Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Speichern und Übertragen einer Information mit einem Halbleiterkörper, auf welchem mehrere Gruppen von Elektroden angeordnet sind, wobei jede dieser Gruppen eine Mehrzahl von Elektroden aufweist, an die abwechslungsweise Spannungen zum Bilden von aufeinanderfolgenden Potentialmulden im Haibleiterkör per angelegt werden können, in welchen Potentialmulden eine von der Information abhängige Menge von Ladungsträgern gespeichert und innerhalb des Halbleiterkörpers in einer Richtung verschoben werden können.
Bekannte Einrichtungen dieser Art sind im Aufsatz Charge Coupled Semiconductor Devices von W. S. Boyle und G. E. Smith in der Zeitschrift B.S.T.S., Vol. 49, Nr. 4 April 1970 beschrieben. Bei diesen Einrichtungen wird die Information durch Ladungsträgermengen dargestellt, die sich in Potentialmulden befinden, die in geeigneten Speichermedien, wie beispielsweise Halbleitern, halbisolierenden Halbleitern und Isolatoren erzeugt werden. In dem genannten Aufsatz ist ein Schieberegister beschrieben, bei dem Information in Form von Ladungsträgermengen von einer Potentialmulde zur nächsten transportiert wird.
Bei einer anderen bekannten Einrichtung zum Speichern und Übertragen von Information werden Ladungsträgermenten von einer Zone zur anderen längs der Oberfläche eines halbleitenden Körpers transportiert, der aus halbleitendem Material vom einen Leitfähigkeitstyp und einer Anzahl von getrennt angeordneten Zonen aus Material eines anderen Leitfähigkeitstyps besteht. Bei dieser Einrichtung wird in jeder Zone eine Potentialmulde erzeugt. deren Grenze durchden pn Übergang definiert ist, der die Zone vom übrigen Teil des halbleitenden Körpers elektrisch trennt. Diese Einrichtung wird als Eimerkettenspeicher bezeichnet.
Ein Problem bei Ladungstransporteinrichtungen dieser Art besteht darin. dass eine Anzahl Ladungsträger jeder Ladungs trägermenge jedesmal dann zurückgelassen wird, wenn eine Ladungsträgermenge von einer Potentialmulde zur anderen transportiert wird. Da dieser Ladungsträgerverlust zu einer Signaldämpfung führt, muss eine gesteuerte Ladungsregeneration und oder -verstärkung vorgesehen werden, wenn sehr lange Informationen gespeichert und verarbeitet werden sollen.
Es ist oftmals auch wünschenswert, andere Betriebsarten vorzusehen, wie beispielsweise die Durchführung von logischen Funktionen. Die am häufigsten vorkommenden grundlegenden digitalen logischen Funktionen sind die Zustandsumkehr (Signalkomplementbildung) und die Bit-Regeneration.
Wenn diese beiden grundlegenden Funktionen gegeben sind, können alle anderen logischen Funktionen, wie beispielsweise UND. ODER, NAND, NOR von diesen abgeleitet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung zum Speichern und Übertragen einer Information mit gesteuerter Bit-Regeneration.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch erste Mittel mit schwebendem Potential zum Ermitteln der an einer bestimmten Stelle des Halbleiterkörpers gespeicherten Menge von Ladungsträgern, zweite Mittel zum Abführen von Ladungsträgern von der genannten Stelle, dritte Mittel zum Injizieren einer bestimmten Menge von Ladungsträgern an einer anderen Stelle des Halbleiterkörpers und durch mit den ersten Mitteln passiv, d. h. ohne Verstärkung elektrisch verbundene vierte Mittel zum Steuern der Menge der durch die dritten Mittel an der anderen Stelle injizierten Ladungsträger in Abhängigkeit der durch die ersten Mittel ermittelten Menge von Ladungsträgern an der bestimmten Stelle.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine isometrische Schnittdarstellung des grundsätzeichen Aufbaus einer Einheit einer für den dreiphasigen Betrieb ausgebildeten erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 2A-2C eine schematische Schnittdarstellung einer aus mehreren hintereinander geschalteten Einheiten der in Fig. 1 dargestellten Art aufgebauten erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Einrichtung, die für zweiphasigen Betrieb ausgebildet ist,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Einrichtung mit Mitteln zum steuerbaren Einführen einer Ladungsmenge in den Informationskanal der Einrichtung,
Fig. 5 und 6 isometrische Schnittdarstellungen erfindungsge mässer Einrichtungen mit Mitteln zur Bit-Regeneration,
Fig.
7-14 schematische Draufsichten auf erfindungsgemässe Einrichtungen in Form logischer Schaltungen mit Mitteln zur Bit-Regeneration,
Fig. 15 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Einrichtung in Form eines Eimerkettenspeichers mit Mitteln zur Bit-Regeneration,
Fig. 16 eine Schnittansicht einer erfindungsgemässen Einrichtung für Zweiphasenbetrieb,
Fig. 17 eine schematische Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 16,
Fig. 18 eine schematische Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemässe Einrichtung mit Mitteln zur Bit-Regeneration
Fig. 19 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 18,
Fig. 20 eine Draufsicht auf eine Abwandlung der Einrichtung nach Fig. 18 zur Erzielung eines grösseren Ausgangssignals,
Fig. 21 eine schematische Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemässe Einrichtung mit Mitteln zur Bit-Regeneration und
Fig.
22 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 in Fig. 21.
Zum Zwecke einer vereinfachten und klaren Erläuterung der Figuren wurden diese nicht im richtigen Masstab dargestellt. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente.
Bei den erfindungsgemässen Einrichtungen wird digitale Information durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Menge von Ladungsträgern dargestellt, die sich in Potentialmulden befinden und elektrostatisch mit diesen gekoppelt sind, wobei sie sich oft dicht an der Oberfläche eines geeigneten Speichermediums befinden. Die Potentialmulden werden durch das Anlegen von Potentialen an Steuerelektroden auf die gleiche Weise gebildet und gesteuert, wie dies bei Metall Isolator-Halbleitervorrichtungen (MIS) üblich ist. Da die MIS Technologie bekannt ist, ist es nicht notwendig, Herstellungsverfahren für die nachstehend angegebenen Einrichtungen zu erläutern.
Fig. 1 zeigt eine isometrische Schnittdarstellung des grundlegenden Aufbaus einer Einrichtung 20, die zum Speichern und Übertragen einer Information für Dreiphasenbetrieb geeignet ist. Die Einrichtung 20 besteht aus einem grösseren Teil 21 aus n-leitendem Halbleitermaterial, über dem eine relativ dünne Isolationsschicht 22 liegt. Über der Isolationsschicht 22 befinden sich eine Anzahl von dicht benachbarten, in einer Reihe angeordneten Elektroden 24-26, die über höherliegende Anschlussleiter mit Potentialquellen mit den Potentialen -V1, -V2 und -V3 verbunden sind. Dem Absolutwert nach ist V3 grösser als V2, das seinerseits grösser als V, ist. V ist ferner grösser als VT, wobei VT das Schwellenpotential für die Erzeugung einer Inversion der halbleitenden Oberfläche unter statischen Bedingungen ist.
Die gestrichelte Linie 27 stellt schematisch das Oberflächenpotential (Tiefe der Potentialmulde) dicht an der Oberfläche dar und folgt den Grenzen der Verarmungsbereiche, die von den Potentialen gebildet werden, die an den Elektroden liegen,
Ladungsträger, in diesem Falle Löcher, sind schematisch durch Pluszeichen dargestellt, die in die Potentialmulden eingezeichnet sind. Da die Löcher zu den Punkten des grössten negativen Potential streben, ist zu erkennen, dass die Löcher die unter der Elektrode 25 in Fig. 1 gespeichert sind, in die Potentialmulde unter der Elektrode 26 wandern, bis sich alle Löcher unter der Elektrode 25 befinden oder bis sich so viele Löcher unter der Elektrode 25 befinden, dass die Oberflächenpotentiale unter den Elektroden 25 und 26 gleich geworden sind.
Beim Betrieb sollen im Idealfall alle Löcher transportiert werden, um einen Verlust von Signalinformation zu vermeiden, dies wird jedoch normalerweise nicht erreicht.
Die Fig. 2A-2C zeigen schematisch einen Querschnitt einer linearen Anordnung von mehreren Einrichtungen der in Fig. 1 dargestellten Art. Jede dritte Elektrode ist mit je einer von drei Taktleitungen 41-43 verbunden. Da die Elektroden in Dreiergruppen zusammenwirken, sind die entsprechenden Bezugszeichen 24-26 mit nachgestellten Buchstaben, A, B, C usw. versehen.
Die Fig. 2A stellt eine Anfangsbedingung dar, in der an die mit 24 bezeichneten Elektroden das Potential -V2 angelegt ist.
Das Potential -Vl liegt an den anderen Elektroden 25 und 26.
In dieser und den anderen im folgenden beschriebenen Figuren wird angenommen, dass der Halbleiterteil auf Null-Potential gehalten wird. Bei der nachstehenden Erläuterung ist ferner vorausgesetzt, dass etwa gleiche Beträge von positiver Ladung (Löcher) sich unter den Elektroden 24A und 24C befinden, keine jedoch unter der Elektrode 24B. Der Zustand Ladung wird als logische Eins angesehen, die unter der Elektrode 24A und der Elektrode 24C gespeichert ist und der Zustand keine Ladung als logische Null , die unter der Elektrode 24B gespeichert ist.
Fig. 2B zeigt den Zustand der Anordnung von Fig. 2A, nachdem das Potential auf der Taktleitung 42 auf -V3 geändert wurde. Da V3 > V2 > Vl ist die Ladung (oder das Fehlen von Ladung) die sich vorher unter den Elektroden 24A, 24B und 24C befand, nun nach rechts in die tieferen Potentialmulden gewandert, die sich nun unter den Elektroden 25A, 25B und 25C befinden. Die Fig. 2C zeigt die gleiche Anordnung wieder in einem Ruhe- oder Haltezustand, d. h. mit dem Potential V1 an den Taktleitungen 41 und 43 und dem Potential -V2 an der Taktleitung 42, wobei die logischen Zustände unter den Elektroden 25A, 25B und 25C aufrecht erhalten werden.
Der Zyklus ist damit beendet und die Anordnung befindet sich in dem in Fig. 2A dargestellten Zustand jedoch mit dem Unterschied, dass die logischen Zustände um je eine Stelle verschoben sind. Der Zyklus kann dann wiederholt werden, um die logischen Zustände unter die Elektroden 26A, 26B, 26C usw.
zu schieben.
Bei Einrichtungen der in den Fig. 1 und 2A-2C dargestellten Art, bei denen die Elektroden überall den gleichen Abstand von einer praktisch gleichförmig dotierten Halbleiteroberfläche besitzen, besteht die Tendenz zur Bildung symmetrischer Potentialmulden unter den Elektroden. Zur Unterdrückung dieser Tendenz werden die Elektroden in Dreiergruppen dreiphasig gesteuert, so dass eine Asymmetrie der Potentialmulde erzeugt und ein Ladungstransport in nur einer Richtung sichergestellt ist.
Bei Einrichtungen der in Fig. 3 dargestellten Art, bei der die Elektrode 53 und 54 auf einer Isolationsschicht 52 ungleicher Dicke angeordnet sind, die auf einem Halbleiterteil 51 gebildet ist, ist keine dreiphasige Steuerung notwendig, In Fig. 3 ist jede zweite Elektrode mit je einer von zwei Taktleitungen 55 und 56 verbunden, die ihrerseits mit einem zweiphasigen
Taktgenerator verbunden sind, der abwechselnd die Potentiale -Vl und -V2 an die Taktleitungen anlegt. Es ist erwähnenswert, dass die Potentialmulden in Fig. 3 inhärent asymmetrisch sind und dass jedesmal, wenn die Taktleitungspotentiale sich ändern, die gespeicherten logischen Zustände um einen Schritt (eine Elektrode) nach rechts in Fig. 3 weitergeschoben werden.
Ohne Rücksicht darauf, ob eine Einrichtung für zweiphasigen, dreiphasigen oder vierphasigen Betrieb geeignet ist, bleibt das Problem bestehen, dass normalerweise ein geringer Anteil der zu transportierenden Ladung jedesmal zurückgelassen wird, wenn Ladung von einer Potentialmulde zur nächsten transportiert wird. Zur Kompensation und um kombinatorische logische Funktionen zu ermöglichen, ist es vorteilhaft eine gesteuerte Ladungsregeneration vorzusehen. Diesem Zweck dienst das in Fig. 4 dargestellte Mittel für die Einführung einer steuerbaren Ladungsmenge in den Informationskanal einer erfindungsgemässen Einrichtung.
In Fig. 4 sind die in einer Reihe angeordneten Elektroden 24A-26B von der Oberfläche eines n-leitenden Halbleiterteils 61 durch eine Isolationsschicht 62 getrennt. Der Halbleiter 61 besitzt eine p-leitende Zone 63, an die ein Sperrpotential -Vs über eine Elektrode 64 angelegt ist. Die gestrichelte Linie 65 stellt schematisch die Tiefe der Potentialmulden unter den Elektroden 24A-26B dar, wobei das Oberflächenpotential unter den Elektroden 24A und 24B negativer ist als unter den übrigen Elektroden. Wenn -Vs negativer als das Oberflächenpotential unter der Elektrode 24A ist, wandern keine Löcher von der Zone 63 in den benachbarten Informationskanal.
Wenn -Vs weniger negativ ist als das Oberflächenpotential unter der Elektrode 25A, wandern die Löcher in den Kanal und füllen die Potentialmulden auf, bis das Oberflächenpotential längs des gesamten Kanals auf etwa -Vs angestiegen ist.
Wenn jedoch -Vs negativer ist als das Oberflächenpotential unter der Elektrode 25A, aber weniger negativ als das Oberflächenpotential unter der Elektrode 24A, dann wandern die Löcher von der Zone 63 in den Informationskanal und füllen die Potentialmulde unter der Elektrode 24A nur teilweise.
Wenn sich einmal genügend Löcher in der Potentialmulde unter der Elektrode 24A angesammelt haben, so dass das Oberflächenpotential hier etwa gleich -Vs ist, dann hören die Löcher auf, weiter in den Kanal zu fliessen.
Daher kann durch Einstellung von Vs bezüglich der Potentiale -V1 und -V2, die an den Elektroden liegen, eine gesteuerte Ladungsmenge selektiv injiziert oder nicht injiziert werden, um einen digitalen Bitstrom zu erzeugen, der nach rechts in einen neuen Informationskanal fliesst. Die Zone 63 arbeitet in gleicher Weise wie die Quellenzone in einem Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode.
Wenn nun ein Bitgenerator, wie beispielsweise der in Fig. 4 dargestellte,mit einem Detektor kombiniert wird, der die Bits abfühlt, die in einem Kanal übertragen werden, dann kann der Bitgenerator dazu benutzt werden, die Information, die in dem gedämpften Kanal übertragen wird, in Abhängigkeit von den Signalen des Detektors in einem neuen Kanal zu erzeugen. Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines derartigen Bitgenerators in isometrischer Schnittdarstellung.
Die in Fig. 5 dargestellte Einrichtung besteht aus einem grösseren n-leitenden Halbleiterteil 71 und einer darüberliegenden Isolationsschicht 72. In einer Reihe angeordnete Steuerelektroden 26Y, 24Z, 25Z und 26Z stellen das Ende eines Informationskanals dar, dessen Bitstrom regeneriert werden soll. Die in einer Reihe angeordneten Steuerelektroden 34A, 35A und 36A stellen den Anfang eines neuen Informationskanals dar, der zur Aufnahme des regenerierten Bitstroms dient. Wie in den Fig. 1 und 2A-2C, ist jede dritte Steuerelektrode mit je einer von drei Taktleitungen 73-75 verbunden.
Ein Paar von p-leitenden Zonen 76 und 77 liegt dicht an der Oberfläche des Halbleiters 71 und ist über die Elektroden 78 und 79 jeweils mit Quellen negativen Potentials -VD und -Vs verbunden. Die p-leitende Zone 76 liegt dicht an der letzten Elektrode 26Z im gedämpften Kanal. Das Potential -VD ist in vorteilhafter Weise so gewählt. dass es die p-leitende Zone 76 negativer als das negativste Oberflächenpotential hält, das unter der Steuerelektrode 26Z induziert ist, so dass jedes Bit, das unter die Elektrode 26Z transportiert wird, gesammelt und zur Erde abgeleitet wird. Die Zone 76 arbeitet in der gleichen Weise wie die Abflusszone in einem Feldeffekttansistor mit isolierter Steuerelektrode.
Die p-leitende Zone 77 ist so ausgebildet dass sie als ein Bitgenerator arbeiten kann. Das an die Zone 77 angelegte Potential Vs ist so gewählt. dass es die Zone 77 so negativ hält. dass nur so viel Löcher von ihr abgezogen werden, um die Potentialmulde unter der Elektrode 34A teilweise aufzufüllen, ohne dass die Löcher in den neuen Informationskanal fliessen.
