode bezeich-Vergleich des Körpers 40 mit den drei Halbleiter- neten Anschluß versehen, der mit einer der mittleren

ίο

P- oder N-Schichten verbunden ist. Die Arbeitsweise der mit drei Anschlüssen versehenen PNPN-Diode ist ähnlich der mit zwei Anschlüssen versehenen PNPN-Diode, indem auch diese durchschlägt, wenn ein das Durchschlagpotential F₆ übersteigendes Potential angelegt wird und wiederum in ihren nichtleitenden Zustand übergeht, wenn der Strom durch die Diode unter den Haltestrom 7_S abfällt. Außer durch Anlegung eines das Durchschlagpotential V₁, übersteigenden Potentials kann die PNPN-Diode mit drei Anschlüssen auch dadurch leitend gemacht werden, daß ein kleiner Auslöseimpuls der Gatterelektrode zugeführt wird, und zwar negativ, falls die Gatterelektrode mit der N-Zone verbunden ist, und positiv, falls sie mit der P-Zone verbunden ist. Der Hauptvorteil bei der Verwendung einer PNPN-Diode mit drei Anschlüssen liegt darin, daß ein Auslöseimpuls von weniger als V2V ausreicht, um den gewünschten Durchschlag und damit die Auslösung des leitenden Zustandes zu verursachen, und daß eine Sperr- oder Isolationsdiode, wie beispielsweise die Diode 14 in Fig. 1, völlig überflüssig ist und fortfallen kann. Ein weiterer Vorteil ist der, daß eine Schaltung mit einer PNPN-Diode mit drei Anschlüssen nicht einer Spannung über den beiden Endanschlüssen bedarf, die irgendwie in der Nähe von V_b liegt, sondern daß lediglich ein Potential größer als V_s erforderlich ist, um den benötigten Haltestrom zu erzeugen und die PNPN-Diode in ihrem leitenden Zustand zu halten.

Fig. 5 a zeigt eine Flip-Flop-Schaltung mit einem Halbleiterkörper 50 aus acht Schichten, wobei die vier ersten Schichten in ihrer Arbeitsweise einer PNPN-Diode 51 mit drei Anschlüssen entsprechen, während die drei letzten Zonen in ihrer Arbeitsweise einem Transistor 53 entsprechen und wobei zwischen diesen eine Leitfähigkeitszone 52 angeordnet ist. Fig. 5 b zeigt eine Flip-Flop-Schaltung mit einer PNPN-Diode 56 mit drei Anschlüssen und einem gesonderten Transistor 57. In beiden Fällen wird die von einer Spannungsquelle an den Anschluß 55 gelieferte Spannung auf die erste Zone des Halbleiters 50 bzw. 56 übertragen, und zwar über eine Belastungsimpedanz 16, und in beiden Fällen ist die letzte Zone der Halbleitervorrichtung 52 bzw. der Emitter des Transistors 57 an Erde gelegt. Da die Schaltung durch einen über die Leitung 54 oder 58 direkt einer Halbleiterzone zugeführten Einstellimpuls »einstellbar« ist, kann das an die Belastungsimpedanz 16 angelegte Potential, falls gewünscht, kleiner sein als das Potential, welches zur Betätigung der Schaltung nach Fig. 1 und 4 benötigt wird. Solange der Wert der am Anschluß 55 liegenden Spannung ausreicht, einen den Haltestrom/_s übersteigenden Stromfluß zu verursachen, arbeiten die Schaltungen nach Fig. 5 a und 5 b befriedigend. Außerdem kann der Einstellimpuls sehr klein sein, je nach der Charakteristik der ersten vier Zonen, vielleicht kleiner als V2V.

Eine durch Impulse betätigte Kippschaltung gemäß Fig. 5 a oder 5 b benötigt nur sehr wenig Schaltkomponenten und ermöglicht eine Schaltung von besonderer Zuverlässigkeit und von minimalen Abmessungen. Außerdem ist die Ausgangsimpedanz sehr klein, so daß größere Leistungen zum Betrieb von anderen Einrichtungen, wie beispielsweise Relais, erzeugt werden können als bei den üblichen Kippschaltungen.

Für gewisse Anwendungen kann eine Mehrzahl von Flip-Flop-Schaltungen zusammengefaßt werden, beispielsweise zu einem Pufferregister, bei dem alle Flip-Flop-Schaltungen durch einen gemeinsamen Rückstellimpuls »zurückgestellt« und durch individuelle Einstellimpulse »eingestellt« werden können. Unter Verwendung der üblichen Flip-Flop-Schaltungen läßt sich eine derartige Kombination nur unter Verwendung einer sehr großen Anzahl von Schaltkomponenten herstellen, ohne Möglichkeit irgendwelcher Einsparungen. Eine Zusammenfassung von Flip-Flop-Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung dagegen gestattet durch Verwendung nur eines Stromventils eine außerordentlich einfache Struktur.

In Fig. 6 sind mehrere Halbleiterkörper mit drei Anschlüssen vorgesehen, von denen vier, X-I, X-2, X-3 undZ-4, dargestellt sind. Jeder dieser Halbleiterkörper, die fortan der Einfachheit halber mit X bezeichnet werden, kann entweder aus einer üblichen PN-Diode in Serie mit einer PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen bestehen, wie in den Fig. 1 und 4 dargestellt und beschrieben ist, oder aus einer PNPN-Diode mit drei Anschüssen, wie in den Fig. 5 a und 5 b beschrieben und dargestellt. Ein Anschluß eines Halbleiterkörpers Z (entweder die Anode oder die Kathode entsprechend der Polarität der zugeführten Spannung) ist mit einer Stromquelle 60 über einzelne Belastungsimpedanzen R-I, R-2, R-3 und R-4 verbunden. Der andere Anschluß eines jeden Halbleiterkörpers X ist mit einem Stromventil 62, welches ein Transistor, eine elektronische Röhre oder ein Relais sein kann, verbunden.
Die Auswahl eines bestimmten Stromventils hängt, wenigstens zum Teil, von der Zahl der Stufen ab, welche das Pufferregister umfaßt. Jede Stufe trägt ihren Teil zum gesamten Stromfluß durch das Stromventil 62 bei, und demzufolge muß das Ventil sorgfältig ausgewählt werden, damit es diesen Stromfluß bewältigen kann. Beispielsweise kann sich für ein Mehrstufenpufferregister ein Relais als besonders geeignet herausstellen, weil es in der Lage ist, große Ströme zu führen. Für andere Anwendungen bei einer kleinen Anzahl von Stufen und bei kleinem Stromfluß, der innerhalb des für einen Transistor tragbaren Bereiches liegt, kann ein Transistor gewählt werden. Das Stromventil 62 ist mit einer Steuerleitung 63 zur Zufuhr eines Rückstellimpulses versehen, durch den das Ventil 62 geöffnet wird, so daß der Stromfluß durch alle Halbleiterkörper X verringert wird und diese damit in ihren Zustand hoher Impedanz zurückkehren.

Die dritte Anschlußelektrode eines jeden Halbleiterkörpers X, die entweder die Gatterelektrode der PNPN-Diode mit drei Anschlüssen darstellt oder die mit der Verbindungsstelle C verbundene Eingangsleitung, kann als Zufuhrleitung für die Einstellimpulse verwendet werden. Die einzelnen Belastungsimpedanzen R-I, R-2, R-3 und R-4 können Lampen mit Glühfäden darstellen, so daß eine sichtbare Anzeige darüber vorhanden ist, welcher Zustand in jeder Flip-Flop-Schaltung gerade vorliegt. Die Ausgangsleitungen 0-1, O-2, O-3 und 0-4, die jeweils mit den Anschlüssen zwischen den Halbleiterkörpern X und den Impedanzen R verbunden sind, können dazu verwendet werden, permanente Anzeigen für jeden Zustand des Registers abzuleiten, wenn sie an geeignete Vorrichtungen angeschlossen

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sind, beispielsweise eine Band- oder Trommelspeichereinheit.

Claims

Patentanspruch ε:

