DE2002133A1 - Informationsspeicher,der beim Auslesen eine elektrische Ausgangsgroesse abgibt - Google Patents

Informationsspeicher,der beim Auslesen eine elektrische Ausgangsgroesse abgibt

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DE2002133A1
DE2002133A1 DE19702002133 DE2002133A DE2002133A1 DE 2002133 A1 DE2002133 A1 DE 2002133A1 DE 19702002133 DE19702002133 DE 19702002133 DE 2002133 A DE2002133 A DE 2002133A DE 2002133 A1 DE2002133 A1 DE 2002133A1
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cis
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DE19702002133
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Marvin Garfinkel
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Description

• 714 - (RD-2321)
General Electric Company, 1 River Road, Schenectady N,Y., USA
Informationsspeicher j der beim Auslesen eine elektrische Ausgangsgröße abgibt
Die Erfindung; liegt auf dem Gebiet '.der Informationsspeicherung und befaßt sich im besonderen mit Informationsspeichern, in denen ein elektromagnetischer Strahlungsfluß integriert wird,, der integrierte Wert gespeichert wirdd und die beim Auslesen eine elektrische Ausgangsgröße abgeben. . ■
Die Bedeutung von Informationsspeichern, seien es Langzeit- oder Kurzzeit- beziehungsweise Zwischenspeicher, ist allgemein bekannt. Besondere Aufmerksamkeit wird heute Bildspeichern geschenkt , wie sie beispielsweise bei der Fernsehübertragung sowie für Infrarot- und Röntgenstrahlanwendungen verwendet werden. Bildspeicher dieser Art speichern ein augenblickliches Bild- und wandeln es nach einer gewissen Zeitspanne in elektrische Signale um,
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Da man immer kleinere und zuverlässigere Speicher benötigt, wurden Festkörperspeieher entwickelt, und dank der Fortschritte auf dem Haibleitsrgebiet gibt es heute Festkörperspeicher der hier interessierenden Art in den verschiedensten Ausführungsformen.
Zahlreiche solcher Bildspeicher sind nur für einen einzigen Bildpunkt verendbar, da durch Photoleitung zwischen den einzelnen Speicherelementen sin übersprechen auftritt. Ein weiterer Nachteill vieler Bildspeicher besteht darin, daß sie das auffallende Licht nicht integrieren können. Ein solcher Bildspeieher gibt daher beim Abfragen nur ein elektrisches Signal desjenigen Bildes ab j was er zum Abfragezeitpunkt gerade sieht. Einen solchen Bildspeicher kann man daher noch nicht einmal als Kurzzeit- oder Zwischenspeicher verwenden. Mit p-n-Photodioden bestückte Bildspeicher miusen sum Auslesen eines gespeicherten Bildes mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden. Es sind nun zahlreiche Versuche unternommen worden, die eben geschilderten Nachteile von Bildspeichern zu überwinden. Diese Versuche führten aber auf immer kompliziertere Speicher und nicht auf Bildspeicher, die einfacher und zuverlässiger als bekannte Bildspeicher waren.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird nun ein CIS-Baueleinent (Ctonductor-Insulator-Semiconductor) als Kondensator verwendet, in dem Information gespeichert wird. Ein solches CIS-Bauelement weist eine Halbleiterunterlage auf, die eine dünne Isolationsschicht trägt, auf der eine elektrisch leitende Schicht aufliegt. Das Haltleitermaterial ist so ausgewählt und so dotiert, daß die bei der Erzeugung von Minoritätsträgern im Kalbleitermaterial eine Rolle spielenden Ze it konstant en gegenüber den beabsich-* tigten Speicherzeiten lang sind. Wenn daher ein CIS-Bauelement, das im folgenden als CIS-Kondensator bezeichnet werden soll, auf eine bestimmte Spannung aufgeladen wird, durch die die Energiebänder an der Halbleiteroberfläche verzerrt werden, bildet sich in dem Halbleiter unterhalb der elektrisch leitende Schicht eine Verarmungszone. Nun kann man im Halbleiter durch eine eigehende Information, die in der Form elektromagnetischer Strahlung
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vorliegen kann, gezielt Minoritätsträger erzeugen, sofern die nergie der Strahlung mindestens mit dem Bandabstand im Halbleiter vergleichbar ist. Diese Minoritätsträger, deren Anzahl dann ;in Maß für die Information sind, werden dann zur Oberfläche des Ialbleitermaterials geschwemmt und dort unterhalb der elektrisch leitenden Schicht gespeichert. Durch die Anwesenheit der Minoritätsträger an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und der Isolationsschicht, wird der CIS-Kondensator auf
inen neuen Spannungswert umgeladen, und diese Spannungsänderung ist ein Maß für den integrierten elektromagnetischen Strahlungs-
ußj der nach dem ersten Aufladen auf das Halbleitermaterial des CIS-Kondensators aufgefallen ist.
Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.
Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen CIS-Kondensator3 der eine Ausführungsform der Erfindung ist.
Figuren 2a bis 2e zeigen schematisch den Verlauf der Energiebänder während der verschiedenen Stufen beim erfindunc-.sgeinäf.en Betrieb eines CIc-Kondensators als Speicher.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführuncsform der' Erfindung von oben. - .
Figur H ist ein Querschnitt längs der Linie 4 - 4 aus Figur 3· Figur 5 zeigt eine andere Ausführung form der Erfindung von oben,
Figur 6 ist ein.3eitdiagramm und erläutert, wie ein erfindungsgemäßer CIS-Kondensator als Speicher betrieben werden kann.
Figur 7 ist ein Querschnitt durch eine weitere erfindungsgerr.äite Ausführungsfcr:.:. . ' : - .
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Man hat kürzlich gefunden, daß man CIS-Bauelemente als Kondensatoren verwenden kann, um in einen Halbleiter hinein Minoritätsträger zu injizieren, so daß man keine p-n-übergänge oder Injektionskontakte mehr benötigt. Wenn beispielsweise der verwendete Halbleiter p-leitend ist und wenn man die elektrisch leitende Schicht gegenüber dem Halbleiter stark positiv macht, werden die
nergiebänder im Halbleiter verzerrt, so daß sich eine Verarmungszone bildet. Nach einer gewissen Zeit beginnen dann thermisch erzeugte Minoritätsträger, sich an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter un der Isolationsschicht anzusammeln. Wenn die Dotierungskonzentration im Halbleiter hoch genug ist, können die Minoritätsträger durch Tunneleffekt auch schneller zu dieser Grenzfläche gelangen.
Wun hat man gefunden, daß man durch geeignete Auswahl des Halbleitermaterials für einen CIS-Kondensator bei der Anwendung des richtigen Betriebsverfahrens in der Lage ist, in dem Halbleitermaterial gezielt Minoritätsträger zu erzeugen, so daß man einen solchen CIS-Kondensator als Informationsspeicher verwenden kann, aus dem man die gespeicherte Information in Form eines elektrischen Signales auslesen kann.
In der Figur 1 ist nun ein CIS-Konde-njator 10 dargestellt, der sich als Speicher verwenden läßt. Dieser Kondensator 10 weist eine Halbleiterunterlage 11 auf, auf der eine Isolationsschicht 12 liegt, die ihrerseits eine elektrisch leitende Platte 13 trägt. Hit "14" ist ein Strahl elektromagnetischer Energie bezeichnet worden, der durch die Platte 13 und die Isolationsschicht 12 hindurchgeht. Gestrichelt ist ein Spitzenkontakt 15 dargestellt, der auf der Halbleiterunterlage 11 aufsitzt. Man kann sowohl mit dem Strahl lH als auch über den Sitzenkontakt Minoritätsträger erzeugen beziehungsweise injizieren. An Stelle des Spitzenkontaktes 15 kann man zur Injektion von Minoritätsträgern auch eine Kontaktierung mit einem p-n-übergang verwenden.
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In der Figur 2a ist nun dargestellt, wie die Energiebänder im Halbleiter eines CIS-Kondensators verlaufen, wenn der Kondensator nicht aufgeladen 1st. Die Linien 16 und 17 sollen 'die'Kanten des Leitfähigkeits- und des Valenzbandes darstellen. Die Linie 18 stellt das Fermipotential des Halbleiters dar, das näher am Valenzband liegt, da für die Besehreibung angenommen worden ist, daß es sich um einen p-leitenden Halbleiter handelt. Das resultierende elektrische FEId in der Nähe der Halbleiter-Isolationsschichtgrenzflache ist Null.
Wenn eine Spannung V angelegt wird, durch die die elektrisch leitende Platte 13 gegenüber der Halbleiterunterlage positiv vorgespannt wird, entsteht in dem Halbleitermaterial 11 unterhalb der Platte 13 eine Verarmungszone 19, wie es in der Figur 2b dargestellt ist. Wenn diese Spannung angelegt ist, stammt die gesamte Ladung, die zum Umladen erforderlich ist, von ionisierten Dotierungszentren aus einem oberfrächennahen Gebiet, das an Major itätsträgern (also an elektropositiven Löchern) verarmt ist, also aus der Verarmungszone 19·
Wenn keine Minoritätsträger vorhanden sind, dehnt sich die Verarmungsschicht bei höher werdender Spannung selbst dann weiter in den Halbleiter hinein aus, wenn die Bandkante 1.6 noch unter das Ferminiveau 18 absinkt. Das ist in der Figur 2c dargestellt. Die angelegte Spannung ist mit V. bezeichnet worden.
Die Halbleiteroberfläche direkt unterhalb der elektrisch leitenden Platte 13 befindet sich nun in einem Ungleichgewicht. Die Breite der Verarmungszone 19 ändert sich etwa umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Dotierungskonzentration. Die Minoritätsträger, die in der Verarmungszone oder- in ihrer Nähe erzeugt werden 3 werden, durch das elektrische Feld innerhalb der Verarmungszone zur Halbleiteroberfläche geschwemmt. Minoritätsträger entstehen in einem Halbleiter ganz allgemein deswegen, weil die thermische Erzeugung und die Rekombination von Trägern in Halbleitern einem Gleichgewichtsprozeß unterliegen* In Kadmi-
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umsulfid entstehen beispielsweise bei Zimmertemperatur in der Sekunde größenordnungsmäßig etwa 10 Ladungsträger pro ecm. Wenn man die Verarmungszone 19 ausreichend dünn macht, kann man erreichen, daß die Anzahl der Minoritätsträger vernachlässigt werden kann, die an der Halbleiteroberfläche pro Zeiteinheit ankommen. Wenn man wieder CdS betrachtet und im Auge behält, daß zur
Inversion des Halbleiters etwa 10 Ladungen pro qcm erforderlich sind, so sind bei einer Dicke der Verarmungsschicht von etwa 10 cm etwa 10 Sekunden erforderlich, bis das Trägergleichgewicht an der Halbleiteroberfläche durch thermische Erzeugung von Ladungsträgern im Inneren des Halbleiters erreicht ist.Durch die richtige Wahl der Dotierungskonzentration kann man immer erreichen, daß man eine Verarmungszone einer Tiefe erhält,.durch die die Ankunft von Minoritätsträgern an der Halbleiteroberfläche, die thermisch im Halbleiterinneren entstanden sind, vernachlässigt werden kann. Wenn man einen Halbleiter wie InSb verwendet, bei dem der Bandabstand nur klein ist, ist bei Zimmertemperatur selbst bei den dünnsten Verarmungszonen die thermische Erzeugung von Minoritätsträgern der vorherrschende Prozeß. Wenn man daher CIS-Kondensatoren, bei denen als Halbleitermaterial InSb verwendet wird, erfindungsgemäß als Speicher betreiben will, so müssen solche Kondensatoren unter die Zimmertemperatur abgekühlt werden.
