DE2201150B2

DE2201150B2 -

Info

Publication number: DE2201150B2
Application number: DE2201150A
Authority: DE
Inventors: Walter Frank Skillman N.J. Kosonocky (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-01-14
Filing date: 1972-01-11
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB1377126A; GB1377127A; DE2201150A1; GB1377125A; GB1377129A; NL182520C; GB1377121A; NL182520B; FR2121870A1; US3760202A; GB1377123A; GB1377128A; US3758794A; DE2201150C3; GB1377124A; AU461729B2; AU3757872A; FR2121870B1; NL7200519A; GB1377122A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ladungsgekoppelte Schaltungsanordnungen gemäß Oberbegriff der Nebenansprüche 1,6,11,16,19 und 26 sowie auf ein Verfanren zur Fortleitung einer Ladung mit hoher Geschwindigkeit gemäß Oberbegriff des PA 25. Solche Halbleiterschaltungen eignen sich besonders für Serienregister.

Ladungsgekoppelte Halbleiterschaltungen der genannten Gattung sind bekannt, z. B. aus einem Aufsatz von M. F.To m ρ s e 11 u. a. »Charge Coupled 8-Bit Shift Register«, der in der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Band 17, Nr. 3 (August 1970), Seiten 1 Π ff veröffentlicht ist. Hierbei werden Ladungen in an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers erzeugten Potentialgruben gespeichert und mit Hilfe von angelegten Spannungen entlang dieser Oberfläche transportiert Bei diesen Ladungen handelt es sich um Minoritätsträger, die an den Grenzflächen zwischen dem Substrat (Silizium) und der Isolierschicht (Siliziumdioxid) von MOS-Kondensatoren gespeichert sind. Sie werden durch Beeinflussung der Spannungen an den Kondensatoren von Kondensator zu Kondensator auf demselben Substrat oder Halbleiterkörper übertragen.

Bei den bekannten Ausführungsformen ladungsgekoppelter Halbleiterschaltungen erfolgt die Eingabe von Ladungssignalen mit Hilfe einer im Substrat gebildeten Ladungsträgerquelle, die aus einem Gebiet eines dem Substrat entgegengesetzten Leitungstyps besteht und auf derselben Vorspannung wie das Substrat liegt. Zwischen der Ladungsträgerquelle und der ersten Speicherelektrode der ladungsgekoppelten Schaltung befindet sich eine gegenüber dem Substrat isolierte Steuerelektrode, die durch eine Steuerspannung so beaufschlagt werden kann, daß unter ihr ein von der Ladungsträgerquelle zur Potentialgrube unter der ersten Speicherelektrode führender leitender Kanal entsteht um Ladungsträger aus der Quelle in diese Potentialgrube fließen zu lassen. Zur Weitergabe der Ladungssignale werden die nachfolgenden Speicherelektroden durch mehrphasige Taktspannungen derart gestaffelt angesteuert daß längs der Schaltung nacheinander Potentialgruben erscheinen und wieder verschwinden, wobei die Ladung einer verschwindenden Potentialgrube jeweils von der folgenden erscheinenden Potentialgrube übernommen wird. Zum Ausgeben des Ladungssignals aus der Schaltung ist am Ende wiederum ein Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps und einer solchen Vorspannung vorgesehen, daß es als Abfluß oder »Drain« für die Ladungsträger wirkt Eine besondere Steuerelektrode dient zur Übertragung der unter der letzten Speicherelektrode gespeicherten Ladung in dieses Abflußgebiet Die abfließende Ladung wird gefühlt und das Fühlsignal stellt die Ausgangsgrö-

ße dar. Diese Ausgangsgröße kann entweder als Ausgangssignal verarbeitet werden oder aber als regeneriertes Signal einer nächsten ladungsgekoppelten Halbleiterschaltung eingegeben werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten ladungsgekoppelten Halbleiterschaltungen derart zu verbessern, daß stets eine eindeutige Zuordnung der übertragenen Ladungsmengen zu bestimmten Signalwerten möglich ist. Die zur Lösung dieser Aufgabe erforderlichen Maßnahmen hängen natürlich ab von der jeweiligen Anwendungs- oder Betriebsart der ladungsgekoppelten Schaltungen und beziehen sich zunächst einmal auf die Signaleingabe an der Eingangsseite der Schaltung, bei mehrstufigen Schaltungen natürlich auch auf die Signalweitergabe von Stufe zu Stufe, bei Kettenschaitungen mehrerer mehrstufiger Schaltungen auf die Signalübertragung von einem Kettenglied zum nächsten bzw. auf die Signalausgabe.

