DE2107110B2 - Ladungsübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

werden.
4 Ladungsübertragungsvorrichtung nach einem

der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Galliumarsenid besteht.

5. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Minoritätsladungsträgern, die einen pn-übergang (117 a, 118 α...) umfaßt.

6. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Minoritätsladungsträgern, die eine Lichtquelle umfaßt.

7. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Wiedergabeeinrichtung (140) zur dauernden Wiedergabe von Eingangsinformationssignalen in» Sinne eines Kreisbetriebes, wozu die Eingangsinformationssignale periodisch einer Eingangsstufe wieder zugeführt werden.

8. Ladungsübertragungsvorrichiung nach Anspruca 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in Form von Gruppen aus jeweils einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Elektroden auf der Isolierschicht angebracht sind, wobei jede Elektrodengruppe eine Bildzeile eines Fernsehrasters darstellt und einen Übertragungsweg längs der darunterliegenden Oberfläche des Halbleiterkörper* bildet, daß eine zusätzliche Vorspannungsquelle vorgesehen ist und daß die Einrichtung zum gleichzeitigen Abschalten der Vorspannung derart ausgebildet ist, daß die Vorspannung von jeder, jedoch nicht notwendigerweise von allen Elektrodengruppen gleichzeitig abschaltbar ist, wodurch bei der dabei erfolgenden Rekombination der Minoritätsladungsträger ein Fernsehausgangssignal an jeder Elektrodengruppe erzeugt wird.

9. Bildwiedergabevorrichtung unter Verwendung der Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Photokathode (152), einen Leuchtbildschirm (151), eine Einrichtung (154) zur Abbildung des Ausgangssignals der Ladungsübertragungsvorrichtung (153) auf der Photokathode (152) und eine Einrichtung zur Abbildung des Ausgangssignals der Photokathode (152) auf dem Leuchtbildschirm (151).

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsübertragungsvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art und auf eine Bildwiedergabevorrichtung unter Verwendung einer solchen Ladungsübertragungsvorrichtung. Es sind Halbleitervorrichtungen bekannt (NL-OS 6 805 706), die aus einer Kette von bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, wobei die Drainelektrode jedes Transistors mit der Sourcselektrode des nächstfolgenden Transistors 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 Steuereir.gänge der Halbleitervorrichtung gebildet werden, die über jeweils eine Taktleitung mit gegenphasigen Taktsignalen bzw. Taktspannungen beaufschlagt werden. Wird der Halbleitervorrichtung ein Eingangs- bzw. Iniermationssignal in Form von Ladungen zugeführt, so werden diese Ladungen bei jedem Takt von Kondensator zu Kondensator weitergeschoben und dabei kurzzeitig gespeichert. Infolge dieser Funktionsweise werden die erwähnten Halbleitervorrichtungen als »Eimerkettenschaltungen« bezeichnet.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, Eimerkettenschaltungen aus diskreten Elementen aufzubauen, habeii diese eine praktische Bedeutung nur in Form von integrierten Schaltkreisen erlangt. Hie^u wird in die Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine Vielzahl von Source- und Drainelektroden eindiffundiert und die dazwischenliegenden, undiffundierten Oberflächenbereiche (Gate^onen) des Substrates mit Anschlußelektroden versehen. Zur Schaffung der Kondensatoren werden die Gateelektroden zu jeweils einer diffundierten Zone hin verlängert, so daß die Überlappungskapazität zwischen jeder diffundierten Zone und dem darunterliegenden Teil der betreffenden Gateelektrode den gewünschten Kondensator bildet.

Neben den Eimerkcttenschaltungen gibt ls integrierte Halbleitervorrichtungen (prioritätsgleiche DT-OS 2 107 022), h<*i denen ein Eingangssignal in Form von beweglichen Raumladungen in Potentialminima (»Potentialmulden«) des Oberflächenpotentials eines Halbleitersubstrates gespeichert und durch Verschieben der Potentialmulden längs der Substratoberfläche übertragen wird. Zur Erzeugung der Potentialmulden ist die Substratoberfläche mit einer Vielzahl von hintereinanderliegenden Elektroden versehen, von denen jede dritte Elektrode parallel geschaltet ist, so daß drei verschiedene Steuereingänge der Halbleitervorrichtung gebildet werden, die über jeweils eine Taktleitung mit einer Phasenspannung einer 3-phasigen Taktspannung beaufschlagt werden. Eine 3 phasige Taktspannung ist erforderlich, um eine definierte Übertragungsrichtung für das Eingangssignal zu schaffen. Es ist aber auch möglich (priorilätsgleiche DT-OS 2 107 037), in ähnlicher Weise wie bei den Eimerkettenschaltungen nur Zweitaktleitungen bzw. gegenphasige Spannungen vorzusehen, wenn beispielsweise durch eine Abstufung der Dicke jeder Anschlußelektrode die Potentialmulden asymmetrisch geformt werden. Die Halbleitervorrichtungen des letztgenannten Typs werden als »ladungsgekoppelte Schaltungen« bezeichnet, die mit den Eimerkettenschaltungen unter dem Oberbegriff der »Ladungsübertragungsvorrichtungen« zusammengefaßt werden. Die ladungsgekoppelten Schaltungen können unter anderem zur Bildaufzeichnung verwendet werden, indem das Halbleitersubstrat mit Licht beaufschlagt wird.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ladungsübertragungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art zur Verwendung in Bildwiedergabeeinrichtungen auszubilden.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Ladungsübertragungsvorrichtung nach Patentanspruch 1 sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet.

Durch die Verwendung eines Substrates mit lumineszenten Eigenschaften können Bildwiedergabegeräte, insbesondere Fernsehröhren hergestellt werden, bei denen eine gegenüber herkömmlichen Fernsehiöhren erforderliche Bildwiedergabe mittels Elektronenstrahls entbehrlich ist Durch den dadurch bedingten Wegfall des Elektronenstrahlsystems können die Bildwiedergabevorrichtungen sehr flach ausgebildet sein.

Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung zur Bildwiedergabe in Form einer ladungsgekoppelten Schaltung;

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung zur Bildwiedergabe in Form einer Eimerkettenschaltung:

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung zum Kreisbetrieb von Fernsehinformationssignalen zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und
F i g. 4 eine Bildwiedergabevorrichtung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung nach F i g. 1 oder 2.

In Fig. 1 ist der Eingangsteil einer erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung in Form einer ladungsgekoppelten Schaltung dargestellt. Die Ladungsübertragungsvorrichtung besteht aus einem Halbleiterkörper 100, auf dem eine Isolierschicht 101 niedergeschlagen ist. Auf der. Isolierschicht 101 ist eine Folge von hintereinander angeordneten Elektroden 102 a, 103ö und 104 a angebracht, die über Taktleitungen 102', 103' bzw. 104' und einen Schalter 107 mit einer nicht dargestellten, 3-phasigen Taktimpulsquelle sowie einer Vorspannungsquelle 108 verbunden sind. Die Vorspannungsquelle 108 sorgt für eine gleichbleibende Verarmungsschicht unter den Elektroden, wodurch spontane Rekombinationen der in dem Halbleiterkörper 100 übertragenen Minoritätsladungsträger während des Einschreibens verhindert werden. Eine weitere, den Eingang des HaIbleiterkörpers 100 bildende Elektrode 105 wird mit dem aufzuzeichnenden Videosignal beaufschlagt.

Erfindungsgemäß besteht der Halbleiterkörper 100 aus elektrolumineszentem Material. Bei Verwendung von Elektrolumineszenzmaterial, wie Galliumarsenid, dessen Emission im nicht sichtbaren Spektralbereich liegt, kann auf dem Halbleiterkörper 100 eine Bildwandlerschicht 106 aufgebiacht werden. Zur Wiedergabe eines Fernsehbildes wird das Videosignal in die Eingangsstufe eingelesen und durch sequentielle Beaufschlagung der Elektroden 102 a bis 104 a mit den

3-phasigen Impulsen der Taktimpulsquelle schrittweise längs der sich unterhalb den Elektroden ausbildenden Speicherstellen übertragen. Sobald die dem Videosignal entsprechende Minoritätsladungsträgermenge in den gewünschten Speicherplatz unterhalb

einer der Elektroden (im dargestellten Beispielsfalle die Elektrode 104«) übertragen ist, kann das Auslesen beginnen. Hierzu ist eine Ausgangsstufe nicht erforderlich; vielmehr braucht lediglich der Schalter

107 geöffnet zu werden, wodurch die gespeicherten Minoritätsladungsträger mit Majoritätsladungsträgern aus dem Halbleiterkörper 100 unter Aussendung von Licht rekombinieren. Das ausgesendete Licht weist über die Fläche des Halbleiterkörpers hinweg eine örtliche Intensität auf, die der örtlich vorhandenen Minoritätsladungsträgermenge entspricht.

Jede Folge von Elektroden 102 a bis 104 a stellt eine Bildzeile eines Fernsehrasters dar. welche in der vorstehenden Weise eingelesen und ausgelesen wird. Das Fernsehbild entsteht dabei durch sequentielles Auslesen von aufeinanderfolgenden Bildzeilen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ladungsübertragungsvorrichtung zur Bildwiedergabe ist in F i g. 2 dargestellt. Die gezeigte Ladungsübertragungsvorrichtung entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau einer ladungsgekoppelten Schaltung, wie sie in der eingangs bereits erwähnten NL-OS 6 805 706 beschrieben ist. Die Ladungsübertragungsvorrichtung 110 umfaßt einen Halbleiterkörper 112 eines ersten Leitungstyps (im dargestellten Beispielsfalle N-Leitung), in dessen Oberfläche eine Vielzahl von örtlich festgelegten Zonen 117 a bis 117 η und 118 a bis 118 η des entgegengesetzten Leitungstyps (im betrachteten Beispielsfalle P-Leitung) eindiffundiert sind. Auf dem Halbleiterkörper ist eine Isolierschicht

114 niedergeschlagen, auf dem wiederum eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Elektroden

115 α bis 115 η und 116 α bis 116 η in der eingangs bereits erwähnten Ausrichtung zu den P-leitenden Zonen angebracht sind. Jede zweite Elektrode ist mit einer gemeinsamen Taktleitung 115' bzw. 116' verbunden, z. B. die Elektroden 115 a bis 115 η mit der Taktleitung 115'. Abweichend hiervon ist die erste, eine Eingangsstufe darstellende Zone 120 über die Elektrode 119 mit einer Eingangsklemme 122 verbunden.

Wie ohne weiteres erkennbar ist, können jeweils zwei benachbarte Zonen, beispielsweise die Zonen 120 und 117a, 118a und 1176 usw., als Source- und Drainbereich eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate (IGFET = Isolated Gate Field Effect-Transistor) betrachtet werden. Dementsprechend stellen die Elektroden 115 a bis 115« und 116 a bis

116 η jeweils eine Gateelektrode eines derartigen Feldeffekttransistors dar, während die Bereiche des Halbleiterkörpers zwischen jeweils einer Source- und Drainzone als Leitungskanal des Feldeffekttransistors anzusehen sind.

Im Betrieb werden über eine Taktimpulsquelle 129 2-phasige Taktimpulse Φ, und Φ₂ an die Taktleitungen 115' und 116' angelegt. Hierdurch werden die Elektroden abwechselnd positiv und negativ vorgespannt, wodurch sich in den Bereichen des Halbleiterkörpers 112 unter der jeweils negativ vorgespannten Elektrode ein P-leitender Kanal ausbildet, über den die gespeicherten, eine Information darstellenden Ladungsträger weiter geschoben werden können. Im einzelnen ist die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig.2 in der bereits erwähnten NL-OS 6 80S 706 beschrieben und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Der Halbleiterkörper 112 ist zur Festlegung des Bezugspotentials (im dargestellten Beispielsfalle Erdpotential) an seiner der Zonen 117,118 abgewandten Oberfäche mit einer lichtdurchlässigen Elektrode 113 beschichtet. Falls die N+-Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers 112 genügend hoch ist, kann die Elektrode 113 auch weggelassen werden.

Die Elektroden 115, 116 bilden in gleicher Weise wie die Elektroden 112 α bis 104 α gemäß F i g. 1 eine Bildzeile eines Fernsehrasters. Die Videosignale für die betreffende Bildzeile werden über die Eingangsklemme 122 und die Elektrode 119 in die P-leitende Zone 120 eingelesen und von dort sequentiell zu den nachfolgenden Zonen 117, 118 übertragen.

ίο Sobald die das Videosignal darstellenden Ladungsträger in der gewünschten Zone gespeichert sind, kann das Auslesen der Bildzeile beginnen. Hierzu werden sämtliche Elektroden 115, 116 von einer Vorspannungsquelle 134 mit einem positiven Impuls beaufschlagt, wodurch die einzelnen Feldeffekttransistoren stromleitend werden und die in der gewünschten Zone gespeicherten Minoritätsladungsträger in den Halbleiterkörper 112 injiziert werden. Hier rekombinieren sie unter Aussendung von Licht mit den vorhandenen Majoritätsladungsträgern. Der Halbleiterkörper 112 sollte zur Erzielung eines optimalen Licht-Ausgangssignals sowie zur Vermeidung von Auflösungsverlusten durch innere Reflektionen verhältnismäßig dünn sein. Es hat sich gezeigt, daß eir·^

Dicke des Halbleiterkörpiirs von weniger als 40 (im, vorzugsweise weniger als 20 μιη, günstig ist.

In manchen Anwendungsfällen ist die durch die Ladungsübertragungsvorrichtungen nach Fig. 1 und 2 erzielte Lichtintensität nicht ausreichend. Zur Verbesserung der Lichtintensität bzw. Bildhelligkeit kann die Schaltungsanordnung nach F i g. 3 verwendet werden. Die aufzuzeichnenden Videosignale werden bei der dort dargestellten Schaltungsanordnung zunächst einem Regenerierspeicher 140 zugeführt,

welcher einen Teil der die Bildzeile darstellenden Information der Bildwiedexgabevorrichtung 141 zuführt, während der andere Teil der Information erneut dem Speichereingang zugeführt wird. Beim Einschreiben der nächstfolgenden Bildzeile wird dieser

rückgeführte Informationsteil der Bildwiedergabevorrichtung 141 zugeführt und dabei aus dem Regenerierspeicher 140 ausgespeichert. Die Zeilenwiederholungsfrequenz des Fernsehbildes entspricht dabei dem Produkt aus der Bildaufzeichnungszeit

und der Anzahl der Bildzeilen. Bei bekannten Bildwiedergabesystemen ist dagegen die Zeilenwiederholungsfrequenz gleich der Bildaufzeichnungszeit, wodurch bei der Schaltung nach Fig.3 die zur Aufzeichnung eines Bildes erzeugte Lichtmenge um

einen Faktor gleich der Anzahl der Bildzeilen größei ist als bei den bekannten Wiedergabevorrichtungen Ferner kann die Bildfrequenz oberhalb der Flimmerfrequenz eingestellt werden. Durch Ausdehnung dei Bildaufzeichnungszeit kann die erforderliche Übertragungsbandbreite verringert werden. Die Nachleuchtdauer der bei der Schaltung nach F i g. 3 verwendeten Leuchtbildschirme kann gegenüber sonsi verwendeten Leuchtbildschirmen verringert werden so daß eine hohe Bildfolge möglich ist

Da die Abmessungen der Bildwiedergabevorrichtungen duTch die Kosten für den Halbleiterköroei begrenzt sind, ist es günstig, Bildwiedergabevorrich tungen ohne Direktbetrachtung des Halbleiterkörper! vorzusehen. Eine derartige Bildwiedeigabevorrich-

tung zeigt Fig.4. Der dort dargestellte Kolben 15( einer Vakuumröhre enthält einen herkömmlicher Leuchtbildschirm 151. Die Elektronenquelle ist ein« Photokathode 152, deren Elektronenverteilup-i mit

tels nicht dargestellter Fokussierungselemente auf dem Leuchtbildschirm 151 abgebildet wird. Die Photokathode 152 wird zusammen mit der Ladungsübertragungsvorrichtung 153 betrieben, welche eine Ausführungsform nach F i g. 1 oder 2 sein kann. Das Licht-Ausgangssignal der Vorrichtung 153 wird auf der Photokathode 152 mit Hilfe eines Linsensystems 154 abgebildet. Bei dieser Ausführungsform braucht das von der Vorrichtung 153 emittierte Licht nicht im sichtbaren Spektralbereich zu liegen, was beispielsweise bei der Verwendung von Galliumarsenid als Werkstoff für den Halbleiterkörper der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtungen der Fall ist. Im Vergleich zu den bekannten Fernsehbildröhren vermeidet die in F i g. 4 dargestellte Wiedergabevorrichtung ein aufwendiges Elektronenstrahl-Abtastsystem, wodurch neben einer Verringerung der Herstellungskosten auch eine bessere BiId-

auflösung infolge geringerer momentaner Stromdichten ermöglicht ist.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtungen erforderlichen

Halbleiterwerkstoffe sind aus der Technologie der Elektrolumineszenzdioden bekannt. Ein bevorzugter Werkstoff ist Galliumarsenid auf Grund seines hohen Wirkungsgrades. Für die Isolierschicht kommen Siliziumdioxid oder Kombinationen von Siliziumdioxid

ίο mit Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid in Betracht. Als Elektrodenwerkstoff können Gold, Aluminium oder dotiertes Silizium Anwendung finden. Eine hergestellte Ladungsübertragungsvorrichtung nach dei Erfindung enthielt ein Halbleiterkörper aus Galliumarsenid und eine Isolierschicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke zwischen 1000 und 2000 A. Die aus Gold hergestellten Elektroden wiesen eine Dicke zwischen 0,1 bis einige μπι auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 409 586/2

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ladungsübertragungs vorrichtung mit einem halbierenden Ladungsspeichermedium, das einen S Bereich zum Einbringen einer steuerbaren Menge von Ladungsträgern eines vorgegebenen Leitungstyps in das Ladungsspeichermedium aufweist, wobei auf dem Ladungsspeichermedium eine Isolierschicht und auf dieser eine Anzahl von Elektroden angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsspeicherniedium zur Wiedergabe eines Lichtbildes mit lumineszenten Eigenschaften versehen ist, daß die Ladungsträger gemäß einem dem Licht- »5 bild entsprechenden Ladungsmuster speicherbar sind und daß eine Einrichtung (107, 134) zur Herbeiführung einer gleichzeitigen Kombination der gespeicherten Ladungsträger mit Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitungstyps unter ao Aussendung des dem gespeicherten Ladungsmuster entsprechenden Lichtbildes vorgesehen ist.

2. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1. wobei das Ladungsspeichermedium einen Halbleiterkörper umfaßt, der zumindest teilweise mit einer dünnen Isolierschicht bedeckt ist, auf deren Oberfläche die Elektroden angeordnet sind, und wobei die Übertragung der am Eingang des Ladungsspeichermediums erzeugten Minoritätsladungsträger in der Weise erfolgt, daß sich bei sequentieller Spannungsbeaufschlagung der Elektroden unterhalb der Elektroden Verarmungsbereiche ausbilden, dadurch gekennzeich net, daß der Halbleiterkörper (100) elektroluminiszentes Material enhält und daß eine Hinrichtung (107) zur gleichzeitigen Abschaltung der Spannung von allen Elektroden vorgesehen ist, wobei durch den dabei erfolgenden Zusammenbruch der Verarmungsbereiche die Kombination der in den Verarmungsbereichen gespeicherten Ladungsträger mit Majoritätsträgern unter Aussendung eines Ausgangssignals in Form von Licht erfolgt.

3. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Ladungsspeichermedium eine Halbleiterscheibe aufweist, welche einen blockförmigen Teil des einen Leitungstyps sowie eine Vielzahl von örtlich getrennten und entsprechend viele pn-Übergänge bildenden Pereichen des entgegengesetzten Leitungstyps enthält, bei der ferner auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe eine dielektrische Schicht aufgebracht ist und jedem pn-übergang eine Elektrode zugeordnet ist und bei der die Elektroden abwechselnd mit jeweils einer von zwei Anschlußleitungen verbunden sind, die an eine zweiphasige Quelle zur abwechselnden Spannungsbeaufschlagung der Elektroden angeschlossen sind, wobei durch die abwechselnde Spannungsbcaufschlagung der Elektroden eine Umkehr des Leitungstyps der Minoritätsladungsträger unterhalb der Elektroden und damit eine sequentielle Übertragung der an der ersten Elektrode erzeugten Ladungsträger zwischen den pn-Übergängen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsspeichemiedium eine elektroluminiszente Halbleiterscheibe ist und daß eine Einrichtung (134) zur gleichzeitigen Beaufschlagung der Anschlußleitungen mit einer Lesespannung vorgesehen ist, wodurch alle pn-Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespanm und die übertragenen Ladungsträger in der blockförmigen Teil der Halbleiterscheibe zur Rekombination und Elektroluminiszenz injizier!