1. Bistabile Kippschaltung, die durch Impulse gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine normalerweise leitende, den Stromfluß steuernde Einrichtung, beispielsweise ein Transistor oder ein Relais, in Serie mit einer Vierschichtdiode geschaltet ist, die einen stabilen Zustand hohen Widerstandes besitzt, der in einen Zustand hoher Leitfähigkeit bei Anlegung einer Durchschlagsspannung übergeht, worauf der Zustand hoher Leitfähigkeit bei einer Spannung aufrechterhalten wird, die kleiner ist als die minimale Durchschlagsspannung, bis der Stromfluß durch die Vierschichtdiode unter einen bestimmten Minimalwert einer Haltespannung abfällt, daß ferner eine Belastungsimpedanz und eine Diode in Fluß- ao richtung in Serie zur Vierschichtdiode geschaltet sind, daß an dem der Vierschichtdiode abgewendeten Ende der Belastungsimpedanz die Speisespannung, die kleiner ist als die minimale Durchschlagspannung, angeschlossen ist, daß ein zweiter Anschluß zur Zuführung eines Impulses, der momentan die Spannung an der Vierschichtdiode auf die Durchschlagspannung erhöht, an dem Verbindungspunkt zwischen Diode und Vierschichtdiode vorhanden ist und daß ein weiterer Anschluß vorgesehen ist, über den zu der stromflußregelnden Einrichtung (z.B. Transistor) ein Rückstellimpuls zugeführt wird, der momentan den Stromfluß durch die gesamte Anordnung auf einen Pegel verringert, bei dem die Vierschichtdiode in ihren Zustand hohen Widerstandes zurückgeführt wird.

2. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung aus einer Silikon-PNPN-Diode mit vier Schichten und drei Anschlüssen (56) besteht und der »Einstelk-Impuls dem mittleren Anschluß zugeführt wird.

3. Bistabile Kippschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Regelung des Stromflusses aus einem Transistor besteht mit einem Vorspannungsanschluß, durch den er gesättigt wird, und die »Rückstelk-Impulse der Basiselektrode des Transistors zugeführt werden.

4. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 3 und 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorvorspannung aus einer Vorspannungsimpedanz besteht, die die Transistorbasis mit dem Anschluß der in der Serienschaltung enthaltenen Impedanz auf der von der Vierschichtdiode abgelegenen Seite verbindet.

5. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung einen zusammengesetzten Halbleiter umfaßt, der sieben aufeinanderfolgende Zonen enthält, von denen vier eine Gruppe von Halbleiterzonen darstellen, die eine PNPN-Diode bilden, zwei weitere, eine Gruppe von Halbleiterzonen, die eine PN-Diode bilden und die restliehe Zone eine Leitfähigkeitszone zwischen den beiden Gruppen ist, an die »Einstelk-Impulse angelegt werden (45).

6. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß zwischen der Diodenhalbleitervorrichtung und dem Transistor mit dem Anschluß der Belastungsimpedanz am abgelegenen Ende der Diodenhalbleitervorrichtung über einen Widerstand (19) verbunden ist, der beträchtlich größer ist als die Belastungsimpedanz.

7. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein NPN-Transistor ist, dessen Emitter mit Erde (11) oder einem Bezugspotential verbunden ist, und der Kollektor mit der Kathode der Diodenhalbleitervorrichtung nach Anspruch 5, die Anode der Diodenhalbleitervorrichtung mit einem Anschlußpunkt der Belastungsimpedanz (16) und das andere Ende der Belastungsimpedanz mit einer positiven Spannungsquelle (15 oder 55) verbunden sind, und daß die Anordnung so getroffen ist, daß die bistabile Kippschaltung durch einen negativen Impuls zurückgestellt werden kann und eine positive Ausgangsspannung liefert, wenn sie »zurückgestellt« ist, und einen Null- oder Bezugspotentialausgang, wenn sie »eingestellt« ist, und daß der Ausgang (Q) an der Verbindungsstelle zwischen der Diode und der Belastungsimpedanz abgenommen wird.

8. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein PNP-Transistor ist, dessen Emitter mit einem Erd- oder Bezugspotential verbunden ist (11), und daß sein Kollektor mit der Anode einer Diodenhalbleitervorrichtung nach Anspruch 5, die Kathode der Diodenhalbleitervorrichtung mit dem einen Anschluß der Belastungsimpedanz (16) und das andere Ende der Belastungsimpedanz mit einer negativen Spannungsquelle (55) verbunden sind, und daß die Anordnung so getroffen ist, daß die bistabile Kippschaltung durch einen positiven Impuls zurückgestellt werden kann und einen Null- oder Bezugspotentialausgang liefert, wenn sie eingestellt, und einen negativen Ausgang, wenn sie zurückgestellt ist, und daß die Ausgangsspannung (Q) an der Verbindungsstelle zwischen der Diode und der Belastungsimpedanz abgenommen wird.

9. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung durch Anlegung eines positiven Impulses zur Verbindungsstelle zwischen der Kathode einer PN-Diode und der Anode einer PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen eingestellt wird, die die Halbleitervorrichtung darstellt, wobei die Anode der PN-Diode mit der Belastungsimpedanz (16) verbunden ist und die Kathode der PN-Diode mit dem Kollektor des Transistors.

10. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung durch Anlegung eines negativen Impulses (S~~) zur Verbindungsstelle der Anode einer PN-Diode und der Kathode einer PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen, die die Halbleitervorrichtung darstellt, eingestellt wird, wobei die Kathode der PN-Diode mit der Belastungsimpedanz verbunden ist und die PNPN-Diode mit dem Kollektor des Transistors (10).

11. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung durch

Anlegung eines negativen Impulses (5-) an die Verbindungsstelle der Anode einer PN-Diode und der Kathode einer PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen, die die Halbleitervorrichtung darstellt, eingestellt wird, wobei die Anode der PNPN-Diode mit der Belastungsimpedanz (16) und die Kathode der PN-Diode mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist.

12. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung durch Anlegung eines positiven Impulses (S⁺) an die Verbindungsstelle der Schaltung der Kathode einer PN-Diode und der Anode einer PNPN-Diode mit zwei Anschlüssen, die die Halbleitervorrichtung darstellt, eingestellt wird, wobei die Kathode der PN-Diode mit der Belastungsimpedanz gekoppelt ist und die Anode der PN-Diode mit dem Kollektor des Transistors.

13. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zusammengesetzte Halbleitervorrichtung enthält, die wenigstens acht aufeinanderfolgende Zonen besitzt, von denen die ersten vier eine Gruppe von Halbleiterzonen bilden, die eine PNPN-Diode darstellen, die sechste bis achte eine Gruppe von drei Halbleiterzonen, die einen Transistor darstellen, und die restliche Zone zwischen den beiden Gruppen liegt und eine Leitfähigkeitszone darstellt, wobei die Anschlußelektroden mit der ersten, siebenten und achten Zone verbunden sind (Fig. 5 a).

14. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, dritte und siebente Zone P-Zonen sind, die zweite, vierte, sechste und achte Zone N-Zonen.

15. Bistabile Kippschaltung nach Ansprach 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, vierte, sechste und achte Zone P-Zonen, die erste, dritte und siebente Zone N-Zonen sind.

16. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß weitere drei Zonen zugefügt sind, von denen zwei Halbleiterzonen sind, die eine PN-Diode bilden, während die dritte eine Leitfähigkeitszone ist, die eine Verbindung herstellt.

17. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die drei zusätzlichen Zonen zwischen die ursprünglichen acht Zonen eingefügt sind, und zwar zwischen die Gruppe aus vier Zonen, die die PNPN-Diode bildet, und die Leitfähigkeitszone, und daß die Leitfähigkeitszone den zusätzlichen drei Zonen der Gruppe aus vier Zonen benachbart liegt und die beiden anderen zusätzlichen Zonen eine P- bzw. N-Zone sind, wobei die N-Zone der Leitfähigkeitszone der ursprünglichen acht Zonen benachbart liegt (Fig. 4).

18. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die drei zusätzlichen Zonen zwischen die ursprünglichen acht Zonengruppen, und zwar zwischen die Vierergruppe, die die PNPN-Diode bildet, und die Leitfähigkeitszone eingefügt sind, wobei die Leitfähigkeitszone der zusätzlichen Zonen benachbart der Vierergruppe liegt und die anderen beiden der zusätzlichen Zonen jeweils eine N- und P-Zone sind, wobei die P-Zone benachbart der Leitfähigkeitszone der ursprünglichen acht Zonen liegt.

19. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die drei zusätzlichen Zonen zu den ursprünglichen acht Zonen hinzugefügt sind, und zwar an dem Ende, an dem die Vierergruppe liegt, die die PNPN-Diode bildet, und die Reihenfolge der drei zusätzlichen Zonen eine P-Zone, N-Zone und eine Leitfähigkeitszone ist, und daß die Leitfähigkeitszone der Vierergruppe benachbart ist.

20. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen drei Zonen den ursprünglichen acht Zonen eingefügt sind und an jenem Ende liegen, an dem die Vierergruppe der PNPN-Diode liegt und die Reihenfolge der drei zusätzlichen Zonen N-Zone, P-Zone und Leitfähigkeitszone ist und die Leitfähigkeitszone der Vierergruppe benachbart ist.

21. Registerschaltung mit einer Mehrzahl von bistabilen Kippschaltungen entsprechend Anspruch 1 bis 12, die alle eine gemeinsame Einrichtung zur Regelung des Stromflusses besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen