DE2531783A1

DE2531783A1 - Festkoerperspeicher mit elektronenhaftstellen

Info

Publication number: DE2531783A1
Application number: DE19752531783
Authority: DE
Inventors: Joseph Cozzo; David K Garrod; Thomas G Kazyaka; Robert L Melcher; Norman S Shiren
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-07-22
Filing date: 1975-07-16
Publication date: 1976-02-19
Also published as: FR2280172B1; US3919700A; FR2280172A1; GB1515547A; JPS5119944A

Description

Böblingen, den 14. Juli 1975 bu-fe

Anmelderin: Internation^x Business Machines

Corporation, Armonk, M.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 015

Festkörperspeicher mit Elektronenhaftstellen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art.

Das Phänomen persistenter interner Polarisation (PIP)-Effekte in lichtelektrischen Materialien ist im einzelnen im Artikel "Persistent Internal Polarization" von J. R. Freeman u.a.. Heft 1961 der "Reviews of Modern Physics", Ed. 33, Nr. 4, Seiten 553-573 beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird davon ausgegangen, daß diese interne Polarisation auf einer inhomogenen Ladungsverteilung beruht, die durch ein von außen auf die freien Ladungsträger einwirkendes elektrisches Feld hervorgerufen wird. Aufeinanderfolgendes Einfangen dieser Ladungsträger irn Photoleiter führt dann zu einer persistenten Ladungsträgerverteilung, d.h. zu ihrem Beharrungszustand. Die Polarisation wird hierbei aber nicht unter Anwendung hochfrequenter elektromagnetischer Felder induziert. In der Veröffentlichung wird vielmehr davon ausgegangen, daß den Speicherphänomenen Gleichfeldeffekte zugrundeliegen, wobei sich Sperrschichten und Inhomogenitätsstellen an elektrischen Kontaktstellen mit dem Kristall und nicht innerhalb des Kristalls ausbilden.

Die USA-Patentschriften 3 407 394 und 3 529 300 beschreiben ebenfalls PIP-Effekte, die im Gleichspannungsbetrieb ausgenutzt werden Ein weiterer Artikel, nämlich "Boson Echoes: A New Tool to Study Phonon Interactions", von J. Joffrin u.a. in "Physical Review Letters" vom 6. November 1972, Bd. 29, Nr. 19, Seiten 1325-1327,

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läßt nicht erkennen, daß die Speicherwirkung auf einem PIP-Effekt iberuht, der zu einer vorteilhaften Nutzung führen könnte; vielmehr : ist eine nur für eine Zehntelsekunde wirksame Speicherwirkung hier-i in angegeben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Pestkörperspeicher bereitzustellen, der sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformation einer Vielzahl von Einangssignalen in einem relativ kleinen Volumen oder in einer relativ kleinen Oberfläche zu speichern vermag,

7 11 wobei die Bandbreite zwischen 10' oder 10 Hertz oder höher liegt und die gespeicherte Information zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe wie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben.

Der zugrundeliegende Mechanismus, durch den die in relativoberflächennahen Donor-Haftstellen eingefangenen Ladungsträger in ein Muster umverteilt werden, das der räumlichen Abhängigkeit einer Ultraschallwelle entspricht, beruht auf der feldinduzierten Ionisation der Donatoren in das Leitungsband. Bei tiefen Temperaturen besteht der dominierende Ionisationsmechanismus in feldinduzierter Tunnelung, für deren Wahrscheinlichkeit die Beziehung gilt:

P(E) = Aj Ef^exp-

Hierin sind:

A und B Funktionen der Haftstellentiefe und der Masse des eingefan genen Ladungsträgers

|E; der Absolutwert des im Kristall wirksamen elektrischen Gesaratfeldes und

E = E cosCt^t-kx+^») + E cos ü)pt

worin:

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E die piezoelektrische Peldamplitude der sich fortpflanzenden Schallwelle und

E_Q die Amplitude eines angelegten gleichförmigen Feldes ist. Der Absolutwert j E j und damit auch P(E) enthalten verschiedene zeit- und raumabhängige Terme, die sich aus Vektorprodukten und quadratischen Abhängigkeiten der beiden wirksamen Felder ergeben. Insbesondere enthält die Funtkion P (E) einen Term, der gemäß cos (k^x- Φ) variiert, wenn immer gilt:

ω - 1
2 2n-l

worin:

η = 1, 2, 3··· Wenn, wie oben angegeben, ein Gleichfeld am Gesamtfeld überlagert wird, dann enthält die Funktion P(E) einen Term: cos Ck₁X- φ), wenn gilt: ^ω ₂ = — . Das Auftreten eines solchen Terms in der Funktion P(E) bedeutet, daß eine Tunnelung solcher Haftstellen in größerer Rate auftritt, für deren Lage gilt: (k.x-Φ) = 2m^ und im geringeren Maße von Punkten erfolgt, die eine halbe Wellenlänge entfernt liegen, wobei gilt:

(k-,χ-Φ) = (2m+l)iT, m=O,l,2,3... Daraus ergibt sich, daß die eingefangene Gesamtladung periodisch in räumlicher Abhängigkeit mit der Periode der Schaltwelle variiert.

Ein Cadmiumsulfidkristall wird so zubereitet oder wachsen gelassen, daß er einen hohen spezifischen Widerstand (> 100.000 0hm cm) besitzt, indem er in oberflächennahen Bereichen mit Donatorverunreinigungen dotiert und in Schwefeldampf aufgeheizt wird, wie es unter dem Titel "Ultrasonic Amplification in Sulfur Doped CdS", von D. L. White im Dezemberheft I965 der "Proceedings of the I. E.E.E.", Seiten 2157-2158 beschrieben ist. Der lichtempfindliche Cadmiumsulfidhalbleiter besitzt so die beiden Eigenschaften, die ihn zur Verwendung als Speicher geeignet erscheinen lassen, nämlich geringe elektrische Leitfähigkeit und oberflächennahe Donatoren zur Bereitstellung von Elektronen-Haftstellen. Einem solchen Kristall wird sichtbares Licht zur Anregung der hierin enthaltenen Elektronen zugeführt, wobei dann einige von ihnen

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durch die Verunreinigungen im Cadmiumsulfidkristall eingefangen werden. Nach einer solchen Lichtanregung wird ein hochfrequenter Signalimpuls zugeführt, dessen Frequenz zwischen 10 bis 10^ MHz liegen kann, so daß dieser Signalimpuls im Kristall in eine Schall-Welle der gleichen Frequenz umgesetzt wird, indem die durch diese Schaltwelle im Kristall angeregte Schwingung die durch das angeregte Licht herbeigeführte Ladungsträgertrennung nicht beeinflußt. Während der Lebensdauer dieser Schallwelle wird ein zweiter hochfrequenter Impuls im Cadmiumsulfidkristall zugeführt. Die durch den ersten Eingangsimpuls bedingte Ultraschallwelle verursacht in ^usammenwirkung mit dem durch den zweiten Eingangssignalimpuls hervorgerufenen elektrischen Feld eine Umverteilung der eingefangenen (Elektronen in ein Muster, das der gleichen räumlichen Variation wie die der Ultraschallwelle entspricht. Die in den zugeführten Eingangssignalimpulsen enthaltene Information wird im Muster der eingefangenen Elektronen gespeichert. Die Informationsentnahme j erfolgt durch Anlagen eines dritten hochfrequenten Impulses, der j die gespeicherte Elektronenverteilung zur Abstrahlung eines hoch- ; frequenten elektrischen Feldes anregt. Beim Aufbau eines Ladungsgitters erzeugt der erste Eingangssignalimpuls aufgrund des piezoelektrischen Effektes Phononen (<<>,k). Während des zweiten Eingangs-

Signalimpulses stellt das gesamte elektrische Feld im Kristall die Summe aus dem piezoelektrischen Feld der durch den ersten Eingangssignalimpuls erzeugten Phononen und dem angelegten Feld aus dem !zweiten Eingangssignalimpuls dar. Die Wahrscheinlichkeit für feldinduziertes Tunneln von den Haftstellen ist eine Funktion vom Absolutwert der Stärke des elektrischen Gesamtfeldes und enthält deshalb einen zeitunabhängigen Term, der allerdings gemäß cos ' (k*r) räumlich variiert. Diese Tunnelungswahrscheinlichkeit führt dann zu einem unhomogenen räumlichen Ladungsgitter der eingefange- j nen Elektronen, das ebenfalls gemäß cos (k*r) variiert. Das zum ; Auslesen angelegte elektrische Feld des dritten Impulses wirkt auf ' idas Ladungsgitter zur Erzeugung einer sich nach rückwärts (ebenso- ; gut wie nach vorwärts) ausbreitenden Welle ein, die an der Oberflä-j ehe des Kristalls erfaßt werden kann. Zusätzlich erzeugt das Ladungsg^tter im Ansprechen auf die sich nach vorwärts ausbreitende

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Welle, die an der Kristalloberfläche unter Einwirken des dritten Pulses piezoelektrisch ausgelöst wird, ein gleichförmiges elektrisches Feld. Das Ausgangssignal stellt die Summe dieser beiden gleichzeitig auftretenden Ausgangsgrößen dar.

