DE2107037B2

DE2107037B2 - Ladungsübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2107037B2
Application number: DE2107037A
Authority: DE
Inventors: Dawon Bridgewater Township Kahng; Edward Haig Murray Hill Nicollian
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-02-16
Filing date: 1971-02-15
Publication date: 1975-03-27
Also published as: IE35096L; ES388720A1; IE35096B1; CA1073551A; FR2080528B1; CH535474A; FR2080528A1; GB1340620A; JPS4938071B1; SE378928B; BE762946A; NL154874B; DE2107037C3; US3651349A; JPS461220A; DE2107037A1; NL7101993A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsuhertraaungsvorrichtung der im Oberbegriff de;, Anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Es sind Halbleitervorrichtungen bekannt (niederländische Offenlegungsschrift 6 805 705), die aus einer Kette von bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, wobei die Drainelektrode jedes Transistors mit der Sourceelektrode des nächst-

folgenden Transistor;, verbunden ist und zwischen der Drain- und Gateelektrode jedes Transistors ein Kondensator angeordnet ist. Die Gateelektroden jedes zweiten Transistors der Kette sind parallel geschaltet, wodurch zwei Steuereingänge der Halbleitervorrich-

tung gebildet werden, die über jeweils eine Taktleitunu mit eceenphasigen Taktsignalen bzw. Takt.spannungcn beaufschlagfwerden. Wird der Halbleitervorrichtung ein Eingangssignal in Form von Ladungen zugeführt, so werden diese Ladungen bei jedem Takt

von Kondensator zu Kondensator weiter geschoben und dabei kurzzeitig gespeichert. Infolge dieser Funktionsweise werden die erwähnten Halbleitervorrichtungen als »Eimerkettenschaltungen« bezeichnet.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, Eimerketten-

4"! schaltungen ausdiskreten Elementen aufzubauen, haben diese eine praktische Bedeutung nur in Form von integrierten Schaltkreisen erlangt. Hierzu wird in die Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine Vielzahl von Source- und Drainzonen cindiffundiert und die dazwischenliegenden, undiffundierten Oberflächenbereiche (Gatezonen) des Substrates mit Anschlußelektroden versehen. Zur Schaffung der Kondensatoren werden die Gatcelektroden zu jeweils einer diffundierten Zone hin verlängert, so daß die Überlappungskapazität zwischen jeder diffundierten Zone und dem darübcrliegenden Teil der betreffenden Gateelektrode den gewünschten Kondensator bildet. Neben den Eimcrkcttenschaltungen gibt es integrierte Halbleitervorrichtungen (prioritätsgleichc

deutsche Offenlegungsschrift 2 107022), bei denen ein Eingangssignal in Form von beweglichen Raumladungen in Potcntialminima (»Potentialmuldcn«) des Oberflächenpotentials eines Halbleitersubstratcs gespeichert und durch Verschieben der Potentialmuldcn

längs der Substratoberf lache übertragen wird. Zur Erzeugung der Potentialmulden ist die Substratoberfläche mit einer Vielzahl von hiptereinanderliegcnden Elektroden versehen, von denen jede dritte Elektrode

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parallel geschaltet ist, so daß drei verschiedene Steu- einen Halbleiterkörper U eines erstren Leitungstyp:

ereingänge der Halbleitervorrichtung gebildet wer- (im vorliegenden Beispielsfalle mit N-Leitung), au

den, die über jeweils eine Taktleitung mit einer Pha- dessen Oberfläche eine Isolierschicht 12 mit ungleich

lenspannung einer 3phasigen Taktspannung beauf- förmiger Dicke aufgebracht ist. Auf der Isolierschicht

tchlagt werden. Eine 3phasige Taktspannung ist 5 12 liegt eine Vielzahl von Elektroden 13ö bis 13«

erforderlich, um eine definierte Übertragungsrichtung 14« bis 14«, wobei jede dieser Elektroden einen ir

für das Eingangssignal zu schaffen. Halbleitervorrich- bestimmter Weise abgestuften Oberflächenbercicl

tungen des letztgenannten Typs werden als »ladungs- der Isolierschicht 12 überdeckt. Wie aus Fig. I deut

gekoppelte Schaltungen« bezeichnet, die mit den Ei- lieh ersichtlich ist, weist jeder dieser abgestuften Be

merkettenschaltungen unter dem Oberbegriff der i° reiche der Isolierschicht 12 drei verschiedene Dicker

»Ladungsübertragungsvorrichtungen« zusammenge- auf. Die Elektroden 13« bis 13/; sind mit einer erster

faßt werden. Taktleitung 13' und die Elektroden 14a bis 14« mi

Im Vergleich mit den Eimerkettenschaltungen be- einer zweiten Taktleitung 14' verbunden, wobei dk

sitzt die ladungsgekoppelte Schaltung des vorstehend Taktleitungen 13'und 14'über jeweils einen AnschluC

erläuterten Typs zwar den Vorteil einer einfacheren »5 13" bzw. 14" mit einem Taktgenerator 31 (Fig. 2

Herstellung, da eine Diffusion von Drain- und verbunden sind, der die Taktleitungen 13'und 14'mi

Sourcezonen entfällt, doch sind an Stelle von zwei gegenphasigen Taktspannungen /, bzw. #-, (Fig. 2

Taktleitungen drei verschiedene Taktleitungen erfor- 3) speist.

derlich, was wiederum einen erhöhten Herstellungs- Die Vorrichtung nach Fig. 1 umfaßt ferner einer

aufwand erforderlich macht und in vielen Anwen- ²° Eirmangsttil mit einer Elektrode 15, die mit einerr

dungsfällen unerwünscht ist. Eingangsanschluß 16 verbunden :st und einen ver·

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine la- hältnismäßig dünnen Abschnitt der Isolierschicht U dungsgekoppelte Schaltung zu schaffen, welche nur überdeckt, über die Elektrode 15 werden Minoritätszwei verschiedene Taktleitungen benötigt. ladungsträger im Überschuß in den darunter liegen-

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im ²5 den Blreich des Halbleiterkörpers 11 injiziert. Diese

Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Merk- injizierten Ladungsträger stellen das von der Vorrich-

male gelöst. _tung 10 zu übertragende Informationssignal dar, wo-

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen bei der Übertragungsmechanismus durch die eingang«

der Ladungsübertragungsvorrichtung nach An- bereits erwähnten Potentialmulder gekennzeichnet

spruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis S gekennzeich- 3° wird, die bei Beginn der Übertragung unter der Elek-

net. trode 13« induziert werden. Dieser Ubertragungsme-

Durch die Ausbildung von asymmetrischen Poten- chanismus wird an Hand von F i g. 2 noch näher crläu-

tialmulden besitzen die erfindungsgemäßen Laduniis- tert.

Übertragungsvorrichtungen eine durch die A sy mine- An dem der Elektrode 15 entgegengesetzten Ende

trie bestimmte Übertragungsrichtung, so daß in 35 der Ladungsübertragungsvorrichtung 10 weist diese

gleicher Weise wie bei den Eimerkettenschaltungen einen Ausgangsteil auf. welcher eine in dem N-Ieiten-

gegenphasige Taktspannungen an Stelle von 3phasi- den Halbleiterköprer 11 eingebettete P- leitende Zone

gen Taktspannungen verwendet werden können. Ge- 17. eine mit der Zone 17 kontaktierte Elek.rode Ii

genüber den üimerkettenschaltungen zeichnet sich und eine Serienschaltung aus einer Batterie 18 unc

die erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrich- 40 einem an Masse führenden Widerstand 19 aufweist

tung durch geringere Übertragungsverluste und hö- Ein Ausgangsanschluß 20 zwischen der Batterie Ii

here Betriebsfrequenzen aus. und dem Widerstand 19 dient zur Anzeige von über-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schüssigen Minoritätsladungsträgerp, die in einer Po-Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt tentialmulde unter der Elektrode 14/; vorliegen kön-

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ei.i erstes Ausfüh- 45 neu.

rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ladungs- Die der Isolierschicht 12 entgegengesetzte Ober-

iibertragungsvorrichtung, fläche des Halbleiterkörpers Π ist mit einer auf Erd-

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Ladungsüber- potential liegenden Metallelektrode 21 versehen. Ar

tragungsvorrichtung nach Tig. 1, wobei der Verlauf Stelle von Erdpotential könnte der Halbleiterkörper

des Oberflächenpotentials angedeutet ist. 5° auch auf einem anderen festen Bezugspotential liegen

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von gegenphasigen sofern die Mittellage der Taktspannungen auf diese«

Taktspannungen für die Ladungsübertragungsvor- Bezugspotential justiert wird. Es ist ferner möglich,

richtung nach Fig. 1, den Halbleiterkörper 11 auf unbestimmten

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein weiteres Aus- (»schwimmendem«) Potential zu halten
führungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Ladungs- 55 Fig. 2 dient zur Erläuterung der Funktionsweise

übertragungsvorrichtung. eier in Fig. I dargestellten Ladungsiibertragungsvor-

Fig. 5 und 6 Längsschnitte durch die Ladungs- richtung, deren 1 aktleitungcn 13'und 14' mit Taktübertragungsvorrichtung nach Fig, 4 mit dem Verlauf spannungen /, bzw, $₂ gemäü Fig. 3 angesteuert des Oberflächenpotentials zu verschiedenen Taktzeit- werden. Wie aus Fig. 3 "hervorgeht, ist als Bezugspopunkten, und 60 tential der impulsförmigen Taktspannungen eine ne-

Fig. 7 ein Blockschaltbild für eine zweidimensio- gative Vorspannung V₁₁ gewählt, um sämtliche Elek-

nale Zusammenschaltung von erfindungsgemäßen trode η 13« bis 13 ·/. 14« bis 14/; negativ vorzuspan-

Ladungsübertragungs'.orrichtungen. neu. Hierdurch wird eine flache Verarmungsschicht

Fig. 1 zeigt die einfachste Form einer erfindungs- in der gesamten Ladungsübertragungsvorrichtung 1(1

gemäßen Ladungsübertrapungsvorrichtung des Typs 65 in jedem Zeitpunkt gebildet, svodurch die Rckombi-

der ladungsgekoppclten Schaltungen mit zwei ver- nation zwischen den übertragenen Ladungsträgern

schiedenen Taktleitungen Die Vorrichtung 10 ist in und Haftstellen an der Berührungsfläche zwischen

integrierter Schaltkrcistechnik aufgebaut und umfaßt dem Halbleiterkörper 11 und der Isolierschicht 12

verringert und dadurch der Übcrtragungswirkimgsgrad erhöht wird. Diese Rekombinationsgefahr an der Berührungsfläche zwischen dem Halbleiterkörper 11 und der Isolierschicht 12 besteht insbesondere bei der Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper 11 und Siliziumdioxid als Isoliermaterial für die Isolierschicht 12. Selbstverständlich kann bei Verwendung von Halbleiter- und Isolicrwerkstoffen, die eine weniger große Rekombinationsgefahr mit sich bringen, auf die negative Vorspannung V_n verzichtet und die Mittellage der Taktspannungen auf 0 Volt eingestellt werden.

In Fig. 2 sind mit gestrichelter Linie die (iren/cn 33« bis 33/1, 34« bis 34h der Verarmungsbereiche angedeutet, die in dem Halbleiterkörper 11 ausgebildet sind, wenn die Taktspannung φ, ihren negativen Scheitelwert K_v und die Taktspannung φ₂ ihre Ausgangslage V'_B erreicht haben. Die Tiefe der Verarmungsbereiche unterhalb der Berührungsfläche zwischen dem Halbleiterkörper 11 und der Isolierschicht 12 hängt von dem Betrag der jeweils an die darüberlicgende Elektrode angelegten Taktspannung sowie von der Dicke der Isolierschicht 12 unterhalb der betreffenden Elektrode ab. Und zwar stimmt der Potcntialverlauf unterhalb jeder Elektrode in etwa mit dem abgestuften Verlauf der betreffenden Elektrode iiberein. da die Kapazität und damit das Obcrflächcnpotcntial von dem Abstand zwischen den Elektroden 13« bis 13«, 14fl bis 14n und 21 abhängt. Wie aus F i g. 2 deutlich ersichtlich ist, ist der Verlauf des Verarmungsbereichs unterhalb jeder Elektrode asymmetrisch, wodurch ein Potentialgcfällc in Übertragungsrichtung festgelegt wird.

Es sei angenommen, daß dem Eingangsanschluß 16 ein Informationsimpuls zugeführt wird, durch welchen in dem Halbleiterbcreich unterhalb der Elektrode 15 eine Anzahl von Minoritätsladungsträgcrn (Löcher: in Fig. 2 mit » + « angedeutet) injiziert wird. Da der Verarmungsbereich 35 unterhalb der Elektrode 15 den Verarmungsbereich bzw. die Potcntialmulde 33« unterhalb der Elektrode 13« überlappt, werden die injizierten Minoritätsladungsträgcr zu der tiefsten Stelle der Potentialmuldc 33«, d. h. die Stelle mit dem negativsten Potential unterhalb des mittleren Abschnittes der Elektrode 13« gezogen und dort so lange gespeichert, bis die Tak'.spannungen ihren Betrag ändern.

Wenn in der darauf folgenden Taktspannungsperiode die Elektroden 14a bis 14n auf das Potential Vf, und die Elektroden 13« bis 13n auf das weniger negative Potential V_B gelegt werden, bewegen sich die Minoritätsladungsträger von der sich verkleinernden Potentialmulde unterhalb der Elektroden 13« in die nunmehr tiefere Potentialmulde unterhalb der Elektrode 14«, und zwar dort in den Halbleiterbereich unterhalb des Mittelabschnittes der Elektrode 14«. Damit ist das Informationssignal um einen Schritt innerhalb der Ladungsübertragungsvorrichtung 10 weitergeschoben worden. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder Periode der Taktspannungen.

Wie schon erwähnt, wird durch die asymmetrische Form der Potentialmuldcn eine eindeutige Übertragungsrichtung (im gezeigten Beispielsfalle eine Übertragung nach rechts) geschaffen. Wie aus Fi g. 2 deutlich entnehmbar ist. ist das Potential im rechten Teil jedes Vcrarmungsbcrcichs stets negativer als das Potential im linken Teil des Verarmungsbereichs, so dall cine I .adunpslragcriibertragung nach rechts begünstigt und nach links erschwert wird.

Nach Ablauf von /(-Perioden der Taktspannungen befinden sich die Minoritätsladungsträger in der Potcntialmulde unterhalb der letzten Elektrode 14/1. Da die Batterie 18 über die Elektrode 16 den PN-Übergang zwischen der Zone 17 und dem umgebenden Bereich des Halbleiterkörper 11 in Spcrrichtung vorspannt, bildet sich unterhalb der Zone 17 ein Verarmungsbereich 37 aus. welcher den Verarmungsbereich 34m unterhalb der Elektrode 14h teilweise überlappt. Dadurch gelangen die Minoritätsladungsträger während der anschließenden Periode der Taktspannungen von dem Verarmungsbereich 34» in den Vcrarmungsbercich 37 und sammeln sich :in dem

is PN-Übergang /wischen der Zone 17 und dem Halbleiterkörper 11. Diese Ladungsträgeransammlung entspricht der Ansammlung von Ladungsträgern an dem Kollektor-Basisübcrgang eines üblichen Transistors.

ίο Infolge der erwähnten Ladungsträgcransammlung fließt ein Strom über die Balteric und den Widerstand 19 auf Masse, was sich durch eine entsprechende Spannungs.indcrung an dem Ausgangsanschluß 20 äußert. Dit^c Spannungsänderung stellt das Aus-

2$ gangssignal der Ladungsübertragungsvorrichtung 10 dar.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrichtung als Schieberegister verwendet werden kann. Das Beispiel eines Schieberegisters wurde gewählt, da aus diesem viele Arten von logischen Bauelementen. Spcicherbauelementcn und Verzögerungsleitungen hergestellt werden können. Es ist beispielsweise möglich, an irgendeiner Elektrode, z. B. 14/in das Schieberegister

einzugreifen und eine Einkopplung oder Auskopplung von Informationssignalcn durchzuführen. Ferner kann zur Vergrößerung der Speicherdauer bzw. Verzögerungsdauer oder zur Signalregencrierung das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Ladungs-

»o übertragungsvorrichtung mit dem Eingangsteil über eine geeignete Regenerierschaltung verbunden werden, wodurch ein Rückzirkulationsbetrieb möglich ist. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Abstufung der Isolierschicht unterhalb jeder Elektrode in drei Stufen ist nicht unbedingt erforderlich: vielmehr kann auch eine zweistufige Gestaltung vorgesehen werdet. In diesem Falle wird auf den am weitesten rechts liegenden Abschnitt jeder Elektrode verzichtet. Die Funktionsweise einer derartigen Ladungsübertragungsvor-

richtung würde dem vorstehend erläuterten Betriet der Ladungsübertragungsvorrichtung mit einer dreistufigen Isolierschicht entsprechen.

Die Wahl einer zweistufigen oder dreistufigen Isolierschicht ergibt sich aus den nachstehenden Krite rien. Die Bewegung von Ladungsträgern in einerT Halbleiterkörper erfolgt auf zwei verschiedene Arten nämlich durch Drift oder durch Diffusion. Eine La dungsträgerdrift wird durch ein äußeres elektrische: Feld verursacht, während eine Ladungsträgerdiffusioi

eine zufällige Bewegung von Stellen größerer La dungsdichte zu Stellen geringerer Ladungsdichte dar stellt. Bei einer zweistufigen Isolierschicht kann unte bestimmten extremen Bedingungen die Diffusions Komponente nach iinks die Driftkomponente nacl

rechts übersteigen. Die Wahrscheinlichkeit für da Auftreten dieser Erscheinung ist im Falle einer drei stufigen Isolierschicht wesentlich geringer, da de rechte Abschnitt jeder Prtcntialmulde unterhalb de

am weitesten rechts gelegenen Teils jeder Elektrode ein bevorzugtes Diffusionsleck nach rechts, d. h. in der gewünschten Übertragungsrichtung hervorruft.

Fi g. 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführiifigsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung, bei dem sich benachbarte, auf einer ungleichförmig dicken Isolierschicht angeordnete Elektroden teilweise überlappen. Diese Ausführungsform ist für eine Reihe von Anwendungsfällen besonders vorteilhaft, da die Überlappung benachbarter Elektroden zum einen die Schwierigkeiten bei der Herstellung eng benachbarter Elektroden auf einer ebenen Oberfläche verringert und zum anderen die Kopplung benachbarter Potentialmulden erleichtert, was die Übertragung von Ladungsträger- >5 paketen von einer Potentialmulde zu der nachfolgend benachbarten Potentialmulde in der gewünschten Übertragungsrichtung verbessert.

Die Ladungsübertragungsvorrichtung 40 nach Fig. 4 umfaßt wiederum einen Halbleiterkörper 41 ^ao eines ersten Leitungstyps (im dargestellten Beispielsfalle N-Leitung), der von einer gleichförmig dicken Isolierschicht 42 überdeckt ist. Auf der Isolierschicht 42 sind eine Vielzahl von Elektroden 43c bis 43m, 44a bis 44« angeordnet, wobei, wie erwähnt, sich be- ^as nachb-.rte Elektroden teilweise überlappen. Zur Ausbildung einer Abstufung der Isolierschicht unterhalb der Elektrode sind auf der Isolierschicht 42 zusätzliche Isolierabschnitte 45« bis 45«, 46a bis 46h vorgesehen, die sich zwischen den sich überlappenden Elektrodenabschnitten befinden, wodurch die sich überlappenden Abschnitte voneinander isoliert sind. Die Ladungsübertragungsvorrichtung nach Fig. 4 enthält ferner in gleicher Weise wie die Ladungsübertragungsvorrichtung nach Fig. 2 einen Eingangsteil mit einer an eine Eingangselektrode 48 angeschlossenen Eingangselektrode sowie einen Ausgangsteil mit einer P-Ieitenden Zone 49, einer Batterie 50, einem auf Masse liegenden Serienwiderstand 51 und einem Ausgangsanschluß 52. Weiterhin ist jeweils jede ♦< > zweite Elektrode mit einer der Taktleitungen 43' bzw. 44' verbunden, an deren Anschlüsse 43" bzw. 44" die in Fig. 3 dargestellten Taktspannungen ^₁ bzw. ^₂ durch einen Taktgenerator 31 (Fig. 5 und 6) angelegt werden. *5

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4 wird an Hand von F i g. 5 und 6 erläutert. Ähnlich wie in Fig. 2 sind auch in Fig. 5 die Grenzen der Verarmungsbereiche innerhalb des Halbleiterkörpers 41 mit gestrichelten Linien 63a bis 63«, 64a bis 64« für eine Taktspannungslage eingezeichnet, bei der die Taktspannung φ_χ ihren negativen Scheitelwert V_n und die Taktspannung /₂ ihre Ausgangslage V₈ erreicht haben. Die Gründe für die unterschiedliche Tiefe der Verarmungsbereiche sind die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind die Ausgangslage V_B der Taktspannungen und die unterschiedlichen Dicken der Isolierschicht unterhalb der Elektroden so aufeinander abgestimmt, daß β* die negative Taktspannung V_B nicht ausreicht, um unterhalb dem linken, auf einer dickeren Isolierschicht liegenden Abschnitt jeder Elektrode einen Verarmungsbereich zu bilden. Hierdurch entstehen zwischen den benachbarten Verarmungsbereichen 63a und 64a, 63b und 64b usw. potentialfreie Zwischenräume, die eine Ladungsträgerdiffusion nach links vollständig verhindern.

Wie aus Fig. 5 ferner hervorgeht, werden die unterhalb der Eingangselektrode 47 injizierten positiven Ladungen bzw. Minoritätsladungsträger unmittelbar in den ersten Verarmungsbereich 63a geschoben und dort gespeichert, solange die Taktspannung ^₁ auf ihrem negativen Scheitelwert V_n liegt.

F t g. 6 zeigt den Verlauf der Verarmungsbereiche 63a bis 63«, 64a bis 64» während eines Wechsels der Taktspannungen, d. h., zu dem Zeitpunkt, wenn die Taktspannung /, von dem Wert V_n auf den Wert V_B und die Taktspannung φ₂ von dem Wert K₈ auf den Wert V_n wechseln. In diesem Zeitpunkt werden die vorstehend erwähnten potentialfreien Zwischenräume zwischen den Verarmungsbereichen 63a und 64a, 63b und 64b usw. überbrückt, während zwischen den Verarmungsbereichen 64a und 63b, 64b und 63c, ... 64« — 1 und 63« potentialfreie Zwischenräume gebildet werden. Diese abwechselnde Entkopplung und Kopplung von Verarmungsbereichen infolge Bildung oder Rückbildung von potentialfreien Zwischenräumen begünstigt die Ladungsträgerübertragung nach rechts und erschwert eine Ladungsübertragung nach links. Hierdurch wird der Effekt der asymmetrischen Ausbildung der Potentialmulden, eine Vorzugsübertragungsrichtung zu schaffen, weiterhin verstärkt.

Die Darstellung der in Form von Minoritätsladungsträgern übertragenen Informationssignale am Ausgangsanschluß 52 durch den Ausgangsteil 49, 50, 51 erfolgt in gleicherweise wie bei der Ladungsübertragungsvorrichtung nach Fig. 2 und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer zweidimensionalen Anordnung von erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtungen. Insbesondere stellt jede aus mehreren Blöcken 106 bestehende Zeile eine Folge von Elektroden dar, wie sie bei den Ladungsübertragungsvorrichtungen nach Fig. 1, 2, 4 bis 6 vorgesehen sind. Die Blöcke 106 repräsentieren somit jeweils eine Elektrode 13a bis 13«, 14a bis 14« bzw. 43a bis 43«, 44a bis 44« und sind in gleicher Weise wie diese alternierend mit den Taktleitungen 101 und

102 verbunden. Durch Beaufschlagung beispielsweise der obersten Zeile mit den gegenphasigen Taktspannungen eines Taktgenerators 31 wird der Zeileninhalt herausgeschoben und sequentiell durch einen Detektor 107 in Form eines geeigneten Ausgangssignals angezeigt. Diese Verschiebung des Inhaltes der obersten Zeile beeinflußt nicht den Inhalt der in den anderen Zeilen gespeicherten Informationssignale, da die Zeilen nur über eine gemeinsame Taktleitung, nämlich die Taktleitung 102 verbunden sind. Nachdem der Inhalt der obersten Zeile vollständig herausgeschoben und angezeigt ist, wird der Taktgenerator 31 in nicht dargestellter Weise mit den Taktleitungen 102 und

103 verbunden und auf diese Weise der Inhalt der zweiten Reihe herausgeschoben und angezeigt. Zur Umschaltung des Taktgenerators 31 auf die verschiedenen Taktleitungen können eine Vielzahl von geeigneten Schaltungsvorrichtungen verwendet werden.

Die in Fig. 7 dargestellte zweidimensionale Schaltungsanordnung kann bevorzugt als Aufnahmeröhre in einer Fernsehkamera verwendet werden. Bei dieser Anwendungsform stellt jede aus einer Vielzahl von Blöcken 106 bestehende Zeile eine Rasterzeile des Fernsehsystems dar. Jede Rasterzeile wird elektronisch durch serielle Übertragung der auf photoelektrischem Wege erzeugten Ladungsträgerpakete zu ei-

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nem geeigneten Detektor am Ende der Zeile ausgelesen. Das gewünschte Fernsehbild kann dann durch sequentielle Auslesung jeder Rasterzeile zusammengesetzt werden. Ebenso kann die in Fig. 7 dargestellte Anordnung auch als Biidwiedergabevorrichtung verwendet werden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtungen können die aus der integrierten Schaltkreistechnik bekannten Verfahren und Werkstoffe verwendet werden. Beispielsweise kann als Material für den Halbleiterkörper Silizium und als Material für die Isolierschicht Siliziumdioxid, Mischungen aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid oder aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid u. dgl. vorgesehen werden. Als Material für die Elektroden kommen Gold, Aluminium, Platin, Molybdän, Titan oder Legierungen aus den genannten Werkstoffen in Frage.

Bei einer ausgeführten Ladungsübertragungsvorrichtung wurde ein Halbleiterkörper aus N-leitendem Silizium mit einer Leitfähigkeit von 10 Ohm X cm verwendet. Die aus Siliziumdioxid bestehende Isolierschicht besaß eine Dicke von etwa 1000 bis 2000 A für die dünneren Abschnitte und 5000 bis 10 000 A für die dickeren Abschnitte. Für die Elektroden wurde Gold oder eine Gold-Platin-Titanlegierung in einer Dicke von 0,1 bis zu einigen Micrometer vorgesehen.

Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtungen sind in weiten Grenzen variabel. Die Abstände zwischen den einzelnen Elektroden sind von der seitlichen Ausdehnung der Verarmungsbereiche und den gewünschten Betriebsbedingungen abhängig. Bei der ausgeführten Ladungsübertragungsvorrichtung aus N-leitendem Silizium mit einer Leitfähigkeit von H) Ohm X cm erzeugte eine Spannung von 15 Volt an einer Siliziumoxidschicht von 1000 A Dicke einen verarmungsbereich von 5///m Länge. Der Abstand zwischen den einzelnen Elektroden darf dann nicht mehr als einige Micrometer betragen. Diese Abstände sind bei den Ausführungsformen nach Fi g. 4 bis (> wesentlich weniger kritisch als bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäßen La-

a° dungsübertragungsvorrichtungen von der Wahl bestimmter Halbleiter- und Isolierwerkstoffe und der zugeordneten Technologien nicht abhängig sind und daß die vorstehend beschriebene Verwendung von Silizium lediglich zum besseren Verständnis der Erfin·

^a5 dung dient.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsübertragungsvorrichtung mit einem halbleitenden oder isolierenden Ladungsspeichermedium, das einen Bereich zum Einbringen einer steuerbaren Menge von Ladungsträgern eines vorgegebenen Leitungstyps in das Ladungsspeichermedium sowie einen Bereich zum Abtasten der Ladungsträger aufweist, wobei auf dem Ladungsspeichermedium eine Isolierschicht und auf dieser eine Anzahl von Elektroden angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt des Ladungsspeichermediums (11) unterhaJb der Elektroden (13α, 14α) einen einzigen Leitungstyp aufweist und daß die Anordnung und Ausbildung der Elektroden sowie der Isolierschicht (12) derart bezüglich des Ladungsspeichermediums gewählt ist, daß während eines Speicherintervalls der Ladungsübertragungsvorrichiung eine asymmetrische Potentialmulde unter jeder Elektrode gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (12) eine sich indernde Dicke aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (13«, 14« usw.) so gewählt ist, daß «ich benachbarte Potentialmulden bei einer be- «timmten angelegen Spannung überlappen, welche kleiner ist als die zur Erzeugung eines Lawi-•endurchbruchs in dem h ilbleil· /iden Ladungsipeichermedium (11) erforderliche Spannung, *obei durch eine Überlappung benachbarter Potentialmulden die Übertragung der gespeicherten Ladungsträger von einer Potentialmulde zu der nächsten Potentialmulde in der gewünschten Richtung erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Elektroden (43m, $4a, usw.)sich teilweise ohne gegenseitige Berühlung überlappen, wobei ein Teil (45«, 46«, usw.) ller Isolierschicht (42) zwischen den Elektroden »n den Überlappunesstcllcn angeordnet ist (Fig. 4 bis 6).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode zumindest zwei physikalisch und elektrisch verbundene Abtchnitte umfaßt, von denen der erste, der Übertragungsrichtung entgegengerichtete Abschnitt einen Verhältnismäßig dicken Teil der Isolierschicht Überdeckt und dabei den anderen Teil der vorangehend benachbarten Elektrode überlappt, während der zweite Abschnitt einen verhältnismäßig dünnen Teil der Isolierschicht überdeckt und dabei unter dem ersten Abschnitt der nachfolgenden benachbarten Elektrode liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode einen Teil der eine ungleichförmige Dicke aufweisenden Isolierschicht überdeckt, so daß bei Anlegen einer Spannung entsprechender Polung und ausreichender Amplitude an eine beliebige Elektrode in dem halbleitendcn Ladungsspeichermedium (11) ein asymmetrischer Verarmungsbcrcich unterhalb der betreffenden Elektrode gebildet wird, wobei die Asymmetrie des Verarmungsbereichs so ausgelegt ist, daß die Übertragung von überschüssigen Minoritätsladungsträgern in der betreffenden Potentialmulde zu einer benachbarten Potentialmulde in der gewünschten Richtung verstärkt und in der entgegengesetzten Richtung verhindert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Elektroden so gewählt ist, daß sich die darunter gebildeten Verarmungsbereiche bei einer bestimmten angelegten Spannung schneiden, welche kleiner ist als die zur Erzeugung eines Lawinendurchbruchs in dem halbleitenden Ladungsspeichermedium erforderliche Spannung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Injektion von überschüssigen Minoritätsladungsträgern in zumindest einem Verarmungsbereich.