Mit ausreichend hohen Dotierungskonzentrationen lassen sich sehr dünne Verarmungszonen erreichen. Dann können aber die elektrischen Felder innerhalb dieser Verarmungszonen so groß werden, daß die Minoritätsträger die Halbleiteroberfläche direkt unterhalb der elektrisch leitenden Platte 13 durch Tunneleffekt erreichen können. Diesen Tunneleffekt kann man aber klein halten, wenn die Dotierungsgrenze einen oberen Grenzwert nicht übersteigt, der jedoch von Halbleitermaterial zu Halbleitermaterial schwankt. Für CdS ist beispielsweise eine Dotierungskonzentra-
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tion von 10 '/ecm niedrig genug, um von den Auswirkungen des Tunneleffektes absehen zu können.
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Ganz allgemein hängt die erforderliche Dotierungskonzentration^ von der Art des Halbleiters ab, der ausgewählt wurde. Verarmungszonen, deren Dicke geringer als einige hundert A ist, sollten vermieden werden. Dieses ist größenordnungsmäßig eine untere' Grenze für die Dicke der Verarmungszonen.
Weiterhin ist es wichtig, daß im Halbleiter Minoritätsträger nicht-noch auf andere Weise, von selbst entstehen. Das Halbleiergebiet unterhalb der Platte 13 darf daher nicht mit einem entgegengesetzt dotierten Halbleitergebiet in elektrischer Verbindung stehen, also beispielsweise nicht mit einem η-leitenden Gebiet, wenn der Halbleiter·p-leitend ist. Weiterhin ist es wichtig, daß die Oberflächenzonen des Halbleiters, die sich.zu allen Seiten an die Oberflächenzone direkt unterhalb der Platte 13 anschließen, nicht invertiert sind. Dieses kann man dadurch erreichen, daß man das Auftreten irgend welcher resultierenden Ladungen, die sich nicht gegenseitig kompensieren, in der Isolationsschicht vermeidet. Auch die thermische Erzeugung von Hinoritätsträgern an der Halbleiteroberfläche kann man dadurch herabsetzen, daß man das Qberflaehenpotential niedriger als das Inversionspotential hält.
Da also die Erzeugung von Minoritätsträgern stark erschwert ist, kann ein CIS-Kondensator als Speicher verwendet werden, wenn man die Spannungsquellßzum.Aufladen des ,CIS-Kondensators vom Kondensator abtrennt, können in der Halbleiterunterlage 11 durch äußere Eingriffe Minoritätsträger erzeugt werden, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, "die in der Figur 2d durch den Strahl I1I angedeutet worden ist. Im Halbleiter kann elektromagnetische Strahlung absorbiert werden, deren Energie größer als die Energie ist, die dem Bandabstand im Halbleiter entspricht. Bei dieser Absorption werden paarweise Elektronen und Löcher erzeugt wie beispielsweise das Elektronen-Loch-Paar 20. Wenn der Minoritätstrager in der Verarraungszone oder in ihrer Nähe erzeugt wird, wird er zur Oberfläche der HalbleiterunterIa-
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ge 11 geschwemmt und dort gespeichert. Die Zahl der Minoritätsträger, die die Halbleiteroberfläche erreichen, ist daher dem integrierten elektromagnetischen Strahlungsfluß proportional, der nach dem Aufladen der Platte 13 auf die Halbleiterunterlage 11 aufgefallen ist.
Durch die Anwesenheit von Minoritätsträgern an"der Oberfläche der Halbleiterunterlage 11 direkt unterhalb der Platte 13 wird der CIS-Kondensator umgeladen, und seine Spannung beträgt dann
2, wie es in der Figur 2e dargestellt ist. Die Spannungsdifferenz V. - V_ ist daher ein Maß für die Lichtmenge, die von der Halbleiterunterlage 11 absorbiert worden ist, da der CIS-Kondensator zu Beginn auf einen bestimmten Spannungswert aufgeladen worden war.
Die Figuren 2a bis 2e und im besonderen die Figur 2d zeigen nur eine Möglichkeit, wie man Minoritätsträger erzeugen kann. In der Figur 1 ist darüber hinaus noch ein Injektionskontakt 15 angedeutet worden, der ein Spitzenkontakt oder eine Kontaktierung mit p-n-übergang sein kann. Auch über diesen Kontakt können Minorität sträger injiziert werden. Diese Minoritätsträger können sich dann wieder an der Oberfläche der Halbleiterunterlage 11 direkt unter der Platte 13 sammeln und rufen wieder eine Spannungsänderung am CIS-Kondensator -hervor, die ein Maß für die Anzahl der injizierten und an der Halbleiteroberfläche gespeicherten Minoritätsträger ist. Diese Spannungsänderung ist daher ein elektrisches Maß für die gespeicherte Information.
Die Figuren 1 und 2d zeigen weiterhin, daß die elektromagnetische Strahlung durch die elektrisch leitende Platte 13 und durch die Isolationsschicht 12 hindurch geht. Wenn man diese Möglichkeit zur Erzeugung von Minoritätsträgern ausnutzt, kann man die Halbleiterunterlage 11 beliebigg dick machen, und die Herstellung von CIS-Kondensatoren für Speicherzwecke wird sehr einfach. Dann kann man die elektrisch leitende Platte 13 so dünn abscheiden oder niederschlagen, daß sie für sichtbares und für längerwelliges
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Licht durchlässig ist. Die Wahl des Materials für die. Platte. 13 richtet sich hauptsächlich nach der in Ausicht genommenen Wellen-' länge des einfallenden Lichtes sowie nach der Empfindlichkeit . des Halbleiters. Die Platte beziehungsweise die Schicht i>3 bruacht keine Metallschicht zu sein. Man kann hierzu.auch andere elektrisch leitende Stoffe wie Zinnoxyd verwenden oder eine do- tierte Halbleitersehieht wie eine Siliziumschicht abscheiden.
Das,Material für die Isolationsschicht 12 wird ebenfalls nach seiner Strahlendurchlässigkeit ausgewählt, und man wird die Isolationsschicht 12 zweckmäßigerweise als Siliziumdioxydschicht ausbilden.
In anderen Fällen kann es günstiger sein,, wenn man die elektromagnetische Strahlung nicht von oben auf den CIS-Kondensator auffallen läßt, sondern von unten direkt auf die Halblelterunterlage richtet. Dann darf die Halbleiterunterlage notwendiger Weise eine bestimmte Dicke nicht überschreiten, denn die Trägerpaare müssen genügend nahe an der Verarmungsschicht erzeugt werden, ; damit die.Minoritätstrager die Halbleiteroberfläche oberhalb der Verarmungszone erreichen können. Dann brauchen aber die Platte 13 und die Isolationsschicht 12·nichts mehr strahlungsdurchlässig zu sein. .
In den Figuren 2ä bis 2e ist vorausgesetzt worden, daß.die Halbleiterunterlage 11 p-leitend ist. Man kann aber auch hierfür - , einen n-leitenden Halbleiter verwenden. In diesem Falle wird die Platte 13 des CIS-Kondens.ators negativ, gegenüber der Halbleiter- . unterlage gemacht, und die im Halbleiter erzeugten Minoritätsträger sind elektropositive Löcher, die zur Halbleiteroberfläche geschwemmt und dort gespeichert werden. .
In der Figur 3 ist schematisch eine Draufsicht eines ClS-Itondensators dargestellt, der mit zusätzlichen Einrichtungen zum elektrischen Auslesen der gespeicherten Information versehen ist.-Bei dieser Ausführungsform, ist eine Halbleiterunterlage 31 vorge-
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sehen, auf der eine Isolationsschicht 30 liegt. Auf der Isolationsschicht 30 ist eine elektrisch leitende Schicht 32 mit einer schmalen Leiterfahne 33 abgeschieden worden. Die Leiterfahne 33 endet bei zwei oberflächennahen Halbleitergebieten 35 und 36, die umgekehrt dotiert sind. Dieses ganze Gebilde kann als Feldeffekttransistor betrachtet werden, der eeinen Strom abgibt, wenn Minoritätsträger gespeichert worden sind.
Die gestrichelte Linie in Figur 3 gibt denjenigen Teil der Schicht 32 an, der als die eigentliche Feldplatte 37 für den CIS-Kondensator wirkt. Wie man der Figur 4 entnehmen kann, die ein Schnitt längs der Linie 4-4 aus Figur 3 ist, ist der Abstand zwischen der eigentlichen Feldplatte 37 und der Halbleiterunterlage nur gering, weil an dieser Stelle die Isolationsschicht 30 nur dünn ist. Das Gebiet der Isolationsschicht 30, auf der die Leiterfahne 33 aufliegt, ist dagegen dicker, so daß der Abstand zwischen der Leiterfahne 33 und dem Halbleiter 31 größer ist. Das Ende der Leiterfahne 33, das mit "34" bezeichnet worden ist, liegt wieder mit einem geringeren Abstand auf der Halbleiterunterlage auf.
Nun soll die Wirkungsweise der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 erläutert werden. Hierfür sei vorausgesetzt, daß die Isolationsschicht 30 und der als eigentliche Feldplatte 37 wirkende Teil der elektrisch leitenden Schicht 32 für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, deren Energie dem Energieabstand der Bänder in der Halbleiterunterlage 31 vergleichbar ist. Es sei jedoch noch einmal bemerkt, daß dieses keine notwendige Voraussetzung ist, da man Minoritätsträger in der Halbleiterunterlage , auch auf andere Weise erzeugen kann.
Will man die Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 als Speicher verwenden, so wird zuerst die elektrisch leitende Schicht über eine Spannungsquelle (nicht gezeigt) aufgeladen. Dann bildet sich unter dem Einfluß des entstehenden elektrischen Feldes direkt unter dem Teil 37 der Schicht 32 eine Verarmungszone 38 aus.
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Xn anderen Stellen wird dagegen die Oberfläche der Halbleiterunterlage 31 durch diese Aufladung nicht merklich beeinflußt, da die Flächen der Leiterfahne 33 und der anderen Teile der elekrisch leitenden Schicht 32 sehr klein sind und da außerdem ihr batand von der Halbleiteroberfläche Dank der Dicke der Isolati-)nsschient verhältnismäßig groß ist, so daß diese Teilkapazität nsgesamt nur klein ist. Während der CIS-Kondensator auf eine estimmte Spannung aufgeladen wird, kann man den Strom messen, der vom Halbleitergebiet 35 durch das feldmodifizierte Inversionsgebiet 39 zum Halbleitergebiet 36 fließt. Im Gegensatz zum Inversionsgebiet 38 stellt sich im Inversionsgebiet 39 sehr rasch das Minoritätsträgergleichgewicht wieder ein, weil die fehlenden rager von dem oberflächennahen umgekehrt dotierten Halbleitergebiet 35 nachgeliefert werden, das praktisch auf dem gleichen otential wie die Halbleiterunterlage 31 gehalten wird. Im In-/ersionsgebiet 39 können daher die erzeugten Minoritätsträger nicht gespeichert werden.
Wenn nun auf die Halbleiterunterlage 31 elektromagnetische Strahlung mit der richtigen Energie auffällt, werden wieder Minoritätsträger erzeugt, wie es bereits beschrieben wurde. Die Minoritätsträger, die in der Verarmungszone oder in ihrer Nähe entstehen, werden zur Oberfläche der Halbleiterunterlage 31 unterhalb der eigentlichen Feldplatte 37 der elektrisch leitenden* chicht 32 geschwemmt und dort gespeichert» Dadurch wird die Spannung des CIS- Kondensators geändert, auf die der ,Kondensator ursprünglich aufgeladen worden war.
Mach dem ursprünglichen Aufladen des CIS-Kondensators und nach der Erzeugung und Speicherung von Minoritätsträgern wird der Strom erneut gemessen, der zwischen den umgekehrt'dotierten .Halbleitergebieten 35 und 36 fließt. Da sich nun die Spannung und so-' nit das elektrische Feld geändert hat, haben sich auch durch den influß der Leiterfahne 33 die Verhältnisse in der Inversionsschicht 39 zwischen den umgekehrt dotierten oberflächennahe Halbleitergebieten 35 und 36 geändert, so daß auch eine entsprechende
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Änderung des Stromes auftritt, der zwischen den beiden umgekehrt dotierten Halbleitergebieten 35 und J>6 fließt. Diese Stromänderung ist daher ein Maß für den integrierten elektromagnetischen Fluß, der nach dem Aufladen des CIS-Kondensators in der Nähe der Verarmungszone 38 auf die Halbleiterunterlage 31 aufgefallen ist.
Die Figur 5 zeigt nun einen Ausschnitt aus einer großen Anzahl von er findur.gs geraäßen CIS-Kondensatoren, die in Form einer X-Y-Matrix in integrierter Bauweise auf einer einzigen Unterlage hergestellt worden sind. Die Unterlage für die einzelnen CIS-Kondensatoren kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das die Funktion der einzelnen CIS-Kondensatoren nicht stört. Man kann aber auch die Halbleiterunterlagen aller CIS-Kondensatoren zu einer einzigen Unterlagen für die Matrix zusammenfassen. In diesem Falle weist die CIS-Kondensatormatrix ein Halbleiterscheibchen auf j auf dem durch eine Isolationsschicht verschiedene elektrisch leitende Schichten und Leiterfahnen voneinander getrennt niedergeschlagen sind, so daß mehrere voneinander unabhängige CIS-Kondensatoren entstehen. Alle CIS-Kondensatoren sind in Reihen und in Spalten angeordnet. So befindet sich beispielsweise der CIS-Eondensator 50 mit der elektrisch leitenden Schicht 51 in der Reihe Xn und in der Spalte Yn, so daß dieser Kondensator in Figur 5 als (Xn3 Yn) bezeichnet worden ist.
Jeder Spalte der CIS-Kcndensatormatrix ist eine T'set-reset"-Leitung 52, eine Spaltenadressenleitung 5^ und eine Ausgangsleitung 53 zugeordnet, während jeder Reihe eine Reihenadressenleitung 55 zugeordnet ist. Zum Adressieren des CIS-Speicherkondensators 50 werden die zugeordneten Reihen- und Spaltenadressenleitungen 55 und 5^ angesteuert, das heißt hier aufgeladen.
Jedem Kondensator sind zwei Treiberstufen zugeordnet, die hier als FET (Feldeffekttransistor) 56 und FET 57 bezeichnet worden sind. Um den CIS-Xondensator 50 aufzuladen, ist es erforderlich, diesen CIS-Kondensator 50 zu adressieren und an die "set-reset"-Leitung 52 die L&äespannung anzulegen. Die zugeordneten Adressenleitur.-er. Z'^ t ~-1 ii:.:"/ die ctseuerleitur.,_'.er. für FZT 56, der über
55c*«*1*
die Quelle 58 mit der "set-reset"-Leitung 52 und über die Senke 59 und die Leiterfahne 60 mit der elektrisch leitenden Schicht 51 verbunden ist. FET 56 führt daher nur dann einen Strom, wenn beide Adressenleitungen 54 und 55 angesteuert sind. Die Entladung des ClS-Speicherkondensators 50 kann auch nur unter diesen Bedingungen erfolgen. ·: '-.."■".
Die Maßnahme,- einen Feldeffekttransistor mit mehreren Steuerelektroden zu versehen, ist nicht Gegenstand der-Erfindung., Diese Maßnahme wurde vielmehr schon an anderer Stelle vorgeschlagen.
Wenn der CIS-Speicherkondensator 50 aufgeladen wird, bildet sich in der Halbleiterunterlage 62 direkt unterhalb des Teiles 51' der elektrisch leitenden Schicht 51 eine Verarmungszone aus. Wie in der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 ist die Isolationsschicht direkt unter dem als Feldplatte wirkenden Teil 51' der elektrisch leitenden Schicht 51 dünner« Dieser Teil der elektrisch leitenden Schicht 51 ist durch gestrichelte Linien dargestellt worden. Die Isolationsschicht unter den anderen Gebieten oder Teilen der elektrisch leitenden Schicht 51 ist dicker, so daß nur in demjenigen Teil der Halbleiterunterlage 62 eine Verärmungszone entsteht, die unter dem Teil 51f der elektrisch leitenden Schicht 51 sowie unter solchen Teilen dieser Schicht liegen, unter denen die Isolationsschicht dünner ist.
Wenn die Halbleiterunterlage in der Nähe des Gebietes 51' der elektrisch leitenden Schicht 51 elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird, die die richtige Wellenlänge aufweist, werden von der einfallenden Strahlung in der Halbleiterünterlage Minoritätsträger erzeugt, die zur Halbleiteroberfläche direkt unterhalb des Teils 51f der elektrisch leitenden Schicht 51 geschwemmt und dort gespeichert werden. Die Anwesenheit der Minoritätsträger an der Halbleiteroberfläche ändert die Spannung der einzelnen CIS-Speicherkondensatoreri.
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Aus der gespeicherten Information kann man nun durch die Leiterfahne 60 und durch die beiden oberflächennahen entgegengesetzt dotierten Halbleitergebiete 63 und 64 eine elektrische Auslesegröße gewinnen. FET 57 ist mit dem entgegengesetzt dotierten Halbleitergebiet 64 und mit der Ausgangsleitung 53 über den Senkenkontakt 65 verbunden. Das entgegengesetzt dotierte Halbleitergebiet 63 ist über den Kontakt 66 mit der Halbleiterunterlage verbunden. Die zugeordneten Spalten- und Reihenadressenleitungen 54 und 55 dienen wieder als Steuerleitungen und werden durch die Leiterfahne 60 der elektrisch leitenden Schicht 51 ergänzt, die in der Tat als dritte Steuerleitung angesehen werden kann. FET führt daher nur dann einen Strom, wenn die Adressenleitungen 54 und 55 angesteuert sind und wenn die Leiterfahne 60 aufgeladen ist. Wenn daher der CIS-Speicherkondensator 50 unter diesen Bedingungen entladen wird, so führt die zugeordnete Ausgangsleitung 53 einen Strom, der der Entladung des Kondensators 50 proportional ist und aus dem daher abgeleitet werden kann, um wieviel sich die Kondensatorspannung gegenüber dem ursprünglichen Wert geändert hat.
Die Funktion der CIS-Speicherkondensatormatrix läßt sich am Besten an Hand des Zeitdiagramms aus Figur 6 erläutern. Bei diesem Zeitdiagramm ist vorausgesetzt, daß es sich um eine Matrix aus 81 CIS-Speicherkondensatoren handelt, die neun Reihen und 9 Spalten aufweist. Die Ziffern oben über diesem Zeitdiagramm stellen die Nummern der TaktIntervalle dar, die jede gewünschte Länge haben können. Zu Beginn wird die Adressenleitung für die neunte Reihe angesteuert, wie die Kurve 70 zeigt. Die Kurven 71 zeigen, daß alle neun Spaltenadressenleitungen während des gleichen Zeit-» taktes angesteuert sind, und der Kurve 72 kann man entnehmen, daß an den "set-reset"-Leitungen dann auch die Ladespannung anliegt. Alle CIS-Speicherkondensatoren der Spalte 9 werden daher aufgeladen, da sie alle gleichzeitig adressiert sind. Während der nächsten neun Zeittakte ist die Adressenleitung der Reihe 1 angesteuert, wie aus der Kurve 73 hervorgeht, und die Spaltenadressenleitungen werden der Reihe nach an- und abgeschaltet, wie die
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Kurven 71I zeigen. Während des zweiten Zeittaktes bleibt die Adressenleitung für die erste Spalte angesteuert. Da die "set-re^- set"-Leitungen während dieser Zeittakte geerdet bleiben, werden die ClS-Speicherkondensatoren in der Reihe 1 der Reihe nach entladen. Gleichzeitig wird von jedem einzelnen Kondensator nacheinander ein Ausgangstrom abgegeben, der durch die Kurven 75 dar-
estellt ist. Der große Ausgangsstrom, der während des Aufladens, der einzelnen Kondensatoren entsteht, tritt deswegen auf, weil alle- Steuerelektroden des FET 57 und die Leiterfahnen 60 während des Aufladens aufgesteuert sind. Es sei bemerkt, daß die Zeitkonstante eines jeden Kondensators so eingestellt ist, daß das
aden und das Entladen eines jeden Kondensators in einem Bruchteil eines Zeittaktintervalles durchgeführt werden kann. Dieses wird zweckmäßigerweise durch die Wahl der Geometrie für die Feldeffekttransistoren durchgeführt.
Am Ende des neunten Zeittaktintervalles sind alle Kondensatoren in Reihe 1 geladen, da die "set-reset"-Leitung, die Adressenleitung für die Reihe 1 sowie.alle Spaltenadressenleitungen angesteuert sind beziehungsweise auf Ladespannung liegen. Ist diese Aufladung beendet, werden die Kondensatoren in Reihe 2 der Reihe nach adressiert und entladen. Das Adressieren, Entladen und das Rückstellen der. einzelnen Kondensatoren wird der Reihe nach se länge durchgeführt, bis die Kondensatoren in Reihe 9 adressiert und entladen sind. Damit ist ein Zyklus beendet. Die Kondensaterenmatrix integiert und speichert daher räumlich Information, die in Form elektromagnetischer Strahlung angeboten wird, so daß man diese Information in Form elektrischer Größen wiedergewinnen kann.
Die Halbleiterunterlage 62 aus Figur 5 kann aus irgend einem Halbleiter hergestellt sein, beispielsweise aus Silizium. Mittels der Heute bekannten und üblichen SilisrumtechnOlogie und der Maskentechnik kann man sehr kompakte Kondensatormatrizen herstellen. Solche kompakten Kondensatormatrizen können als sehr empfindliche Bildaufnahme- und Speicherschichten verwendet werden. Man
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kann den Wirkungsgrad einer solchen Speichermatrix dadurch erhöhen oder erniedrigen, daß man die Gesamtfläche aller Kondensatoren im Vergleich zur gesamten Matrixfläche größer oder kleiner macht. Macht man die Gesamtfläche aller Kondensatoren im Vergleich zur Gesamtmatrixfläche größer, so wird der Wirkungsgrad erhöht, weil ein größerer Bruchteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf solche Gebiete fällt, die als Speicherkondensatoren verwendet werden. Da die Matrix in Festkörperbauweise hergestellt ist, kann die Abfragegeschwindigkeit beim Wiedergewinnen der Information hoch sein, und zwar so hoch, daß sie den Abfrage- oder Abtastgeschwindigkeiten in üblichen kommerziellen Pernsehsystemen gleichwertig oder gar überlegen ist.
Bei der Matrix nach Figur 5 sind die zum elektrischen Auslesen" erforderlichen Komponenten den jeweiligen CIS-Kondensatoren zugeordnet worden. Die gleichen oder sehr ähnliche Maßnahmen lassen sich aber auch treffen, wenn zum Speichern von Information auf die hier beschriebene Weise pn-Dioden oder Schottkydioden verwendet werden.
Die Zeittaktimpulse, die zum Betrieb einer Matrix nach Figur 5 erforderlich sind, können durch Zusatzgeräte erzeugt werden, beispielsweise mit Impulszählern in Verbindung mit einem Impulsgenerator hoher Impulsfolgefrequenz, was bekannt ist, und diese Zusatzgeräte können direkt neben der Matrix untergebracht werden.
Die Figur 7 zeict einen anderen CIS-Kondensator nach der Erfindung. Diese Ausfuhrungsform ist günstig, wenn die CIS-Kondensatoren großflächig sein sollen und/oder wenn die einzelnen Kondensatoren schneller aufgeladen uid entladen werden sollen. Wenn man beispielsweise einen einfachen CIS-Kondensator betrachtet, der über einen einzigen Kontakt aufgeladen werden soll, so erreicht der Kondensator direkt am Kontakt die Ladespannung schneller als in Randgebieten, da der CIS-Kondensator eine gewisse Impedanz aufweist. Außerdem kann man bei großen Kondensatoren mit nur einem einzigen Kontakt beim Laden und Entladen kapazitive. Entkoplungen beobachten.
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Um bei Bildspeichermatrizen der hier beschriebenen Art, bei denen die einzelnen CIS-Köndensatoren großflächig sind, solche kapazitiven. Entkopplungen zu vermeiden, sind mehrere Kontakte aus einem Material hoher Leitfähigkeit vorgesehen, die mit,der elektrisch leitenden Schicht auf der Oberfläche des CIS-Kondensators elektrisch verbunden sind. Diese zusätzlichen Kontakte können aus Molybdän hergestellt sein. Der CIS-Kondensator 80 nach Figur 7 weist eine Halbleiterunterlage 81 auf, auf der eine Isolationsschicht 82 liegt. Die 'Isolationsschicht 82.ist mit einer Vertiefung versehen worden, auf deren Boden mehrere Kontakte 83 angeordnet sind. ■ . ■
Auf und zwischen den Kontakten 83 ist eine !feldplatte 84 abgeschieden worden, die ebenfalls auf der Isolationsschicht 82 aufliegt. Die Kontakte 83 können mit der Aufladungsspannungsquelle verbunden werden. Auf die Isolationsschicht 82 und die Feldplatte 84 kann man noch eine Schutzschicht 85 legen.
Wenn der CIS-Kondensator 80 aufgeladen wird, entsteht eine Verarmungszone nur direkt unterhalb der Feldplatte 84, da der Abstand zwischen der Feldplatte 84 und der Halbleiterunterlage 81 der Vertiefung in der Isolationsschicht 82 wegen hier nur klein ist .
Bei der Ausfuhrungsform nach Figur 7 erreichen die verschiedenen Gebiete der FEldplatte 84 die Ladespannung alle zur gleichen Zeit, da die Kontakte 83 eine sehr höhe Leitfähigkeit aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann der CIS-Kondensator daher schneller aufgeladen, und entladen werden als ein CIS-Kondensator mit nur einem einzigen Kontakt. .
Es ist also ein neues, einfaches und wirkungsvolles Verfahren zum Aufnehmen, Speichern und Wiedergewinnen von Information beschrieben worden, nach dem ein CIS-Kondensator auf eine bekannte Spannung aufgeladen wird und nach dem dann in der Halbleiterun-" terlage des crs-Kondensators gezielt Minoritätsträger erzeugt
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werden. Diese Minoritätsträger rufen eine Änderung der ursprünglichen Kondensatorspannung hervor, und die Größe dieser Spannungsänderung ist ein Maß für die Anzahl der erzeugten Minorität st rager. Wenn man dafür sorgt, die die Anzahl der erzeugten Minoritätsträger einem Informationssignal proportional ist, dann kann man dieses Informationssignal in einem CIS-Kondensator speichern.
Weiterhin wurde auch ein sehr einfacher Speicher beschrieben. Dieser Speicher besteht aus einem CIS-Kondensator, in dessen Halbleiterschicht die Erzeugung von Minoritätsträgern erschwert ist. Wenn die Halbleiterschicht dieses CIS-Kondensators elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist, deren Energie dem energetischen Abstand der Bänder im Halbleiter des Kondensators gleicht, werden im Halbleiter Minoritätsträger erzeugt, die zur Halbleiteroberfläche direkt unter der elektrisch leitenden Kondensatorplatte geschwemmt und dort gespeichert werden. Dadurch ändert sich die Spannung, auf die der Kondensator ursprünglich aufgeladen wurde und die daher bekannt ist. Diese Spannungsänderung ist dem Integral des elektromagnetischen Flusses proportional, der nach dem Aufladen auf den CIS-Kondensator aufgefallen ist. Der CIS-Kondensator kann daher als Plußintegrator und als Speicher angesehen werden. Wenn man eine größere Anzahl solcher CIS-Kondensatoren in einer Matrix anordnet, kann man diese Matrix als Bildaufnahme- und Speicherplatte verwenden, die ohne Abtastung mit einem Elektronenstrahl beim Auslesen eine elektrische Größe abgibt.
üÜ 9 8 3 ü/ 1697

Claims (1)

  1. P a t e π t a η s ρ r ü ehe
    Strahlungsempfindlicher Kondensator, der auf eine vorgegebene Spannung aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator eine strahlungsempfindliche, in einer Richtung dotierte Halbleiterschicht aufweist, in der die Dotierungskonzentration so klein ist, daß nach der Aufladung des Kondensators auf die vorgegebene Spannung Tunneleffekt von Elektronen in der Halbleiterunterlage zu vernachlässigen ist, daß auf diese Halbleiterschicht eine Isolationsschicht gelegt ist, auf der eine.elektrisch leitende Platte abgeschieden ist, daß weiterhin in der strahlungsempfindlichen Halbleiterunterlage direkt unterhalb der1 elektrisch leitenden Platte durch Aufladen des Kondensators eine Verarmungszone hervorrufbar ist, und daß in der Halbleiterunterlage durch Belichten mit elektromagnetischer Strahlung, deren Energie mindestens gleich dem ener-
    etischen Abstand der Bänder in dem Halbleiter ist, in dem Halbleiter Minoritätsträger erzeugbar sind, die dann zur Oberfläche der Halbleiterunterlage geschwemmt sind, wodurch die ursprüngliche Kondensatorspannung geändert ist.
    2. Kondensator nach Anspruch 1,■ dadurch gekennzeichnet, da ß zum Gewinnen eines der Kondensatorspannung proportionalen Auslesestromes in der Halbleiterschicht zwei dicht nebeneinander liegende entgegengesetzt dotierte oberflächennahe Gebiete vorgesehen sind, und daß die elektrisch leitende Platte mit einer dünnen Leiterfahrne versehen ist, die zwischen den beiden entgegengesetzt dotierten Oberflächengebieten der Halbleiterschicht verläuft.
    3, Kondensator nach Anspruch 2, da du rch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht zwei Gebiete geringer Dicke aufweist, die von einem Gebiet größerer Dicke umgeben sind, daß die beiden Gebiete geringerer Dicke unterhalb der elektrisch leitendenif-P|iatte-run.d,.-unte;rhalb . des jenigen Teili
    UU 9830/1697
    der dünnen Leiterfahne liegen, der zwischen den beiden entgegengesetzt dotierten oberflächennahe Gebieten der Halbleiterschicht verläuft, und daß die Dicken der verschiedenen Gebiete der Isolationsschicht so gewählt sind, daß nach dem Aufladen des Kondensators auf die vorgegebene Spannung Verarmungszonen in der Halbleiterschicht nur unter den Gebieten der Isolationsschicht mit
    der gernigeren Dicke entstehen.
    Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Platte und
    die Isolationsschicht nur für elektromagnetische Strahlung einer ganz bestimmten Wellenlänge durchlässig sind.
    5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Kontakten vorgesehen ist, die jeweils in eineir. rewissen Abstand voneinander mit der
    elektrisch leitenden Platte verbunden sind.
    6. Kondensator nach Anspruch 53 dadurch gekennzeichnet, da.'1, der Flächenwiderstand der Kontakte
    geringer als der rio'chenv;iderstand der elektrisch leitenden Platte ist.
    7. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ''■ ε /, die Isolationsschicht ein Gebiet geringerer Dicke- aufweist, das von einen. Gebiet größerer Dicke umgeben ist, daft die elektrisch !leitende Platte auf dem Gebiet geringerer Dicke ar. je ordnet ist, und dar 'lie Dicke dec dickeren
    Gebietes so grc." ist, ca.'. sich nach der Aufladung des Kondensators auf die vergegebene Spannung unterhalb dieses dickeren Gebietes keine Versγπ<:γ.:·ξzener, bilden.
    Π Π Q ft
    BAD
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DE2331093A1 (de) * 1972-06-21 1974-01-17 Gen Electric Verfahren und vorrichtung zum abtasten von strahlung und zur lieferung einer elektrischen ausgabe

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