Die erfindungsgemäße Speichereinrichtung besitzt demnach die vorteilhafte Eigenschaft, daß die Speicherwirkung nicht zeitlich begrenzt ist, d.h. der ursprünglich angelegte Schreibimpuls zusammen mit dem hochfrequenten zweiten Eingangsimpuls ergeben nach Abklingen der entsprechenden Einwirkung ein räumlich variierendes Ladungsmuster, das in dem Cadmiumsulfidkristall fortbesteht und nach Verlangen abgefragt werden kann. Sowohl Phase als auch Amplitude sowie die Zeitauflösung der Signale werden gespeichert und zwar in einem relativ kleinen Kristall.

Infolgedessen entspricht die hierin gespeicherte Information einem Überlagerungsmuster in oder auf einen piezoelektrischen Kristall, wobei das eine der das überlagerungsrauster bildenden Signale akustisch und das andere elektrisch ist, so daß das Auslesen entweder in Form eines akustischen oder elektrischen Signals entsprechend der gespeicherten Information erfolgen kann. In einem relativ kleinen Speichervolumen werden hochfrequente elektromagnetische Signale mit akustischen Signalen verarbeitet, um Speicherung, Verzögerung, Konvolution und Korrelation solcher Signale herbeizuführen bzw. vorzunehmen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. In der nachfolgenden Ausführungsbeispielsbeschreibung wird die Erfindung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig- 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung

Fign. 2 und 3 Kohlraumresonatoren für den erfindungsgemäßen YO 974 015

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Zweck

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung einer speziellen Betriebsweise der Erfindung

Fig. 5 ein weiteres Impulsdiagramm für eine andere spezielle Betriebsweise der Erfindung

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Aufzeichnen und zur Wiedergabe von Hologrammen

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung von Gleichspannungssignalen im Zusammenwirken mit hochfrequenten Signalen zum Speicherbetrieb .

In der Anordnung nach Fig. 1 ist ein lichtempfindlicher piezeoelektrischer Kristall 2 vorgesehen, der einen hohen spezifischen Widerstand ( <100.000 Ohm cm) besitzt und in geeigneter Weise zur Bereitstellung von Elektronen-Haftstellen dotiert ist. Cadmiumsulfid ist als Kristall besonders gut geeignet, aber auch andere II-IV-Verbindungen können in Äquivalenz zu Cadmiumsulfid zur Durchführung der Erfindung dienen, wie z.B. Cadmiumselenid und Cadmiumtellurid. Ganz allgemein lassen sich Kristallmaterialen verwenden, die die Eigenschaft besitzen, Verunreinigungs- bzw. Stoerstellen beizubehalten, in denen Elektronen eingefangen werden und bei denen solche Haftstellen aufeinanderfolgend sich über elektrische Felder ionisieren lassen. Der Kristall 2 liegt zwischen den beiden Elektroden 4 und 6, wobei die Elektrode 6 an Erdpotential und die Elektrode 4 am Ausgang des Senders 8 zur Zuführung der hochfrequenten Signale liegt und damit gleichzeitig am Eingang des Empfängers 10 zum Empfang solcher Signale. Vor übertragung der hochfrequenten Eingangssignalimpulse 12 und 14 auf den Kristall 2 wird sichtbares Licht 16 kurzzeitig auf den Kristall zur Einwirkung gebracht, um hierin Elektronen anzuregen, die dann in den oberflächennahen Donatorstellen eingefangen und

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hierin festgehalten werden, die im wesentlichen gleichförmig in diesem Cadmiumsulfidkristall 2 verteilt sind.

Der zuerst zugeführte hochfrequente Eingangssignali'.vpuls 12 erzeugt bei über Elektrode 4 erfolgenden Eintreffen auf Kristall 2 Ultraschallwellen an der Oberfläche dieses Kristalls, da dieser ja piezoelektrische Eigenschaften besitzt. Die so erzeugten Ultraschallwellen pflanzen sich im Kristall fort. Diese Ultraschallwellen besitzen außerdem die gleiche Frequenz wie der hochfrequente Eingangssignalimpuls 12. Nach Ablauf eines Zeitabschnitts t wird dann der zweite hochfrequente Eingangssignalimpuls 14 dem Kristall 2 zugeführt, der ja bereits die akustische bzw. Ultraschallwelle enthält. Die durch den ersten Eingangssignalimpuls 12 hervorgerufene Ultraschallwelle verursacht im Zusammenwirken mit dem durch den zweiten Eingangssignalimpuls 14 hervorgerufenen elektrischen Feld eine Umverteilung der im Kristall 2 eingefangenen Elektronen in ein Muster, das der Korrelation der beiden Eingangssignalimpulse 12 und 14 entspricht. Bei tiefen Temperaturen, d.h. unterhalb von 30° K, lassen sich diese Ladungsmuster speichern, wobei bei Temperaturen von angenähert 4° K diese Speicherwirkung für viele Monate beibehalten werden kann. Es besteht jedoch kein Zweifel, daß durch geeignete Wahl von piezoelektrischen Halbleitern die Speicherung von Ladungsmustern mit ähnlichen Zeitdauern auch für Raumtemperatur möglich ist. Die im zuerst zugeführten Eingangssignalimpuls 12 enthaltene Information wird im Kristall 2 gespeichert, der als ein Aufzeichnungsmedium für einen Betrieb über den gesamten Hochfrequenzbereich dienen kann. Wird ein dritter Hochfrequenzimpuls 18 auf den Kristall 2 zur Einwirkung gebracht, dann läßt sich die im zuerst zugeführten ursprünglich gespeicherten Eingangssignalimpuls 12 enthaltene Information aus dem Kristall 2 entnehmen und mit Hilfe des Empfängers 10 verwerten. Der dritte Impuls 18 veranlaßt die gespeicherte Elektronenverteilung oder das Ladungsmuster zur Abstrahlung eines elektrischen Feldes 12', dessen Impulsform sowohl dem Verlauf des gespeicherten Ladungsmusters als auch dem des Impulses 18 entspricht.

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Eine eingehende Beschreibung der Ausdrücke "Korrelation" und
"Verlauf des gespeicherten Ladungsmusters" (Konvolution), wie sie
in dieser Beschreibung-verwendet werden, ist "=#*. der USA-Patentschrift 2 76O 172 zu entnehmen.

Der als Speichermedium dienende Kristall 2 läßt sich gemäß Fig. 2

;in einem Hohlraumresonator 20 anbringen, der außerdem mit einer
Quelle l6 sichtbaren Lichts zur entsprechenden Anregung des Kristalls 2 ausgestattet ist, welches vor Anlegen der hochfrequenten
Eingangssignalimpulse nach Bedarf eingeschaltet werden kann. Diese hochfrequenten Eingangssignalimpulse gelangen in den Hohlraumresonator 20 über die hieran angeschlossene Wellenleitung 24, die ihrerseits mit den Eingangsklemmen 22 in Verbindung steht. Der Zirkulator 26 ist von üblicher Bauart und dient zur sauberen Trennung der in den Hohlraum 20 eintretenden Signale, von dem sie entnommen und den Ausgangsklemmen 28 zugeführt werden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sollte der Zeitablauf zwischen den Impulsen 12 und 14
nicht mehr als 50 MikroSekunden betragen, da mit den bisher zur
Verfügung stehenden Kristallen 2 eine hierin enthaltene Schallwelle noch einer derartigen Dämpfung unterliegt, daß ein späteres j Ansprechen auf das zweite hochfrequente Eingangssignal 14 nicht ! mehr möglich ist. Jedoch liegt es durchaus im Rahmen vorliegender ; Erfindung, auch größere Zeitabläufe zwischen den hochfrequenten
Eingangssignalimpulsen 12 und 14 zuzulassen, sowie nur für die ; Erfindung geeignetere Kristallsubstanzen verfügbar sein werden. |

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung dient für eine abgewandelte Signalverarbeitung gemäß der Erfindung, wobei das Impulsdiagramm
nach Fig. 4 zur Erläuterung dieser Betriebsweise herangezogen _: werden kann. Zunächst wird der Kristall 2 durch die Quelle 16 \

des sichtbaren Lichtes angeregt. Ein hochfrequenter Signalimpuls
A der phasen- und/oder amplitudenmoduliert sein kann, wird als I Eingangsgröße den Klemmen 23' zum Zeitpunkt t=0 zugeführt und | dann über Zirkulator 26' und Wellenleitung 24' auf den Hohlraum- : resonator 20· übertragen. Dieser hochfrequente Signalimpuls A ^;

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wird dann mit Hilfe des elektroakustischen Wandlers 30, z.B. eines Quarzkristalls, in eine Schallwelle umgewandelt, die sich im Speicherkristall 2 ausbreitet. Der elektroakustische Wandler 30 und der Kristall 2 sind im Hohlraumresonator 32 mit Hilfe eines !geeigneten Bindungsmaterials wie Indium fest miteinander verbun-Iden. Zum Zeitpunkt t, wenn das hochfrequente Eingangssignal A bereits vollständig in den Hohlraumresonator 32 eingelaufen ist, wird ein Schreibimpuls B den Eingangsklemmen 22" zugeführt. Der Impuls B besitzt eine relativ große Amplitude und ist von kurzer Zeitdauer gegenüber dem Signalverlauf des Impulses A. Dieses zuletzt genannte Signal ist nun in Form einer entsprechenden Ladungsverteilung im Kristall gespeichert, die entsprechend dem Signalimpuls A hierin räumlich variiert. Ein Lesesignal C, das einem anderen hochfrequenten Impuls entspricht, wird nun zu einem späteren Zeitpunkt T als Abfrageimpuls zugeführt, welcher bis zu einem Ablauf von zwei Monaten später liegen kann, und zwar entweder den Eingangsklemmen 22' oder 22". Wird das Abfragesignal C den Eingangsklemmen 22' zugeführt, dann entsteht ein Ausgangssignalimpuls D an den Ausgangsklemmen 28". Wird der Abfrageimpuls C zum Zeitpunkt T den Eingangsklemmen 22" zugeführt, dann tritt ein Ausgangssignalimpuls D an den Ausgangsklemmen 28' auf. "wie aus dem Impulsdiagramm nach Fig. 4 ersichtlich, erzeugt der Abfrageimpuls bei einer Α-Impulsdauer von 0 bis Δ und bei einer Deltafunktion mit vernachlässigbarer Impulsdauer für den Schreibimpuls B, aufgrund seiner Impulsdauer ( [T + δ]- T) = δ einen Ausj^angsimpuls D, für dessen Dauer gilt:

[(T +δ) + τ] - ίΤ + (τ-Δ)] = δ+Δ.

Der Signalverlauf des Impulses D entspricht dabei der Korrelation der Signalverläufe der Impulse A und C.

Das Impulsdiagramm nach Fig. 5 veranschaulicht die verwendeten Signalverläufe, wenn vorliegende Erfindung im Auto-Korrelationsbetrieb läuft. Der Eingangsimpuls A im Impulsdiagramm nach Fig. 5

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|mit einer Impulsdauer _Äwird den Eingangsklemmen 22 der Anordnung 'nach Fig. 2 zum Zeitpunkt t= ο zugeführt, nachdem der Kristall 2 !natürlich durch die Lichtquelle 16 angeregt worden ist. Ein solcher Eingangsimpuls A hat vorzugsweise eine große Amplitude und erzeugt eine Schallwelle gleicher Frequenz im piezoelektrischen Kristall 2. Die Kombination dieser Schallwelle mit dem gleichförmigen elektrischen Feld des Impulses A führt zu einem räumlich gespeicherten Ladungsmuster. Wird ein Deltaimpuls B dem Kristall 2 über Eingangsklemmen 22 zum Zeitpunkt T zugeführt, dann tritt hierauf unmittelbar ein Ausgangsimpuls C mit einer Impulsdauer Von 2 Aauf, der eine Korrelation des Impulses A mit sich selbst darstellt.

Die Speicherung ist herbeigeführt nach Beleuchtung», mit sichtbarem Licht beliebiger Wellenlänge, sie ist jedoch besonders stark nach Beleuchtung mit Licht der Wellenlängen zwischen 63ΟΟ bis 7000 Ä. Ein einmal gespeichertes Ladungsmuster läßt sich durch Einwirken sichtbaren Lichtes wieder löschen. Die Löschung des Musters kann ebensogut durch Anlegen sehr starker elektrischer Feldimpulse erfolgen. Zusätzlich lassen sich durch Einstrahlen infraroten Lichtes der Wellenlängen zwischen 8OOO und 9OOO 8 die Haftstellen leeren, so daß hierdurch die Fähigkeit zur Speicherung eines Ladungsmusters aufgehoben wird.

Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung dient zur Speicherung eines akustischen Hologramms, das nach Bedarf optisch ausgelesen werden kann. Hierbei entspricht der Hohlraumresonator 32 dem der Anordnung nach Fig. 3. Er ist jedoch insofern modifiziert, als ein Objekt J)h zwischen dem elektroakus tischen Wandler 30 und dem piezoelektrischen Kristall 2 angeordnet ist (Fig. 3A). Besteht das im Impulsdiagramm nach Fig. 4 gezeigte hochfrequente Signal A aus einem monochromatischen Impuls ohne Dachschräge, nachdem es durch den elektroakustischen Wandler 30 in eine Schallwelle umgesetzt worden ist, dann entspricht das in defl Kristall 2 eintretende Signal einer Welle, die durch das Objekt 3²J gestreut oder gebeugt ist. Wird nun der hochfrequente Schreibimpuls B während des Vor-

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handenseins dieser gestreuten bzw. gebeugten Welle zugeführt, dann variiert das Ladungsraumgitter im .Kristall 2 entsprechend der Phase und Amplitude, der durch das Objekt 34 erzeugten gestreuten Welle. Tatsächlich wird nun eine holographische Abbildung des Objektes 34 gespeichert. In Verbindung mit der so gespeicherten Ladung tritt außerdem eine Variation des optischen Brechungsindexes im Kristall 2 auf. Wird deshalb ein Laserstrahl vom Laser 36 über den Drehspiegel 38 auf dem Kristall 2 unter dem Bragg'sehen Beugungswinkel gesichtet, wie im Artikel " Holographie Recording Lithium Niobate" von J. J. Amodei u.a. in "RCA Review", Bd. 33> März 1972, Seiten 71-93 beschrieben, dann wird die im Kristall 2 gespeicherte akustische Bildinformation über den Drehspiegel 40 auf eine geeignete Bildaufnahmeeinrichtung 42 reflektiert.

In der Anordnung nach Fig. 7 läßt sich das Gesamtfeld E am Kristall 2 gemäß der Gleichung

E = E_dc + E_p cos (^ω ^k₁X+φ) + E₂cos ^ω ₂ΐ

ausdrücken, worin E. einem Gleichfeldimpuls entspricht, der vom Gleichfeldimpulssender 48 über Spule 44 und andererseits über Kondensator 46 dem Kristall 2 zugeführt wird. Der Ausdruck

E cos(ü) t-k^+Φ)

entspricht dem die Information enthaltenden Impuls, der sich durch den Kristall 2 fortpflanzenden und durch den Impuls (1) hervorgerufenen Schallwelle. E„cos "t entspricht dem Bezugsimpuls (2), der auf den Kristall 2 eintrifft. Der Gleichfeldimpuls wird gleichzeitig mit dem hochfrequenten Impuls (2) der Frequenz _? zugeführt. In bezug auf die Größe E_dc gelten zwei Bedingungen, nämlich sie ist vorhanden oder nicht.

Unter der Bedingung (A) mit E_dc = O gilt: ^₂ =2^zj ^{für n} = ¹,²^^_s ... In einem solchen Falle findet die Speicherung ohne Anlegen eines entsprechenden Gleichfeldes statt und zwar solange wie ω₂ = ω₁ ist oder lediglich einem ungeraden Bruch von ω^ entspricht, YO 974 015

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nämlich: ^ω ₂ = I V \^i' ^usw" * ^{Unfcer der Bedin}S^unS

E_, /O, "gut: ώ_ '=" —V worin η = 1, 2, 3·.·· ¹St d dc c- n

^mlt

_, /O, gut: ώ_ V worin η 1, 2, 3 demnachO?_? dc c- n

als gerader Bruch von ^ω ₁ gewählt, dann kann gemäß Bedingung (A) keine Speicherung stattfinden, wenn nicht im Kristall 2 ein Gleichfeld zusammen mit dem Signalimpuls (2) zur Einwirkung gebracht wird. Gemäß der Bedingung (B) bei Abgabe eines Gleichimpulses B durch Sender h8 erhält die erfindungsgemäße Anordnung einen größeren Freiheitsgrad, indem einer größeren Auswahl für ω₂ Raum gegeben wird. Der Ausgangssignalimpuls 0, den der Empfänger 10 aufnimmt, reproduziert die durch den Impuls (1) übertragene Information mit der Frequenz ^ω^ nach Speicherung unter Einwirkung des Impulses (2) mit der Frequenz ω und nach Auslesen durch einen Impuls ähnlich dem Impuls 18 der Fig. 1 bei Frequenz ω. ;

Diese grundsätzliche Erfindungsanordnung läßt sich zum Bereitstel- ; len von Verzögerungsleitungensignalverfolger (Convolver) Oberflächenspeichervorrichtungen, die sich beispielsweise für Fotokopien auslesen lassen, elektronisch steuerbare elektroakustische Wand-

ler zur Verarbeitung von Radarsignaleh usw. entsprechend abwan- !

dein. Die nun folgende theoretische Abhandlung für die Betriebs- ^! weise der Erfindung soll dazu dienen, die Erfindung in den vielen ! Anwendungsarten realisieren zu können, bei denen die Erfindung zur Verarbeitung von hochfrequenten Signalen und/oder Schallwellen Anwendung finden kann. Im allgemeinen tritt eine sich vorwärts aus-i breitende Deformationswelle mit Frequenz ω _und _mit Wellenvektor Ic in der Schreibweise (_ω, k) mit einem elektrischen Feld (ω,Ο) in \ Wechselwirkung, um eine Umverteilung einer räumlichen Elektronenladung mit Hilfe einer durch ein elektrisches Feld induzierten quantenmechanischem Tunnelung von Elektronen-Haftstellen im oberflächen nahen Bereich herbeizuführen oder durch andere feldabhängige Haft-Btellenentleerungsmechanismen. Die umverteilte Ladung variiert räumlich entsprechend dem durch die Schallwellenlänge festgelegten Maßstab, d.h. Ladungsgitter werden gebildet und lassen sich für eine lange Zeitspanne speichern.

'Die Tatsache, daß Kristalle 2 der gleichen Verbindung, aber ent-

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standen aus verschiedenen Quellen, unterschiedliche Resultate herbeiführen, zeigt an, daß die beobachteten Phänomene mit dem Auftreten von Fehlstellen in Kristallen 2 verknüpft sind. Außer im Cadmiumsulfid sind die Phänomene auch im polaren Kristall Cadmiumselenid und im nichtpolaren Kristall Cadmiumtellurid (^-Symmetrie) festgestellt worden.

Die Erfindung ist realisiert worden mit einem Kristall 2, bestehend aus Cadmiumsulfid, dessen spazifischer Widerstand angenähert 10 Ohm cm bei einer Temperatur von 300 ⁰K betragen hat. Dieser Kristall ist lichtempfindlich und schwefelkompensiert. Sowohl a-Schnitt und c-Schnitt-Einkristallstäbe oder -platten 2 wurden in elektrische Feldzonen von durch Stempel belasteten oder von rechteckförmigen X-Band-Hohlraumresonatoren 20 (Fig. 2), 21' oder 32 (Fig. 3) oder zwischen parallelen Platten 4 und 6 (Fig. 1) angebracht. Die Frequenz der Hochfrequenzimpulse im Resonanzhohlraum wurde zwischen 200 und 9000 MHz und die zwischen den parallelen Platten 4 und 6 zwischen 50 und 700 MHz variiert.

Die erzielten Ergebnisse zeigen, daß die Amplituden der beobachteten Ausgangssignale stark abhängig von der Beleuchtung des Kristalls 2 sind. Befindet sich so der Kristall 2 im thermischen Gleichgewicht im Dunkeln, dann werden keine Ausgangssignale nach Zuführung von hochfrequenten Signalen, wie die hochfrequenten Eingangsimpulssignale 12 und 14, beobachtet. Während und unmittelbar nach Beleuchtung des Kristalls 2 mit sichtbarem Licht 16 lassen sich starke Signale erzeugen. Die Abklingzeit zum Auslesen des Ladungsmusters im Dunkeln variierte dabei von 2 Millisekunden bei 200 ⁰K bis zu mindestens einem Monat bei 4,2 ⁰K.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Ausgangssignalamplituden von der Wellenlänge λ der Beleuchtungsstrahlung 16 abhängig ist.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Beleuchtung des Kristalls 2 zum Auffüllen der oberflächennahen Elektronen-Haftstellen (E_rf = 10_eV) im 3ereich des Leitungsbandes führt. Hierzu ist sicht-

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bare Lichteinstrahlung erforderlich. Derartige Kaftstellen besit- j zen Lebensdauern, die sich über Monate bei Temperaturen des flüssig

gen Heliums erstrecken können. ^:

Das erfindungsgemäße Speicher- und Informationsverarbeitungssystem i ist dabei analog einem holographischen Speicher, bei dem der In- ! formation führende Strahl durch ein im Kristall 2 aufgrund des
hochfrequenten Signals 12 erzeugtes Schallsignal und der Referenz- i

strahl durch den zweiten hochfrequenten Signalimpuls 14 dargestellt) werden, wobei letzterer in Verbindung mit dem erzeugten Schallsignal gewissermaßen ein eingefrorenes Muster aufgrund der Interferenz dieser beiden Signale hervorruft. Das darauf folgende Auslesen eines die Information führenden Signals läßt sich nach Belieben vornehmen. Das Löschen des gespeicherten Musters erfolgt durch
Zuführen von Infrarot oder weißem Licht auf den Kristall 2.

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Claims

PATEN T_ A N S P R Ü C H E

Festkörperspeicher, bestehend aus einem Material mit Fehlstellen, an denen sich Elektronen einfangen lassen und die anschließend durch elektrische Felder anregbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auffüllen der hierin enthaltenen Elektronen-Haftstellen Licht einstrahlbar ist, daß eine Schallquelle zur Übertragung eines Information führenden Ultraschallimpulses durch diesen Festkörper vorgesehen ist, und daß über eine Schaltvorrichtung ein zweiter hochfrequenter Impuls während des Auftretens des Ultraschallimpulses im Festkörper einwirkbar ist, so daß die im Ultraschallimpuls enthaltene Information in Form eines stabilen Musters der eingefangenen Elektronen einschreibbar ist, indem die so erzielte Ladungsverteilung analoge räumliche Variationen entsprechend der im Ultraschallimpuls enthaltenen Information besitzt und Phase und Amplitude des Ultraschallimpulses im Festkörper speicherbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper aus Cadmiumsulfid besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Cadmiumsulfidkristall mit Schwefel dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von ^>100 000 Ohm cm besitzt.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung eines akustischen Hologramms ein piezoelektrischer Halbleiter hohen spezifischen Widerstands dient, bei dem Mittel zur Bereitstellung von Elektronen-Haftstellen vorgesehen sind, daß ein phasen- und amplitudenmodulierter hochfrequenter Signalimpuls an diesen Halbleiter anlegbar ist, so daß er in einen entsprechenden Schallimpuls gleicher Frequenz umsetzbar ist und daß ein zweiter Hochfrequenzimpuls während des Auftretens dieser Schallwelle an diesen Kristall anlegbar ist, so daß der aku-

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stische Impuls in Form einer Ladungsver^eilung der Elektronen speicherbar ist, welche entsprechend der Phase und Amplituden des zuerst genannten die Information führenden hochfrequenten Signalimpulses entspricht.

5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite hochfrequente Impuls sehr viel kürzere Zeitdauer als der erste hochfrequente Signalimpuls besitzt.

6. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Information entsprechende Ladungsverteilung im Kristall einem dritten hochfrequenten Impuls der gleichen Frequenz wie der des ersten hochfrequenten Signalimpulses zum Auslesen des gespeicherten akustischen Impulses aussetzbar ist.

7. Anordnung mindestens nach Anspruch 1 und Anspruch 4, dadurchl gekennzeichnet, daß ein zweiter akustischer Impuls gleicher; Frequenz wie die des ersten akustischen Impulses an das im | Kristall gespeicherte Ladungsmuster zum Auslesen des gespeicherten zweiten Hochfrequenzsignalimpulses anlegbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper aus einem anion-kompensierten piezoelektrischen Kristall besteht.

$. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Hochfrequenzbereich zwischen 10 und 100 MHz liegt.

Ϊ0. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite hochfrequente Signalimpuls nach vorgegebenem Zeitablauf vom Anlegen des akustischen Impulses zum Einschreiben dieses akustischen Impulses in Form eines stabilen Musters eingefangener Elektronen, dessen Verteilung gleich der des akustischen Impulses ist, anlegbar ist, und

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daß zum Auslesen ein dritter Impuls anlegbar ist, dessen \ Frequenz gleich dem erstgenannten ist.

11. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Ver- ! ^! Wendung einer Laserlichtquelle zum Auslesen des gespeicher- i ! ten Hologramms und durch Bildaufnahmevorrichtungen zum

Empfang des gebeugten Laserlichts. ;

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12. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn- ! zeichnet, daß gleichzeitig mit dem zweiten hochfrequenten
Signalimpuls ein Gleichspannungsimpuls auf den Festkörper
zuführbar ist, so daß zwischen den Frequenzen des ersten
Hochfrequenzsignalimpulses ω. und des zweiten hochfrequenten Signalimpulses ω« die Beziehung gilt:

^ω ₂ = — , worin η eine ganze_r von Null verschiedene Zahl
darstellt.

YO 974 015

609808/0696

Jt

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