Unter der Steuerelektrode 25Z befindet sich eine elektrisch schwebende Abfühlelektrode 80 für die Ermittlung der unter der Elektrode 25Z gespeicherten Ladungsmenge, die durch Teile der Isolationsschicht 72 getrennt ist. Die Abfühlelektrode ist mit einem über ihr befindlichen Kontakt 81 mit einer Torschaltungselektrode 82 verbunden, die zwischen dem Bitgenerator 77 und der ersten Steuerelektrode 34A liegt.
Die Kapazität zwischen den Elektroden 25Z und 80 ist mit C: bezeichnet. während die Kapazität zwischen der Elektrode 80 und dem Halbleiter 71 mit C angegeben ist. Die Kapazität des N'erarmungsbereichs. der sich zwischen den Elektroden 25Z und 80 bildet.
ist sehr klein verglichen mit C1 und CI, so dass das an der Elektrode 80 auftretende Potential etwa gleich dem an der Elektrode angelegten Taktimpulspotential 4)l ist, wenn die darunter befindliche Potentialmulde leer ist (logische Null). Wenn dagegen die Potentialmulde nahezu voll ist (logische Eins). dann ist das an der Elektrode 80 auftretende Potential etwa °1 multipliziert mit dem Verhältnis Ci (C: TCc(. Da °1 ein negatives Potential und Ci und C positiv sind. wird mehr negatives Potential an der Elektrode 80 auftreten. wenn sich eine Null unter der Elektrode 25Z befindet. als wenn dort eine Eins wäre.
Diese an der Elektrode 80 auftretenden Spannungen werden direkt der Torschaltungselektrode 82 zugeführt, die sich zwischen dem Bitgenerator 77 und der Steuerelektrode 34A befindet. Es ist zu beachten. dass die erste Steuerelektrode 34A mit der gleichen Taktleitung verbunden ist, wie die Elektrode 25Z. unter der die Bits abgefühlt werden. Auf Grund dieser Tatsache wird eine Menge von Löchern (logische Eins) von dem Bitgenerator 77 zu der Potentialmulde unter der Elektrode 34A transportiert. wenn sich zu dieser Zeit unter der Elektrode 25Z eine Null befindet. Umgekehrt werden keine Löcher (logische Null) vom Bitgenerator 77 übertragen.
wenn sich unter der Elektrode 25Z eine Eins befindet, da das Kapazitätsverhältnis C, (Cl +C2) und der Abstand der Elektrode 82 von der Halbleiteroberfläche so gewählt sind, dass wenn sich eine Eins unter der Elektrode 25Z befindet, das Oberflächenpotential unter der Elektrode 82 weniger negativ als -Vs ist.
Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, ein Vorspannungspotential an die Torschaltungselektrode 82 anzulegen. Dieses ist durch eine zusätzliche Verbindung der Torschaltungselektrode 82 über eine hohe Impedanz (nicht dargestellt) mit einer Gleichspannungsquelle möglich. In diesem Falle ist die Zeitkonstante der hohen Impedanz beträchtlich grösser als die reziproke Bit-Transportgeschwindigkeit durch den Informationskanal, so dass die Impulsspannungen, die an der Fühlerelektrode 80 auftreten, auch zur Torschaltungselektrode 82 gelangen. ohne Störung durch das Vorspannungspotential. Die Elektroden 80 und 82 sind also bezüglich der NN echselspannung und der Impulssignale elektrisch schwebende Elektroden.
Fig. 6 zeigt einen ähnlichen Zustandsinverter und Bitgenerator wie Fig. 5 mit der Ausnahme, dass das Abfühlen der Ladungsmenge durch eine elektrisch schwebende p-leitende Zone 90 erfolgt. die in der Nähe der Halbleiteroberfläche unter der Elektrode 25Z liegt. Der einzige Unterschied zwischen den Anordnungen der Fig. 5 und 6 besteht darin, dass die elektrisch schwebende Abfühlelektrode 80 der Fig. 5 in der Fig. 6 durch eine elektrisch schwebende Zone 90 ersetzt ist.
Wegen der Analogie sind in Fig. 6 sonst die gleichen Hinweiszahlen verwendet wie in der Fig. 5.
In ähnlicher Weise, wie es im Zusammenhang mit Fig. 5 bereits beschrieben wurde, treten an der Abfühlzone 90 in Fig. 6 Potentiale auf, die direkt an die Torschaltungselektrode 82 gelegt werden, die den Transport einer Ladungsmenge vom Bitgenerator 77 sperrt oder erlaubt. Das Potential an der Zone 90 ist zu einem beliebigen Augenblick etwa gleich dem angelegten Oberflächenpotential. Dieses Oberflächenpotential ist etwa gleich °" wenn eine Null unter der Elektrode 25Z vorliegt, da (P, an der Elektrode 25Z liegt und etwas weniger negativ ist als °,, wenn sich eine Eins (Ladungsmenge aus Löchern) unter der Elektrode 25Z befindet.
Wenn beim Anlegen von 4), an die Elektrode 25Z eine solche Anzahl von Löchern unter die Elektrode 25Z fliesst, dass die Potentialmulde gefüllt wird, steigt das Oberflächenpotential auf einen Maximalwert von etwas weniger als Null. Bei typischen Einrichtungen dieser Art kann das an der Zone 90 auftretende Potential, wenn eine Eins vorliegt, ein Drittel weniger negativ gemacht werden, als das bei einer Null auftretende Potential. Diese Differenz ist ausreichend. um die gewünschte Durchschaltung mittels der Elektrode 82 zu bewirken.
Es ist zu bemerken, dass wie bei der Einrichtung gemäss Fig. 5 bei der Einrichtung gemäss Fig. 6 eine Eins vom Bitgenerator 77 weitergegeben wird. wenn sich eine Null unter der Elektrode 25Z befindet, und eine Null , wenn sich eine Eins unter der Elektrode 25Z befindet.
Nachdem der Aufbau und die Wirkungsweise der grundlegenden Einrichtungen gemäss der Erfindung beschrieben wurden, wird nun anhand der Fig. 7-l4 eine Anzahl vorteilhafter Modifizierungen und Anwendungen für derartige Einrichtungen gemäss der Erfindung erläutert. Die Fig. 7-14 zeigen in schematischer Darstellung die Einrichtungen gemäss Fig. 1-6.
In den Fig. 7-14 stellen die ausgezogenen Quadrate die Steuerelektroden dar, die sich über einer Isolationsschicht befinden. Die gestrichelten Quadrate zeigen entweder Elektroden. die innerhalb des Isolators angeordnet sind (wie beispielsweise Elektrode 80 in Fig. 5) oder Zonen im Halbleiter (wie beispielsweise die Zonen 76, 77 und 90 in den Fig. 5 und 6.)
Speziell die Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Einrichtung, die der in den Fig. 5 und 6 dargestellten ähnlich ist. In Fig. 7 sind l24Y bis 126Z Steuerelektroden am Ende eines Informationskanals, dessen Information invertiert und regeneriert werden soll. 134A bis 136A sind Steuerelektroden am Anfang eines neuen Informationskanals, der den regenerierten Bitstrom aufnimmt.
Die Elektroden 124Y bis 126Z und 134A bis 136A entsprechen den Elektroden 26Y bis 26Z und 34A bis 36A in den Fig. 5 und 6. Wie in den früher beschriebenen Figuren 1. 2A-'C. 5 und 6, ist jede dritte Steuerelektrode mit je einer von drei Taktleitungen 173175 verbunden, an die die Taktpotentiale 4 > 1- 4 > 3 angelegt werden.
In Fig. 7 stellt das gestrichelt dargestellte Rechteck 100 die unter der Elektrode 124Z liegende Abfühlelektrode dar, die entweder der Elektrode 80 in Fig. 5 oder der Zone 90 in Fig. 6 entspricht. Wie in den Fig. 5 und 6 ist die Abfühlelektrode 100 nicht mit den Taktleitungen sondern über eine Leitung 181 mit einer Torschaltungselektrode 182 verbunden, die genau so arbeitet, wie die Torschaltungselektrode 82 in den Fig. 5 und 6.
Mit 176 ist eine gestrichelt gezeichnete p-leitende Zone bezeichnet, an der ein negatives Potential -VD liegt und die als Abflusselektrode arbeitet, in Analogie zu der Zone 76 in den Fig. 5 und 6. Mit 177 ist eine gestrichelt dargestellte p-leitende Zone bezeichnet, an der ein negatives Spannungspotential -Vs liegt und die als Bitgenerator arbeitet, in Analogie zu der Zone 77 in den Fig. 5 und 6.
Anders als in der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Einrichtung ist das Abfühlelement 100 in Fig. 7 unter der Steuerelektrode 124Z angeordnet und von der Abflusselektrode durch ein Paar von Steuerelektroden 125Z und 126Z, anstelle von nur einer, getrennt. Diese Trennung in zwei Elektroden anstelle von einer ist für die Wirkungsweise nicht notwendig, aber vorteilhaft, da hierdurch das Abfühlelement 100 von der Abflusselektrode 176 wirksamer entkoppelt wird.
Bei den Einrichtungen nach den Fig. 1 und 2A-2C liegen die Ladungsmengen, die die Information darstellen, nur unter denjenigen Elektroden, an die das am meisten negative Taktpotential -V3 angelegt wird. Die anderen beiden Elektroden jeder Dreiergruppe dienen dazu, jede Ladungsmenge von der benachbarten Ladungsmenge zu trennen. Daher ist es in Fig. 7 wünschenwert, eine Ladungsmenge vom Bitgenerator 177 nur dann weiterzuleiten, wenn das Potential -V3 an die Elektrode 1732 (oberhalb der Abfühlelektrode 100) angelegt ist, da nur dann sich dort eine Ladungsmenge (oder keine) befindet, die die unter der Elektrode 124Z abzufühlende Information darstellt.
Allgemein gilt, dass die Steuerelektrode (124Z in Fig. 7), die über der Abfühlelektrode (100 in Fig. 7) liegt, immer mit der gleichen Taktleitung (173 in Fig. 7) verbunden wird, wie die erste Steuerelektrode (134A in Fig. 7), die auf die Torschaltungselektrode (182 in Fig. 7) folgt, so dass Information gleichzeitig abgefühlt, invertiert, regeneriert und zu der ersten Steuerelektrode (134A in Fig. 7) des neuen Informationskanals übertragen wird. Es ergibt sich ferner aus dem Obengesagten, dass Vs grösser sein sollte als Vl und V2, aber kleiner als V3, SO dass die Torschaltungselektrode 182 nur dann den Abtransport einer Ladungsmenge vom Bitgenerator 177 gestattet, wenn gleichzeitig das Potential -V3 an der Elektrode 124Z liegt und sich eine Null unter der Elektrode 124Z befindet.
Fig. 8 zeigt nun eine schematische Draufischt auf eine Ein richtung, die der in den Fig. 5 und 6 dargestellten ähnlich ist.
Die Einrichtung gemäss Fig. 8 ist jedoch für Zweiphasenbe trieb geeignet. Die Steuerelektroden 153Y bis 154Z stellen das Ende eines Informationskanals dar, dessen Information invertiert und regeneriert werden soll. Die Steuerelektroden 253A und 254A stellen den Anfang eines neuen Informations kanals dar, der den regenerierten Bitstrom aufnimmt. Um den
Ladungstransport in einer Richtung sicherzustellen, sind diese
Steuerelektroden so ausgebildet, dass sie asymmetrische
Potentialmulden erzeugen, wie sie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurden.
In Fig. 8 ist jede zweite Steuerelektrode mit je einer von zwei Taktleitungen 155 und 156 verbunden. mit 176 ist eine Abflusselektrode und mit 177 ein Bitgenerator bezeichnet, die mit Potentialquellen mit den Potentialen -Vn bzw. -Vs verbunden sind. Eine Abfühlelektrode 100 wie die Elektrode 80 in Fig. 5 oder die Elektrode 90 in Fig. 6 liegt unter der Steuerelektrode 153Z und ist über einen Leiter 181 mit einer Torschaltungselektrode 182 verbunden. Wenn wie hier, Steuerelektroden in der in Fig. 3 dargestellten Art verwendet werden, befindet sich die Abfühlelektrode 100 in vorteilhafter Weise nur unter demjenigen Teil der entsprechenden Steuerelektrode (153Z in Fig. 8), der über dem dünneren Dielektrikum liegt, weil sich dort die Ladungsmenge befindet, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Auf diese Weise werden ein Maximum an induzierter Spannung und ein Minimum an parasitären Kapazitäten erhalten. Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 8 geht aus dem bereits Gesagten hervor.
Fig. 9 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine andere Einrichtung, die für zweiphasigen Betrieb geeignet ist. Die in Fig. 9 dargestellte Einrichtung unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 8 nur darin, dass der Bitgenerator 177 mit der Taktleitung 136 verbunden und von dieser gesteuert wird und dass die Abfühlelektrode 100 von der Abflusselektrode 176 durch zwei Steuerelektroden 154Z und 154ZZ anstelle durch nur eine Steuerelektrode getrennt ist.
Wie bei den zuvor erläuterten dreiphasigen Ausführungsbeispielen muss die Steuerelektrode (153Z in Fig. 9) unter der sich die Abfühlelektrode 100 befindet, mit der gleichen Taktleitung (155 in Fig. 9) verbunden werden, wie die erste Steuerelektrode (253A in Fig. 9), die auf die Torschaltungselektrode (182) folgt. Wenn, wie in Fig. 9, der Bitgenerator von der Taktleitung gesteuert werden soll, um die Zahl der erforderlichen Leitungen zu verringern, muss der Bitgenerator (177) mit einer anderen Taktleitung (156 in Fig. 9) verbunden werden, als die Elektroden 153Z und 253A, damit die entsprechenden Potentialbeziehungen erzeugt werden. Dies wird anhand eines vollständigen Arbeitszyklusses der Einrichtung nach Fig. 9 beschrieben.
Zuerst sei ein erster Halbzyklus angenommen, in dem das Potential 4 > 1 = -Vl an die Taktleitung 155 und das Potential 4 > 2 = -V2 an die Taktleitung 156 angelegt wird, wobei V2 > VI ist Während dieses Halbzyklus wird das zu investierende und regenerierende Bit unter der Elektrode 154Y gespeichert. Ein anderes Bit, das invertiert und regeneriert wurde, wird doppelt gespeichert, und zwar das gedämpfte Bit unter der Elektrode 154Z und das invertierte und regenerierte Bit unter Elektrode 254A. Bei diesem Zustand der Einrichtung kann keine positive Ladungsmenge vom Bitgenerator 177 zur Steuerelektrode 253A übertragen werden, und zwar gleichgültig welches Potential an der Torschaltungselektrode 182 liegt, da am Bitgenerator das Potential -V2 liegt und dieser daher negativer ist als die Elektrode 253A.
Nun sei angenommen, dass der Taktgeber im zweiten Halbzyklus ein Potential 4 > 1 = -V2 und ein Potential 4 > 2 = -Vl liefert.
Da beim Übergang vom ersten in den zweiten Halbzyklus die Potentiale geändert werden, bewegt sich jede Ladungsmenge einen Schritt (eine Elektrode) weiter nach unten in Fig. 9, wie es in Fig. 9 durch die Pfeile 157 und 257 angegeben ist. Das gedämpfte Bit unter der Elektrode 154Z wird zur Elektrode 154ZZ übertragen und von dort weiter zur Abflusselektrode 176, da das an dieser Elektrode liegende Potential -VD negativer ist als das an der Elektrode 154ZZ liegende Potential -V2.
Das dem gedämpften Bit entsprechende regenerierte Bit wird über die Elektrode 254A zur nächsten Elektrode (nicht gezeigt) im neuen Informationskanal übertragen. Es ist zu bemerken, dass die Elektrode 253A, da an ihr das Potential -V2 liegt, nun negativer ist als der Bitgenerator 177, an dem das Potential -V1 liegt, so dass eine positive Ladungsmenge zu der Elektrode 253A transportiert wird, wenn dies die Torschaltungselektrode 182 gestattet.
Beim Übergang vom ersten in den zweiten Halbzyklus, bewegt sich das Bit von der Elektrode 154Y zur Elektrode 153Z, wo es von der unter dieser Elektrode liegenden Abfühlelektrode 100 festgestellt wird. Wie im Zusammenhang.mit den Fig. 5 und 6 bereits erläutert wurde, sind die Abfühlelektrode 100 und die Torschaltungselektrode 182 aneinander so angepasst, dass eine Ladungsmenge Eins vom Bitgenerator 177 zur Elektrode 253A übertragen wird, wenn das Fehlen einer Ladungsmenge Null unter der Elektrode 153Z von der Abfühlelektrode 100 festgestellt wird und keine Ladung Null zur Elektrode 253A übertragen wird, wenn von der Abfühlelektrode 100 unter der Elektrode 153Z eine Eins festgestellt wird.
Bei der Einrichtung nach der Fig. 9 wird während des ersten Halbzyklus wegen der Potentialbeziehung zwischen dem Bitge- nerator 177 und der Elektrode 253A kein Bit zur Elektrode 253A übertragen. Während des zweiten Halbzyklus ist die Potentialbeziehung zwischen dem Generator 177 und der Elektrode 253A umgekehrt, so dass die Übertragung einer Eins vom Generator 177 zur Elektrode 253A nur dann verhindert wird, wenn von der Abfühlelektrode eine Null festgestellt wird.
Die Einrichtung nach Fig. 8 könnte auch mit einem Bitgenerator 177 arbeiten. der von der Taktleitung 156 gesteuert wird.
Die für den Dreiphasenbetrieb bestimmte Einrichtung nach Fig. 7 könnte auch mit einem Bitgenerator 177 arbeiten, der von der Taktleitung 175 gesteuert wird, vorausgesetzt, dass der Taktimpuls eine geeignete Form hat, beispielsweise Sinusform, so dass die entsprechenden Potentialbeziehungen zwischen dem Bitgenerator 177, der Torschaltungselektrode 182 und der Steuerelektrode 134A vorhanden sind.
Fig. 10 zeigt nun eine schematische Draufsicht auf eine weitere Einrichtung der Erfindung, die für einen zweiphasigen Betrieb vorgesehen ist. Diese Einrichtung ist mit Ausnahme der Mittel für die Bitregenerierung der in Fig. 8 dargestellten ähnlich, so dass bei der Fig. 10 lediglich diese Mittel beschrieben werden. Wie die Einrichtung nach Fig. 8, besitzt die Einrichtung nach Fig. 10 eine p-leitende Abflusselektrode 176, die an eine geeignete Potentialquelle mit dem Potential -VD angeschaltet ist und eine p-leitende Zone 177 als Quelle für positive Ladungsträger. Anders als in Fig. 8 ist jedoch die Zone 177 in Fig. 10 mit Erde verbunden und von der Torschaltungselektrode 182 durch eine Steuerelektrode 105 und eine elektrisch schwebende p-leitende Zone 178 getrennt.
Im Betrieb bewirken negative Potentiale, die an die Steuerelektrode 253A und an die Torschaltungselektrode 182 gelegt werden. einen Ladungstransport von der Zone 178 zur Steuerelektrode 253A, die ihrerseits bewirkt, dass ein negatives Potential in der Zone 178 induziert wird. Bei einer negativen Zone 178 und einer auf Erdpotential liegenden Zone 177 und nach Abschaltung der Torschaltungselektrode 182 bewirkt ein negativer Impuls, der während einer bestimmten Zeitspanne auf die Elektrode 105 gegeben wird, einen Transport einer bestimmten Ladungsmenge von der Zone 177 zu der Zone 178.
Dadurch wird in der Zone 178 eine Ladungsmenge von genauer Grösse gespeichert, die als eine Eins zur Elektrode 153A transportiert werden kann. Diese Verfügbarkeit einer Ladungsmenge von genauer Grösse ist deshalb wünschenswert, weil der Störpegel u. a. von dem Mass der Gleichheit der Eins -Bits und der Null -Bits abhängt.
In den nun zu erläuternden Fig. 11-13 sind eine Anzahl von Ausführungsbeispielen der Einrichtung nach der Erfindung dargestellt mit Mitteln zum Invertieren und Regenerieren von Bits von der oben beschriebenen Art, we#lche für die Durchführung logischer Funktionen geeignet sind.
Fig. 11 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Einrichtung zur Durchführung der logischen Operation NOR, deren Wahrheitstabelle folgendermassen aussieht:
NOR
ABC
001
010
100
110
Der obere Teil der Fig. 11 stellt zwei Informationskanäle A und B dar, die an zwei Taktleitungen 155 und 156 angeschlossen sind und Information in Richtung nach unten übertragen, wie es durch die Pfeile 157A und 157B angedeutet ist. Die Elektroden 154AY, 153AZ, 154AZ, 15ABY, 153BZ und 154BZ sind Steuerelektroden in den beiden Kanälen und entsprechen den Elektroden 154Y, 153Z und 154Z in den Fig. 8-10. Der untere Teil der Fig. 11 mit den Steuerelektroden 253CA und 253CB stellt den Anfang eines neuen Infor mationskanals dar, der mit C bezeichnet ist und die regenerierten Bits, die von der NOR-Operation stammen, aufnimmt.
Mit 276 ist eine gestrichelt dargestellte p-leitende Zone bezeichnet, die mit einer Potentialquelle mit dem Potential -VD verbunden ist und als Abflusselektrode arbeitet, analog wie die Zonen 76 und 176 in den früher beschriebenen Figuren. Mit 277 ist eine gestrichelt dargestellte p-leitende Zone bezeichnet, die als Bitgenerator auf die bereits im Zusammenhang mit der Zone 177 in Fig. 9 erläuterten Weise arbeitet und mit der Taktleitung 156 verbunden ist.
Unter der Elektrode 153AZ des Kanals A befindet sich ein Abfühlelement 100A und unter der Elektrode 153BZ des Kanals B ein Abfühlelement 100B. Jedes dieser Abfühlelemente ist über eine Leitung 181A bzw. 181B mit einer Torschaltungselektrode 182A bzw. 182B verbunden, deren Funktion bereits im Zusammenhang mit den früheren Figuren erläutert wurde. Für ein NOR-Element sind, wie die Fig. 11 zeigt, die Torschaltungselektroden bezüglich des Bitgenerators 277 und der ersten Elektrode 253CA des Kanals C in Reihe geschaltet.
Beim Betrieb werden getrennte Bitströme von Information gleichzeitig längs der Kanäle A und B in Abhängigkeit von den an die Taktleitungen 155 und 156 angelegten Taktsignalen übertragen. Die Bitströme sind so synchronisiert, dass die Bits gleichzeitig unter den Elektroden 153AZ und 153BZ hindurchlaufen. Wenn entweder das Abfühlelement 100A oder das Abfühlelement 100B eine Eins feststellt, dann wird an derjenigen Torschaltungselektrode, mit der dieses Abfühlelement verbunden ist, eine ausreichend hohe Spannung induziert, die die Übertragung der Ladung unter ihr verhindert. Es wird somit wie in der Wahrheitstabelle in Fig. 11 angegeben, eine Eins vom Bitgenerator 277 zur Steuerelektrode 253CA nur übertragen, wenn von beiden Abfühlelementen 100A und 100B eine Null festgestellt wird.
An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass innerhalb des in Fig. 11 dargestellten NOR-Elements die Torschaltungselektroden 182A und 182B eine logische UND-Funktion ausführen, d. h. nur wenn eine Potentialmulde unter beiden induziert wird,kann eine Ladungsmenge vom Bitgenerator 277 zur Steuerelektrode 253C übertragen werden. Daraus ergibt sich, dass, wo immer eine UND-Funktion in Einrichtungen der beschriebenen Art gewünscht wird, diese z. T. dadurch verwirklicht werden kann, indem eine Anzahl von Torschaltungselektroden hintereinander angeordnet wird.
Fig. 12 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Einrichtung, die für die Ausführung der logischen NAND-Operation geeignet ist, deren Wahrheitstabelle folgendes Aussehen hat:
NAND ABC
001
011
101
110
Die Einrichtung nach Fig. 12 unterscheidet sich von der in Fig. 11 dargestellten nur darin, dass die Torschaltungselektro den 182A und 182B bezüglich des Bitgenerators 277 und der Elektrode 253CA parallel angeordnet sind. Bei dieser Ausführung der Torschaltungen wird der Ladungstransport von derr Bitgenerator 277 weg nur dann verhindert, wenn eine Eins an beiden Abfühlelementen 100A und 100B festgestelt wird.
Dies stimmt mit der Wahrheitstabelle der NAND-Einrichtung in Fig. 12 überein.
An dieser Stelle sollte darauf hingewiesen werden, dass innerhalb des NAND-Elementes, das in Fig. 12 dargestellt ist, die Torschaltungselektroden 182A und 182B eine logische ODER-Funktion ausführen, d. h. wenn eine Potentialmulde unter beiden induziert wird, dann kann eine Ladungsmenge vom Bitgenerator 277 zu derSteuerelektrode 253CA transportiert werden. Daraus ergibt sich, dass, wo immer eine ODER Funktion in Einrichtungen der beschriebenen Art gewünscht wird, dies teilweise dadurch verwirklicht werden kann, dass mehrere Torschaltungselektroden parallel zueinander angeordnet werden.
Fig. 13 zeigt eine schematische Draufsichtdarstellung einer Einrichtung, die für die Durchführung einer logischen FAN OUT -Operation geeignet ist, deren Wahrheitstabelle in Fig. 13 unten dargestellt ist. Der obere Teil dieser Figur stellt einen Informationskanal dar, der mit A bezeichnet ist und an zwei Taktleitungen 153 und 156 angeschlossen ist und eine Abwärtsinformationsübertragung vornimmt, wie es durch den Pfeil 157A angedeutet ist. Die Elektroden 154AY, 153AZ, 154AZ sind Steuerelektroden des Kanals A, analog den Elektroden 154Y, 153Z und 154Z in den Fig. 8 bis 10. Der untere Teil der Figur, d. h. die Steuerelektroden 253BA, 254BB, 253CA und 254CB bilden den Anfang zweier Kanäle, die mil B und C bezeichnet sind und für die Aufnahme der regenerierten Bits vorgesehen ist, die von der FAN-OUT -Operation stammen.
Die gestrichelt dargestellten Streifen 276 und 277 stellen eine Abflusselektrode und einen Bitgenerator dar, die gemäss der Beschreibung der Fig. 11 und 12 arbeiten. Die Wahrheitstabelle für die FAN-OUT -Funktion hat folgendes Aussehen:
FAN-OUT
ABC
011
100
Ein Abfühlelement 100A liegt unter der Elektrode 153AZ und ist mittels der Leiter 181B und 181C mit zwei Torschaltungselektroden 182 und 182C versehen. Wenn das Abfühlelement 100A eine Null feststellt, wird eine Eins durch die Elektrode 182B vom Bitgenerator 277 in den Kanal B und eine andere Eins durch die Elektrode 182C in den Kanal C durchgeschaltet. Andererseits, wenn eine Eins am Abfühlelement 100A vorliegt, dann werden Nullen in die Kanäle B und C durchgeschaltet.
Die FAN-OUT -Funktion kann auch auf andere Weise als auf die in der Fig. 13 dargestellte, verwirklicht werden. Bei vielen Anwendungen kann es z. B. vorteilhaft sein, das Abfühlelement mit einer einzigen Torschaltungselektrode zu verbinden und die Steuerelektroden 253BA und 253CA (Fig. 13) in eine grössere Elektrode übergehen zu lassen, so dass die parasitäre kapazitive Belastung des Abfühlelements minimal wird.
Die in den Fig. 11 und 12 dargestellten Einrichtungen sind nicht auf das Abfühlen zweier ankommender Kanäle beschränkt, sondern sie können auch eine grössere Anzahl von ankommenden Kanälen abfühlen, vorausgesetzt, dass sich in jedem Kanal ein Abfühlelement befindet und dieses mit hintereinander oder parallel angeordneten Torschaltungselektroden verbunden ist, je nach Art der gewünschten logischen Operation. Auch die FAN-OUT -Funktion, die in Fig. 13 dargestellt ist, ist nicht auf zwei Ausgangskanäle beschränkt, sondern sie kann auch auf eine grössere Anzahl von Kanälen ausgedehnt werden.
Es können auch zwei invertierende Regeneratoren, wie sie hier beschrieben wurden, hintereinander geschaltet werden, so dass der regenerierte Impuls zweimal invertiert und daher der ursprüngliche Impuls wiederhergestellt wird.
Ein Anwendungsbeispiel für eine derartige Einrichtung ist schematisch in Fig. 14 dargestellt. In dieser Figur sind mit 300 und 301 Informationskanäle bezeichnet, in denen der Informationsfluss in Richtung der angegebenen Pfeile erfolgt. Im Kanal 300 stellt ein Abfühlelement 302 (eines beliebigen Typs der in den Fig. 5 und 6 beschriebenen Art) ankommende gedämpfte oder geschwächte Signale fest und induziert eine entsprechende Spannung an der Torschaltungselektrode 303.
Nachdem die ankommenden Signale abgefühlt wurden, werden sie in der bereits beschriebenen Art von einer Abflusselek- trode, wie beispielsweise 76 in Fig. 5 und 6, gesammelt. In Fig. 14 ist diese Elektrode mit 304 bezeichnet. Mit 305 ist eine Quelle oder ein Bitgenerator bezeichnet, der dem Bitgenerator 77 in den Fig. 5 und 6 entspricht. Die Kombination der Elemente 302, 303, 304 und 305 bilden zusammen einen invertierenden Regenerator.
Die Bits von der Quelle 305 werden von der Elektrode 303 zu einer anderen Elektrode 306 durchgeschaltet. Mit der Elektrode 308, die am Anfang des Kanals 301 liegt, ist ein Abfühlelement 307 verbunden. Nachdem die Bits von der Quelle 305 vom Abfühlement 307 festgestellt wurden, werden sie von einer zweiten Abflusselektrode 309 gesammelt, eine zweite Quelle 310 dient als Bitgenerator, dessen Bits von der Elektrode 308 in den Kanal 301 durchgeschaltet werden.
Da die NAND- und NOR-Funktion unabhängige logische Funktionen sind, können alle anderen logischen Funktionen aus diesen beiden logischen Funktionen abgeleitet werden.
Die vorstehend beschriebenen invertierenden Regeneratoren können auch in Einrichtungen zum Speichern und Übertragen von Information vom Eimer-Ketten -Typ verwendet werden, die eingangs erwähnt wurden. Eine grundlegende Form einer derartigen erfindungsgemässen Einrichtung zeigt die Fig. 15 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
Mit 400 ist eine Ladungstransporteinrichtung vom Eimer Ketten -Typ bezeichnet, die einen invertierenden Regenerator verwendet. Die Einrichtung 400 besitzt einen n-leitenden Halbleiterkörper 401, mit einer Anzahl von p-leitenden Oberflächenzonen. Eine dielektrische Schicht 402 befindet sich auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 401. Über der dielektrischen Schicht 402 befinden sich eine Anzahl von in einer Reihe angeordneten Steuerelektroden 401X, 402X, 402Y, 401Y, 402Y, 401Z und 402Z, die zusammen mit einer entsprechenden Anzahl von asymmetrisch angeordneten, darunterliegenden p-leitenden Zonen 403X, 404X, 403Y, 404Y, 303Z und 76 das Ende eines Eimer-Ketten -Kanals darstellen, dessen Bitstrom invertiert und regeneriert wird.
In gleicher Weise bilden die in einer Reihe angeordneten Steuerelektroden 411A, 412A und 411B in Kombination mit einer entsprechenden Anzahl von asymmetrisch angeordneten, darunter liegenden p-leitenden lokalisierten Zonen 413A, 414A und 413B den Anfang eines frischen Eimer-Ketten -Kanals für die Aufnahme des invertierten und regenerierten Bitstroms.
Wie die Figur 15 zeigt, ist jede zweite der erwähnten Elektroden mit je einer von zwei Taktleitungen 455 und 456 verbunden.
Die Vorzugsrichtung der Informationsübertragung wird durch die Asymmetrie erhalten, mit der jedes Paar p-leitender Zonen von den Steuerelektroden überlappt wird. Fig. 15 zeigt insbesondere, dass jede der erwähnten Elektroden je einen Teil von zwei darunter liegenden Zonen überlappt und dass in dem ankommenden Kanal, dessen Bitstrom zu regenerieren ist. und in dem abgehenden Kanal, der den invertierten und regenerierten Bitstrom aufnimmt. die grössere Überlappung auf der rechten Seite ist. Diese Asymmetrie in der Überlappung bewirkt die Vorzugsrichtung der Informationsübertragung, wegen der dadurch auftretenden Asymmetrie der kapazitiven Kopplung zwischen den Steuerelektroden und den unter diesen liegenden Zonen.
In der Fig. 15 sind Elemente. die denen in den Fig. 5 und 6 entsprechen, auch mit den gleichen Bezugszeichen wie diese bezeichnet. Somit ist in Fig. 15 die p-leitende Zone 76 wie in den Fig. 5 und 6 eine Abflusszone für die Aufnahme von gedämpften Bits nach deren Feststellung. Ebenso stellt die pleitende Zone 77 eine unabhängige Quellzone, d. h. einen Bitgenerator dar. von dem selektiv bewegliche Ladungsträger injiziert werden, um den regenerierten Bitstrom zu erzeugen.
Wie in Fig. 6 sind die Abfluss- und Quellenzonen 76 und 77 über die Elelatroden 78 bzw. 79 jeweils leitend mit Potentialquellen mit den Potentialen -VD und -Vs verbunden. Wie bei den Einrichtungen gemäss den Fig. 5 und 6 wird das Potential -VD vorteilhafterweise so gewählt. dass die p-leitende Zone negativer gehalten wird als das negativste Oberflächenpotential, das in der benachbarten Zone 403Z induziert wird, so dass gedämpfte oder geschwächte Bits stets von der Zon#e 103Z zur Abflusszone 76 wandern können, dort gesammel und zur Erde abgeleitet werden können. Auch wird das Potential -Vs wieder so gewählt, dass die Bitgeneratorzone 77 so negativ gehalten wird, dass nur so viele Ladungsträger, d. h.
Löcher. selektiv von ihr abgezogen werden können, dass die Potentialmulden, die in der Zone 408 gebildet werden, nur teilweise ausgefüllt werden und keine Ladungsträger in den neuen Kanal fliessen.
Beim Betrieb der Einrichtung arbeitet die Zone 404Y als Abfühlzone. Die in dieser Zone induzierten Spannungen werden direkt über die Elektrode 405 und den Leiter 406 zu einer Torschaltungselektrode 407 übertragen, die zwischen dem Bitgenerator 77 und der Zone 408 liegt. In ähnlicher Weise, wie es bereits im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert wurde, ist das Potential der Zone 404Y in jedem Augenblick etwa gleich dem induzierten Oberflächenpotential.
Dieses Oberflächenpo- tential ist etwa gleich dem Potential 4 > i auf der Taktleitung, wenn eine Null in die Abfühlzone 404Y transportiert wird und an die Elektrode 402Y das Potential 4 > 1 angelegt worden ist. und etwas weniger negativ als das Potential 4 > i, wenn eine Eins (Löchermenge) transportiert wird. Der Taktimpulsgenerator 425 ist mit den Leitungen 455 und 456 verbunden
Wenn das Potential 4 > angelegt wird, fliesst eine solche Anzahl von Löchern in die Potentialmulde, dass diese teilweise gefüllt wird. wodurch das Oberflächenpotential der Zone 404Y auf einen Maximalwert ansteigt, der etwas unterhalb Null liegt.
Wie bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 ist, wenn eine Eins vorliegt, das in der Abfühlzone 404Y induzierte negative Potential kleiner als ein Drittel des beim Vorliegen einer Null auftretenden negativen Potentials. Dieser Potentialunterschied ist ausreichend um die gewünschte Torschaltungswirkung der Elektrode 407 zu erreiche. Daher kann analog zu den Beispielen der Fig. 5 und 6 die parasitäre Kapazität und der Abstand der Elektrode 407 von der Oberfläche des Halbleiters 401 so eingestellt werden, dass eine Eins durch die Elektrode 407 von der Quelle 77 zu der Zone 408 durchgeschaltet wird, wenn sich eine Null in der Abfühlzone 404Y befindet. Eine Null wird durch die Elektrode 407 von der Quelle 77 zu der Zone 408 durchgeschaltet, wenn sich eine Eins in der Abfühlzone 104Y befindet.
Es wurde schon im Zusammenhang mit den Figuren 5 und 6 erwähnt, dass es zur Erzielung eines optimalen Betriebs wünschenswert sein kann, ein Vorspannungspotential an die Torschaltungselektrode (407 in Fig. 15) und, oder an das Abfühlelement (404Y in Fig. 15) anzulegen. Dies kann durch Anlegen des Leiters 406 über eine hohe Impedanz an eine Gleichspannungsquelle erreicht werden. Dies ist in Fig. 15 schematisch durch den gestrichelt gezeichnete n Widerstand 409 dargestellt, der zwischen den Leiter 406 und einer Vorspannungsquelle mit dem Potential -VB geschaltet ist.
Wie bei den Einrichtungen nach den Fig. 5 und 6 ist die der hohen Impedanz zugeordnete Zeitkonstante beträchtlich grösser als der Kehrwert der Bit-Transportgeschwindigkeit durch den Eimer-Ketten -Kanal, so dass die Impulsspannungen die Torschaltungselektrode 407 trotz der an dieser liegenden Vorspannung steuern können.
Es sei ferner erwähnt, dass das Eimer-Ketten -Schieberegister mit invertierendem Regenerator nach Fig. 15 für viele verschiedene Anwendungszwecke, wie sie zum Beispiel an Hand der Fig. 7-14 beschrieben wurden, modifiziert werden kann.
Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht des grundsätzlichen Aufbaues einer für zweiphasigen Betrieb geeigneten Anordnung, von dem mehrere zum Aufbau von erfindungsgemässen Einrichtungen verwendet werden können. Die Anordnung 510 weist einen n-leitenden Halbleiterteil 511 auf. auf welchem eine Isolierschicht 512 ungleichförmiger Dicke angeordnet ist.
Auf der Schicht 512 befinden sich eine Mehrzahl dicht beieinander liegender Elektroden 513A, 514A. 513B, 514B und 513C. Wie dargestellt, besitzt jede Elektrode einen ersten Teil.
der oberhalb eines relativ dicken Bereichs der Isolierschicht gelegen ist und einen zweiten Teil. der oberhalb eines relativ dünnen Bereichs der Isolierschicht gelegen ist. Die Elektroden liegen abwechselnd an je einem gemeinsamen Leiter 515 bzw.
516, denen Treibimpulse (Taktimpulse) 4 > und 4 > 2 zugeführt werden.
Im einzelnen stellt Fig. 16 den Betriebszustand dar, in welchem 4 > i gleich dem Potential -V, und 4 > 2 gleich dem Potential -V2 ist, wobei absolut genommen V2 grösser ist als Vl. Ausserdem ist V, grösser als VT wenn VT die Schwellenwertspannung zum Erzeugen einer Inversion der Halbleiteroberfläche im stationären Zustand ist.
Die gestrichelte Linie 515 stellt schematisch das Oberflächenpotential, d. h. die Tiefe der Potentialmulden im Halbleiterkörper 511 beim oben angegebenen Betriebszustand dar.
Wenn, wie vorliegend, das Arbeitsmedium 511 ein Halbleiter ist, kann die Linie 515 auch als die schematische Begrenzung der Verarmungszonen aufgefasst werden, die durch das den Elektroden zugeführte Potential entstehen. Die Ladungsträger, im vorliegenden Fall Löcher, sind schematisch durch Pluszeichen dargestellt, die in die Potentialmulden eingesetzt sind. Da Löcher dazu neigen, die Stellen des tiefsten, negativen Potentials einzunehmen, ist es leicht einzusehen, dass in diesem Betriebszustand freie Löcher nach rechts unter die Elektrode 514A in den tiefsten Teil der Potentialmulde unterhalb der Elektrode 514A transportiert werden, bis entweder alle Löcher übertragen sind oder bis so viele Löcher übertragen sind, dass das Oberflächenpotential unter dem rechten Teil der Elektrode 514A gleich dem Oberflächenpotential unter dem linken Teil dieser Elektrode geworden ist.
Wenn nun, nachdem sich der oben beschriebene Zustand eingestellt hat, die Taktimpulse derart umgekehrt werden, dass das Potential -V1 dem Taktleiter 516 und das Potential -V2 dem Taktleiter 515 zugeführt wird,dann werden die Potentialmulden unter den Elektroden 513A- 513C tiefer und die Potentialmulden unter den Elektroden 514A und 514B weniger tief.
Wenn dieser Zustand auftritt, wird die Ladung unter den Elektroden 514A und 514B nach rechts unter die Elektroden 513B bzw. 513C transportiert. Die Ladungen laufen nach rechts und nicht nach links wegen der durch die ungleichförmige Dicke der Isolierschicht 512 bewirkten Unsymmetrie der Potentialmulden. In ähnlicher Weise werden bei jeder Umkehrung der zugeführten Taktpotentiale die Ladungsmengen (oder deren Fehlen), die die Information darstellen, um einen Schritt nach rechts transportiert.
Fig. 17 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 16 In Fig. 17 bedeuten, wie in Fig. 16 513A-514B die Steuerelektroden und 515 und 516 wieder die Taktleitungen.
Eine schematische Draufsicht auf eine aus mehreren Anordnungen der in Fig. 17 dargestellten Art aufgebaute erfindungsgemässe Einrichtung ist in Fig. 18 dargestellt. Bei dieser Einrichtung bilden eine Vielzahl hintereinander angeordneter Elektroden 523au 524A, 523B, 524B und 523C das Ende eines Informationskanals, dessen Bitstrom zu invertieren und zu regenerieren ist. Die hintereinander angeordneten Elektroden 533A, 534A, 533B, 534B und 533C stellen den Beginn eines neuen Kanals dar, der den invertierten und regenerierten Bitstrom empfängt. Wie dargestellt, ist jede zweite der oben erwähnten Elektroden je an einen Leiter eines Taktleiterpaares 525 und 526 angeschlossen.
Die genannten Elektroden sind derart asymmetrisch ausgebildet, dass im oberen Kanal ein Informationstransport nach rechts (wie dies schematisch durch den Pfeil 522 angedeutet ist) und im unteren Kanal ein Informationsfluss nach links (wie dies schematisch durch den Pfeil 535 dargestellt ist) bewirkt wird.
In Fig. 18 sind mit 541, 542 und 543 gestrichelt dargestellte p-leitende Halbleiterzonen bezeichnet, die unterhalb der Oberfläche der Isolierschicht gelegen sind. Mit 524 und 532 sind voll ausgezogen dargestellte Steuerelektroden auf der Isolierschicht bezeichnet. Die Zonen 541 bis 543 stellen in Verbindung mit den Steuerelektroden 524 und 532 den invertierenden Regenerator dar. Wie nachstehend noch erläutert wird, dient die Zone 541 zur Abführung der gedämpften Information am Ende des ersten Kanals und ist demgemäss benachbart der letzten Elektrode (523) des ersten Kanals angeordnet.
Die Zone 542 befindet sich im Abstand von der Zone 541 und der Abstand zwischen den beiden Zonen ist von der Steuerelektrode 524 überbrückt, so dass die Zonen 542 und 541 durch Anlegen eines Potentials von solcher Höhe an die Elektrode 524, dass eine Invertion der Oberflächen zwischen den Zonen 542 und 541 bewirkt wird, miteinander gekoppelt werden können.
Im Betrieb wird die Zone 542 auf einem festen negativen Potential -VR gehalten, wie dieses in der Fig. 18 dargestellt ist.
Die Zone 541 fühlt die Ladungsmengen ab, die aufeinanderfolgend unter die Elektrode 523C transportiert werden. Das von den ankommenden Ladungsmengen in der Zone 541 induzierte Potential wird über eine metallische Verbindung direkt an die Steuerelektrode 532 gelegt.
Die Zone 543 stellt eine Quelle von Ladungsträgern dar, die unter die Elektrode 533A transportiert oder nicht transportiert werden, je nach der Grösse des an der Steuerelektrode 532 liegenden Potentials.
Die Steuerelektrode 532 liegt, wie dargestellt, zwischen der Quelle 543 und der Elektrode 533A (der ersten Elektrode im zweiten Kanal für die regenerierte Information), so dass die Zone 543 an die Potentialmulde unter der Elektrode 533A angekoppelt werden kann, wenn ein Potential an die Steuerelektrode 532 angelegt wird, welches zur Inversion der darunter liegenden Halbleiteroberfläche ausreicht. Wie dargestellt, sind die Ladungsträgerquelle 543 und die Steuerelektrode 524 miteinander und mit einem Taktleiter 526 verbunden, d. h. mit einem anderen Taktleiter als die Elektroden 523C und 533A.
Vorteilhaft wird das Potential -VR noch negativer gewählt als das am negativsten Potential -V2 der beiden Potentiale -V und -V2, die den Taktleitungen abwechselnd zugeführt werden. Im Falle, dass das Potential -V2 der Taktleitung 526 und das Potential -Vl der Taktleitung 523 zugeführt wird, sind Ladungsmengen in den Kanälen der Einrichtung unter den Elektroden 524A, 524B, 534A und 534B angeordnet. Da die Steuerelektrode 524 mit der Taktleitung 526 verbunden ist, und da das Potential -VR SO negativ ist wie das Potential -V2, wird in der schwimmenden Abfühlzone 541 angenähert das Potential (-V2 + VT) induziert. Dieses Potential wird auch an die Steuerelektrode 532 angelegt.
Das Potential (-V2+VT) wird in der Zone 541 deshalb induziert, weil positive Ladungsträger (Löcher) von der Zone 541 durch die invertierte Zone unter der Elektrode 524 in die negativere Zone 542 gezogen werden. Man sieht, dass die Zone 542 in ähnlicher Weise wirkt, wie die Saugelektrode eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode (eines sog. IGFET). Im beschriebenen Fall wird eine Inversionszone unter der Steuerelektrode 532 gebildet, aber es werden keine positiven Ladungsträger von der Quelle 543 zur Elektrode 533A transportiert, weil die Quelle 543 negativer ist als die Elektrode 533A.
In der nächsten Hälfte des Taktzyklus, in welcher 4 > 1 = - V2 und 4)2 = -Vl ist, wird die Abfühlzone 541 von der Saugelek- trode 542 entkoppelt, weil der Kopplungselektrode 524 weniger negative Spannung zugeführt wird. Ebenso ist nun die Quelle 543 weniger negativ als die Elektrode 533A, so dass positive Ladungsträger zur Elektrode 533A transportiert werden können, wenn an der Steuerelektrode 532 ein entsprechendes Potential liegt.
Wenn die Taktpotentiale die zuletzt beschriebenen Grössen annehmen, werden die Ladungsmengen unter den Elektroden 524 und 534 unter die Elektroden 523 bzw. 533 transportiert.
Wenn eine logische 1 (eine Ladungsmenge) von der Elektrode 524B zur Elektrode 523C transportiert wird, wird das meiste#dieser Ladung in die Zone 541 gezogen und dient zur Entladung des hier gespeicherten negativen Potentials. Die Potentiale und der Abstand der Steuerelektrode 532 von der Halbleiterfläche sind so eingestellt, dass nachdem eine 1 in die Abfühlzone 541 gezogen worden ist, das auf der Steuerelektrode 532 verbleibende Potential nicht mehr ausreichend negativ ist, um einen Ladungstransport von der Quelle 543 zur Elektrode 533A zu bewirken. Daher erscheint eine 0 unter der Elektrode 533A wenn eine 1 unter die Elektrode 523C transportiert wird.
Umgekehrt wird, wenn eine 0 (das Fehlen einer Ladungsmenge) unter die Elektrode 523C transportiert wird, das Potential in der Abtastzone 541 nicht entladen, und das Potential an der Steuerelektrode 532 bleibt ausreichend negativ, so dass eine Ladungsmenge von der Quelle 543 zur Elektrode 533A transportiert werden kann. Wenn also eine 0 unter die Elektrode 523C transportiert wird, erscheint eine 1 unter der Elektrode 533A.
Bei der nächsten Umkehrung der Taktpotentiale, wenn also 4 > =-VI und 4)2 =-V ist, wird jegliche überschüssige positive Ladung von der Abfühlzone 541 zur Saugelektrode 542 gezogen. Auf diese Weise wird das Potential in der Abfühlzone 541 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt, bevor jedes ankommende gedämpfte Bit empfangen wird. Wegen dieser Einstellung, die bewirkt, dass die Löcher der Abtastzone immer vom selben Potential aus starten, wenn ein ankommendes Bit empfangen wird, besitzt der invertierende Regenerator eine erhöhte Empfindlichkeit und besseres Signal-Rauschverhältnis.
Zum besseren Verständnis der Einrichtung nach Fig. 18 ist in Fig. 19 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 der Fig. 18 dargestellt. Wie Fig. 19 zeigt ist die p-leitende Abfühlzone 541 durch eine niederohmige Elektrode 528 kontaktiert, die in Fig. 18 nicht dargestellt ist. Die Steuerelektrode 524 liegt nur auf dem dünneren Teil der dielektrischen Schicht 512, d. h. die Steuerelektrode 524 braucht nicht wie die Elektroden 594B und 524C asymmetrisch ausgebildet zu sein. Auch die Steuerelektrode 532 braucht nicht asymmetrisch zu sein, befindet sich aber vorzugsweise auf dem dünneren Teil der dielektrischen Schicht 512 zwischen der Zone 543 und der Elektrode 533A.
Obgleich ein weiter Bereich von Betriebsspannungswerten verwendet werden kann, ergab sich ein wirksamer Betrieb mit den gegen Erde gemessenen Spannungen V1=6 Volt, V2=10 Volt und VR =12 Volt, wobei bei der Einrichtung nach der Fig. 19 der dünnere Teil der dielektrischen Schicht etwa 1000 Ä Dicke hatte. Ublicherweise ist es nicht vorteilhaft, V, unter etwa 6 Volt zu verringern, es kann aber in einigen Fällen der Betrieb durch Erhöhen von V bis auf 30 Volt oder dar über verbessert werden, wobei dann aber auch VR etwas grösser als V gewählt werden müsste.
Die Geschwindigkeit des Ladungstransportes von der Zone 543 zur Elektrode 533A zur Darstellung 1 ist von dem an der Steuerelektrode 532 liegenden Potential abhängig. Das Potential an der Steuerelektrode 532 kann wegen parasitärer Effekte und weil jede gedämpfte 0 , die von der Abfühlzone 541 festgestellt wird, etwas positive Ladung enthält, die teilweise eine Entladung des Potentials verursacht, weniger negativ sein als VR. Der Gesamteffekt ist der, dass der Transport einer 1 mit einer geringeren Ladungsmenge als gewünscht in die Potentialmulde unter der Elektrode 533A erfolgt.
Die Geschwindigkeit eines zur Darstellung einer 1 dienenden Ladungstransportes von der Zone 543 zur Elektrode 533A ist auch durch die momentane Differenz zwischen dem Potential in der Zone 543 (der Quelle) und dem Oberflächenpotential unter der Elektrode 533A begrenzt. Leider nimmt diese Potentialdifferenz monoton ab wenn die Ladung in die Potentialmulde unter der Elektrode 533A übergeht. Wegen dieser Abnahme der Potentialdifferenz nimmt auch die Geschwindigkeit der transportierten Ladung ab. Der Gesamteffekt ist der. dass ein Transport einer 1 mit einer kleineren Ladungsmenge als erwünscht in die Potentialmulde unter der Elektrode 533A erfolgt.
Soweit diese Effekte auf Potentialbeschränkungen und nicht auf Beschränkungen der Grösse der für einen Transport verfügbaren Ladungsmenge zurückzuführen sind, können sie vermieden werden, indem man die erste Elektrode der Einrichtung, die der Steuerelektrode folgt, grösser macht als die übrigen Elektroden der Einrichtung. Da der Ladungstransport der beschriebenen Einrichtung im wesentlichen ein kapazitiv gekoppelter Ladungstransport ist, nimmt das Oberflächenpotential unter der grösseren Elektrode (höhere Kapazität) weniger schnell ab, als unter einer kleineren Elektrode (niedrigere Kapazität).
Dadurch kann die Grösse dieser ersten Elektrode gegenüber den übrigen Elektroden der Einrichtung so eingestellt werden, dass die vorstehend erwähnten Potentialbegrenzungen kompensiert werden und die gewünschte Ladungsmenge unter die erste und weitere Elektroden zur Darstellung einer ¯ < 1 transportiert werden kann.
In Fig. 20 ist eine Einrichtung dieser Art dargestellt, die die gleiche Einrichtung wie Fig. 18 zeigt, ausser dass die Elektrode 533A eine doppelt so grosse Ausdehnung wie die übrigen Elektroden besitzt.
Der vorstehend beschriebene invertierende Regenerator kann auch für Einrichtungen des Eimer-Ketten -Typs verwendet werden. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Einrichtung wird nachfolgend an Hand der Fig. 20 und 21 beschrieben.
Fig. 21 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil 550 einer Einrichtung von Eimer-Ketten -Typ mit einem invertierenden Regenerator. Die Einrichtung nach Fig. 21 besitzt eine Vielzahl hintereinander angeordneter Steuerelektroden 551A, 552A, 551B, 552B und 551C und eine Vielzahl unter diesen Elektroden liegenden, asymmetrisch angeordneten p-leitenden Zonen 553A, 554A, 553B und 554B, die gestrichelt dargestellt sind. Diese Anordnung stellt das Ende eines Eimer-Ketten -Kanals dar, dessen Bitstrom zu invertieren und zu regenerieren ist.
In ähnlicher Weise stellen die hintereinander angeordneten Steuerelektroden 561A, 562A, 561B, 562B und 561C und die asymmetrisch angeordneten, unter diesen Elektroden liegenden, gestrichelt dargestellten pleitenden Zonen 565A, 566A, 565B, 566B und 566C den Anfang eines neuen Eimer-Ketten -Kanals dar, der zur Aufnahme des invertierten und regenerierten Bitstroms vorgesehen ist. Wie dargestellt, ist jede zweite der vorstehend erwähnten Elektroden jeweils an eine von zwei Taktleitungen 567 und 568 angeschlossen, welche ihrerseits mit einem Taktimpulsgenerator 580 verbunden sind.
Wie schematisch durch die Pfeile 569 und 570 angedeutet, ist die Einrichtung nach Fig. 21 dafür vorgesehen, dass Information nach rechts in den Eingangskanal, den gedämpften Kanal, transportiert wird, und nach links in den Ausgangskanal, den regenerierten Kanal. Die bevorzugte Richtung des Informationsflusses ist durch die Asymmetrie bestimmt, mit der die Zonen von den darüberliegenden Elektroden überlappt werden. In Fig. 21 überlappt jede der vorstehend erwähnten Elektroden einen Teil zweier getrennter darunterliegender Zonen, wobei im oberen Kanal sich die grössere Überlappung auf der rechten Seite jeder Elektrode und im unteren Kanal die grössere Überlappung sich auf der linken Seite jeder Elektrode befindet.
Diese Überlappungsasymmetrie bewirkt einen Informationsfluss in nur einer Richtung wegen der resul tierenden Asymmetrie der kapazitiven Kopplung zwischen den Steuerelektroden und den darunter liegenden Zonen.
In Fig. 21 ist wie in Fig. 18 541 die Abfühlzone. 542 die Bezugszone, an welche die Abfühlzone zur Rückstellung durch
Anlegen einer geeigneten Spannung an eine überbrückende
Steuerelektrode 524 angekoppelt ist, 543 die unabhängige
Quelle für Ladungsträger, die in den unteren Kanal durch an der Steuerelektrode 532 induzierten Spannungen injiziert werden. Die Einrichtung nach Fig. 21 weist ferner eine zusätzliche p-leitende Zone 563 zur Uberbrückung des Spaltes zwischen der Steuerelektrode 532 und der Elektrode 561A auf.
Beim Betrieb der Einrichtung nach Fig. 21 wird wie bei der Einrichtung nach Fig. 18 die Zone 542 auf einem festen, negativen Potential -VR gehalten. Die Zone 541 fühlt Ladungsmen- gen ab, welche unter die letzte Eimer-Ketten -Elektrode 551C transportiert werden und das dadurch in der Zone 541 von den ankommenden Ladungsmengen induzierte Potential wird über die Leiter 544A und 544B direkt an die Steuerelektrode 532 angekoppelt, welche Leiter durch den gestrichelt gezeichneten Leiter 544C, beispielsweise in Form einer metal lischen Belegung, miteinander verbunden sind. Wie dargestellt, sind die Quelle 543 und die Steuerelektrode 524 miteinander und mit einer Taktleitung 568 verbunden, d. h. mit der anderen Taktleitung als diejenige, an welche die Elektroden 551C und 561A angeschlossen sind.
Die Quelle 543 muss nicht mit einer Taktleitung verbunden sein, sondern kann auch von einem unabhängigen Impulsgene rator gesteuert werden, der mit den Taktleitungsimpulsen synchronisiert ist, wodurch eine grössere Flexibilität in der Ansteuerung der Quelle 543 erhalten wird, jedoch der Aufwand etwas höher wird. Diese Möglichkeit ist schematisch in Fig. 21 dargestellt. Wenn die gestrichelt gezeichnete Leitung
544C vorhanden ist, sind die Elektrode 524 und die Quelle
543 miteinander und mit einer gemeinsamen Taktleitung 568 verbunden. Wenn die andere Alternative gewählt wird, fehlt die Verbindung zwischen 544A und 544B, stattdessen ist der Leiter 544B mit dem unabhängigen Impulsgenerator 570 verbunden.
Wenn statt einer zweiphasigen eine drei- oder vierphasige Einrichtung benutzt wird. braucht die Quelle 543 nicht gepulst zu werden, sondern kann an eine Gleichspannung angeschlossen werden. In diesem Fall wird die selektive Einführung von Bits in den regenerierten Kanal durch Steuerelektroden bewerkstelligt.
Vorteilhaft wird das Potential -VR SO gewählt, dass es negati ver ist als das negativere Potential -V2 der beiden abwechselnd den Taktleitungen zugeführten Potentiale. Wenn das Potential -V der Taktleitung 567 und das Potential -V2 der Taktleitung 568 zugeführt wird, werden Bits (Ladungsmengen oder keine Ladungsmengen) in den Zonen 554A, 554B bzw. 566A, 566B unter den Elektroden 552A, 552B bzw. 562A, 562B der beiden Eimer-Kettenkanäle angeordnet. Da die Steuerelektrode 524 an die Taktleitung 568 angeschlossen ist und da das Potential -VR zumindest so negativ ist wie das Potential -V2, wird in der elektrisch schwimmenden Abfühlzone 541 das Potential (-V2)+VT induziert.
Dieses Potential wird in der Zone 541 deswegen induziert, weil positive Ladungsträger (Löcher) von der Zone 541 durch die invertierte Zone unter der Elektrode 524 in die negativere Zone 542 gezogen werden Die Zone 542 wirkt somit in ähnlicher Weise wie die Saugelektrode eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode.
Wegen der leitenden Verbindung 544 zwischen der Zone 541 und der Steuerelektrode 532 erscheint das Potential der Zone 541 auch auf der Steuerelektrode 532. Dadurch wird eine invertierte Zone unter der Steuerelektrode 532 erzeugt, aber keine positiven Ladungsträger von der Quelle 543 zur Zone 563 unter der Elektrode 532 transportiert, weil die Quelle 543 negativer ist als die Zone 563.
Dass die Quelle 543 während dieser Hälfte des Taktzyklus negativer als die Zone 563 ist, ergibt sich ohne weiteres aus nachstehender Überlegung. Während dieser Hälfte des Taktzyklus wird das negativere Potential -V2 der Quelle 543 zugeführt und das weniger negative Potential -Vl der Elektrode 561A. Wegen der Kapazität der Überlappung zwischen der Elektrode 561A und der Zone 565A und weil die Elektrode 561A als überbrückende Steuerelektrode wirkt, die die Zonen 563 und 565A durch eine invertierte Zone während der vorausgegangenen Hälfte des Taktzyklus miteinander koppelte, wird das Potential sowohl der Zone 563 als auch der Zone 565 beim Übergang auf diese Hälfte des Taktzyklus auf praktisch das Potential -V1 getrieben.
Daher hat die Quelle 543 während dieses Halbzyklus das negativere Potential -V2 als die Zone 563, die etwa das Potential -Vl hat.
Aus den vorstehenden Ausführungen sieht man, dass die Zonen 563 und 565A nicht getrennte Zonen (wie in Fig. 21 dargestellt) zu sein brauchen, sondern auch zu einer gemeinsamen Zone vereinigt sein können. Diese Vereinigung kann allerdings ein Problem für gewisse Anwendungsfälle sein und zwar wegen der sich daraus ergebenden Erhöhung der parasitären Kapazität der grösseren Zone.
Während der nächsten Hälfte des Taktzyklus, wenn also (a1 = -V2 und 4 > 2 -V1 ist, wird die Abfühlzone 541 von der Saugelektrode 542 wegen des weniger negativen Potentials an der Kopplungselektrode 524 entkoppelt. Von Wichtigkeit ist auch der Umstand, dass die Quelle 543 nun weniger negativ ist als die Zonen 563 und 565A, so dass positive Ladungsträger zur Zone 565A transportiert werden können, wenn sie nicht durch die Wirkung der Steuerelektrode 532 daran gehindert werden. Wenn die Taktpotentiale die vorstehend angegebenen Werte annehmen, werden die Ladungsmengen, die die Information darstellen, von den Zonen 554 und 566 zu den Zonen 553, bzw. 565 transportiert.
Wenn eine logische 1 (eine Ladungsmenge) von der Zone 554b in die Zone 541 transportiert wird, dann bewirkt diese Ladung die Entladung des dort gespeicherten negativen Potentials. Die Potentiale und der Abstand der Steuerelektrode 532 von der Halbleiteroberfläche sind so eingestellt, dass, nachdem eine Ladungsmenge in die Abfühlzone 541 transportiert worden ist, die an der Steuerelektrode 532 verbleibende Spannung nicht mehr ausreichend negativ ist, um einenLadungstransport von der Quelle 543 zur Zone 565A zu ermöglichen. Wenn also eine 1 in die Abfühlzone transportiert worden ist, erscheint eine 0 in der Zone 565A.
Umgekehrt wird, wenn eine 0 (Fehlen einer Ladungsmenge) in die Abfühlzone 541 transportiert wird, das Potential an der Abtastzone 541 nicht entladen und das Potential an der Steuerelektrode 532 bleibt ausreichend negativ, so dass eine Ladungsmenge von der Quelle 543 zur Zone 563 und weiter in die Zone 565A transportiert werden kann. Demnach erscheint, wenn eine 0 in die Zone 541 transportiert wird, eine 1 in der Zone 565A.
Beim nächsten Wechsel der Taktpotentiale, wenn also 4 > i = -V, und 4 > 2 = -V2 ist, wird jegliche überschüssige positive Ladung von der Abfühlzone 541 in die Saugelektrode 542 gezogen. Auf diese Weise wird das Potential an der Abfühlzone 541 vor der Aufnahme eines jeden ankommenden gedämpften Bits auf einen vorbestimmten Potentialwert zurückgestellt. Wegen dieser Rückstellung, die die Abfühlzone veranlasst, immer beim selben Potential bei der Aufnahme eines ankommenden Bits zu beginnen, besitzt der invertierende Regenerator eine höhere Empfindlichkeit und ein besseres Signal-Rauschverhältnis.
Für ein vertieftes Verständnis der in Fig. 21 schematisch dargestellten Einrichtung ist in Fig. 22 eine Schnifitansicht dargestellt, die längs der Linie 7-7 in Fig. 21 genommen ist.
Man sieht aus Fig. 22, dass die p-leitende Abfühlzone 541 von einer niederohmigen Elektrode 527 (nicht dargest llt in Fig.
21) elektrisch kontaktiert ist, während die Saugz e 542 durch eine ähnliche niederohmige Elektrode 528 (gleichfalls nicht in Fig. 21 dargestellt) kontaktiert ist. Die übrigen Einzelheiten ergeben sich aus einem Vergleich der beiden Figuren.
Für die vorstehend beschriebene Einrichtung kann ein breiter Betriebsspannungsbereich gewählt werden. Beispielsweise konnte die Anordnung mit auf Erde bezogenen Spannungen Vl =6 Volt, V2= 10 Volt und VR= 12 Voolt betrieben werden, wobei der dielektrische Teil etwa 1000 A dick war. Es ist nicht von Vorteil, den Wert von Vl auf unterhalb etwa 6 Volt zu verringern, der Betrieb kann aber in einigen Fällen durch Erhöhen der Spannung V2 auf bis zu 30 Volt oder darüber verbessert werden. In diesem Fall muss dann auch VR entsprechend erhöht werden, um etwas grösser als V2 ZU sein.
Es können auch geeignete injizierende Schottky-Sperrschicht-Dioden und/oder gleichrichtende Sperrschichtelemente anstelle jeder beliebigen oder aller genannten Zonen in den zuvor beschriebenen Einrichtungen verwendet werden.
The invention relates to a device for storing and transmitting information with a semiconductor body on which several groups of electrodes are arranged, each of these groups having a plurality of electrodes to which voltages for forming successive potential wells in the semiconductor body can be applied alternately, in which potential wells a quantity of charge carriers dependent on the information can be stored and shifted in one direction within the semiconductor body.
Known devices of this type are described in the article Charge Coupled Semiconductor Devices by W. S. Boyle and G. E. Smith in B.S.T.S., Vol. 49, No. 4 April 1970. In these devices, the information is represented by quantities of charge carriers which are located in potential wells which are generated in suitable storage media such as semiconductors, semi-insulating semiconductors and insulators. In the article mentioned, a shift register is described in which information in the form of charge carrier quantities is transported from one potential well to the next.
In another known device for storing and transferring information, charge carrier elements are transported from one zone to another along the surface of a semiconducting body which consists of semiconducting material of one conductivity type and a number of separately arranged zones of material of another conductivity type. With this device, a potential well is created in each zone. whose limit is defined by the pn junction which electrically separates the zone from the rest of the semiconducting body. This device is known as a bucket chain store.
One problem with charge transport devices of this type is that. that a number of charge carriers of each charge carrier quantity is left behind each time a charge carrier quantity is transported from one potential well to another. Since this loss of charge carriers leads to signal attenuation, a controlled charge regeneration and or amplification must be provided if very long information is to be stored and processed.
It is often also desirable to provide other modes of operation, such as the execution of logic functions. The most common basic digital logic functions are state reversal (signal complement formation) and bit regeneration.
Given these two basic functions, all other logical functions, such as AND. OR, NAND, NOR can be derived from these.
The object of the invention is to create a device for storing and transmitting information with controlled bit regeneration.
This object of the invention is achieved by a device of the type mentioned at the outset, which is characterized by first means with floating potential for determining the amount of charge carriers stored at a specific location of the semiconductor body, second means for removing charge carriers from the named location, third means for injecting a certain amount of charge carriers at another point of the semiconductor body and passively through with the first means, d. H. fourth means, electrically connected without amplification, for controlling the amount of charge carriers injected by the third means at the other location as a function of the amount of charge carriers at the specific location determined by the first means.
In the following, exemplary embodiments of the invention are described with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows an isometric sectional illustration of the basic structure of a unit of a device according to the invention designed for three-phase operation,
2A-2C show a schematic sectional illustration of a device according to the invention constructed from several units connected in series of the type shown in FIG.
3 shows a sectional illustration of a device according to the invention which is designed for two-phase operation,
4 shows a sectional illustration of a device according to the invention with means for controllably introducing an amount of charge into the information channel of the device,
5 and 6 isometric sectional views according to the invention devices with means for bit regeneration,
Fig.
7-14 schematic top views of devices according to the invention in the form of logic circuits with means for bit regeneration,
15 shows a schematic sectional illustration of a device according to the invention in the form of a bucket chain store with means for bit regeneration,
16 shows a sectional view of a device according to the invention for two-phase operation,
FIG. 17 a schematic plan view of the device according to FIG. 16,
18 shows a schematic plan view of a further device according to the invention with means for bit regeneration
19 is a sectional view taken along line 4-4 in FIG. 18;
20 shows a plan view of a modification of the device according to FIG. 18 for achieving a larger output signal,
21 shows a schematic plan view of a further device according to the invention with means for bit regeneration and
Fig.
22 is a sectional view taken along line 7-7 in FIG.
For the purpose of a simplified and clear explanation of the figures, these have not been shown to the correct scale. The same reference symbols in the figures denote the same elements.
In the devices according to the invention, digital information is represented by the presence or absence of a quantity of charge carriers which are located in potential wells and are electrostatically coupled to them, often being located close to the surface of a suitable storage medium. The potential wells are formed and controlled by the application of potentials to control electrodes in the same way as is usual with metal-insulator-semiconductor devices (MIS). Since MIS technology is known, it is not necessary to explain manufacturing methods for the devices given below.
1 shows an isometric sectional illustration of the basic structure of a device 20 which is suitable for storing and transmitting information for three-phase operation. The device 20 consists of a larger part 21 made of n-conducting semiconductor material, over which a relatively thin insulation layer 22 lies. Above the insulation layer 22 there are a number of closely adjacent electrodes 24-26 arranged in a row, which are connected to potential sources with the potentials -V1, -V2 and -V3 via higher-lying connection conductors. In terms of the absolute value, V3 is greater than V2, which in turn is greater than V i. V is also greater than VT, where VT is the threshold potential for the generation of an inversion of the semiconducting surface under static conditions.
The dashed line 27 schematically represents the surface potential (depth of the potential well) close to the surface and follows the boundaries of the depletion regions that are formed by the potentials that are applied to the electrodes,
Charge carriers, in this case holes, are shown schematically by plus signs that are drawn in the potential wells. Since the holes tend to the points of greatest negative potential, it can be seen that the holes stored under the electrode 25 in FIG. 1 migrate into the potential well under the electrode 26 until all the holes are under the electrode 25 or until there are so many holes under the electrode 25 that the surface potentials under the electrodes 25 and 26 have become equal.
During operation, all holes should ideally be transported in order to avoid a loss of signal information, but this is normally not achieved.
2A-2C schematically show a cross section of a linear arrangement of several devices of the type shown in FIG. 1. Every third electrode is connected to one of three clock lines 41-43. Since the electrodes work together in groups of three, the corresponding reference numerals 24-26 are provided with letters, A, B, C etc. after them.
2A shows an initial condition in which the electrodes designated by 24 have the potential -V2 applied.
The potential -Vl is applied to the other electrodes 25 and 26.
In this and the other figures described below, it is assumed that the semiconductor part is kept at zero potential. The discussion below also assumes that there are approximately equal amounts of positive charge (holes) under electrodes 24A and 24C, but none under electrode 24B. The charge state is considered a logic one stored under electrode 24A and electrode 24C and the no charge state is considered a logic zero stored under electrode 24B.
FIG. 2B shows the state of the arrangement of FIG. 2A after the potential on the clock line 42 has been changed to -V3. Since V3> V2> Vl, the charge (or the lack of charge) that was previously under electrodes 24A, 24B and 24C has now moved to the right into the lower potential wells that are now under electrodes 25A, 25B and 25C . Figure 2C shows the same arrangement again in an idle or hold state, i.e. H. with the potential V1 on the clock lines 41 and 43 and the potential -V2 on the clock line 42, the logic states under the electrodes 25A, 25B and 25C being maintained.
The cycle is thus ended and the arrangement is in the state shown in FIG. 2A, but with the difference that the logical states are each shifted by one place. The cycle can then be repeated to display the logic states under electrodes 26A, 26B, 26C, etc.
to push.
In devices of the type shown in FIGS. 1 and 2A-2C, in which the electrodes are everywhere the same distance from a practically uniformly doped semiconductor surface, there is a tendency for symmetrical potential wells to form under the electrodes. To suppress this tendency, the electrodes are three-phase controlled in groups of three, so that an asymmetry of the potential well is created and charge transport is ensured in only one direction.
In devices of the type shown in FIG. 3, in which the electrodes 53 and 54 are arranged on an insulation layer 52 of unequal thickness, which is formed on a semiconductor part 51, no three-phase control is necessary. In FIG one of two clock lines 55 and 56 connected, which in turn are connected to a two-phase
Clock generator are connected, which alternately applies the potentials -Vl and -V2 to the clock lines. It is worth noting that the potential wells in FIG. 3 are inherently asymmetrical and that each time the clock line potentials change, the stored logic states are shifted one step (one electrode) to the right in FIG. 3.
Regardless of whether a device is suitable for two-phase, three-phase or four-phase operation, the problem remains that a small proportion of the charge to be transported is normally left behind each time charge is transported from one potential well to the next. For compensation and to enable combinatorial logic functions, it is advantageous to provide a controlled charge regeneration. This purpose is served by the means shown in FIG. 4 for introducing a controllable amount of charge into the information channel of a device according to the invention.
In FIG. 4, the electrodes 24A-26B arranged in a row are separated from the surface of an n-conducting semiconductor part 61 by an insulation layer 62. The semiconductor 61 has a p-conductive zone 63 to which a blocking potential -Vs is applied via an electrode 64. The dashed line 65 schematically represents the depth of the potential wells under the electrodes 24A-26B, the surface potential under the electrodes 24A and 24B being more negative than under the remaining electrodes. If -Vs is more negative than the surface potential under electrode 24A, no holes migrate from zone 63 into the adjacent information channel.
If -Vs is less negative than the surface potential below electrode 25A, the holes will migrate into the channel and fill the potential wells until the surface potential has risen to about -Vs along the entire channel.
However, if -Vs is more negative than the surface potential under electrode 25A but less negative than the surface potential under electrode 24A, then the holes migrate from zone 63 into the information channel and only partially fill the potential well under electrode 24A.
Once enough holes have accumulated in the potential well below electrode 24A so that the surface potential here is approximately equal to -Vs, then the holes stop flowing further into the channel.
Therefore, by adjusting Vs with respect to the potentials -V1 and -V2 applied to the electrodes, a controlled amount of charge can be selectively injected or not injected to generate a digital bit stream that flows right into a new information channel. The zone 63 works in the same way as the source zone in a field effect transistor with an isolated control electrode.
If a bit generator such as that shown in Fig. 4 is now combined with a detector which senses the bits that are transmitted in a channel, then the bit generator can be used to determine the information that is transmitted in the attenuated channel , depending on the signals from the detector in a new channel. FIGS. 5 and 6 show two exemplary embodiments of such a bit generator in an isometric sectional illustration.
The device shown in FIG. 5 consists of a larger n-conducting semiconductor part 71 and an overlying insulation layer 72. Control electrodes 26Y, 24Z, 25Z and 26Z arranged in a row represent the end of an information channel whose bit stream is to be regenerated. The control electrodes 34A, 35A and 36A arranged in a row represent the beginning of a new information channel which is used to receive the regenerated bit stream. As in FIGS. 1 and 2A-2C, every third control electrode is connected to one of three clock lines 73-75.
A pair of p-conductive zones 76 and 77 lie close to the surface of the semiconductor 71 and are connected via the electrodes 78 and 79 to sources of negative potentials -VD and -Vs, respectively. The p-type zone 76 is close to the last electrode 26Z in the damped channel. The potential -VD is chosen in an advantageous manner. that it holds the p-type region 76 more negative than the most negative surface potential induced under the control electrode 26Z, so that any bit carried under the electrode 26Z is collected and diverted to earth. The zone 76 operates in the same way as the drain zone in a field effect transistor with an isolated control electrode.
The p-conductive zone 77 is designed in such a way that it can work as a bit generator. The potential Vs applied to zone 77 is selected in this way. that it keeps zone 77 so negative. that only enough holes are drawn from it to partially fill the potential well under the electrode 34A without the holes flowing into the new information channel.
An electrically floating sensing electrode 80 is located under the control electrode 25Z for determining the amount of charge stored under the electrode 25Z, which is separated by parts of the insulation layer 72. The sensing electrode is connected by a contact 81 located above it to a gate circuit electrode 82 which lies between the bit generator 77 and the first control electrode 34A.
The capacitance between electrodes 25Z and 80 is denoted by C :. while the capacitance between the electrode 80 and the semiconductor 71 is indicated by C. The capacity of the relaxation area. which forms between electrodes 25Z and 80.
is very small compared to C1 and CI, so that the potential occurring at the electrode 80 is approximately equal to the clock pulse potential 4) l applied to the electrode when the potential well below is empty (logic zero). If, on the other hand, the potential well is almost full (logical one). then the potential occurring at the electrode 80 is approximately ° 1 multiplied by the ratio Ci (C: TCc (. Since ° 1 is a negative potential and Ci and C are positive.) more negative potential will occur at the electrode 80. If there is a zero is under electrode 25Z as if there were a one there.
These voltages occurring at the electrode 80 are fed directly to the gate circuit electrode 82, which is located between the bit generator 77 and the control electrode 34A. It should be noted. that the first control electrode 34A is connected to the same clock line as the electrode 25Z. under which the bits are sensed. Due to this fact, a lot of holes (logic one) are transported from the bit generator 77 to the potential well under the electrode 34A. if there is a zero under electrode 25Z at that time. Conversely, no holes (logical zero) are transmitted by the bit generator 77.
when there is a one below the electrode 25Z, since the capacitance ratio C, (Cl + C2) and the distance of the electrode 82 from the semiconductor surface are selected such that when there is a one below the electrode 25Z, the surface potential below the electrode 82 is less negative than -Vs.
In some applications, it may be desirable to apply a bias potential to gate electrode 82. This is possible through an additional connection of the gate circuit electrode 82 via a high impedance (not shown) to a direct voltage source. In this case, the time constant of the high impedance is considerably greater than the reciprocal bit transport speed through the information channel, so that the pulse voltages which occur at the sensor electrode 80 also reach the gate connection electrode 82. without interference from the bias potential. The electrodes 80 and 82 are therefore electrically floating electrodes with respect to the NN alternating voltage and the pulse signals.
FIG. 6 shows a similar state inverter and bit generator as FIG. 5, with the exception that the amount of charge is sensed by an electrically floating p-type zone 90. which lies near the semiconductor surface under the electrode 25Z. The only difference between the arrangements of FIGS. 5 and 6 is that the electrically floating sensing electrode 80 of FIG. 5 is replaced in FIG. 6 by an electrically floating zone 90.
Because of the analogy, the same reference numbers are otherwise used in FIG. 6 as in FIG. 5.
In a manner similar to that already described in connection with FIG. 5, potentials occur at the sensing zone 90 in FIG. 6 which are applied directly to the gate circuit electrode 82, which blocks or allows the transport of an amount of charge from the bit generator 77. The potential at zone 90 is approximately equal to the applied surface potential at any given instant. This surface potential is approximately equal to ° "when there is a zero under electrode 25Z, since (P, is at electrode 25Z and is slightly less negative than °", when there is a one (amount of charge from holes) under electrode 25Z.
If, when applying 4) to the electrode 25Z, such a number of holes flows under the electrode 25Z that the potential well is filled, the surface potential rises to a maximum value of slightly less than zero. In typical devices of this type, the potential appearing at zone 90 when a one is present can be made one third less negative than the potential appearing at a zero. This difference is sufficient. in order to bring about the desired through-connection by means of the electrode 82.
It should be noted that, as with the device according to FIG. 5, with the device according to FIG. 6, a one is passed on from the bit generator 77. when there is a zero under electrode 25Z and a zero when there is a one under electrode 25Z.
After the construction and the mode of operation of the basic devices according to the invention have been described, a number of advantageous modifications and applications for such devices according to the invention will now be explained with reference to FIGS. 7-14. FIGS. 7-14 show a schematic representation of the devices according to FIGS. 1-6.
In Figures 7-14, the solid squares represent the control electrodes overlying a layer of insulation. The dashed squares show either electrodes. located within the insulator (such as electrode 80 in Fig. 5) or zones in the semiconductor (such as zones 76, 77 and 90 in Figs. 5 and 6.)
Specifically, FIG. 7 shows a schematic plan view of a device which is similar to that shown in FIGS. 5 and 6. In FIG. 7, I24Y to 126Z are control electrodes at the end of an information channel whose information is to be inverted and regenerated. 134A to 136A are control electrodes at the beginning of a new information channel that receives the regenerated bit stream.
Electrodes 124Y through 126Z and 134A through 136A correspond to electrodes 26Y through 26Z and 34A through 36A in Figures 5 and 6. As in Figures 1, 2A-'C described earlier. 5 and 6, every third control electrode is connected to one of three clock lines 173175, to which the clock potentials 4> 1-4> 3 are applied.
In FIG. 7, the rectangle 100 shown in dashed lines represents the sensing electrode located below the electrode 124Z, which corresponds to either the electrode 80 in FIG. 5 or the zone 90 in FIG. As in FIGS. 5 and 6, the sensing electrode 100 is not connected to the clock lines, but rather via a line 181 to a gate circuit electrode 182 which operates in exactly the same way as the gate circuit electrode 82 in FIGS. 5 and 6.
176 denotes a p-conductive zone, shown in dashed lines, on which there is a negative potential -VD and which works as a drain electrode, in analogy to zone 76 in FIGS. 5 and 6. 177 is a p-conductive zone shown in dashed lines denotes, at which there is a negative voltage potential -Vs and which works as a bit generator, in analogy to the zone 77 in FIGS. 5 and 6.
Unlike the device shown in Figs. 5 and 6, the sensing element 100 in Fig. 7 is located below the control electrode 124Z and separated from the drainage electrode by a pair of control electrodes 125Z and 126Z instead of just one. This separation into two electrodes instead of one is not necessary for the mode of operation, but it is advantageous since it decouples the sensing element 100 from the drainage electrode 176 more effectively.
In the devices according to FIGS. 1 and 2A-2C, the amounts of charge which represent the information are only below those electrodes to which the most negative clock potential -V3 is applied. The other two electrodes in each group of three serve to separate each amount of charge from the adjacent amount of charge. Therefore, in FIG. 7, it is desirable to pass on an amount of charge from the bit generator 177 only when the potential -V3 is applied to the electrode 1732 (above the sensing electrode 100), since only then is there an amount (or none) of charge which represents the information to be sensed under electrode 124Z.
In general, the control electrode (124Z in Fig. 7), which lies above the sensing electrode (100 in Fig. 7), is always connected to the same clock line (173 in Fig. 7) as the first control electrode (134A in Fig 7) which follows the gate electrode (182 in FIG. 7) so that information is simultaneously sensed, inverted, regenerated and transmitted to the first control electrode (134A in FIG. 7) of the new information channel. It also follows from the above that Vs should be greater than Vl and V2, but smaller than V3, SO that the gate circuit electrode 182 only allows an amount of charge to be transported away from the bit generator 177 when the potential -V3 is simultaneously at the electrode 124Z and there is a zero under electrode 124Z.
Fig. 8 now shows a schematic plan view of a device which is similar to that shown in FIGS.
The device according to FIG. 8, however, is suitable for Zweiphasenbe operation. The control electrodes 153Y to 154Z represent the end of an information channel whose information is to be inverted and regenerated. The control electrodes 253A and 254A represent the beginning of a new information channel that receives the regenerated bit stream. To the
These are to ensure cargo transport in one direction
Control electrodes designed so that they are asymmetrical
Generate potential wells, as already explained in connection with FIG. 3.
In FIG. 8, every second control electrode is connected to one of two clock lines 155 and 156. 176 denotes a drainage electrode and 177 denotes a bit generator, which are connected to potential sources with the potentials -Vn and -Vs, respectively. A sensing electrode 100 such as the electrode 80 in FIG. 5 or the electrode 90 in FIG. 6 lies under the control electrode 153Z and is connected to a gate electrode 182 via a conductor 181. If, as here, control electrodes are used in the manner shown in FIG. 3, the sensing electrode 100 is advantageously located only under that part of the corresponding control electrode (153Z in FIG. 8) which is above the thinner dielectric, because there is the The amount of charge is as shown in FIG.
In this way a maximum of induced voltage and a minimum of parasitic capacitances are obtained. The mode of operation of the device according to FIG. 8 emerges from what has already been said.
9 shows a schematic plan view of another device which is suitable for two-phase operation. The device shown in FIG. 9 differs from that in FIG. 8 only in that the bit generator 177 is connected to and controlled by the clock line 136 and that the sense electrode 100 is connected to the drain electrode 176 by two control electrodes 154Z and 154ZZ instead of only a control electrode is separated.
As in the three-phase exemplary embodiments explained above, the control electrode (153Z in FIG. 9) under which the sensing electrode 100 is located must be connected to the same clock line (155 in FIG. 9) as the first control electrode (253A in FIG. 9) following the gate electrode (182). If, as in FIG. 9, the bit generator is to be controlled by the clock line in order to reduce the number of lines required, the bit generator (177) must be connected to a different clock line (156 in FIG. 9) than the electrodes 153Z and 253A to create the appropriate potential relationships. This is described on the basis of a complete work cycle of the device according to FIG.
First, a first half cycle is assumed in which the potential 4> 1 = -Vl is applied to the clock line 155 and the potential 4> 2 = -V2 is applied to the clock line 156, where V2> VI. During this half cycle, the and regenerating bit stored under electrode 154Y. Another bit that has been inverted and regenerated is stored twice, namely the attenuated bit under electrode 154Z and the inverted and regenerated bit under electrode 254A. In this state of the device, no positive amount of charge can be transferred from the bit generator 177 to the control electrode 253A, regardless of the potential at the gate circuit electrode 182, since the bit generator has the potential -V2 and is therefore more negative than the electrode 253A.
It is now assumed that the clock in the second half cycle supplies a potential 4> 1 = -V2 and a potential 4> 2 = -Vl.
Since the potentials are changed during the transition from the first to the second half cycle, each amount of charge moves one step (one electrode) downward in FIG. 9, as indicated in FIG. 9 by the arrows 157 and 257. The attenuated bit under the electrode 154Z is transmitted to the electrode 154ZZ and from there on to the drainage electrode 176, since the potential -VD on this electrode is more negative than the potential -V2 on the electrode 154ZZ.
The regenerated bit corresponding to the attenuated bit is transmitted via electrode 254A to the next electrode (not shown) in the new information channel. It should be noted that the electrode 253A, since it has the potential -V2, is now more negative than the bit generator 177, which has the potential -V1, so that a positive amount of charge is transported to the electrode 253A when this is the case Gate circuit electrode 182 allowed.
In the transition from the first to the second half cycle, the bit moves from electrode 154Y to electrode 153Z, where it is detected by the sensing electrode 100 located below that electrode. As has already been explained in connection with FIGS. 5 and 6, the sensing electrode 100 and the gate circuit electrode 182 are matched to one another in such a way that a charge amount one is transferred from the bit generator 177 to the electrode 253A when the absence of a charge amount zero under the electrode 153Z is detected by sensing electrode 100 and zero charge is not transferred to electrode 253A when a one is detected by sensing electrode 100 below electrode 153Z.
In the device according to FIG. 9, no bit is transmitted to electrode 253A during the first half cycle because of the potential relationship between bit generator 177 and electrode 253A. During the second half cycle, the potential relationship between generator 177 and electrode 253A is reversed so that the transmission of a one from generator 177 to electrode 253A is prevented only when a zero is detected by the sense electrode.
The device according to FIG. 8 could also operate with a bit generator 177. controlled by clock line 156.
The device according to FIG. 7 intended for three-phase operation could also work with a bit generator 177 which is controlled by the clock line 175, provided that the clock pulse has a suitable shape, for example a sinusoidal shape, so that the corresponding potential relationships between the bit generator 177, the Gate circuit electrode 182 and control electrode 134A are provided.
FIG. 10 now shows a schematic plan view of a further device of the invention, which is intended for two-phase operation. With the exception of the means for bit regeneration, this device is similar to that shown in FIG. 8, so that only these means are described in FIG. 10. Like the device according to FIG. 8, the device according to FIG. 10 has a p-conducting drainage electrode 176 which is connected to a suitable potential source with the potential -VD and a p-conducting zone 177 as a source for positive charge carriers. In contrast to FIG. 8, however, the zone 177 in FIG. 10 is connected to ground and separated from the gate circuit electrode 182 by a control electrode 105 and an electrically floating p-conductive zone 178.
During operation, negative potentials which are applied to the control electrode 253A and to the gate circuit electrode 182 cause negative potentials. a charge transport from zone 178 to control electrode 253A, which in turn causes a negative potential to be induced in zone 178. In the case of a negative zone 178 and a zone 177 at ground potential and after the gate circuit electrode 182 has been switched off, a negative pulse which is applied to the electrode 105 for a certain period of time causes a certain amount of charge to be transported from the zone 177 to the zone 178.
This stores an exact amount of charge in zone 178 that can be transported as a one to electrode 153A. This availability of an exact amount of charge is desirable because the interference level u. a. depends on the degree of equality of the one bits and the zero bits.
In FIGS. 11-13, which are now to be explained, a number of exemplary embodiments of the device according to the invention are shown with means for inverting and regenerating bits of the type described above, which are suitable for performing logical functions.
11 shows a schematic plan view of a device for carrying out the logical operation NOR, the truth table of which looks as follows:
NOR
ABC
001
010
100
110
The upper part of FIG. 11 shows two information channels A and B which are connected to two clock lines 155 and 156 and which transmit information in a downward direction, as is indicated by the arrows 157A and 157B. Electrodes 154AY, 153AZ, 154AZ, 15ABY, 153BZ and 154BZ are control electrodes in the two channels and correspond to electrodes 154Y, 153Z and 154Z in Figures 8-10. The lower part of FIG. 11 with the control electrodes 253CA and 253CB represents the beginning of a new information channel, which is labeled C and which receives the regenerated bits which originate from the NOR operation.
A p-conductive zone, shown in dashed lines, is designated by 276, which is connected to a potential source with the potential -VD and operates as a drainage electrode, analogously to the zones 76 and 176 in the figures described earlier. A p-conducting zone, shown in dashed lines, is designated by 277, which operates as a bit generator in the manner already explained in connection with zone 177 in FIG. 9 and is connected to clock line 156.
A sensing element 100A is located below electrode 153AZ of channel A and a sensing element 100B is located below electrode 153BZ of channel B. Each of these sensing elements is connected via a line 181A or 181B to a gate circuit electrode 182A or 182B, the function of which has already been explained in connection with the earlier figures. For a NOR element, as shown in FIG. 11, the gate electrodes with respect to the bit generator 277 and the first electrode 253CA of the channel C are connected in series.
In operation, separate bit streams of information are transmitted simultaneously along channels A and B in response to the clock signals applied to clock lines 155 and 156. The bit streams are synchronized so that the bits pass simultaneously under electrodes 153AZ and 153BZ. If either sensing element 100A or sensing element 100B senses a one, then the gate electrode to which that sensing element is connected will have a sufficiently high voltage induced to prevent the transfer of charge below it. Thus, as indicated in the truth table in FIG. 11, a one is transmitted from bit generator 277 to control electrode 253CA only when a zero is detected by both sensing elements 100A and 100B.
At this point it should be mentioned that within the NOR element shown in Fig. 11, the gate electrodes 182A and 182B perform a logical AND function, i.e. H. only when a potential well is induced under both can an amount of charge be transferred from bit generator 277 to control electrode 253C. It follows that wherever an AND function is desired in devices of the type described, this z. T. can be realized by arranging a number of gate circuit electrodes one behind the other.
12 shows a schematic plan view of a device which is suitable for performing the logical NAND operation, the truth table of which has the following appearance:
NAND ABC
001
011
101
110
The device according to FIG. 12 differs from that shown in FIG. 11 only in that the gate circuit electrodes 182A and 182B are arranged in parallel with respect to the bit generator 277 and the electrode 253CA. In this embodiment of the gate circuits, the charge transport away from the bit generator 277 is only prevented if a one is detected on both sensing elements 100A and 100B.
This agrees with the truth table of the NAND device in FIG.
At this point it should be noted that within the NAND element shown in Fig. 12, the gate electrodes 182A and 182B perform a logical OR function; H. if a potential well is induced under both, then an amount of charge can be transported from the bit generator 277 to the control electrode 253CA. It follows that, wherever an OR function is desired in devices of the type described, this can in part be realized in that several gate connection electrodes are arranged in parallel with one another.
13 shows a schematic top view representation of a device which is suitable for performing a logical FAN OUT operation, the truth table of which is shown in FIG. 13 below. The upper part of this figure represents an information channel, designated A, which is connected to two clock lines 153 and 156 and which carries out a downlink information transmission, as indicated by the arrow 157A. Electrodes 154AY, 153AZ, 154AZ are channel A control electrodes, analogous to electrodes 154Y, 153Z and 154Z in Figs. 8 to 10. The lower part of the figure, i.e. H. the control electrodes 253BA, 254BB, 253CA and 254CB form the beginning of two channels, which are designated by B and C and are intended to receive the regenerated bits that originate from the FAN-OUT operation.
The strips 276 and 277 shown in dashed lines represent a drainage electrode and a bit generator which operate in accordance with the description of FIGS. 11 and 12. The truth table for the FAN-OUT function looks like this:
FAN-OUT
ABC
011
100
A sensing element 100A lies under electrode 153AZ and is provided with two gate electrodes 182 and 182C by conductors 181B and 181C. When sensing element 100A detects a zero, a one is passed through electrode 182B from bit generator 277 into channel B and another one through electrode 182C into channel C. On the other hand, if there is a one on sensing element 100A, then zeros are gated into channels B and C.
The FAN-OUT function can also be implemented in a way other than that shown in FIG. In many applications it can e.g. B. be advantageous to connect the sensing element to a single gate electrode and the control electrodes 253BA and 253CA (Fig. 13) merge into a larger electrode, so that the parasitic capacitive load on the sensing element is minimal.
The devices shown in Figs. 11 and 12 are not limited to sensing two incoming channels, but they can also sense a larger number of incoming channels, provided that there is a sensing element in each channel and this with gate electrodes arranged in series or in parallel depending on the type of logical operation desired. The FAN-OUT function, which is shown in FIG. 13, is not limited to two output channels, but can also be extended to a larger number of channels.
Two inverting regenerators, as described here, can also be connected in series so that the regenerated pulse is inverted twice and the original pulse is therefore restored.
An application example for such a device is shown schematically in FIG. In this figure, 300 and 301 denote information channels in which the information flow takes place in the direction of the indicated arrows. In channel 300, a sensing element 302 (of any type of the type described in FIGS. 5 and 6) detects incoming damped or weakened signals and induces a corresponding voltage on gate electrode 303.
After the incoming signals have been sensed, they are collected in the manner already described by a drain electrode such as 76 in FIGS. 5 and 6. This electrode is labeled 304 in FIG. 14. Designated at 305 is a source or a bit generator which corresponds to the bit generator 77 in FIGS. 5 and 6. The combination of elements 302, 303, 304 and 305 together form an inverting regenerator.
The bits from source 305 are switched through from electrode 303 to another electrode 306. A sensing element 307 is connected to the electrode 308, which lies at the beginning of the channel 301. After the bits from the source 305 have been detected by the sensing element 307, they are collected by a second drainage electrode 309, a second source 310 serves as a bit generator, the bits of which are switched through by the electrode 308 into the channel 301.
Since the NAND and NOR functions are independent logical functions, all other logical functions can be derived from these two logical functions.
The inverting regenerators described above can also be used in devices for storing and transmitting information of the bucket-chain type, which were mentioned in the opening paragraph. A basic form of such a device according to the invention is shown in FIG. 15 in a schematic cross-sectional illustration.
Denoted at 400 is a bucket chain type charge transport device which uses an inverting regenerator. The device 400 has an n-conducting semiconductor body 401 with a number of p-conducting surface zones. A dielectric layer 402 is located on the surface of the semiconductor body 401. Above the dielectric layer 402 there are a number of control electrodes 401X, 402X, 402Y, 401Y, 402Y, 401Z and 402Z arranged in a row, which together with a corresponding number of asymmetrical arranged, underlying p-conductive zones 403X, 404X, 403Y, 404Y, 303Z and 76 represent the end of a bucket-chain channel, the bit stream of which is inverted and regenerated.
In the same way, the control electrodes 411A, 412A and 411B arranged in a row in combination with a corresponding number of asymmetrically arranged, underlying p-conducting localized zones 413A, 414A and 413B form the beginning of a fresh bucket-chain channel for receiving the inverted and regenerated bit stream.
As FIG. 15 shows, every second of the electrodes mentioned is connected to one of two clock lines 455 and 456 each.
The preferential direction of the information transmission is obtained by the asymmetry with which each pair of p-conductive zones is overlapped by the control electrodes. 15 shows in particular that each of the electrodes mentioned overlaps a part of two underlying zones and that in the incoming channel, the bit stream of which is to be regenerated. and in the outgoing channel that receives the inverted and regenerated bit stream. the larger overlap is on the right. This asymmetry in the overlap causes the preferred direction of the information transmission because of the resulting asymmetry of the capacitive coupling between the control electrodes and the zones below them.
In Fig. 15 are elements. which correspond to those in FIGS. 5 and 6, also denoted by the same reference numerals as these. Thus, in FIG. 15, the p-type region 76, as in FIGS. 5 and 6, is a drainage region for receiving attenuated bits after they have been detected. Likewise, the bankrupt zone 77 represents an independent swelling zone, i. H. a bit generator, from which selectively movable charge carriers are injected in order to generate the regenerated bit stream.
As in FIG. 6, the outflow and source zones 76 and 77 are each conductively connected to potential sources with the potentials -VD and -Vs via the Elelatrodes 78 and 79, respectively. As with the devices according to FIGS. 5 and 6, the potential -VD is advantageously selected in this way. that the p-type zone is kept more negative than the most negative surface potential induced in the adjacent zone 403Z, so that attenuated or weakened bits can always migrate from zone 103Z to the drainage zone 76, where they can be collected and diverted to earth . The potential -Vs is again selected so that the bit generator zone 77 is kept so negative that only so many charge carriers, i.e. H.
Holes. can be selectively withdrawn from it so that the potential wells that are formed in zone 408 are only partially filled and no charge carriers flow into the new channel.
In operation of the facility, zone 404Y functions as a sensing zone. The voltages induced in this zone are transmitted directly via the electrode 405 and the conductor 406 to a gate circuit electrode 407, which lies between the bit generator 77 and the zone 408. In a manner similar to that already explained in connection with FIG. 6, the potential of zone 404Y is approximately equal to the induced surface potential at any instant.
This surface potential is approximately equal to the potential 4> i on the clock line when a zero is transported into the sensing zone 404Y and the potential 4> 1 has been applied to the electrode 402Y. and slightly less negative than the potential 4> i if a one (set of holes) is transported. The clock pulse generator 425 is connected to lines 455 and 456
When the potential 4> is applied, such a number of holes flows into the potential well that it is partially filled. whereby the surface potential of zone 404Y increases to a maximum value which is slightly below zero.
As with the embodiments of Figures 5 and 6, when a one is present, the negative potential induced in the sensing zone 404Y is less than one third of the negative potential that would occur when a zero is present. This potential difference is sufficient to achieve the desired gate connection effect of the electrode 407. Therefore, analogously to the examples in FIGS. 5 and 6, the parasitic capacitance and the distance of the electrode 407 from the surface of the semiconductor 401 can be set in such a way that a one is switched through the electrode 407 from the source 77 to the zone 408 when there is a zero in sense zone 404Y. A zero is gated by electrode 407 from source 77 to zone 408 when a one is in sense zone 104Y.
It was mentioned in connection with Figures 5 and 6 that for optimum operation it may be desirable to apply a bias potential to the gate electrode (407 in Figure 15) and / or to the sensing element (404Y in Figure 15) . This can be achieved by applying the conductor 406 to a DC voltage source via a high impedance. This is shown schematically in FIG. 15 by the broken line n resistor 409, which is connected between the conductor 406 and a bias voltage source with the potential -VB.
As with the devices according to FIGS. 5 and 6, the time constant associated with the high impedance is considerably greater than the reciprocal of the bit transport speed through the bucket chain channel, so that the pulse voltages can control the gate electrode 407 despite the bias voltage applied to it .
It should also be mentioned that the bucket-chain shift register with inverting regenerator according to FIG. 15 can be modified for many different applications, as described, for example, with reference to FIGS. 7-14.
16 shows a sectional view of the basic structure of an arrangement suitable for two-phase operation, several of which can be used to construct devices according to the invention. The arrangement 510 has an n-conductive semiconductor part 511. on which an insulating layer 512 of non-uniform thickness is arranged.
A plurality of closely spaced electrodes 513A, 514A are located on layer 512. 513B, 514B and 513C. As shown, each electrode has a first part.
which is located above a relatively thick area of the insulating layer and a second part. which is located above a relatively thin area of the insulating layer. The electrodes lie alternately on a common conductor 515 or
516, which drive pulses (clock pulses) 4> and 4> 2 are supplied.
In detail, FIG. 16 shows the operating state in which 4> i is equal to the potential -V and 4> 2 is equal to the potential -V2, where in absolute terms V2 is greater than Vl. In addition, V, is greater than VT when VT is the threshold voltage for generating an inversion of the semiconductor surface in the steady state.
The dashed line 515 schematically represents the surface potential, i.e. H. represents the depth of the potential wells in the semiconductor body 511 in the operating state specified above.
If, as in the present case, the working medium 511 is a semiconductor, the line 515 can also be understood as the schematic delimitation of the depletion zones that are created by the potential supplied to the electrodes. The charge carriers, in the present case holes, are shown schematically by plus signs that are inserted into the potential wells. Since holes tend to occupy the positions of the lowest, negative potential, it is easy to see that in this operating state, free holes are transported to the right under electrode 514A into the deepest part of the potential well below electrode 514A until either all holes have been transferred or until so many holes are transferred that the surface potential under the right part of electrode 514A has become equal to the surface potential under the left part of that electrode.
If now, after the above-described state has been established, the clock pulses are reversed in such a way that the potential -V1 is fed to the clock conductor 516 and the potential -V2 to the clock conductor 515, then the potential wells under the electrodes 513A-513C become deeper and the Potential wells under electrodes 514A and 514B are less deep.
When this condition occurs, the charge under electrodes 514A and 514B is transported to the right under electrodes 513B and 513C, respectively. The charges run to the right and not to the left because of the asymmetry of the potential wells caused by the non-uniform thickness of the insulating layer 512. Similarly, each time the applied clock potentials are reversed, the charge quantities (or lack thereof) representing the information are transported one step to the right.
17 schematically shows a plan view of the arrangement according to FIG. 16. In FIG. 17, as in FIGS. 16, 513A-514B denote the control electrodes and 515 and 516 again the clock lines.
A schematic top view of a device according to the invention composed of several arrangements of the type shown in FIG. 17 is shown in FIG. In this device, a plurality of electrodes 523au 524A, 523B, 524B and 523C arranged one behind the other form the end of an information channel whose bit stream is to be inverted and regenerated. The electrodes 533A, 534A, 533B, 534B and 533C arranged one behind the other represent the beginning of a new channel which receives the inverted and regenerated bit stream. As shown, every other electrode mentioned above is connected to one conductor of a pair of clock conductors 525 and 526.
The electrodes mentioned are designed asymmetrically in such a way that information is transported to the right in the upper channel (as schematically indicated by arrow 522) and information flow to the left (as shown schematically by arrow 535) is effected in the lower channel.
In FIG. 18, p-type semiconductor zones, shown in dashed lines, are denoted by 541, 542 and 543 and are located below the surface of the insulating layer. With 524 and 532, control electrodes shown in full lines are designated on the insulating layer. The zones 541 to 543 in connection with the control electrodes 524 and 532 represent the inverting regenerator. As will be explained below, the zone 541 serves to carry away the attenuated information at the end of the first channel and is accordingly adjacent to the last electrode (523) of the arranged first channel.
The zone 542 is at a distance from the zone 541 and the distance between the two zones is bridged by the control electrode 524, so that the zones 542 and 541 can be created by applying a potential of such a level to the electrode 524 that an inversion of the surfaces between the zones 542 and 541 is effected, can be coupled together.
In operation, zone 542 is maintained at a fixed negative potential -VR, as shown in FIG.
Zone 541 senses the amounts of charge that are successively transported under electrode 523C. The potential induced by the incoming charge quantities in zone 541 is applied directly to control electrode 532 via a metallic connection.
The zone 543 represents a source of charge carriers which are transported or not transported under the electrode 533A, depending on the magnitude of the potential applied to the control electrode 532.
The control electrode 532 is, as shown, between the source 543 and the electrode 533A (the first electrode in the second channel for the regenerated information) so that the zone 543 can be coupled to the potential well below the electrode 533A when a potential is applied to the Control electrode 532 is applied, which is sufficient for inversion of the underlying semiconductor surface. As shown, the charge carrier source 543 and the control electrode 524 are connected to one another and to a clock conductor 526; H. with a different timing conductor than electrodes 523C and 533A.
The potential -VR is advantageously chosen to be even more negative than the most negative potential -V2 of the two potentials -V and -V2, which are alternately fed to the clock lines. In the event that the potential -V2 is fed to the clock line 526 and the potential -V1 is fed to the clock line 523, amounts of charge are arranged in the channels of the device under the electrodes 524A, 524B, 534A and 534B. Since the control electrode 524 is connected to the clock line 526, and since the potential -VR SO is negative like the potential -V2, the potential (-V2 + VT) is approximately induced in the floating sensing zone 541. This potential is also applied to the control electrode 532.
The potential (-V2 + VT) is induced in zone 541 because positive charge carriers (holes) are drawn from zone 541 through the inverted zone under electrode 524 into the more negative zone 542. It can be seen that the zone 542 acts in a similar way to the suction electrode of a field effect transistor with an isolated control electrode (a so-called IGFET). In the case described, an inversion zone is formed under the control electrode 532, but no positive charge carriers are transported from the source 543 to the electrode 533A because the source 543 is more negative than the electrode 533A.
In the next half of the clock cycle, in which 4> 1 = - V2 and 4) 2 = -Vl, the sensing zone 541 is decoupled from the suction electrode 542 because the coupling electrode 524 is supplied with less negative voltage. Likewise, the source 543 is now less negative than the electrode 533A, so that positive charge carriers can be transported to the electrode 533A if a corresponding potential is present at the control electrode 532.
When the clock potentials assume the quantities just described, the amounts of charge under the electrodes 524 and 534 are transported under the electrodes 523 and 533, respectively.
When a logic 1 (an amount of charge) is transported from electrode 524B to electrode 523C, most of that charge is drawn into zone 541 and serves to discharge the negative potential stored there. The potentials and the distance between the control electrode 532 and the semiconductor surface are set such that after a 1 has been drawn into the sensing zone 541, the potential remaining on the control electrode 532 is no longer sufficiently negative to allow charge transport from the source 543 to the electrode 533A to effect. Therefore, a 0 will appear under electrode 533A when a 1 is transported under electrode 523C.
Conversely, if a 0 (the lack of an amount of charge) is transported under electrode 523C, the potential in sense zone 541 will not be discharged, and the potential on control electrode 532 will remain sufficiently negative that an amount of charge will flow from source 543 to electrode 533A can be transported. So if a 0 is transported under electrode 523C, a 1 will appear under electrode 533A.
On the next reversal of the clock potentials, i.e. if 4> = -VI and 4) 2 = -V, any excess positive charge is drawn from the sensing zone 541 to the suction electrode 542. In this way, the potential in the sense zone 541 is set to a predetermined value before each incoming attenuated bit is received. Because of this setting, which means that the holes in the scanning zone always start from the same potential when an incoming bit is received, the inverting regenerator has increased sensitivity and a better signal-to-noise ratio.
For a better understanding of the device according to FIG. 18, FIG. 19 shows a sectional view along the line 4-4 of FIG. As FIG. 19 shows, the p-conducting sensing zone 541 is contacted by a low-resistance electrode 528, which is not shown in FIG. The control electrode 524 lies only on the thinner part of the dielectric layer 512, i.e. H. the control electrode 524 need not be designed asymmetrically like the electrodes 594B and 524C. The control electrode 532 does not have to be asymmetrical either, but is preferably located on the thinner part of the dielectric layer 512 between the zone 543 and the electrode 533A.
Although a wide range of operating voltage values can be used, effective operation resulted with the voltages measured to ground V1 = 6 volts, V2 = 10 volts and VR = 12 volts, with the device of FIG. 19 the thinner part being the dielectric Layer was about 1000 Å thick. It is usually not advantageous to reduce V to below about 6 volts, but in some cases operation can be improved by increasing V to 30 volts or above, but in which case VR would also have to be chosen to be somewhat greater than V.
The speed of the charge transport from zone 543 to electrode 533A for illustration 1 is dependent on the potential at control electrode 532. The potential at control electrode 532 may be less negative than VR because of parasitic effects and because any attenuated 0 sensed by sense zone 541 contains some positive charge which partially causes the potential to discharge. The overall effect is that a 1 is transported with a smaller amount of charge than desired into the potential well below the electrode 533A.
The speed of a charge transport serving to represent a 1 from the zone 543 to the electrode 533A is also limited by the instantaneous difference between the potential in the zone 543 (the source) and the surface potential under the electrode 533A. Unfortunately, this potential difference decreases monotonically as the charge transfers to the potential well under electrode 533A. Because of this decrease in the potential difference, the speed of the transported charge also decreases. The overall effect is that. that a 1 with a smaller amount of charge than desired is transported into the potential well below the electrode 533A.
To the extent that these effects are due to potential limitations and not to limitations on the size of the amount of charge available for transport, they can be avoided by making the first electrode of the device that follows the control electrode larger than the other electrodes of the device. Since the charge transport of the device described is essentially a capacitively coupled charge transport, the surface potential under the larger electrode (higher capacitance) decreases less rapidly than under a smaller electrode (lower capacitance).
As a result, the size of this first electrode can be set in relation to the other electrodes of the device in such a way that the above-mentioned potential limitations are compensated and the desired amount of charge can be transported under the first and further electrodes to represent a ¯ <1.
A device of this type is shown in FIG. 20, which shows the same device as FIG. 18, except that the electrode 533A is twice as large as the other electrodes.
The inverting regenerator described above can also be used for devices of the bucket-chain type. An exemplary embodiment of such a device is described below with reference to FIGS. 20 and 21.
Fig. 21 shows a schematic plan view of a portion 550 of a bucket-chain type apparatus having an inverting regenerator. The device according to FIG. 21 has a plurality of control electrodes 551A, 552A, 551B, 552B and 551C arranged one behind the other and a plurality of asymmetrically arranged p-conductive zones 553A, 554A, 553B and 554B located below these electrodes, which are shown in dashed lines. This arrangement represents the end of a bucket chain channel, the bit stream of which is to be inverted and regenerated.
In a similar manner, the control electrodes 561A, 562A, 561B, 562B and 561C arranged one behind the other and the asymmetrically arranged, broken-line zones 565A, 566A, 565B, 566B and 566C underneath these electrodes represent the beginning of a new bucket-chain channel , which is provided for receiving the inverted and regenerated bit stream. As shown, every other electrode mentioned above is connected to one of two clock lines 567 and 568, which in turn are connected to a clock pulse generator 580.
As indicated schematically by arrows 569 and 570, the device according to FIG. 21 is provided so that information is transported to the right into the input channel, the damped channel, and to the left into the output channel, the regenerated channel. The preferred direction of the information flow is determined by the asymmetry with which the zones are overlapped by the electrodes above. In Fig. 21, each of the aforementioned electrodes overlaps a portion of two separate underlying zones, with the upper channel having the major overlap on the right side of each electrode and the lower channel having the major overlap on the left side of each electrode.
This overlap asymmetry causes an information flow in only one direction because of the resulting asymmetry of the capacitive coupling between the control electrodes and the zones below.
In Fig. 21, as in Fig. 18, 541 is the sensing zone. 542 the reference zone to which the sensing zone for reset
Apply a suitable voltage to a bridging
Control electrode 524 is coupled, 543 the independent
Source of charge carriers injected into the lower channel by voltages induced on the control electrode 532. The device according to FIG. 21 also has an additional p-conductive zone 563 for bridging the gap between the control electrode 532 and the electrode 561A.
When operating the device according to FIG. 21, as in the device according to FIG. 18, the zone 542 is kept at a fixed, negative potential -VR. Zone 541 senses amounts of charge which are transported under the last bucket-chain electrode 551C and the potential induced in zone 541 by the incoming amounts of charge is coupled directly to control electrode 532 via conductors 544A and 544B, which conductors are connected to each other by the dashed line conductor 544C, for example in the form of a metallic assignment. As shown, the source 543 and control electrode 524 are connected to each other and to a clock line 568; H. to the clock line other than that to which electrodes 551C and 561A are connected.
The source 543 does not have to be connected to a clock line, but can also be controlled by an independent pulse generator that is synchronized with the clock line pulses, which gives greater flexibility in the control of the source 543, but the complexity is somewhat higher. This possibility is shown schematically in FIG. If the dashed line
544C is present, are electrode 524 and the source
543 are connected to one another and to a common clock line 568. If the other alternative is chosen, the connection between 544A and 544B is missing, instead the conductor 544B is connected to the independent pulse generator 570.
If a three or four phase device is used instead of a two phase device. the source 543 does not need to be pulsed, but can be connected to a direct voltage. In this case, the selective introduction of bits into the regenerated channel is accomplished by control electrodes.
The potential -VR SO is advantageously chosen so that it is negative ver than the more negative potential -V2 of the two potentials alternately supplied to the clock lines. When the -V potential is applied to the clock line 567 and the -V2 potential to the clock line 568, bits (amounts of charge or no amounts of charge) in the zones 554A, 554B and 566A, 566B, respectively, under the electrodes 552A, 552B and 562A, 562B of FIG two bucket chain channels arranged. Since the control electrode 524 is connected to the clock line 568 and since the potential -VR is at least as negative as the potential -V2, the potential (-V2) + VT is induced in the electrically floating sensing zone 541.
This potential is induced in zone 541 because positive charge carriers (holes) are drawn from zone 541 through the inverted zone under electrode 524 into more negative zone 542. Zone 542 thus acts in a similar way to the suction electrode of a field effect transistor with an isolated Control electrode.
Because of the conductive connection 544 between the zone 541 and the control electrode 532, the potential of the zone 541 also appears on the control electrode 532. This creates an inverted zone under the control electrode 532, but no positive charge carriers from the source 543 to the zone 563 under the electrode 532 because source 543 is more negative than zone 563.
The fact that source 543 is more negative than zone 563 during this half of the clock cycle is readily apparent from the following consideration. During this half of the clock cycle, the more negative potential -V2 is applied to source 543 and the less negative potential -V1 is applied to electrode 561A. Because of the capacitance of the overlap between electrode 561A and zone 565A and because electrode 561A acts as a bridging control electrode that coupled zones 563 and 565A through an inverted zone during the previous half of the clock cycle, the potential of both zone 563 and zone 565 is also driven to practically the potential -V1 during the transition to this half of the clock cycle.
Therefore, during this half cycle, the source 543 has the more negative potential -V2 than the zone 563, which has approximately the potential -V1.
From the foregoing it can be seen that the zones 563 and 565A need not be separate zones (as shown in FIG. 21), but can also be combined to form a common zone. However, this union can be a problem for certain applications because of the resulting increase in the parasitic capacitance of the larger zone.
During the next half of the clock cycle, i.e. if (a1 = -V2 and 4> 2 -V1, the sensing zone 541 is decoupled from the suction electrode 542 because of the less negative potential at the coupling electrode 524. The fact that the Source 543 is now less negative than zones 563 and 565A, so that positive charge carriers can be transported to zone 565A if they are not prevented from doing so by the action of control electrode 532. When the clock potentials assume the values given above, the amounts of charge, representing the information transported from zones 554 and 566 to zones 553 and 565, respectively.
When a logical 1 (an amount of charge) is transported from zone 554b into zone 541, this charge causes the negative potential stored there to be discharged. The potentials and the distance of the control electrode 532 from the semiconductor surface are set such that, after an amount of charge has been transported into the sensing zone 541, the voltage remaining on the control electrode 532 is no longer sufficiently negative to permit charge transport from the source 543 to the zone 565A to enable. Thus, if a 1 has been transported into the sense zone, a 0 will appear in zone 565A.
Conversely, if a 0 (lack of charge) is transported into sense zone 541, the potential on sense zone 541 is not discharged and the potential on control electrode 532 remains sufficiently negative that an amount of charge is transferred from source 543 to zone 563 and on can be transported into zone 565A. Thus, when a 0 is transported into zone 541, a 1 appears in zone 565A.
The next time the clock potentials change, i.e. when 4> i = -V and 4> 2 = -V2, any excess positive charge is drawn from the sensing zone 541 into the suction electrode 542. In this way, the potential at the sense zone 541 is reset to a predetermined potential value prior to the reception of each incoming attenuated bit. Because of this reset, which causes the sensing zone to always start at the same potential when picking up an incoming bit, the inverting regenerator has a higher sensitivity and a better signal-to-noise ratio.
For a more detailed understanding of the device shown schematically in FIG. 21, FIG. 22 shows a sectional view taken along the line 7-7 in FIG.
It can be seen from FIG. 22 that the p-conducting sensing zone 541 is formed by a low-resistance electrode 527 (not shown in FIG.
21) is electrically contacted, while the suction cell 542 is contacted by a similar low-resistance electrode 528 (also not shown in FIG. 21). The other details emerge from a comparison of the two figures.
A wide operating voltage range can be selected for the device described above. For example, the arrangement could be operated with voltages Vl = 6 volts, V2 = 10 volts and VR = 12 Voolt referenced to earth, the dielectric part being about 1000 A thick. It is not beneficial to reduce the value of V1 below about 6 volts, but operation can in some cases be improved by increasing the voltage V2 to as low as 30 volts or above. In this case, VR must also be increased accordingly in order to be slightly larger than V2 ZU.
Appropriate Schottky junction injecting diodes and / or junction rectifying elements may also be used in place of any or all of the named zones in the devices previously described.