DE2107022B2 - Ladungsübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Halbleitervorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche eine erheblich größere Übertragungsgeschwindigkeit bei gleichzeitiger einfacherer Herstellungsweise besitzt

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Ladungsübertragungsvorrichtung nach Patent-

giimgsvorrichtung, bei der Verbindungsleitungen zwischen den Elektroden und einer Taktquelle vermieden sind,

Fig. 13 eine Ausführungsform ähnlich wie S Fig. 12,

Fig. 14 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrichtung mit einem Isolator alls Speichermedium und

Fig. 15 einen Schnitt durch eine Endstufe des

anspruch 1 sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 ge- ίο Ausführungsbeispiels nach Fig. 14. kennzeichnet. Die F i g. 1A bis ID veranschaulichen den La-

Die vorliegende Erfindung beruht allgemein auf dungsübertragungsvorgang. Gemäß Fig. IA ist ein der Erkeniiinis, daß elektrische Ladungen in einem Halbleitersubstrat 10 mit einer dünnen Isolierschicht räumlich definierten Potentialminimum innerhalb 11 bedeckt, auf der wiederum eine Reihe von Metalleines Halbleitermediums gespeichert werden können, 15 elektroden 12, 13 angeordnet ist. Gemäß Fig. IA ist wobei jeder Speicherplatz innerhalb des Halbleiter- die Elektrode 12 vorgespannt und die Elektrode 13 mediums gewählt und in zwei Dimensionen bewegt
werden kann. Auf diese Weise könncu Informationen
darstellende elektrische Ladungen erzeugt, übertragen und ausgelesen werden.

Bei den verwendeten Speicherplätzen handelt es sich um Verarmungsbereiche, weiche in der Lage sind, Minoritätsladungsträger einzuschließen und zu speichern. In der nachstehenden Beschreibung werden

nicht vorgespannt, so daß sich unter der Elektrode 12 ein Verarmungsbereich bzw. eine Potentialmulde 14 ausbildet. In F i g. 1B sind Minoritätsladungsträger 15 veranschaulicht, welche beispielsweise durch Photonenabsorption erzeugt werden und zu dem Verarmungsbereich 14 wandern, wo sie gespeichert werden. Wenn die Elektrode 13 gleichzeitig mit der Elektrode 12 vorgespannt wird, erstreckt sich der

diese Speicherplätze als »Potentialmulden« bezeich- 25 Verarmungsbereich stetig unter beiden Elektroden, net. Eine Potentialmulde kann an einer gewünschten wie sich aus Fig. IC ergibt. Die Ladung verteilt sich Stelle in dem Halbleitermedium durch örtliche Vor- wiederum quer zu dem Halbleitersubstrat 10. Wenn spannung dieser Stelle erzeugt werden. Dies kann bei- die Vorspannung an der Elektrode 12 gemäß F i g. 1D spielsweise dadurch erleichtert werden, daß eine elek- beseitigt wird, so bricht der Teil des Verarmungstrische Feldverteilung über der Halbleiteroberfläche 3° bereiches unter der Elektrode 12 zusammen, wobei erzeugt wird. Die Übertragung erfolgt in der Weise, die gesamte Ladung zu der Potentialmulde 14' verschoben wird, die nunmehr der Elektrode 13 zugeordnet ist. Die Weiterschiebung der gespeicherten Ladung zu der nächstfolgenden Potentialmulde er-35 folgt in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben. Auf diese Weise kann die eine Information darstellende Ladung schrittweise über die Oberfläche des Halbleitersubstrates 10 übertragen werden. Das Halbleitersubstrat 10 kann abweichend von dem in

F i g. 2 einen Längsschnitt durch ein Schieberegister 40 F i g. 1 A und 1B dargestellten Beispielsfall auch mit einer erfindungsgemäßen Ladungsübertragungs- p-leitend sein, wobei das Vorzeichen der dargestellten vorrichtung, Ladungen umgekehrt werden muß.

F i g. 3 ein Impulsdiagramm für das Schieberegister Die vorstehend beschriebene Ladungsübertragungs-

nach F i g. 2, vorrichtung wird, wie in F i g. 2 veranschaulicht ist,

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel für ein bevorzugtes 45 in bevorzugter Weise als Schieberegister verwendet, Verfahren der Ladungsübertragung, da Schieberegister in zahlreichen Arten von Logik-

F i g. 5 A bis 5 C verschiedene Ausführungsformen bauelementen und Speichern enthalten sind. Bei dem von Endstufen für erfindungsgemäße Ladungsüber- Schieberegister nach F i g. 2 ist ähnlich wie in F i g. 1 tragungsvorrichtungen, ein Halbleitersubstrat 20 mit einer Isolierschicht 21

F i g. 6 A, 6 B Ausführungsbeispiele für bevorzugte 50 bedeckt, auf welcher eine Reihe von hintereinander Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades der angeordneten Elektroden 22 bis 24 in Dreiergruppen Ladungsübertragung, angeordnet ist, die mit den Zusatzbezeichnungen a,

F i g. 7 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel b ... η versehen sind. Jede dritte Elektrode ist mit eines Vierkanal-Schieberegisters nach F ί g. 2, einer zugeordneten Taktleitung 22', 23' bzw. 24' ver-

F i g. 8 eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Aus- 55 bunden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führungsbeispiel, bei dem Überkreuzungen der Takt- besteht die Eingangsstufe 25 aus einem Metall-Iso-

daß die Potentialmulden längs des gewünschten Übertragungsweges schrittweise bewegt werden. Hierbei wird die in jeder Potentialmulde angesammelte Ladung bewegt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1A bis 1D Längsschnitte durch eine erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrichtung,

leitungen vermieden sind,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung zur Veranschaulichung der Elektrodenanordnung,

Fig. 10 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Ladungsübertragungsvorrichtung zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform für die Elektrodenanordnung,

Iator-Halbleiter-(MIS)-Bauelement, das Lawinendlurchbruchscharakteristik besitzt. Die in der Eingangsstufe 25 erzeugte Ladung wandert in der gezeigten Weise zu einer Potentialmulde 27 a. Dabei wird, wie aus den Symbolen am Eingang und Ausgang erkennbar ist, eine aufeinanderfolgende Kette von Rechteckimpulsen übertragen.

Das Schieberegister kann im Kreisbetrieb arbeiten,

Fig. 11 einen Schmitt durch eine als Bildanzeige- 65 um entweder die Speicherdauer zu verlängern oder

einrichtung verwendete Ladungsübertragungsvorrich- das Informationssignal zu regenerieren und damit

tung, Störungen oder Übertragungsverluste auszugleichen.

Fig. 12 einen Schnitt durch eine Ladungsübertra- Hierzu braucht lediglich das Ausgangssignal zu der

5 * 6

Eingangsstufe über eine geeignete Regenerierschal- liehen Oberflächenstörsteilen, welche Ursache von

tung 33 rückgeführt zu werden. unerwünschten Ladungsträgerrekombinationen sind,

Ein wichtiger Anwendungsfall umfaßt den Betrieb verhältnismäßig frei von Majoritätsladungsträgern der Ausführungsform nach F i g. 2 als Verzögerungs- gehalten werden. Durch Isolierung der Majoritätsleitung. Durch aufeinanderfolgende Vorspannung der 5 ladungsträger des Halbleitersubstrates gegenüber der Taktleitungen 23', 24', 22' wird die Ladung in eine genannten Zwischenfläche mittels einer Raum-Potentialmulde 27 b und von dort in aufeinander- ladungsschicht können die Ladungsträger in den folgende Potentialmulden bis zur Potentialmulde 27 π Oberflächenstörsteilen nach erfolgter Rekombination übertragen. Von dort wird die Ladung in einen Ver- mit Minoritätsladungsträgern nicht mehr ersetzt werarmungsbereich 28 ausgespeichert, welcher einem io den. Dieses Verfahren, welches lediglich eine Vorpn-Übergang 29 der Ausgangsstufe zugeordnet ist. spannung an jeder Elektrode erfordert, gewährleistet Der pn-übergang 29 wird über eine Elektrode 32 von eine lange Lebensdauer der das Informationssignal einer Spannungsquelle 31 vorgespannt, so daß an darstellenden Minoritätsladungsträger, was besoneinem Verbraucher 30 ein impulsförmiges Ausgangs- ders bei vielstufigen Vorrichtungen von wesentlicher signal in der gezeigten Weise ansteht 15 Bedeutung ist.

Die vorliegend veranschaulichte Ausgangsstufe Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist

enthält, wie schon erwähnt, einen pn-übergang zur in Fig. 4 veranschaulicht, wo ein Mittelabschnitt

Entnahme bzw. zum Auslesen der unterhalb der letz- des Schieberegisters nach Fig. 2 dargestellt ist. Das

ten Elektrode 24 η gesammelten Ladungen. An Stelle Halbleitersubstrat 40, welches wiederum n-leitend

eines pn-Überganges kann auch eine Schottky-Sperr- so ist, die Isolierschicht 41 sowie die Metallelektroden

schicht vorgesehen werden, wie sie beispielsweise in 42 a, 43 a, 44 a, 426, 43 b, 44b und die zugeord-

der Zeitschrift /The Bell System Technical Journal«, neten Leitungen 42', 43' und 44' sind identisch mit

Band XLIV, Nr. 7, September 1965, S. 1525 bis 1528 entsprechenden Teilen der Vorrichtung nach Fi g. 2.

beschrieben ist. Der wesentliche Unterschied besteht in der bereits

Ein Beispiel für eine Taktimpulsfolge für das 35 erwähnten konstanten Vorspannung V an allen Schieberegister nach F i g. 2 ist in F i g. 3 veranschau- Taktleitungen, um einen konstanten Verarmungslicht. Die dort dargestellten Diagramme zeigen die bereich 45 über das gesamte Halbleitersubstrat zu Übertragung des Binärkodes LLOL. Obgleich sich erzeugen. Unter den Elektroden 42 a, 42 b werden dies aus der vorliegenden Darstellung nicht ergibt. Potentialmulden 46 infolge einer Taktimpulsspanläßt sich aus F i g. 2 entnehmen, daß jede Elektrode 30 nung V_B gebildet, welche der Vorspannung V über-22 a bis 22 η gleichzeitig über die Taktleitung 22' lagert ist.

mit einem Taktimpuls beaufschlagt wird, was in glei- Das Schieberegister nach F i g. 2 weist eine Eincher Weise auch für die Taktleitungen 23' und 24' richtung mit Lawinendurchbruchscharakteristik zur zutrifft. Die Taktimpulse an jeder Elektrode sind zeit- Erzeugung von Ladungen an der Eingangsstufe 25 lieh so aufeinander abgestimmt, daß die Zeitperiode 35 auf. An Stelle dessen können die Minoritätsladungs- At zwischen den Vorderflanken von aufeinander- träger auch andersartig erzeugt werden. Wenn beifolgenden Taktimpulsen geringer ist als die dreifache spielsweise die Eingangsstufe einen pn-übergang umImpulsbreite t_p. Dies stellt sicher, daß der Takt- faßt, können in das Halbleitersubstrat Minoritätsimpuls an jeder aufeinanderfolgenden Elektrode so- ladungsträger durch Anlegen von Spannungsimpulsen wohl die vorangehende als auch die nachfolgende 40 in Durchlaßrichtung injiziert werden, welche dem Elektrode überlappt. Andernfalls könnte eine Poten- gewünschten Eingangssignal entsprechen. Ferner tialmulde zusammenbrechen, bevor die nächst- können Ladungsträger auch durch ein Metall-Isofolgende Potentialmulde für deren Ladung auf- lator-Halbleiter-Bauelement mit Oberflächenlawinennahmebereit ist. In F i g. 3 stellt das obere Diagramm charakteristik injiziert werden, wie dies beispielsweise die Vorspannung am Ausgang, das nächstfolgende 45 in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Diagramm das Ausgangssignal, die sechs anschlie- Band 9, Nr. 12, S. 444, beschrieben ist Schließlich ßenden Diagramme die Taktimpulse und das letzte kommt auch eine Hybridstruktur mit einem Metall-Diagramm das Eingangssignal dar. oxid-Oberflächenkontakt an einem pn-übergang in Gemäß Fig. IC ist die Ladungsübertragungsdauer Betracht. Eine andere wahlweise Ausbildungsform für den unter der Elektrode 12 liegenden Teil der 50 besteht in der Erzeugung von Lochelektronenpaaren Ladung gleich der Abklingdauer eines Taktimpulses durch Photonenabsorption oder durch Absorption nach Fig. 3. Versuchsergebnisse zeigten, daß die anderer ionisierender Strahlung. Die Minoritäts-Übertragungsdauer unter den angegebenen Bedingun- ladungsträger zerstreuen sich dabei auf einen benachgen sehr kurz ist Wenn jedoch die Taktimpulsfolge barten Verarmungsbereich, welcher im Falle des nach Fig. 3 vergleichsweise hochfrequent ist so 55 Schieberegisters nach Fig. 2 die erste Potentialmulde kann es günstig sein, eine Taktimpulsform mit einer 27a ist. Fig. 2 zeigt eine hierfür geeignete Einrich-Iängeren Abidingdauer zu verwenden, beispielsweise tung 35 in Form einer Lichtquelle, beispielsweise eine Sinusform. einer Elektrolumineszenzdiode. Diese Art der Er-Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfin- zeugung von Minoritätsladungsträgern kann vorteildungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung ist 60 haft bei Bildverarbeitungseinrichtungen verwendet eine konstante Vorspannung für alle Taktleitungen werden, wie später noch im einzelnen erläutert wervorgesehen, um zumindest einen flachen Verarmungs- den soll.

bereich über die gesamte Fläche des Halbleitersub- Die Ausgangsstufe kann ebenfalls verschiedenartig

strates aufrechtzuerhalten. Die genannte Vorspan- ausgebildet sein. Fig. 5A bis 5C zeigen einige wahl·

nung sollte zumindest gleich der Schwellspannung 65 .weise Ausführungsformen, wobei außer der Aus·

zur Erzeugung einer Inversionsschicht im Gleich- gangssrufe auch die letzte Elektrode 24 η veranschau·

gewichtszustand sein. Auf diese Weise können die licht ist. In F i g. 5 A ist die Ausgangsstufe ein Metall-

bei Halbleiter-Isolator-Zwischenflächen unvermeid- Isolator-Halbleiter-BauelemenL wnhei «

zweckmäßig ist, wenn der Übertragungsabschnitt mit den Potentialmulden ebenfalls eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur aufweist. Wenn das Halbleitersubstrat an Minoritätsträgern verarmt ist, so zeigt die der Anzeigeelektrode 50 zugeordnete Kapazität das Vorliegen oder das Nichtvorliegen einer von außen in den Verarmungsbereich 51 eingebrachten Ladung an. Die Kapazität wird durch eine Kapazitätsbrücko in der dargestellten Weise gemessen, wobei der Meßist. Ein p-leitender Bereich 20/1 isoliert in bekannter Weise den Feldeffekttransistor gegenüber den übrigen Teilen des Schieberegisters. Die gemessene Spannung V₀ liegt an der Gateelektrode 66 an, die 5 auf einem Ansatz der Isolierschicht 21 angebracht ist. Die Source- und Drainzonen 67 bzw. 68 des Feldeffekttransistors werden durch Öffnungen in der Isolierschicht hindurch eindiffundiert und sind über einen Verbraucher 71 mit einer Vorspannungsquelle

g g

wert auf einem Anzeigegerät 52 dargestellt wird. Eine io 72 verbunden. Ein Anzeigegerät 73 zeigt den leiten-Vorspannungsquelle 53 ist über einen Schalter 54 den Zustand des Feldeffekttransistors an, was dem mit der Endstufe der Ladungsübertragungsvorrich- Vorliegen oder dem Nichtvorliegen einer Flächentung verbunden, um den Halbleiterabschnitt unter ladung Q₁ entspricht.

der Elektrode 50 intervallweise vorzuspannen. Dies Ein von der Quelle 64 erzeugter positiver Impuls

dient einmal zum Aufbau des Verarmungsbereiches 15 rekombiniert jegliche Restladung Q₁ und tastet die 51 (um die übertragenen Ladungsträger in diesen Ladungsübertragungsvorrichtung auf Anzeige des Verarmungsbereich einzuspeichern) und ferner zum übertragenen Informationssignals. Dagegen bewirkt h d Vbih 5 dh Rk ein negativer Impuls eine positive Aufladung der

Elektrode 63 und eine Verarmung des Bereichs unter dieser Elektrode an dort gesammelten und von der Potentialmulde unterhalb der Elektrode 24η übertragenen Löchern. Die Gateelektrode 66 wird auf das gleiche Potential vorgespannt, wobei der Feldff d

g p

Löschen des Verarmungsbereiches 51 durch Rekombination der dort gespeicherten Ladungsträger.

Bei der Anzeigevorrichtung der Ausgangsstufe nach Fig. 5B liegt eine Wechselstromquelle 55 zwisehen zwei benachbarten Elektroden 56 und 57, von denen die Elektrode 57 wiederum mit dem Halbleitersubstrat 20 sowie der Isolierschicht 21 ein Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelement
Vorspannungsquelle 58 hält einen g

bereich 59 unter den beiden Elektroden 56, 57 aufrecht. Ist unter der letzten Übertragungselektrode 24« eine Ladung gespeichert, so wird diese in die

effekttransistor in einem »Einschalt«-Zustand bebildet. Eine 25 lassen wird. Wenn die Flächenladung Q₁ in den Be-Verarmungs- reich unterhalb der Elektrode 63 gelangt, so verrin-7 f gert sich das negative Potential an dieser Elektrode. Die entsprechende Potentialverringerung an der Gateelektrode 66 bringt den Feldeffekttransistor in

Potentialmulde unter der Elektrode 56 während deren 30 seinen »Abschalu-Zustand. Wenn keine Flächen-Beaufschlagung mit einer negativen Halbwelle durch ladung Q₁ vorliegt, so bleibt der Feldeffekttransistor die Quelle 55 übertragen, woran sich eine Übertragung in die Potentialmulde unter der Elektrode 57
fh i i i Hlb

bei deren Beaufschlagung mit einer negativen Halb-

im »EinschalU-Zustand.

An Stelle der in Fig. 5C dargestellten teilweisen

gg g Integration der Endstufe kann der Feldeffekttranwelle durch die Quelle 55 anschließt. Diese Ladungs- 35 sistor auch gesondert angeordnet oder noch weiterübertragung in Rückwärts- und Vorwärtsrichtung gehend integriert werden, derart, daß beispielsweise unter den Elektroden 56, 57 ändert die Wechselspan- die Teile 65, 71 sowie die elektrischen Verbindungen nungsimpedanz der mit den Elektroden 56, 57 ver- in integrierter Schaltkreistechnik ausgebildet sind, bundenen Schaltung gegenüber dem Impedanzwert Die Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten La-

ohne Änderung der Verarmungsschicht. Das Vor- 40 dungsübertragungsvorrichtung beruht auf der therliegen oder Nichtvorliegen von Ladungen kann somit mischen Diffusion von Ladungsträgern von einer über die Impedanz 60 durch das Anzeigegerät 61 Potentialmulde, z. B. 14, zu der nächstfolgenden angezeigt werden. Ähnlich wie der Schalter 54 in Potentialmulde, z. B. 14'. Obgleich dieser Transport-F i g. 5 A dient ein Schalter 62 zur Löschung der ge- mechanismus zu befriedigenden Ergebnissen führt,| speicherten Ladung. Die Löschgeschwindigkeit kann 45 kann die Ansprechdauer derartiger Vorrichtungen dadurch gesteigert werden, daß an Stelle einer bloßen dadurch erheblich verringert werden, daß ein elek-l Abschaltung der Vorspannung ein Schalternetzwerk trisches Feld zum Weiterschieben der Ladungen ver-| zur Umkehrung der Vorspannung der Quelle 58 vor- wendet wird. In vielen Fällen verbessert die Ver gesehen wird. wendung eines derartigen Trtiberfeldes auch d

Die Wirkungsweise der Anzeigevorrichtung der 50 Wirkungsgrad des Speichervorganges. Hierzu kan Ausgangsstufe nach Fig. 5C beruht auf einer direk- beispielsweise der Potentialmulde eine solche Fon ten Spannungsmessung zur Anzeige einer zwischen verliehen werden, daß zwischen benachbarten Poten-I dem Halbleitersubstrat 20 und der Isolierschicht 21 tialmulden ein Feldgradient entsteht. Dieses Prina gespeicherten Flächenladung Q₁ Die Elektrode 63 ist der sogenannten »Feldanreicherung« wird an Hanc| über eine Stromquelle 64 negativ vorgespannt, die in 55 der Ausführungsbeispiele nach Fig. 6A und 6 Reihe mit einem Kondensator 65 liegt. An Stelle näher erläutert, eines Kondensators 65 kann als Kapazität auch eine F i g. 6 A zeigt zwei Leitungen 72. 73 auf eine

Diode vorgesehen werden. Eine Änderung der Flä- Isolierschicht 74, welche wiederum ein Halbleiter chenladung Q₁ führt zu einer Änderung der entspre- substrat 75 überdeckt. Bei Vorspannung der Leitun chenden Kapazität des Metall-Isolator-Halbleiter- 60 gen 72,73 weisen die darunterliegenden Verarmungs Bauelementes. Hierdurch wird das kapazitive Teiler- bereiche die mit gestrichelten Linien 76, 77 veran verhältnis zwischen dem Metall-Isolator-Halbleiter- schaulichtc Form auf. Die Linien 76. 77 stellen dei Bauelement und dem Kondensator 65 beeinflußt. Rand des Verarmungsbereiches des HaIbleitCTsub| was eine Änderung der Spannung V₀ ergibt. Die strates dar und sind von dem Feldpotential an d". Spannung V_n kann auf verschiedene Weise gemessen 65 Halbleiter-Isolator-Zwischenfläche abhängig. Di werden, beispielsweise an der Gateelektrode eines Linien 76. 77 können daher als Feldprofik über de Feldeffekttransistors. Fig. 5C zeigt einen Feldeffekt- Speicherbereich des Halbleitersubstrates betracht transistor, der in das Halbleitersubstrat 20 integriert werden. Wenn die Dicke der Elektroden gleich od

9 10

kleiner als die Dicke der Isolierschicht gewählt wird, gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie L

so erreicht das Feld einen Zustand, wo es von einem Fi g. 4, jedoch unter Voranstellung jeweils der Zif

Punkt und nicht, wie im Falle des Ausführungsbei- fer »1« versehen. Die drei Taktleitungen 142' 143'

spiels nach Fig. 1, von einer Elektrode auszugehen 144' sind unmittelbar auf einem erhabenen Teil de

scheint Dabei wird längs des Halbleitersubstrates 5 Isolierschicht 140 aufgebracht und verbinden dii

ein stetiger Feldgradient erzeugt. Dieser Feldgra- Elektroden 142 a, 1426, 143 a, 1436 144ο bzw

dient führt zur Ausbildung einer Potentialmulde, wo- 144 b. Der Übertragungsweg der schrittweise weiter

bei in der Mitte der Potenüalniulde die Ladung be- geschobenen Ladung ist durch die gestrichelte Linii

grenzt wird. Wenn die dargestellten Potentialmulden 145 veranschaulicht

so ausgebildet werden, daß sie sich überlappen (bei- i. I_n Fällen, in denen sich die Taktleitungen in direk

spielsweise be. Verwendung der Taktimpulsfolge ter Berührung mit der Isolierschicht befinden, stör

nach Fig. 3), so ergibt sich ein^ zusammengesetztes das von jeder Taktleitung erzeugte Feld das zu

Fddprofil gemäß der gestrichelten Linie 78 fF ig. Übertragung gewünschte Feldprofil innerhalb dei

6 A). Wie ohne weiteres ersichtlich ist erfolgt durch Halbleitersubstrates. Zur Beseitigung derartiger Stö-

diese Formgebung ein Ladungstransport von dem 15 rungen kann eine Isolierschicht Slit doppelter Dick«

Verarmungsbereich unter der E ektrode 72 zu dem auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht werdet

Verarmungsbereich unter der Elektrode 73. Sobald (Fig. 9). Das Halbleitersubstrat 110 wird dabei zu·

dem Bereich der Potenti.almulde 77 mit denfhöch- „ S SäSS^Ütf^^Sni Ζ^Ά 73^ewei2rSschoben ^"^ "^ ^{die Elektrode und} ™ Bildung eines Gitters 112 mit Ausnfhmun

durch Ve^endung 5 ^^^^^^^^^t^

^ÄÄÄÄ „ ScSstXeÄSÄ

em derartiger Sagezahnimpuls zum Zeitpunkt t, wäh- duneen 114 ,W Piir„7 m T

rend der Period! der Impulsüberlappung (d. h. der HibStersuhTtrPH H^ V-V"? ^^/

Ladungsübertragungsperiode) den Elektroden 72, 73 "oliert D^e e _{ne H}nn ft η ΐ** I⁵⁰¹!^" }^U

zugeführt so wird dta Elektrode 72 auf eine η ed- chS wird Ä *?ΓΤί* ^I$

rigere Spannung als die Elektrode 73 vorgespannt 30 daßzweT 4SS Ψ

Dies ergibt sich andeutungsweise durch die 'S den teriSS %n

neben den entsprechenden Impulsformen. Die zum unVerscSedlkhe Lt C ·

Zeitpunkt Z₁ getrennten Feldprofile sind durch ge- Z ZdH: IsolieJS?ΪΓ ^T*^^ *?

strichelte Linien 79 bzw. 80 wiedergegeben, wobei neh™nL für dfepf \f^^{kS Ausblldun}f ^der _v ^AuS'

das zusammengesetzte Profil durch die gestrichelte 35 Sr fm _Äf^ f^lektr.i,^en 8^ea« ^^rd- ^{s0 kann}

Linie 89 veranschaulicht ist. Der Feldgradient in d r S^^fÄ^i"™^
üht übrih l

^{2 3}'

Der Feldgradient in d r S^^fÄn^i·^ uT

gewünschten übertragungsrichtung verläuft dabei zu kanntS^Verfahrenί*M Tw *? f l"

dem Verarmungsbereich unterhalb der Elektrode 73 ter Dicke sSt Sp^h ίΐ f *™^Τ I?'^' ΐ,^ΡΡ

Das vorstehend beschriebene Prinzip stellt nur eine einer SchmiÄ t Γ"f- ^νοτ1^^ά™^ΜΦ ^η

Das eindimensionale Schieberegister gemäß F i ο 2 S) IJfS^? ^{3US F}' * ^ί °' ^Das Halbleitersubstrat kann in vorteilhafter Weise in einem Vielkanal- 45 lierschich?^^ ™, ^emer,^eigneten dünnen Isoregister gemäß F i g. 7 verwendet werden. Die lineare SaH ch cni i ^ ^deckt _M ^{auf der eine} gleichmäßige Anordnung nach Fig. 2 erfordert ganz offensicht- MeShchS SS!"*^ ^ ?^UrCh ^" 1" lieh zumindest .·; Überkreuzungen der Taktleitungen 122 bZ IU[\Zy\f\ ^ges°^{nderte Metalle}lektroden (Fig. 7 zeigt zwar 3n-3 Überkreuzungen, jedSch mäßigt iSilSSi IS° t^ ^Λ^ίϊί kann diese Anzahl auf η verringert werden . Die 5= biTl24 aSSÄ »i?A"κ ****£?? Ψ notwendigen Überkreuzungen werden durch Ver- Schicht 12! \ ^{Und Ausne}hmungen 127 in die wendung jeweils einer Überkreuzung für eine große geätzt^ Ansch ,ν^ηί" ^^^'egenden Elektroden Anzahl von Kanälen möglichst wirtschaftlich aus- Wtw IM 2£ J™* ^{3Uf daS Ganze ein Band}' genutzt. Fig. 7 zeigt vier Kanäle, doch kann, wie 122 bs 124 k™^ ^ge"' T*""* ^{die 1}^¹¹?*¹¹ ohne weiteres ersichtlich ist diese Anzahl ohne zu- ₅₅ erfordert irT νη^^ϊ, f ^W,f^rden· ¹^⁰" V^enah™ sätzliche Überkreuzungen beliebig vergiößert wer- AusrSunLmSh ™^&* ^™** ******

den. Die Anordnung der Taktleitungen 81', 82', 83' We S« ^ ""

entspricht derjenigen nach F ig. 2, wobei z.B. die von MinnrilLfT^ ^Mög^{licnkejt der} Erzeugung Taktleitung 81' mit den Elektroden 81 α bis 81 η auf _strat X°"^ta^^aduni£trägeni in dem Halbleitersubeiner Halbleiterplatte 86 verbunden ist. Die Ein- 60 dun«fo™ ¹Γ^οίοη2.^β]»«>φί'οη führt zu Anwengangsstufen 84 und die Ausgangssrufen 85 bedürfen tragungswinchfl 1 T^gemäßen La^^überkeiner erneuten Erläuterung. zeichn,^ L ^{p ύ%} Bestandteil von Bildauf-

Ein anderes Ausführungsbeispiel mit einer verrin- Anw3Lf B'^wedergabeeinrichrungen. Die gerten Anzahl von Überkreuzungen ist in Fig 8 in βΓΛ ^{Λ Bil}daufzeichnungseinrichtung dargestellt Diese Darstellung gibt eine Draufsicht 65 darTesiliit^!^hkamer?.^ist schematisch in Fig. 11 auf einen Teil einer Vorrichtung nach F j g. 4 wieder wendnnolf ^Ifs«"!"^ Eigenschaft dieser An-Die TakUeitungen sind so angeordnet, daß kdne Inforriarioo^⁶^ ■ ί^{Λΐ im} Pa^^ien enlesen von Überkreuzungen erforderlich sind. In Fig. 8 sind faeantoftmV ι ^{dem dar}8^esteI1ten Ausführungs-

«r wupiei raut ucht m Form des aufzuzeichnenden

optischen Bildes auf die den Elektroden abgewandte Oberfläche des Halbleitersubstrates 130. Die gezeigte Anordnung enthält drei Speicherplätze mit drei Elektroden 132 a bis 134 a, 132 b bis 134 ft, 132 c bis 134 c, die mit Taktleitungen 132', 133' bzw. 134' in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 verbunden sind. Mit Ausnahme des Merkmals des parallelen Einlesens entsprechen die Ladungsübertragung und der Auslesevorgang den vorstehenden Ausführungen. Die lineare Anordnung gemäß Fig. 11 kann eine Rasterzeile eines Fernsehsystems darstellen. Die Ladung wird in den Plätzen unterhalb der Elektroden 132 a bis 132 c während der optischen Integrationsperiode gespeichert. Eine Auslesung erfolgt seriell durch Übertragung der Ladung zu der Ausgangsstufe (Fig. 2), wobei sich durch aufeinanderfolgendes Auslesen jeder Rasterzeile das Fernsehbild ergibt.

An Stelle der vorstehend beschriebenen Erzeugung von wandernden Potentialmulden längs der Oberfläche eines Halbleitersubstrates können wandernde Potentiale auch durch eine in einem piezoelektrischen Medium wandernde akustische Welle erzeugt werden. Ein auf diesem Prinzip beruhendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 12 veranschaulicht, wo ein Teil des Schieberegisters nach F i g. 2 mit einem Halbleitersubstrat 159, einer Isolierschicht 160 und einer Reihe von Metallelektroden 161 dargestellt ist. Auf den Metallelektroden ist eine piezoelektrische Schicht 162 niedergeschlagen, beispielsweise aus Zinkoxid oder Kadmiumsulfid. Ein nicht veranschaulichter piezoelektrischer Wandler oder eine andere geeignete Vorrichtung erzeugt eine Ultraschallwelle, die sich durch die Schicht 162 parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrates fortpflanzt. Das elektrische Feld, welches die elastische Deformation in der piezoelektrischen Schicht begleitet, spannt sequentiell die Elektroden 161 vor und schafft Potentialmulden 163, die in der beschriebenen Weise längs der Oberfläche des Halbleitersubstrates 159 wandern. Im Ergebnis entspricht dies der Ladungsübertragung bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung von gesonderten Elektroden zeigt Fig. 13. Das dort dargestellte Halbleitersubstrat 170 ist unmittelbar mit einer piezoelektrischen Schicht 171 bedeckt. Bei dieser Ladungsübertragungsvorrichtung wird das elektrische Feld, welches sich in Zuordnung mit der elastischen Welle in der Schicht 171 fortpflanzt, wiederum zur Erzeugung von wandernden Potentialmulden 172 verwendet. Eine durchgehende Metallelektrode 173 kann dazu benutzt werden, um eine gleichförmige Verarmungsschicht über der gesamten Ladungsübertragungsnache in dem Halbleitersubstrat zu bilden und damit den im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach F i g. 4 beschriebenen Zweck zu erreichen.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung erforderlichen Werkstoffe sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise können für das Halbleitersubstrat Silizium und für die Isolierschicht Siliziumdioxid oder Verbindungen von Siliziumdioxid wie SiO₂—SiN, SiO₂—Al₁O, usw. verwendet werden. Als Elektrodenwerkstoffe stehen Gold, Aluminium oder dotiertes Silizium zur Verfugung.

Bei einer hergestellten Ladungsübertragungsvorrichtung entsprechend dem Schieberegister nach F i g. 2 wurde η-leitendes Silizium mit einer Leitfähigkeit von 10 Ohm · cm als Halbleitersubstrat 20 und thermisch gewachsenes Siliziumdioxid in einer Dicke von 1000 bis 2000 A als Isolierschicht 21 verwendet. Die besten Ergebnisse zeigte ein trockenes Oxid von 1200 A Dicke, das in Sauerstoff bei HOO⁰C über 1 Stunde gezüchtet und in einer Stickstoffatmosphäre über 1 Stunde bei 400° C getempert wurde. Das Flachbandpotential dieses Oxids beträgt

ίο üblicherweise —5 V, während die Dichte der Oberflächenstörstellen in der Größenordnung von 10¹⁰ Störstellen/cm² liegt. Die Elektroden 22 bis 24 können aus Gold mit beliebiger Dicke bestehen, beispielsweise 0,1 bis einige μΐη. Als geeignete Eingangsstufe erwies sich ein p-leitender Bereich mit einer Borkonzentration von 10¹³ Atomen/cm³, der bei einigen Volt angelegter Spannung einen Lawinendurchbruch zeigte. Die Ausgangsstufe kann ein ähnlicher pn-übergang sein.

Die Abmessungen der Ladungsübertragungsvorrichtung können sich in weiten Grenzen ändern. Die Abstände zwischen den Elektroden hängen von dem Ausmaß des zulässigen Raumladungsbereiches ab. Wenn beispielsweise das Halbleitersubstrat aus SiIizium mit einer Leitfähigkeit von 10 Ohm · cm besteht und eine Spannung von 10 V angelegt wird, so erstreckt sich der Verarmungsbereich auf etwa 5 μΐη. Dies würde einen Elektrodenabstand in der Größenordnung von einigen μΐη für die notwendige Überlappung erfordern.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Isolators für das Substrat. Eine derartige Ladungsübertragungsvorrichtung ist in Fig. 14 veranschaulicht, die dem Schieberegister nach Fig. 2 ähnelt. Durch die Verwendung eines Isolierwerkstoffes als Substrat bzw. Speichermedium 180 verarmt das Substrat während des Betriebes an solchen freien Ladungsträgern, die mit den übertragenen Ladungsträgern rekombinieren können.

Als zweckmäßige Werkstoffe für das Substrat kommen bei dieser Ausführungsform ZnO, ZnS, CdS und KTaO, in Betracht. Die Isolierschicht 181 besteht aus hochqualitativem dünnem dielektrischem Material mit Eigenschaften, die auch für die Zwischen-Echicht eines Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelementes geeignet wären. Beispiele dafür sind Siliziumdioxid und Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die Metallelektroden 182 a bis 182 rc, 183 a bis 183 η und 184 a bis 184 η sind mit einem dreiphasigen Taktgenerator übei zugeordnete Taktleitungen 182, 183 bzw. 184 verbunden. Eine sequentielle Vorspannung dieser Taktleitungen führt zu einer sequentiellen Vorspannung der Elektroden und damit zur Schaffung eines wandernden Feldes längs der Oberfläche des Substrates

180. Die durch die Eingangsstufe 185 injizierten Ladungsträger werden durch dieses Feld zu der Ausgangsstufe 186 übertragen, wo das Vorliegen odei das Nichtvorliegen von Ladung in der vorstehend beschriebenen Weise angezeigt wird. Der Werkstofl für das Substrat 180 kann insbesondere als Funktion der Struktur der Ladungsübertragungsvorrichtuni wie folgt definiert werden:

wobei f die Dielektrizitätskonstante der Isolierschich 181, E das an der Isolierschicht 181 angelegte elektrische Feld, e die Elektronenladung (1,6 10*,/

t die Dicke des Substrats 180 und η die Konzentration an freien Ladungsträgern in dem Substrat 180 ist

Das Produkt εΕ stellt die Dielektrbität P der Isolierschicht 181 dar. Die beobachtete Dielektrizität für einen Isolator außergewöhnlicher Qualität beträgt 10 · 10-« Cb · cm"². Ein praktisch erzielbarer Höchstwert für den Ausdruck P/e liegt daher in der Größenordnung von 6 · 10^:ε, so daß die vorstehende Gleichung (1) auf den Ausdruck

nt< 6 - 10" (2)

vereinfacht werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfaßt zusätzlich zu den Merkmalen der Ausführungsform nach Fig. 14 eine Metall-Isolator-Halbleiterschicht am Eingang des Substrates 180, wodurch die Einprägung eines Feldes ohne Injektion von Ladungs trägern möglich ist Dies dient zur Beschränkung de übertragenen Ladung auf den aktiven Flächenbereicl des Substrates 180, wodurch der Wirkungsgrad dei Ladungsübertragung verbessert wird. Diese Maß nähme ist ferner ^weckmäßig, wenn das Substrat 18( sehr dünn ist. Die vorstehende Maßnahme ist ' der Ausführungsform nach Fig. 15 als Teil der _. dungsübertragungsvorrichtung nach Fig. 14 veran

ίο schaulicht; diese umfaßt zusätzlich eine Isolierschich 187 sowie eine Metallschicht 188, die mit einer Vor Spannungsquelle 189 verbunden ist Die Vorspan nungsquelle 189 ist gegenüber der injizierendei Elektrode 185 negativ eingestellt, falls das Substra 180 η-leitend ist. Die Isolierschicht 187 kann zweck mäßig zusammen mit der Isolierschicht 181 herg< stellt werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

kennzeichnet, daß die Elektrodenlänge in ÜberPatentansprüche: tragungsrichtung gleich der oder kleiner als die Dicke der Isolierschicht ist.

1. Ladungsübertragungsvorrichtung mit einem 13- Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Verwenhalbleitenden oder isolierenden Ladungsspeicher- 5 dung als Vielkanal-Schjeberegister, dadurch gemedium, das einen Bereich zum Einbringen einer kennzeichnet, daß eme Vielzahl von Metallsteuerbaren Menge von Ladungsträgern eines vor- elektrodengruppen auf der Oberfläche der Isoliergegebenen Leitungstyps in das Ladungsspeicher- schicht vorgesehen ist, wobei jede Elektrodenmedium sowie einen Bereich zum Abtasten der gruppe einen Kanal des Schieberegisters bildet Ladungsträger aufweist, wobei auf dem Ladungs- ι» (Fig. 7).

speichermedium eine Isolierschicht und auf dieser 14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch geeine Anzahl von Elektroden angebracht sind, kennzeichnet, daß die an die Elektroden angelegdadurch gekennzeichnet, daß der Ab- ten Spannungen derart gewählt sind, daß sich die schnitt des Ladungsspeichermediums (10; 20; 40; Verarmungsbereiche unterhalb aufeinanderfolgen-75; 110; 120) unterhalb der Elektroden (12, 13; *5 der Elektroden überlappen. 22a bis 22«, 23a bis 23n, 24a bis 24n; 42a bis 15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-42/1, 43a bis 43n, 44a bis 44/i; 72, 73; 113; 122 kennzeichnet, daß die Speichereinrichtung ein bis 124) einen einzigen LeituBgstyp aufweist. Isolator- oder Halbisolatormaterial (181) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei voneinander getrennte Leiter (22', *°
23' und 24'), welche zur Zuführung der sequentiellen Spannung jeweils mit einer verschiedenen

Elektrode aus einer Folge von jeweils drei Elektroden verbunden sind, wodurch örtliche Verar-

mungsbereiche an den Speicherplätzen innerhalb *5
des Mediums gebildet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsüberdurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial tragungsvi,rrichtung der im Oberbegriff des Patent-Silizium und als Isolierschicht Siliziumoxid vor- anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

gesehen ist. 3o Es sind Halbleitervorrichtungen bekannt (NL-OS

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, ge- 6 805 706), die aus einer Kette von bipolaren Trankennzeichnet durch eine Einrichtung (33) zur sistoren oder Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, Wiedereingabe des von einem Speicherplatz abge- wobei die Drainelektrode jedes Transistors mit der tasteten Informationssignals in den ersten Spei- Sourceelektrode des nächstfolgenden Transistors vercherplatz. 35 bunden ist und zwischen der Drain- und Gateelek-

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekenn- trode jedes Transistors ein Kondensator angeordnet zeichnet durch eine Einrichtung (35) zur Einspei- ist. Die Gateelektroden jedes zweiten Transistors der sung der Minoritätsträger. Kette sind parallel geschaltet, wodurch zwei Steuer-

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- eingänge der Halbleitervorrichtung gebildet werden, kennzeichnet, daß die Einrichtung (35) zur Ein- 40 die über jeweils eine Taktleitung mit gegenphasigen speisung der Minoritätsladungsträger eine Ein- Taktsignalen bzw. Taktspannungen beaufschlagt werrichtung zur Erzeugung einer auf den Halbleiter- den. Wird der Halbleitervorrichtung ein Eingangskörper gerichteten Strahlung enthält. bzw. Informationssignal in Form von Ladungen zu-

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- geführt, so werden diese Ladungen bei jedem Takt kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einspeisung 45 von Kondensator zu Kondensator weitergeschoben der Minoritätsladungsträger einen pn-übergang und dabei kurzzeitig gespeichert. Infolge dieser Funkaufweist, tionsweise werden die erwähnten Halbleitervorrich-

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- tungen als »Eimerkettenschaltungen« bezeichnet, kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einspei- Obwohl es grundsätzlich möglich ist, Eimerkettensung der Minoritätsladungsträger eine Metall- 50 schaltungen aus diskreten Elementen aufzubauen, Isolator-Halbleitervorrichtung (25) enthält. haben diese eine praktische Bedeutung nur in Form

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der von integrierten Schaltkreisen erlangt. Hierzu wird in Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine Vieldie Abtasteinrichtung eine kapazitive Brücken- zahl von Source- und Drainzonen eindiffundiert und tchaltung (52) zur Messung von Ladungen der 55 die dazwischenliegenden, undiffundierten Oberflä-Halbleiterkapazität unterhalb der jeweiligen Elek- chenbereiche (Gatezonen) des Substrates mit Antroden aufweist. Schlußelektroden versehen. Zur Schaffung der Kon-

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der densatoren werden die Gateelektroden zu jeweils Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer diffundierten Zone hin verlängert, so daß die die Abtasteinrichtung zwei benachbarte Elektro- 60 Überlappungskapazität zwischen jeder diffundierten den (56, 57), eine Einrichtung zur Verbindung Zone und dem darüberliegenden Teil der betreffenden der Elektroden mit einem Wechselstrom (55) so- Gateelektrode den gewünschten Kondensator bildet, wie eine Einrichtung zur Ermittlung der übertra- Die bekannten Eimerkettenschaltungen besitzen genen Ladung enthält. jedoch neben einem vergleichsweise großen Her-

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 65 Stellungsaufwand auf Grund des erforderlichen Diffukennzeichnet, daß die Elektroden in einem Ab- sionsschrittes eine für viele Anwendungen unbefriedistand von annähernd 3 μΐη angeordnet sind. gende Übertragungsgeschwindigkeit.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine