DE2107038A1 - Monolithische Baueinheit zur aufeinanderfolgenden Ladungsübertragung - Google Patents

Monolithische Baueinheit zur aufeinanderfolgenden Ladungsübertragung

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DE2107038A1 DE19712107038 DE2107038A DE2107038A1 DE 2107038 A1 DE2107038 A1 DE 2107038A1 DE 19712107038 DE19712107038 DE 19712107038 DE 2107038 A DE2107038 A DE 2107038A DE 2107038 A1 DE2107038 A1 DE 2107038A1
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Description

2107033
Western Electric Company Inc. ·
195 Broadway-New York, Ή. Y. 10007 / USA A 32 158
Monolithische Baueinheit zur aufeinanderfolgenden ladungsübert ragung
Die Erfindung "betrifft Halbleitefbaueinheiteni zur Speicherung und aufeinanderfolgendem Übertragung von Informationeni darstellendem Signalen.
Bei einer weiten Vielfalt elektrischer und elektronischer Baueinheiten ist die Speicherung und Handhabung Informationen darstellender Signale .ein wesentliches Merkmal. Bisher "beruhten derartige Baueinheiten oftmals auf einem elektromagnetischen Me chard. smusr.
Mit forts-chreitender Weit er entwi cklung der Herstellung monolithischer integrierter Schaltungen und einer Verminderung der hierfür erforderlichem Kosten ergab sich ein wachsendes Inter- ©see an monolithischen Baueinheiten zur Speicherung und Handhabung Λτοη Informationen.
Zur Vereinfachung und Klareren Darstellung ist die Erfindung in ersrter Linde hinsichtlich eines grundlegendem Schieberegisters; !Beschrieben, das ein besonders vorteilhaftes- AnwendungsbeisRpiel darstellt. Jedoch "bezieht sich der Erfindungsgegenstand auch auf andere Anwendungsfälle, beispielsweise iogiksOhaltungem, Gedächtnisse, Verzögerungsbaueinheiten, Vidicoa-AbtasEftbmieinheiten unxi Bildwiedergabeeinrichtungen·
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Die Erfindung geht aus von einer Halbleiterbaueinheit zur aufeinanderfolgenden Ladungsübertragung mit einem Halbleiterwafer einschließlich eines Blockteils von einem ersten Leitfähigkeitstyp» sowie mehrereni im Abstand örtlich festgelegten Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in einer Anordnung neben) einer Fläche einer entsprechenden Gruppe von PF-Grenzflächen, die auf diese Weis;e mit dem Blockteil gebildet werden, einer dielektrischen Schicht über der Oberfläche, si daß die Gruppe v<m 3>neu hierbei überdeckt wird, und einer Gruppe örtlich festgelegter leitender Elektroden über der dielektrischen Sdhieiit sxwie in Ausrichtung mit der Gruppe von Zonen, wobei je eine Elektrode je einer Zone zugeordnet ist * Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der leitendem Elektroden vermöge entsprechender Beschränkung der seitlichen Ausdehnung sich lediglich über im wesentlichen den gesamten Zwischenraum zwischem einem Paar von Zonen sowie über einen Teil einer Zone des5 Paare® von Zonen erstreckt, daß die Kapazität zwischen der leitenden Elektrode sowie der einen Zone vermöge genügender Größe des- letzterwähnten Teiles wesentlich großer als die Kapazität zwischen der leitenden Elektrode sowie der anderen Zone des Paares von Zonen ist, daß eine Zweiphasenschaltung zur wechselndem Anlegung eines Paares von Spannungen» an jede zweite der leitenden Elektroden vorgesehen! ist und daß Eingabeelemente vorgesehen sind, um Informationen darstellende elektronische Signale in zumindest eine der Zonen einzuspeisen, woißei die Eingabe elemente zugehörige Elemente zur Einführung eines-, festgelegten Untergrundimpulses während jedes Zyklus der Zweiphasenffichaltung umfassen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die örtlich, festgelegten Zonen insbesondere aufeinanderfolgend in einer Linie angeordnet und weisen gleiche Abstände auf. zusätzlich zu den örtlich festgelegten Elektroden sind ein erster und ein zweiter leitender Weg über der Oberfläche eines dickerem dielektrischen. Abschnittes längs der Heine von Zonen angeordnet* Jede zweite Elektrode in der Aufeinanderfolge ist mit dem erstem leitenden Weg gekoppelt, während die verbleibenden Elektroden mit dem zweiten leitendem Weg gekoppelt sind.
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Im Betrieb werden zweiphasige Zeitgeberimpulse dem ersten und zweiten' leitendem V/eg zugeführt, welche wiederum diese Impulse auf die wechselnden Elektroden geben. Wegen der kapazitiven Kopplung zwischen den Elektroden sowie dem Halbleiter bewirken, diesje Zeitgefrerimpulse Informationen in Form variabler Fehlsteilem von Mehrheits trägern, welche aufeinanderfolgend von einer Zone zur nächsten nach Art eines Schieberegisters übertragbar sind.
Dies« Form der Übertragung ist, wie sich versteht, nicht auf eine eindimensionale linie beschränkt, sondern· kann nach Erfordernis zum Einspeisjen und Ausgeben bei logischen Betriebsvorgängem angewendet werden; auch können zweidimensional Anordnungen; verwendet werden.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die ladungsübertragung der vorangehend beschriebenem Art durch eine ladungsabhängige Übertragungsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Demgemäß wird jede Zeitladung übertragen, wobei ein beschränkter Teil der Ladung hintangestellt wird. Diese unvollständige ladungsübertragung kann eine Signalverzerrung hervorrufen und pflanzt sich in den meisten Fällen» gehäuft fort. Da die Verzerrung sich haufen kann, wäre in diesem Fällen die Anzahl von Schieberegisterstufen» welche ohne auftretende unzulässige Verzerrung umfaßbar ist, unzulässig beschränkt, wenn nicht Maßnahmen zur Verminderung dieser Verzerrung getroffen werden können.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt demgemäß Elemente zur konstanten Übertragung einer Reihe gleicher Hintergrundimpulse durch das Schieberegister mit der Taktgeschwindigkeit zur Reduzierung dieser Verzerrung.
Die Erfindung schafft also eine Ausbildungsform einer monolithischen· Halbleiterbaueinheit zur Speicherung und Handhabung von Informationen) darstellenden, elektronischen Signalen. Grundsätzlich umfaßt die Baueinheit mehrere im Abstand befindliche, örtlich festgelegte Zonen eines Halbleitertyps neben der Oberfläche eines halbleitenden Blockteiles vom anderem leitfähig-
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keitstyp. Mehrere örtlich festgelegte Elektroden, in Ausrichtung von jeweils einer Elektrode gegenüber der entsprechendem ■örtlich festgelegten Zone, sind über einer dielektrischen) Schicht angeordnet, welche die halbleitenden Teile überdeckt. Jede der Elektroden ist in ihrer seitlichen Erstreckurcg begrenzt, so daß sie sich über im wesentlichen den gesamten Zwischenraum zwischen einem Paar von mächstem Zonen sowie über einem wesentlichen: Teil von lediglich einer aus dem Paar von Zonen erstreckt und die Kapazität zwischen der Elektrode sowie der Zone» über welcher die Erstreckung vorliegt, im wesentlichen größer als die Kapazität zwischen dieser Elektrode sowie der anderen Zone des Paares von Zonen ist. Signale in Form von sich ändernden Fehlstellen %ron Majorität^trägern werden zeitweilig in» dem örtlich festgelegten Zonen gespeichert und aufeinanderfolgend von einer Zone zu der nächst benachbarten Zo ne bei Anlegung von zweiphasigen Zeitgeberimpulsen an wechselnde Elektroden getastet. Konstante Hintergrundimpulse, welchen die Signale überlagert sind» werden zirkuliert, um die Verzerrung zu reduzieren1,
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert* Es .zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Grundform einer monolithischen Halbleiterbaueinheit zur Informationsspeicherung und -übertragung im Querschnitt sowie in Schaltbild- bzw. Blockschaltbilddars*ellung,
Mg· 2 ein Impuls diagramm mit zwei Spannungspulsen zur Verwendung als Zweiphasen-Zeitgeberimpulse zwecks Speicherung und Übertragung von Informationen,
Fig* 3 den Eingangsteil der Baueinheit nach Fig. 1 mit einem darin vorgesehenen zusätzlichen Element zur Ermöglichung der Einführung vonHintergrundimpulsen sowie Signalimpulsen, im Querschnitt.
Me in der Zeichnung veranschaulichten Figuren sind nicht maßatäblich* sondern es sind gewisse Teile in ihren relativen Ab-. 109838/1523
messungem gegenüber anderen gedehnt» um eine klare Darstellung des- Erfindungsgedankens zu erreichen 1
Pigi 1 zeigt eine Grundform einer monolithischen Halbleiterbaueinheit nach der Erfindung in Verbindung mit einem Signalgenerator, einem Zeitgebergenerator sowie Ausgabeelementen zur Erzielung eines Betriebes gemäß der Erfindung* Me monolithische Baueinheit 10 umfaßt einen Blockabschnitt 11« 12 eines ersten Leitfähigkeitstyps (im vorliegendem Fall vom N-Typ), neben dessen Oberfläche mehrere örtlich festgelegte Zonen 17a bis Mn und 18a bis 18n eines anderen leitfähigkeitstyps ausgebildet sind$ vorliegend vom P-Tyρ. Der halbleitende Teil des Wafers ist mit einer dielektrischen Schicht 14 bedeckt, auf welcher mehrere Elektroden 15a - 15n und 16a - 16n in gegenseitiger Ausrichtung entsprechend der Gruppe von Örtlich festgelegten Zonen ausgebildet ist» leitungen-. 15*» 16· sind mit jeder zweiten Elektrode verbunden, d.lu den Elektroden' 15a - 15n bzw. 16a 16m. Ein Eingangs ans chluß 22 liegt an einer Eitigangszone 20 über eine Elektrode 19» welche in ohmscher Berührung mit der Zone 20 steht.
Jedes Paar von engsten Zonen, beispielsweise 20 und 17a, 17a und 18a, 18a und 17b usw., können als Quelle und Ablauf eines isolierendem Tast-Feldeffekttransistors (IGFET) angesehen werdem* Eine der Elektroden 15, 16 können als Tastelektl'ode und der N-leitende Oberflächenteil zwischen' irgendeinem Paar nächster Zonen' als der Kanal eines IGFET betrachtet werden.
Aus Pig,-2 ergibt sich, daß jede der Elektroden in ihrer seitlichem Ausdehnung begrenzt ist und sich über im wesentlichen den gesamten, Raum zwischen einem Paar nächster Zonen erstreckt, dih. üfrer den Kanal sowie über einem wesentlichen Teil lediglich einer aus dem Paar von Zonen, so daß die Kapazität zwischen der Elektrode sowie der Zone, über welche sie sich erstreckt, wesentlich größer als die Kapazität zwischen der Elektrode sowie der anderen Zone dieses Paares von Zonen ist. Insbesondere und beispielsweise überdeckt die Elektrode 16a den N-leitendem Teil, welcher die Zoneni I7a, 18a trennt, völlig und überdeckt einen wesentlich größeren Teil der Zone 18a als dies
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für die Zone 17a zutrifft.
nachfolgend ist nun der Betrieb der monolithischen Baueinheit als Schieberegister in Einzelheiten erläutert. Im Betrieb-werden Zeitgeberimpilse ψ « lind <p?» die durch einen! sweiphasigeni Zeitgeber 29 erseugt werden, den Leitungen 15' bzw, 16' zugeführt. Die mit der Leitung 15' verbundenen Elektroden 15a - 15a sowie die mit der Leitung 16' verbundenen Elektroden 16a - 16n werden gleichzeitig wechselweise positiv und negativ beaufschlagt, weruoi ^p « und (ö „ zwischen positiven und negativen Potentialen liegen«
Der Blockteil 11 ist über einem ohmschen Kontakt (Metallelektrode 13) mit Masse verbunden. Die Elektrode 13» braucht, wie sich versteht, nicht mit Masse verbunden sein, sondern! kann auch mit irgendeinem festen Bezugspotential verbunden sein, vorausgesetzt f daß die Zeitgeberspannungen entsprechend justiert sind*
Es sei angenommen, daß zum Zeitpunkt 0 die Größe 1Pi impulsgetastet wird, so daß sie den negativsten Wert aufweist, während ψ 2 auf den positivsten Wert impuls get astet ist« Wenn der ψ ^- Impuls ausreichend negativ ist, d.h. negativer als irgendeine. n-"enzwertspannung Y^, so induzieren· die Tastelektroden 15 (15a-15n) einem P-leitenden> Oberflächenkanal in den N-leitenden Silizium-Oberflächenteilen, welche unter diesen Tastelektroden liegen. Die örtlich festgelegten Oberflächenzonen 17 (17a - 17n) werden ebenfalls negativ vorgespannt, weil die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 15 sowie den Zoneni. 17 vorliegt. Da zu diesem Zeitpunkt (£'p positiv impulsgetastet wird, stretren die Elektroden (16a - 16n) danach, die Bildung von P-leitenderi! Kanälen in diesen W-leitenden, darunter befindlichen Oberflächenteilen· zu sperren? wegeni der kapazitiven Kopplung zwischen? dem Elektroden 3owie den· Zonen 18(18a - 18n-1) werden die Zomen 18 positiv vorgespannt. Die Elektrode 16n braucht die Zone 18n nicht wesentlich zu überlappen, weil die Zone 18n durch die Ausgangsschaltung, einschließlich zum Beispiel einer Batterie 30 in Reihe mit einem Widerstand 31, auf einer negabiven Vorspannung gehalten wird,
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Wenn entsprechend die Zeitgeberimpulse die Polung um eine Zeitgeber-Halbwelle später umkehren, so induzieren die EleMroden darunter P-leitende Kanäle und treiben die Zonen 18 in den negativem Zustand, während die Elektroden 15 die darunter befindlichen^ P-leitendera Kanäle sperren und die Zonen 17 in den positiven Zustand treiben. Zum Zwecke einer erleichterten Dar-* stellung werden V™ als negativste und Vp als positivste Zeitgebers pannung definierte Die G"-nzspannung V„, ist die Tastspannung, bei welcher die ΪΓ-leitende Fläche gerade beginnt, sich auf den P-leitenden Zustand zu invertieren. Auch sei zur erleichterten Erläuterung angenommen, daß die Grensflächenkapazität (Cj) zwischen^ jeder örtlich festgelegten Zone sowie dem Blockteil klein im Vergleich zu der Kapazität (C_„) zwisehen der Tastelektrode sowie dieser Zone ist. Sonst wurden alle vorangehend erläuterten Spannungsireziehungen, um den Wert C (C + C) multipliziert, was einen Effekt zweiter Ordnung darstellt, der variabel ist, weil C . sich mit der Spannung über der Grenzfläche ändert. Dies ist eine vernünftige Annahme, weil praktisch C. im Vergleich zu C klein gemacht werden kann.
Es sei nunmehr der Betriebszustand betrachtet, bei welchem der Eingang "schwimmend" belassen wird, so daß keine ladung bei der Eingangszone 20 eingeführt werden kann und der Zeitgeber eine Weile laufen gelassen wird» Unter diesen Bedingungen erreicht das System einen Beharrungszustand, wo die Potentiale der örtlich festgelegten Zonen 17, 18 sich zwischen V^-V™ und 2Vj^Vp-V^ bei jeder Umkehr des Zeitgeberimpulses ändern! Wenn zum Beispiel Vjj, =~2 Volt, Vjj =~6 Volt und Vp β 0 sind» so ändern sich die Potentiale der Zonen 17, 18 zwischen -4 und »10 Volt bei jeder Umkehr des Zeitgebers. Sofern· die Gleitenden! Seile 11, 12 gemasst sind, bewirken diese negativen Spannungen, an den Zonen 17, 18, daß alle PN-Grenzflachen zwischen diesen Zonen sowie dem Block umgekehrt vorgespannt werden· In diesem Beharrungszustand liegt demgemäß ein Mangel an Majoritätsträgern (!löchern) in j.eder der Zonen· 17, 18 vor.
Es sei nun angenommen, daß eine Anzahl vora Mehrheitsträgern in die Eingangszone 20 während eines der Zeiträume eingeführt wird,
wenn ψ Λ am negativsten ist. Dies kann1 "beispielsweise erfolgen, 1 109838/1523
ORlGiNAl
indem eine Spannung dem Eingangsanschluß 22 in ausreichender Große zugeführt wird, um die Spannung zwischen der Eingangs-.zone 20 sowie der Elektrode 15a größer als die Grenzwertspannung Vm zu machen. Da die negative Spannung an der Elektrode 15a einen eingeführten P-leitendeni Oberflächenkanal zwischen den Zonen und 17a aufweist und die Zone 17a negativ gegenüber der Zone 20 ist, übertragen sich diese Majoritätsträger in die Zone 17a nach rechts.
Y/ertn die Potentiale der Zeitgeberleitungen 15*» 16' nunmehr umgekehrt werdeni, so daß eine positive Spannung an den Elektroden 15 und eine negative Spannung an den Elektroden 16 liegt, werden OTfeerflächenkanäle unter der Elektrode 16 induziert und unter der Elektrode 15 gesperrt. Zusätzlich werden die Zonen 18 negativer als die Zonen Ί7, weil die Kapazitätskopplung vorliegt. Demgemäß bewegen sich diese Majoritätsträger um einen weiteren1 Schritt nach rechts in die Zone 18a. In gleicher Weise übertragen sich bei jeder Umkehr der Zeitgeberpolung diese Majoritätsträger aufeinanderfolgend zu der nächsten Zone nach rechts.
Wenn in ähnlicher Weise der Zeitgeberimpuls ψ - negativ ist und die Eingangszone 20 gegenüber der Elektrode 15a negativ r"lacht wird, so werden keine Überschuß-Majoritätsträger (üfcrer dem den stetigen Zustand darstellenden Mangelniveau) während dieses Zeitgeberzyklus von der Zone 20 auf die Zone 17a übertragen. Demgemäß liegt bei der Umkehr des Zeitgeberimpulses keine reine Ladung zur Übertragung von 17a auf 18a vor. Daher wird entweder eine Ladungsmenge oder eine nicht vorliegende Ladungsmenge schrittweise nach Art eines digitalen Schieberegisters? gegen den Ausgang verschoben.
Es kann bei der Baueinheit nach IPig. 1 keine Strömung von joritäts trägern nach links vorliegen, obgleich beispielsweise die Zone 18a etwas positiver als die Zone 17a ist, weil die Spannung an der Elektrode 16a zu diesem Zeitpunkt ebenfalls positiv ist und daher zu diesem Zeitpunkt kein p-leitender Kanal zwischen den Zonen. 18a, 17a vorliegt, durch welche Löcher fließen könnten. Demgemäß fließen Signale (in der Form
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des Vorliegens oder JTicht vorliegens von Überschußlöchern· oberhalb des dem stetigen Zustand darstellenden Mangels) stets nach nrechts in Aufeinanderfolge von der Zone 17a zu der Zone 18a, 17b, 18b usw., 17n und 18n am Ausgang»
Die Ausgangs z-one 18n ist auf einer konstanten negativen Vorspannung durch die Batterie 30 gehalten^ die in Reihe mit dem Widerstand 31 liegt. Wenn demgemäß die Überschußlöcher die Zone 18n erreichen* so offenbart sich dies unmittelbar in Form eines Stromes, der durch den Widerstand 31 sowie die Batterie gezogen wird. Dies erzeugt, wie sich versteht, einen Spannungsimpuls! über den Widerstand 31, welcher alsdann als Ausgang zwischen dem Anschlüssen 32, 33 gemäß Fig. 1 angezeigt werden kann. Es versteht sich, daß die einfache Ausgangsstufe einschließlich der Batterie 30 sowie des Widerstandes 31 lediglich beispielsweis-e zur Darstellung der Grundform einer Betriebsart der Anzeigesdgnale an dem Ausgang eingeführt ist. Es können auch kapazitiv gekoppelte Ausgangsstufen verwendet werden.
Es* wurde eine Anwendung auf ein Schieberegister beschrieben, weil dies ein Mittel zur einfachen und klaren Darstellung bietet und weil Schieberegister wichtige Bausteine darstellen, von d'eraen viele Formen von Logikbaueinheiten, Gedächtnissen und Verzögerungsbaueinheitera abzuleiten sind. Beispielsweise könnte am irgendeiner Zwischenstelle die Schieberegisterkette eingefügt sein, und es könnte eine Einkoppelung und Auskoppeining wunschgemäß für irgendwelche Anwendungsfälle frei Logik-Sichaltunigen' erzielt werden;
Das Schieberegister kann in einer Rückzirkulations-Betriebsart betrieben werden, entweder zur einfachen Steigerung der Speicherdauer (Verzögerung) oder zur Regenerierung des Signals zwecks Überdeckung von Störungen, Ladungsverlusten1 und anderen Formen einer Signalverschlechterung, indem einfach das Ausgangssignal mit der Eingangsstufe über eine entsprechend'e Regenti. er schaltung zur tick verbund ent wird.
Die Speicherung und Übertragung von Signalen durch die beschriebene Vorrichtung kann als ilpcinherung und ifeerbragung einer An-
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BAU ORIOfNAL
zahl (oder nichtvorliegenden) Anzahl) von Majoritätsträgern "betrachtet werden, die im Überschuß gegenüber einem einen stetigen Zustand darstellenden Mangelniveau in den P-leitenden Zonen vorliegen. In äquivalenter Weise kann dies als die Speicherung und Übertragung von Ladung (oder Spannung) auf dem parallelem Vereinigungen' von Paaren von Kapazitäten (C.) in Zuordnung zu den P-IT-Grenzflächen entsprechend jeder P-leitenden Zone und der Überlappungskapazität (C ) zwischen! den Tast-
OX
elektroden sowie dieser P-leitenden Zone betrachtet werden; Der Kapazitätswert jedes dieser parallelen Paare von Kapazitäten
(C. + C) ist mit "C" zum Zwecke der nachfolgendem Erläute-0 ox
rung bezeichnet.
Ein wichtiges zusätzliches Merkmal ist die Erkenntnis, daß die Ladungsübertragung der beschriebenen Art eine ladungsabhängige Übertragungsgeschwindigkeit umfaßt, was bedeutet, daß die Geschwindigkeit der Ladungsübertragung von der zu übertragenden Ladungsmenge abhängt. Folglich.wird zu jedem Zeitpunkt, wenn Ladung übertragen wird,, ein begrenzter Teil der Ladung hintanigestellt. Nachdem experimentell festgestellt und nachgewiesen wurde, daß diese unvollständige Ladungsübertragung eine Signalverzerrung hervorrufen und sich steigern kann, wurde das Problem unrtersucht. Es wurde erkannt, daß die Signalverschlechterung infolge unvollständiger Ladungsübertragung invers von der Menge der übertragenen Ladung abhängt. Zur Erzielung bester Ergebnisse des Schieberegisters sollte daher das durch das Regierter zu verschiebende Signal stets einem Gleichspannung-Hint ergrund überlagert werden, welcher ausreichend groß ist, um die Signalverschlechterung unter einen bestimmten Wert zu reduzieren.
Jedoch gibt es eine maximale zu übertragende Ladungsmenge für eine gegebene Größe von angelegten Zeitgeber-Impulsspannungen. Dies kann gezeigt werden, indem man sich überlegt, daß für die gewünschte auftretende Ladungsübertragung die übernehmende Zone gegenüber der übertragenden Zone über den ÜbertragungsVorgang hinweg negativ vorgespannt bleiben muß. Da die Ladung das Produkt aus Spannung und Kapazität ist, so kann die maximal zu übertragene Ladungsmenge nicht größer als die Kapasität (0)
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des parallelen Paares von Kapazitäten, in Zuordnung zu den Zonen multipliziert mit der Differenz zwischen der positivsten Zeiirge"bers5pannung sowie der negativsten Zeitgeberspannung sein· Wenn beispielsweise die Zeitgeberimpulse zwischen +V0 und -V-schwingen, so beträgt die Differenz zwischen dem positiven Zeitgeberimpuls sowie dem negativen Zeitgeberimpuls 2V0. Demgemäß muß die maximale Ladungsmenge, die übertragen werden könnte, geringer als 2CV0 sein* Praktisch muß die maximale ladung,' wie sich versteht, geringer als 2CV0 sein, da die übernehmende ZOne stets eine begrenzte negative Spannung gegenüber der abgebenden Zone aufrechterhalten muß, damit eine Ladungsübertragung stattfinden kann·»
Eine zusätzliche Beschränkung der zu übertragenen Maximalladung besrteht darin, daß die ^-leitenden Zonen an einer ■Vorwärtsvorspannung gegenüber dem Blockteil» 11, 12 gehindert werden sollten« Insbesondere für P-Kanal-Baueinheiten mit negativen Grenzwerten, wie in Fig. 1 veranschaulicht, ergibt dies eihe obere Begrenzung von C(Vq + Ym).
Ein· anderes wichtiges. Merkmal er bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beruht auf der Annahme, daß der optimale Betrieb der Baueinheit nach J?ig. 1 in gewissem Maß durch irgendwelche Oberflächenzustände begrenzt ist, welche an der Zwischenfläche zwischen) dem Dielektrikum 14 sowie denjenigen Abschnitten der N-leitendem Schicht 12 vorliegen, die sich zu der Oberfläche erstrecken. Eine Untersuchung zeigte, daß eine Signalverschlechterung infolge der Oberflächenzustände sich ebenfalls umgekehrt wie die übertragene Ladungsmenge ändert« wie dies für die Signalverschlechterung infolge unvollständiger Ladungsübertragung zutrifft. Daher sollte zur Erzielung bester Kennwerte der Baueinheit sowohl vom Gesichtspunkt der Qberflächenzustände als auch der unvollständigen Ladungsübertragung das durch das Schieberegister zu verschiebende Signal der maximalen Menge von Gleichstrom-Hintergrundladung überlagert werden, und zwar in Übereinstimmung mit den vorangehend erläuterten Begrenzungen· Auch in diesem Zusammenhang kann gezeigt werden, daß die durch, diese Oberflächenzustände hervorgerufene Signalversehlechterung direkt proportional zu der Steigerung des Verhältnisses
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A-/A vermindert Wird, wenn A0 der Bereich ist, um welchen die Tastelektrode die darunterliegende örtlich festgelegte Zone überlappt, und A der Bereich des .Kanals zwischen· den benach-
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barten örtlich festgelegten Zonen.
Praktisch ist es also günstig, allem Tastelektroden eine negative Gleichvorspannung zu überlagern und die Zeitgeberspannungen über und unter diese Gleichvorspannung schwingen zu lassen. Jedoch müssen die Zeitgeberspannungen gegenüber der negativen Gleichvorspannung eingestellt sein, um zu gewährleisten, daß die benachbarte Zonen verbindenden Kanäle wechselweise inwertiert und nicht invertiert werden, um wechselweise diese benachbarten Zonen zu koppeln und zu entkoppeln und damit eine Signalübertragung ins der falschen Richtung zu vermeiden. Dies verhindert, daß Elektronen in die Oberflächenzustände gezogen werden und reduziert die Anzahl von Löchern, die verloren sind (durch Rekombination), wenn sie sich durch den Kanal fortbewegenu
Fi e sich insbesondere aus Fig« 1 ergibt, liegt ein Signalgenerator 23 in Reihe mit einem Widerstand 24* Bs sei angenommen, daß der Anschluß 25 mit dem Eingangsanschluß 22 verbunden ist* Auch ist mit dem Anschluß 25 eine gestrichelt gezeichnete Sehaltungsbaueinheit 26 verbunden, welche die Menge von Gleichspamiungs-Hintergrundimpuls en steuern soll, die der P-leitemden Zone 20 zur Verfugung steht» Insbesondere wurde angenommen, daß der Signalgenerator einen niedrigen Serieninnenwiderstand aufweist, so daß, wenn immer der Zeitgeberimpuls φ ., sich auf dem negativsten Wert befindet (wodurch eine entsprechende negative ladung an der Zone- 17a sowie an dem Eingang der P-leitenden Zone induziert wird), ein Stromimpuls über den Widerstand 24 gezogen wird, selbst wenn kein Signal durch den Signalgenerator 23 erzeugt wurde.
Die innerhalb der gestrichelten Linienführung veranschaulichte Schaltungsbaueinheit 26 gemäß Fig. 1 umfaßt einen abgegriffenen Widerstand 27 in Reihe mit einer Batterie 28 von solcher Polung, daß Strom von einem Anschlußpunkt 25 auf Masse gezogen wird. Daraus ergibt sich, daß Ίΐβ Schaltung mit der Batterie 28 so-
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wie d!em abgegriffenen Widerstand '27 verwendet werden kann, um die Menge vom Gleichstroiaimpulsen zu reduzieren, welche durch den Signalgenerator gezogen wird, so daß die Menge von Hintergrunü-Gleichspannungsimpuls en, die an dem Eingang jedesmal bei negativem ψ^-Impuls zur Verfugung stehen, durch den Widerstand-24 in Verbindung mit der Schaltung 26 bestimmt wird. Anstelle der Verwendung der Schaltung 26 nach Pig. 1 könnte man wahlweise einfach den gestrichelt veranschaulichten Widerstand 35 zwischen der Leitung 16 und der Elektrode 19 nach Pig. 1 verwenden. Mit diesem gestrichelt gezeichneten Widerstand sowie unit er Berücksichtigung der Tatsache, daß bei negativem ψ ^ der Wert Yp'positiv ist, ergibt sich, daß ein positiver Impuls am der Eingangszone 20. immer dann zur Verfugung steht, wenn, die Elektrode 15a negativ ist, so daß ein HintergrundfGleich- ' spannungsimpuls stets von der Zone 20 zu der Zone 17a in jedem Zyklus des Zeit geber impuls es übertragen, würde. Die Abmessungen des Widerstandes 35 bestimmen die Größe der Hinter*- grund-Gleichspannungsimpulse, die für eine gegebene ^o*^811"" niung zur Verfügung stehen,
Pig. 3 zeigt eine weitere wahlweise Ausbildungsform der vorangehend beschriebenen Schaltung zur Erzielung einer Quelle für Hintergrund- und Signalimpulse für eine Zirkulation durch die Schaltung. Insbesondere zeigt Pig. 3 lediglich den äußerst linken Teil der monolithischen Baueinheit nach Pig. 1, wobei eine zusätzliche P-leitende Zone 40 gegenüber der Eingangszone 20 einen Abstand aufweist. Eine Elektrode 41 überdeckt die dielektrische Schicht über demjenigen Teil der N-leitenden Oberfläche, der zwischen der P-leitenden Zone 20 sowie der P-leitenden Zone 40 liegt, und ferner einem wesentlichem Teil der Zone 20. Ein Eingangsanschluß 42 ist mit der Elektrode 41 verbunden'.
Die ZOne 40 ist genügend breit, so daß sie einem Vorrat für löcher darstellt, was bedeutet, daß die Anzahl von Löchern, ' die durch den folgenden BetriebsVorgang abgezogen werden, kontinuierlich durch Erzeugung von Lochelektronempaaren ersetzbar ist, die durch Photonenabsorption oder thermische Erzeugung hervorgerufen werden,
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Eine Anzahl von Betriebsarten kann verwendet werden, wobei eine bevorzugte Betriebsart nachfolgend beschrieben ist. Um die Hintergrund» oder Signalimpulse in das Schieberegister zu injizieren» wird ein negativer Impuls von verhältnismäßig kurzer Bauer dem Anschluß 42 zu jeder Zeit zugeführt, wenn Cp1 sich auf dem negativsten Potential befindet. Der Impuls an dem Anschluß 42 induziert augenblicklich einen P-leitenden Kanal zwischen) den Zonen40, 20, durch welche eine Anzahl von Löchern (bestimmt durch die Impulsdauer) in die Zone 17a verlaufen. Wenni beispielsweise ein Hintcrgrund-impuls eine digitale "O" darstellt, so wird eine digitale "1" in das Register injiziert, indem einfach der an dem Anschluß 42 liegende Impuls von verhältnismäßig längerer Dauer so ausgebildet wird, daß eine größere Anzahl von Löchern aus dem Vorrat 40 gezogen wird.
Jede der verschiedenen beschriebenen wahlweisen Ausführungsformen kanni verwendet werden, um die Hintergrundladung zu erzeugen, wie durch das Register zu zirkulieren ist, und die Signalverschlechterung zu vermindern* V/ahlweise kann jedes der drei erläuterten Betriebsverfahren in Zusammenwirkung verwendet werden9 wenni dies gewünscht ist; es liegt auch im Erfintdungsgedanken, andere Betriebsverfahren zu wählen.
Die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind demzufolge die Ladungsübertragung von. einer P-leitenden Zone zu einer anderen Zone in Aufeinanderfolge sowie die Einführung von Hintergrund-G-leichspanntungsimpulsen zur Verminderung der Signalverschlechterung.
Das Schieberegister vermag beispielsweise auch in einer analogen Form anstatt in der vorangehend beschriebenen digitalen Form zu arbeiten» Beim analogen Betrieb würde man nicht einfach das Vorliegen oder JJichtvorliegen von Ladung übertragen, sondern die absolute übertragene Ladungsmenge wäre wesentlich.
Die Ladung braucht nicht in der Eingangszone 20 eingeführt werden, wie in Mg. 1 und 3 beschrieben wurde·, sondern ea kann auch eine Einführung parallel an jeder der P--leitenden Zonen erfolgen, beispielsweise durch Aufstrahlen von Licht; auf eine
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Baueinheit zur Erzeugung der Überschußlöcher an jeder P-leitenden Zone. Insbesondere könnte eine Anordnung von Baueinheiten gemäß Fig. 1, 2 als Festkörper-Bildaufnahmeröhre in an sich bekannter Weise verwendet werdenl Während jedodh die Ablesung der Signalinformationen bei der bekannten Bildaufnahmeröhre durch Abtastung der P-leitenden Zonen mit einem Elektronenstrahl erfolgt, wird die Ablesung von Signalen mit einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmeröhre elektronisch gesteuert* Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Schaltung bei Frequenzen bis zu 10 MHz und darüber betrieben werden. Da durchschndttlich eine Bildaufnahmeröhre -lediglich in Intervallen (als "Auffrischungs"-Geschwindigkeit bezeichnet) von 1/13 see (etwa alle 30 Millisekunden) abgelesen werden braucht, kann die Information in irgendeiner Reihe von Baueinheiten mit einer we- j sentlich schnelleren Geschwindigkeit als die Auffrischungsge- " schwindigkeit herausgeschoben werden» so daß eine fast augenblickliche Verschiebung den Bildherstellungsvorgang nicht wesentlich stört oder der Betrieb hierdurch gestört wird*
Ein wesentlicher Vorteil der I bindung liegt darin, daß die für die Baueinheiten beschriebenen Stoffe sur Verfügimg stehen und gut bekannt sind. Beispielsweise Itörmen die Baueinheiten1 unter Verwendung von Silizium als halbleitender Teil und Siliziumoxid als Dielektrikum nach gut bekannten Verfahren hergestellt werden. Vieltere Kombinationen von Isolatoren, beispielsweise Siliziumdioxid-Siliziumnitrid, Siliziumdioxid-Alumijumoxid usw. können in gewissen Fällen als Dielektrikums- M schicht besonders günstig sein. Die Elektroden können aus Gold, Kombinationen von Gold, Platin sowie Titan oder irgendwelchen anderen gewünschten leitenden Stoffen in irgendeiner typischen Dicke bestehen, beispielsweise von 0,1 bis einigen Mikron.
Die Abmessungen der verschiedenen Zonen, Elektroden usw. können sich in weitem Umfang gemäß bekannten Grundlagen ändern. Es wurden jedoch auch Gebilde hergestellt, bei denen die P-leitenden Zonen eine Breite von etwa 5 x 10 mm Breite aufwiesen und der Abstand zwischen den P-leitenden Zonen (den Kanälen) etwa 8 Mikron betrug] Dielektrische Dicken von etwa 1?00 Ä unter den Tastelektroden und von 8000 & über dem Rest
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der Oberfläche wurden verwendet. Die Zeitgeberleitungs-Verbindungswege sind über dem dickeren Dielektrikum angeordnet, um •die unerwünschte Kopplung zwischen diesen Wegen zu vermindern? die Halbleiteroberfläche ist von den Tastelektroden weg angeordnet. Die Elektroden wurden so hergestellt, daß das Verhältnis der Tastkapazität zu der Ablaufkapazität etwa 1/6 betrug. Der N-leitende Teil 12 gemäß ?ig, 1 könnte beispielsweise etwa 1 Ohm cm aufweisen; der N -»Blockteil 11 kann so hoch wie gewünscht dotiert werden, beispielsweise mit 0,01 Ohm cm.
Die Baueinheit nach Fig. 1 braucht nicht in einem Gebilde einschließlich einer N-leitenden Epitaxialschicht auf einer N+-Unterlage ausgebildet werden, sondern die P-leitenden Zonen können auf einer gleichförmig dotierten N-leitenden Unterlage ausgebildet sein. Die Einfügung der N+-Unterlage dient jedoch zur Verminderung der Widerstands-Zwischenwirkungen zwischen den P-leitenden Zonen bei den höheren Signalfrequenzen und verbessert daher den Wirkungsgrad der Baueinheit*
Obgleich Silizium als ein möglicher und für die Erfindung geeigneter Halbleiter angegeben wurde, ist der Erfindungsgedanke nicht auf die Verwendung von Silizium und dessen zugeordnete Technologie beschränkt. Vielmehr können andere Halbleiter verwendet werden.
Obgleich ein N-leitender Blocktoil sowie P-leitende örtlich festgelegte Zonen beschrieben wurden, kann auch genausogut ein P-leitender Blockteil nebst einer örtlich festgelegten N"-leitenden Zone verwendet werden.

Claims (13)

  1. Ansprüche
    Γ\J Halbleiterbaueinheit zur aufeinanderfolgenden Ladungsübertragung mit einem Halbleiterwafer einschließlich eines Blockteils von einem ersten Leitfähigkeitstyp, sowie mehreren im Abstand örtlich festgelegten Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in einer Anordnung neben einer Fläche einer entsprechenden Gruppe von PN-Grenzflachen, die auf diese Weise mit
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    dem Blockteil gebildet werden, einer dielektrischen· Schicht ütrer der Oberfläche, so daß die Gruppe von Zonen hierbei überdeckt wird, und einer Gruppe örtlich festgelegter leitender Elektroden über der dielektrischen Schicht sowie in Ausrichtung mit der Gruppe von Zonen, wobei je eine Elektrode je einei* Zone zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der leitenden Elektroden; vermöge ents'prechender Beschränkung der seitlichen Ausdehnung sich lediglich über im wesentlichen den gesamten Zwischenraum zwischen einem Paar von Zonen sowie über einen Teil einer Zone des Paares Von Zonen erstreckt, daß die Kapazität zwisc-hen der leitenden Elektrode sowie der einen Zone vermöge genügender Größe des letzterwähnten Teiles wesentlich größer als die Kapazität zwischen der leitenden Elektrode t sowie der anderen Zone des Paares von Zonen ist, daß eine Zweiphasenschaltung zur wechselnden Anlegung eines Paares von S.pannungeni an jede zweite der. leitenden Elektroden vorgesehen ist und daß Eingabeelemente vorgesehen sind, um Informationen darstellende elektronische Signale in zumindest eine der Zonen einzuspeisen, wobei die Eingabeelemente zugehörige Elemente zur Einführung eines festgelegten Untergrundimpulses während jedes Zyklus der Zweiphasenschaltung umfassen.
  2. 2. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonem (17, 18) gleiche Abstände aufweisen und der Abstand zwischen irgendeinem Paar von nächsten Zonen gleich dem Abstand zwischen irgendeinem anderen Paar von nächsten Zonen ist,
  3. 3. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen1 und Elektroden in Aufeinanderfolge längs einer Linie angeordnet sind.
  4. 4. Baueinheit nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen ersten leitenden Weg (151) sowie einen zweiten leitenden Weg (16*), wobei jede zweite Elektrode mit dem ersten leitenden Weg und die verbleibenden Elektroden nit dem zweiten leitenden Weg verbunden! sind.
  5. 5. Baueinheit nach Anspruch 4-, gekennzeichnet durch ein zweiphasiges Schaltungselement (29) zur wechselnden1 Aufgabe eines
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    Paares von Spannungen auf den ersten und zweiten leitenden Weg, wobei eine Spannung des Paares von Spannungen ausreichend groß und die andere Spannung nicht ausreichend groß sind, um eine Invertierung der Teile des ersten Leitfähigkeitstyps unterhalb der Elektroden, an welche die Ankopplung erfolgt, auf den zweiten; Leitfähigkeitstyp zu erzielen, so daß Informationssignale in Form variabler Fehlstellen von Majoritätsträgern zeitweilig in jeder Zone gespeichert und aufeinanderfolgend von jeder Zone zn der nächsten folgenden Zone in der Reihe übertragen werden»
  6. 6 j Baueinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite leitende Weg einen dielektrischen Teil von im wesentlichen größerer Dicke als die dielektrische Schicht unter den Elektroden überdeckt.
  7. 7. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen jeder leitenden Elektrode sowie der einen* Zone zumindest die 6-fache Größe wie die Kapazität zwischen der leitenden Elektrode sowie dem Material vom einen Leitfähigkeitstyp in dem Zwischenraum zwischen dem Zonenpaar aufweist.
  8. 8. Baueinheit nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Eingabeelement (22) zur Einführung eine Information darstellender elektronischer Signale in zumindest eine der Zonen.
  9. 9. Baueinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende in dem Eingabeelement enthaltene Elemente: Eine andere Zone (20) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp im Abstand von einer der Gruppe von Zonen, wobei die Elektrode, welche die letzterwähnte Zone überlappt, auch den Zwischenraum zwischen der anderen Zone und der letzterwähnten einen Zone überdeckt, eine einen ohmschen Kontakt mit der anderen Zone bildende leitende Elektrode und einen Widerstand (35) zur Herstellung einer Verbindung zwischen der letzterwähnten leitenden Elektrode und dem zweiten leitendem Weg (16·), so daß ein Hinfcergrundimpuls während jedes Zyklus des zweiphasigen Schaltungelementes in die andere Zone eingeführt wird.
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  10. 10. Baueinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendein dem Eingabeelement enthaltene Elemente: Eine erste Zone (20) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp im Abstand von einer aus der Gruppe von Zonen» wobei die Elektrode, welche die letzterwähnte eine Zone überlappt, auch den Zwischenraum zwischen der ersten Zone sowie der letzterwähnten einen Zone überdeckt, eine zweite Zone (40) von entgegengesetztem Xeitfahigkeitstyp im Abstand von der ersten Zone, ein die erste Zone, die zweite Zone sowie den dazwischenliegenden Raum überdeckendes Dielektrikum und eine einen Teil des letzterwähnten Dielektrikums überdeckende Elektrode (41), wobei die letzterwähnte Elektrode in ihrer seitlichen Ausdehnung so begrenzt ist, daß sie sich über im wesentlichen den gesariten Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Zone sowie über einen wesentlichen Teil der ersten Zone erstreckt und die Kapazität zwischen der letzterwähnten Elektrode sowie der ersten Zone im wesentlichen größer als die Kapazität zwischen der letzterwähnten Elektrode und der zweiten Zone ist.
  11. 11. Baueinheit nach Anspruch 10ρ dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (40) im wesentlichen größer als die erste Zone ist. .
  12. 12. Baueinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone ausreichend groß ist, um einen Vorrat an Majoritätsträgern zu bilden,
  13. 13. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Paar nächstgelegenGr Z'onen (beispielsweise 17a, 18a) die Quelle und den Ablauf eines Feldeffekttransistors umfaßt und daß gewisse Elektroden (15» 16) als Tastelektroden vorgesehen sind;
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