Um die gestellte Aufgabe bei der Signaleingabe zu lösen, wird eine ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher beschriebenen Gattung erfindungsgemäß so ausgebildet, wie es im Kennzeichnungsteil dieses Anspruchs angegeben ist. Der erfindungsgemäß ausgebildete Eingangsteil der ladungsgekoppelten Schaltung unterscheidet sich von dem oben erwähnten Stand der Technik im Prinzip dadurch, daß die Ladungsträgerquelle nicht unverändert auf einem dem Substrat gleichen Potential liegt, sondern eine wechselnde Spannung empfängt, deren Änderungen sowohl zeitlich als auch amplitudenmäßig in bestimmter Weise gegenüber der Steuerspannung abgestimmt sind, die an die vor der ersten Speicherelektrode liegende Steuerelektrode gelegt wird. Hiermit wird im Gegensatz zum Stand der Technik erreicht, daß die Potentialgrube unterhalb der ersten Speicherelektrode mit einer sehr genau kontrollierbaren Ladungsmenge gefüllt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des sich auf die Signaleingabe beziehenden Teils der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet.

Die Patentansprüche 6 bis 31 offenbaren Maßnahmen, wie die gestellte Aufgabe bei der Signalweitergabe innerhalb ladungsgekoppelter Schaltungen, bei der Signalübertragung von einer ladungsgekoppelten Schaltung zur anderen und bei der Signalausgabe aus einer ladungsgekoppelten Schaltung erfindungsgemäß gelöst wird. Diese Maßnahmen sowie der sich auf die Signaleingabe beziehende Teil der Erfindung werden nachstehend an Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein teilweise in Blockform und teilweise im Querschnitt dargestelltes Schema eines Teils einer Halbleiterschaltung,

Fig.2 und 3 Blockschaltschemata verschiedener Ausführungsformen der Halbleiterschaltung,

Fig.4 eine Querschnittsdarstellung des Eingangsendes eines Schieberegisters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, '. ■

Fig.5 ein Diagramm, das in der Schaltung nach F ig. 4 auftretende Signalformeh wiedergibt,

Fi g. 6a bis 6e Darstellungen der Potentialwannen, die bei Anlegen verschiedener Spannungen an die Schaltung nach F i g. 4gebildet werden,

Fig.7 eine schematische Querschnittsdarstellung einer anderen Form des Eingangsendes der Schaltung,

Fig.8 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung nach F i g. 7 auftretende Signalformen wiedergibt.

Fig. 9 eine realistischere Querschnittsdarstellung eines Teils eines Schieberegisters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Querschnittsdarstellung ■) einer anderen Ausführungsform eines Schieberegisters,

F i g. 11 eine realistischere Querschnittsdarstellung der Ausführungsform nach F i g. 10,

Fig. 12 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform eines Schieberegisters,
ίο Fig. 13 die Wirkungsweise der Schaltungen nach F i g. 9 bis 12 erläuternde Diagramme, die Signalformen sowie Potentialwannen wiedergeben,

Fig. 14 eine teilweise schematische Grundrißdarstellung einer zweidimensionalen Schieberegisteranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15 und 16 Querschnittsdarstellungen entlang den Schnittlinien 15-15bzw. 16-16 in Fig. 14,

Fig. 17 eine teilweise schematische Grundrißdarstellung einer anderen Ausführungsform einer zweidimensionalen Schieberegisteranordnung,

Fig. 18 und 19 Querschnittsdarstellungen entlang den Schnittlinien 18-18bzw. 19-19in Fig. 17,

Fig.20 eine Grundrißdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Schieberegisters,

Fig.21 eine Grundrißdarstellung eines Teils eines Mehrkanal-Schieberegisters,

F i g. 22 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie 22-22 in F i g. 21,

Fig.23 eine Grundrißdarstellung eines Teils einer weiteren Ausführungsform eines Schieberegisters,

Fig.24 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie 24-24 in F i g. 23,

Fig.25 eine Grundrißdarstellung eines Teils einer weiteren Ausführungsform eines Schieberegisters,

F i g. 26, 27 und 28 Querschnittsdarstellungen entlang den Schnittlinien 26-26,27-27 bzw. 28-28 in F i g. 25,

Fig.29 eine schematische Querschnittsdarstellung

einer Ausführungsform einer Koppelanordnung für ein dreiphasiges Schieberegistersystem zum Koppeln des Ausgangsendes eines Registers mit dem Eingangsende eines zweiten Registers,

F i g. 30 eine die Ladungsfortleitung in der Schaltung nach F i g. 29 veranschaulichende Darstellung,
Fig.31 ein Diagramm, das in der Schaltung nach F i g. 29 auftretende Signalformen wiedergibt,

Fig.32 eine schematische Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Koppelanordnung für ein vierphasiges Schieberegistersystem,
Fig.33 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung nach F i g. 32 auftretende Signalformen wiedergibt,

F i g. 34 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Koppelschaltung,

Fig.35 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung nach F i g. 34 auftretende Signalformen wiedergibt

Fig.36 eine die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 34 veranschaulichende Darstellung,

F i g. 37 eine realistischere Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Koppelschaltung für ein vierphasiges Schieberegistersystem,

Fig.38 und 39 Querschnittsdarstellungen abgewandelter Ausführungsformen der Eingangsschaltung des Empfangsregisters nach F ig. 37,

Fig.40 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Koppelschaltung, die mit einer zweiphasigen Versorgungsspannung arbeitet,

Fi g.41 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung

nach F i g. 40 auftretende Signalformen wiedergibt,

Fig.42 eine Grundrißdarstellung, die eine mögliche Auslegung der Schaltung nach F i g. 40 veranschaulicht,

Fig.43 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Koppelschaltung, die mit einer zweiphasigen Versorgungsspannung arbeitet,

F i g. 44 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung nach F i g. 43 auftretende Signalformen wiedergibt,

Fig.45 eine Grundrißdarstellung, die eine mögliche Auslegung der Schaltung nach F i g. 43 veranschaulicht,

F i g. 46 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Koppelschaltung,

Fig.47 das Blockschaltschema einer Koppelschaltung für z. B. die Schaltungsausführung nach F i g. 21,

F i g. 48 eine teils querschnittliche, teils schaltschematische Darstellung des Aufbaus der Schaltung nach F i g. 47,

Fig.49 das Schaltschema einer anderen möglichen Form der Schaltung nach F i g. 47,

F i g. 50 eine teils querschnittliche, teils schaltschematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Koppelschaltung,

Fig.51 eine schematische Darstellung einer das Ausgangsende eines Registers mit dem Eingangsende eines anderen Registers koppelnden Schaltung sowie von Eingangs-Ausgangsschaltungen für das System,

Fig.52a—52h Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zum Herstellen der Halbleiterschaltungen veranschaulichen.

Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, soll zunächst ein Gesamtsystem allgemein erläutert werden. Hierzu wird als Ausführungsbeispiel ein Serien-Speicher herangezogen, der aus mehreren Schieberegistern aufgebaut ist und als Umlaufspeicher betrieben werden kann. Darauf folgt eine eingehendere Erläuterung

(1) des Eingangsendes des Systems,

(2) der Mitte des Systems,

(3) der Kopplung zwischen den Schieberegistern des Systems,

(4) des Ausgangsendes des Systems,

(5) allgemeiner Überlegungen der Konstruktion von iadungsgekoppelten Schiebeanordnungen,

(6) spezieller Überlegungen für den Schnellbetrieb und

(7) von Herstellungsverfahren.

Das gemeinsame Substrat 10 der Halbleiterschaltung nach F i g. 1 ist um der besseren Übersichtlichkeit willen in zwei Teilen dargestellt Das Substrat besteht aus einem Halbleitermaterial wie η-leitendem Silicium. Andere Möglicheiten werden später erörtert Eine dünne Schicht aus Isoliermaterial wie Siliciumdioxyd (SiO2) ist auf denjenigen Teilen der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet, unter denen die Ladungssignale sich i-ewegen. Die Schichtdicke kann 500 bis 2000 Ä betragen. Die übrigen Gebiete der Sfliciumoberfläche (nicht gezeigt) können mit einer dicken Siliciumdioxydschicht von z.B. lOOOOÄ oder meiir bedeckt sein.

Auf der Siliciumdioxydschicht sind mehrere leitende Platten oder Elektroden 14-0,14-1,14-2.... 14-fn+1) aus einem Metall wie Aluminium angebracht Im Substrat 10 sind dicht bei der Steuerelektrode 14-0 eine Ladungsträgerquelle Si und dicht bei der Steuerelektrode t4-(n+ 1) eine Einrichtung Q mit einem Ladungsträgerkollektor angeordnet Die Ladungsträgerquelle Si und die Einrichtung C\ sind in F i g. 1 nur in Form von Rechtecken wiedergegeben. Ihre tatsächliche Ausbildung ist in anderen Figuren gezeigt und wird später erläutert. Die vollständige Anordnung arbeitet in noch zu erläuternder Weise als Schieberegister.

Neben dem ersten Schieberegister befindet sich ein ähnlich wie dieses aufgebautes zweites Schieberegister.

^r) Es enthält eine Minoritätsträgerquelle S* mehrere leitende Platten oder Elektroden 16-0, 16-1, 16-2 usw. auf der Siliciumdioxydoberfläche 12 und eine bei der Steuerelektrode 16-(7?+1) angeordnete Einrichtung C2, die den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie

ι» die Einrichtung C\ haben kann.

Der Ausgang 18 des ersten Schieberegisters ist mit dem Eingangskreis des zweiten Schieberegisters über eine Signalrückkopplungsschaltung verbunden. Diese kann einfach aus einer einzelnen Verbindung zwischen

i> den beiden Registern, angedeutet durch die gestrichelte Linie 171, oder aus einer zwischen die beiden Register gekoppelten äußeren Schaltung, angedeutet durch den Block 19, bestehen. Die Ausgangsleitung 18-1 des zweiten Schieberegisters kann an den Eingang des

21) nächstfolgenden Schieberegisters (nicht gezeigt) angekoppelt sein. Diese Kopplung kann in der bereits erläuterten Weise bewerkstelligt werden, oder die Ausgangsleitung 18-1 kann über eine Rückkopplungsschaltung an die Ladungsträgerquelle S\ angekoppelt sein, so daß sich ein Umlaufspeicher ergibt. Als dritte Möglichkeit oder zusätzlich kann die Ausgangsleitung 18-1 den Ausgang des Systems bilden. Diese verschiedenen Möglichkeiten werden später an Hand der F i g. 2 und 3 erläutert.

so Die in den Serien-Speicher nach F i g. 1 eingegebene Information kann von Stufe zu Stufe unter Steuerung durch eine Mehrphasen-Spannungsquelle fortgeleitet werden, die ein drei-, vier- oder höherphasiges Signal erzeugt, jedoch vorzugsweise eine zweiphasige Spannungsquelle ist, da in diesem Fall der Speicher kompakter ausgebildet werden kann und unter gewissen Bedingungen schneller arbeitet. Bei Verwendung einer zweiphasigen Spannungsquelle ergibt sich allerdings nicht zwangsläufig eine Signalfortleitung in nur einer Richtung.

Die Anordnung nach F i g. 1 enthält außerdem verschiedene Gleichstromvorspanneinrichtungen, die zwar nicht in Fig. !,jedoch in späteren Figuren gezeigt sind und im dortigen Zusammenhang näher erläutert werden.

Vor der Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1 soll zunächst die allgemeine Theorie der Wirkungsweise von Iadungsgekoppelten Schaltungen erörtert werden. Wird an eine Leiterplatte oder Elektrode wie 14-2 ein Spannungsimpuls gelegt, so entsteht in demjenigen Teil des η-leitenden Substrats, der sich unmittelbar unterhalb dieser Elektrode befindet, ein sogenanntes tiefes Verarmungsgebiet Das heißt, die angelegte negative Spannung treibt oder stößt Majoritätsträger, Elektronen im Falle eines n-leitenden Substrats, von der Substratoberfläche direkt unter der Elektrode wie 14-2 weg oder zurück. Dies hat zur Folge, daß an der Oberfläche des n-Siliciums eine Potentialgru be oder -wanne entsteht, die dem induzierten Verarmungsgebiet entspricht Die Tiefe der Potentialwanne ist dem Quadrat der Tiefe des Verarmungsgebietes proportional, je höher der spezifische Widerstand des Substrats ist, desto größer ist die Verarmungstiefe bei einem Spannungsimpuls gegebener Amplitude. Je dicker die Siliciumdioxydschicht unterhalb der Elektrode ist, desto flacher ist die Verarmungstiefe bei einer gegebenen Spannungsamplitude an der Elektrode. Eine an der Oberfläche des Silidumsubstrats gebilde-

te Potentialwanne ist bestrebt, Minoritätsträger (in diesem Fall Löcher oder Defektelektronen) anzusammen. Diese kommen, wenn sie von keiner anderen Stelle verfügbar sind, aus dem Substrat selbst. In diesem Fall werden die Ladungsträger thermisch, und zwar hauptsächlich durch einen Oberflächenerzeugungsvorgang erzeugt. Sie bilden an der Oberfläche des Siliciumstrats eine Inversionsschicht, in der die Potentialwanne in einer Zeit von ungefähr einer Sekunde entsteht. Das heißt, die unterhalb der Elektrode bei \uftreten eines negativen Spannungsimpulses erzeugte Potentialwanne wird »auf natürliche Weise« mit Minoritätsträgern gefüllt. Die Ladungsmenge, die in einer solchen Potentialwanne angesammelt werden kann, ist gleich derjenigen Ladung, die erforderlich ist, um die Anzahl der zuvor »freigesetzten« immobilen Ionen (Ionen, die zuvor ihre Ladung aufgegeben haben) im tiefen Verarmungsgebiet zu ersetzen, plus der zusätzlichen Ladung, die aufgrund der Kapazität zwischen dem Substrat und der betreffenden Elektrode aufgebaut wird.

Bei der in F i g. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform beruht die Bereitstellung der in eine Potentialwanne als Signal eingeführten Ladung nicht auf der thermischen Erzeugung von Ladungsträgern. Statt dessen ist eine Ladungsträgerqueüe S\ vorgesehen, die ein stark dotiertes ρ+ -Gebiet im Substrat sein kann, wie in Kürze erläutert werden wird. Bei Anlegen einer Spannung V_can die Steuerelektrode 14-0, die negativer ist als die Quellenspannung, und einer negativen Spannung an die Elektrode 14-1, deren Vorderflanke die Hinterflanke der Spannung — V_c überlappen kann, (oder einfach durch Anlegen eines Spannungsimpulses V_c an die Elektrode 14-0, der zeitlich mit der an die Elektrode 14-1 gelegten Spannung zusammenfällt) entsteht zwischen der Quelle S] und der unterhalb der Elektrode 14-1 erzeugten Potentialwanne eine Inversionsschicht. Ladungsträger wandern sehr rasch, in einer Zeit von einigen wenigen bis einigen zehn Nanosekunden bei entsprechendem Schaltungsaufbau, von der Ladungsträgerquelle durch diese Inversionsschicht oder diesen »Kanal« unter der Elektrode 14-0 in die Potentialwanne unter der Elektrode 14-1. Eine Steuerung dieses Ladungsdurchgangs kann über die Steuerelektrode 14-0 erfolgen, und/oder die Ladungsträgerquelle selbst kann impulsgesteuert werden, wie in Kürze erläutert wird.

Die Speicherung von Ladung unter einer Elektrode oder Leiterplatte kann die Anwesenheit einer Binärziffer (eines Bits), beispielsweise »1«, darstellen. Die Abwesenheit von Ladungsträgern im Gebiet des Substrats unter einer Elektrode kann die Speicherung des Bits »0« darstellen. Andere Möglichkeiten werden später erörtert.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 werden Ladungen von einer Potentialwanne zur nächsten, d.h. vom Substratgebiet unter einer Elektrode zum Substratgebiet unter der nächstbenachbarten Elektrode, durch mehrphasige Spannungen übertragen. Das heißt, die Übertragung erfolgt unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes, das als »Driftfeld« bezeichnet werden kann. Ein anderer Mechanismus, der für die Übertragung von Ladung von »Kondensator« zu »Kondensator« (wobei als Kondensator eine Elektrode wie 14-1, das Gebiet des n-Halblehersubstrats unter dieser Elektrode und die Siliciumdioxydschicht zwischen beiden angesehen werden kann) in Frage kommt, ist die Ladungsträgerdiffusion, die bei ladungsgekoppelten Schaltungen normalerweise ebenfalls ein induziertes Drift- oder Wanderfeld zur Folge hat. Wie noch erläutert werden wird, sollte im Hinblick auf schnelles Arbeiten die ladungsgekoppelte Schaltung so ausgebildet sein, daß sie unter dem Einfluß des Driftfeldes statt der Diffusion arbeitet.

Wenn eine Ladung die letzte Elektrode 14-/J des Schieberegisters erreicht, kann sie abgefühlt werden, und das abgefühlte Signal kann dazu verwendet werden, den Übergang von Ladung nach den Eingangsstufen des

ίο nächsten Registers zu steuern. Bei der Übertragung sind eine Steuerelektrode i4-(n+]) und die Einrichtung Q beteiligt. Die Funktion der Einrichtung Q besteht darin, die Anwesenheit von Ladung wahrzunehmen und daraufhin einen Spannungspegel, der das Signal im zweiten Schieberegister regenerieren kann, zu erzeugen und das Ladungssignal vom ersten Schieberegister zu entfernen. Beispielsweise kann ein massefreier Schaltungspunkt in der Einrichtung Ci dazu verwendet werden, ein Signal auf die Steuerelektrode 16-0 zu koppeln, so daß die Quelle S2 Ladung in das Gebiet unter der Elektrode 16-1 übertragen kann oder nicht, wenn die Elektrode 16-1 von der Spannungsquelle 20 mit einem entsprechenden negativen Spannungsimpuls beaufschlagt ist. Diese Verbindung ist durch die gestrichelte Linie 171 oder durch die Anordnung 18,19 angedeutet. Im ersteren Fall ist die Verbindung so beschaffen, daß das Komplement des bei 14-n anwesenden Bits in das Gebiet unter 16-1 übertragen wird. Im letzteren Fall kann entweder das Bit oder

jo dessen Komplement übertragen werden, wie noch erläutert werden wird.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltschema einer möglichen Anordnung von Schieberegistern. Die Schieberegister sind über Signalregenierschaltungen jeweils Ende an Ende gekoppelt, so daß sich ein großer Ring ergibt. Derartige Anordnungen sind vielseitig für Datenverarbeitungsanlagen, z. B. als Serien-Speicher großer Kapazität, verwendbar, und große Umlaufregister dieser Art eignen sich ferner als Informationserneuerungsspeicher für Kathodenstrahlröhren-Bilddarsteller sowie für Nachrichtenübertragungs- und Videosignalbehandlungszwecke. Die Anordnung nach F i g. 2 enthält außerdem eine Eingabe-Ausgabe-Schaltung 20 mit Einrichtungen zum Empfang neuer Informationen und zur Ausgabe von Ausgangsinformationen. Schaltungseinzelheiten werden später erläutert.

Die Anordnung nach Fig.3 ist anders aufgebaut. Hier bildet jedes Paar von Schieberegistern einen Ring, der je nach der Größe des Schieberegisters von z. B. 32 bis 256 Bits speichern kann. Die Signalregenerier- und Steuerschaltungen 21 können eine Decodierereinrichtung, die auf Signale in Adressenleitungen anspricht, und eine Steuereinrichtung, die auf Signale in den Steuerleitungen anspricht, enthalten. Die Schaltungen können von der gleichen Art sein, wie sie in einem Speicherwerk Anwendung finden. Sie können dazu verwendet werden, ein Auslesen der in irgendeiner Schleife gespeicherten Bits zu ermöglichen. Oder die verschiedenen ringgeschalteten Register können als den Spuren eines Trommelspeichers mit paralleler Auslesung der Bits analog angesehen !werden. Hier sowie in Fig.2 ist ebenfalls die Mehrphasen-Spannungsquelle, obwohl nicht dargestellt, vorgesehen.

Obwohl im folgenden nicht ausdrücklich erwähnt, eignen sich die ladungsgekoppelten Anordnungen und Schaltungen auch für Ladungsspeicher mit beliebigem Zugriff sowie für Photofühleranordnungen mit Selbstabtastung. Im letzteren Falle kann als Ladungsträger-

quelle für das ladungsgekoppelte Schieberegister das Lichtsignal (statt eines elektrischen Impulses) verwendet werden. Bei den noch zu erläuternden Zweiphasenanordnungen kann das Üingangslichtsignal den Polysiliciutnelektroden zugeführt werden und die Anordnung als Photofühlersystem mit Selbstabtastung verwendet werden. Bei diesen Anwendungen kann, wenn ein Analog-Ausgangssignal gewünscht wird, dieses von einem gemeinsamen Abflußgebiet erhalten werden, das durch parallele ladungsgekoppelte Schieberegister, die das Signal in nur einer Richtung verschieben, gespeist wird. Ein einfaches Wählen der gewünschten Zeile in einer Matrix ist möglich, wenn eine der mehrphasigen Spannungen unbedingt, dagegen die andere dieser Spannungen nur der gewählten Zeile zugeführt wird. Diese eine Phase wechselt zwischen einem Gleichspannungswert, bei dem sich eine flache Potentialwanne bildet, und einer Spannung, bei der sich eine tiefe Potentialwanne bildet, so daß an den diese eine Phase empfangenden Elektroden stets eine Potentialwanne vorhanden ist, die zwischen zwei Pegeln oder Werten schwankt. Die lichterzeugten Ladungsträger sammeln sich somit an diesen Elektroden an, und sie (d. h. die in einer Zeile gespeicherten Ladungsträger) können nach Wunsch durch Beaufschlagen der betreffenden Zeile mit der anderen Phase oder den anderen Phasen nach einem Ausgang verschoben werden.

Eingangsseite des Systems

Gemäß dem Stand der Technik wurde als Ladungsträgerquelle (S\ in Fig. 1) für das ladungsgekoppelte Schieberegister ein gittergesteuerter p-n-Übergang (bei einem η-Substrat ein ρ + -Gebiet), der die Substratspannung führt, verwendet. Im Betrieb des Schieberegisters wird dabei die Signalladung durch Beaufschlagen des Gitters oder der Steuerelektrode wie 14-0 in F i g. 1 mit einem negativen Impuls (entsprechend V₀ in F i g. 1) von diesem ρ + -Gebiet zur ersten Potentialwanne übertragen. Um die in die erste Potentialwanne einzubringende Ladungsmenge zu steuern, ist dabei eine sorgfältige Kontrolle oder Steuerung der Größe und Dauer dieser angelegten Spannung V_c erforderlich.

Bei ladungsgekoppelten Schaltungen ist während der Ladungsfortleitung von der Ladungsträgerquelle zur Potentialwanne unter der ersten Speicherelektrode (wie 14-1 in Fig. 1) und später vom Substratgebiet unter einer Speicherelektrode zum Substratgebiet unter der nächstbenachbarten Speicherelektrode das Ausmaß oder die Geschwindigkeit des Ladungsflusses von der Ladungsmenge abhängig, mit der die Potentialwanne der Nachbarelektrode gefüllt werden soll. Wenn beispielsweise unter der Elektrode 14-2 (F i g. 1) Ladung vorhanden ist und diese Ladung in das »leere« Verarmungsgebiet unter der Elektrode 14-3 zu fließen beginnt, erfolgt der Ladungsfluß anfänglich sehr schnell. Wenn dagegen die Ladung das Gebiet unter der Elektrode 14-3 mehr und mehr füllt, wird das Eindringen zusätzlicher Ladung immer schwieriger, weil in dem Maße, wie die Potentialwanne voll wird, das Oberflächenpotential der Wanne immer näher an das Potential des Substrats herankommt (d.h. die Potentialdifferenz sich erniedrigt). Ferner wurde gefunden, daß, wenn man jede Potentialwanne von der jeweils vorherigen Wanne aus vollständig zu füllen versucht, die Tendenz besteht, daß etwas Ladung in der vorherigen Wanne zurückbleibt. Diese Restladung beeinträchtigt, wenn das nächste in die vorherige Potentialwanne zu übertragende Bit eine »0« ist (Abwesenheit von Ladung), das Signal/Störverhältnis, da in diesem Fall die Tendenz besteht, daß eine gespeicherte »0« wie eine gespeicherte »1« aussieht Diese Wirkung ist kumulativ und wird bei einer großen Anzahl von Stufen sehr spürbar.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besieht darin, daß die Einrichtung zum Erzielen eines gewünscht ten Grades der teilweisen Füllung der ersten Potentialwanne (der Wanne unter der Elektrode 14-1) im wesentlichen unabhängig von der Größe der der Steuerelektrode 14-0 zugeführten Spannung ist (solange die Amplitude des Steuerimpulses V_cgenügend groß ist).

Wie dies im einzelnen erreicht wird, wird noch erläutert In Fig.4 besteht die Ladungsträgerquelle S₁ aus

einem Leiter im n-Siliciumsubstrat Diese Anordnung kann in der Weise hergestellt werden, daß man eine erhebliche Menge von p-leitendem Material wie Bor in ein beschränktes Gebiet des Substrats eindiffundiert Dadurch wird dieses Substratgebiet verhältnismäßig hochleitend und eine gute Quelle positiver Ladungbträ- ger. Das n-Siliciumsubstrat wird auf einer erhöhten Spannung, beispielsweise + 5 Volt gehalten, damit die an die Siliciumdioxydschicht angrenzende Siliciumoberfläche, d.h. die Oberfläche, entlang der das Signal darstellende Lad. ngsträger im Betrieb des Registers : wandern, verarmt Durch eine solche Vorspannung wird der durch Oberflächenrekombinationen bedingte Signalverlust beseitigt, indem dafür gesorgt wird, daß die Majoritätsträger (in diesem Fall Elektronen) des Siliciumsubstrats nicht an die Oberfläche gelangen können, um die Fangstellen für die Minoritätsträger (in diesem Fall Löcher), die das Signal verkörpern, auszulöschen.

Um eine Steuerung der Auffüllung der Potentialwanne zu erzielen, ist die Ladungsträgerquelle Si nicht an das gleiche Potential wie das Substrat angeschaltet, sondern stall dessen um beispielsweise —5 Volt gegenüber Masse oder Nullpotential ( —10 Volt) gegenüber dem Substrat) sperrgespannt. Wie noch gezeigt wird, stellt diese Sperrspannung zusammen mit der Wahl von Impulsen ν_€ϋηάΦ\ geeigneter Amplitude und Zeitgebung sicher, daß die unter der ersten Elektrode 14-1 erzeugte Potentialwanne sich nur auf einen vorbestimmten Pegel, der nur einen Bruchteil der Kapazität dieser Potentialwanne betragen kann, auffüllt.

Bei der nachstehenden Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 4 werden die F i g. 5 und 6a —6e herangezogen. Die Ruhespannungszustände, d. h. die Zustände vor dem Zeitpunkt fo in F i g. 5 sind in

so Fig.6a dargestellt. Die Wanne unter dem Quellengebiet Si, das eine Spannung von —5 Volt führt, ist tiefer als die Wanne unter den Elektroden 14-0 und 14-1, so daß die in Si vorhandenen Ladungsträger dort bleiben.
Wenn ein negativer Spannungsimpuls V_c mit beispielsweise einer Amplitude von —10 Volt der Elektrode 14-0 zugeleitet wird, entsteht eine Inversionsschicht 23 (F i g. 6b). Diese Inversionsschicht erstreckt sich vom ρ+ -Gebiet Si entlang der Oberfläche des Siliciumsubstrats unter der Steuerelektrode 14-0. Diese Inversions-

bo schicht oder dieser Leitungskanal ist dem stromführenden Kanal analog, der entsteht, wenn die Gitterelektrode eines MOS-Transistors (MOS = Metall-Oxyd-Halbleiter) durchlaßgespannt wird. Notwendige Voraussetzung für das Entstehen des Leitungskanals ist, daß die

b5 der Steuerelektrode 14-0 zugeführte negative Spannung um einen Betrag negativer ist als die Vorspannung der Quellenelektrode, der die Schwellenspannung V, des η-leitenden Substrats übersteigt. Diese Schwellenspan-

.Tiung V, ist dieselbe Kenngröße wie die Schwellenspannung eines MOS-Transistors. Die Stromleitung der induzierten Inversionsschicht 23 ist der Differenz zwischen der angelegten Spannung V_c und (V,+ Vs₁) proportional, wobei Vs, die Quellenspannung ist

Der Eingangsimpuls V_c muß zeitlich mit dem Impuls Φι zusammenfallen, damit das Ladungssignal in die erste Potentialwanne übertragen wird. Das folgende Beispiel veranschaulicht den Fall, daß die Hinterfianke des Impulses V_cdie Vorderflanke des Impulses Φι überlappt und der Impuls V_c vor dem Impuls Φι endet

Wie in Fig.5 gezeigt, gelangt zum Zeitpunkt ti, während die Steuerspannung V₀ noch anwesend ist, die Vorderflanke des negativen Impulses Φι zur ersten Elektrode 14-1. Dieser Impuls kann negativer als die Steuerspannung sein und hat im vorliegenden Fall eine Amplitude von — 15VoIt Die sich ergebende Wirkungsweise ist schematisch in F i g. 6c dargestellt Die der Elektrode 14-1 zugeführte negative Spannung hat die Entstehung einer Potentialwanne im Substratgebiet unter dieser Elektrode zur Folge. Die Minoritätsträger, im vorliegenden Fall positive Ladungen, fließen daraufhin von der Quelle S\ durch den induzierten Leitungskanal 23 unter der Steuerelektrode 14-0 zur Potentialwanne unter der Elektrode 14-1. Dieser Ladungsfluß dauert nur solange an, bis die Oberflächenspannung unter der ersten Elektrode 14-1 den Wert der Spannung der Quelle S\ erreicht (vorausgesetzt daß ausreichend Zeit, in der Größenordnung von Nanosekunden, für diesen Vorgang zur Verfügung steht). Wenn somit die Differenz zwischen der Quellenspannung und der Steuerspannung V_c genügend groß ist (in diesem Fall wird mit 5 Volt gearbeitet jedoch wäre auch eine kleinere Spannungsdifferenz brauchbar), kann die erste Potentialwanne auf den gewünschten Pegel aufgefüllt werden. Dieser gewünschte Pegel kann nur einen Bruchteil der Kapazität der Potentialwanne betragen und ist, im Unterschied zum Stand der Technik, genau steuerbar, ohne daß die Dauer oder die Amplitude des Steuerimpulses V_egenau gesteuert werden muß.

F i g. 6d veranschaulicht die Vorgänge zum Zeitpunkt f2, d. h. nach dem Ende des Steuerimpulses V„ jedoch vor dem Ende des Impulses Φ\. Wenn die Steuerelektrode 14-0 eine Spannung von 0 Volt führt, d. h. positiver ist als die Quelle Si, ist der Leitungskanal hochohmig. Das heißt, die in der Potentialwanne unter der ersten Speicherelektrode 14-1 gespeicherten Ladungsträger finden einen Potentialberg vor, der verhindert, daß sie zurück zur Quelle entweichen. Diese Ladungen bleiben somit unter der Elektrode 14-1 gespeichert, bis sie durch die nächste Spannungsphase Φ2 zur folgenden Elektrode 14-2 verschoben werden, wie noch erläutert wird.

Die oben beschriebenen Vorgänge umfassen das Einschreiben einer »1« in die erste Stufe des Schieberegisters. Zum Einschreiben einer »0« wird während des Zeitintervalls to— fc kein Spannungsimpuls an die Steuerelektrode 14-0 gelegt, so daß, solange die Oberflächenspannung unter der Steuerelektrode positiver (in Wirklichkeit weniger negativ im vorliegenden Fall), und zwar um ungefähr 1 Volt, als die Spannung der mi Quelle ist, keine Ladung von der Quelle zur ersten Potentialwanne übertragen wird. (Der Spannungswert von 1 Volt ergibt eine mehr als ausreichende Potentialschwelle, um die Ladungsübertragung durch Ladungsträgerdiffusion zu verhindern, und außerdem einer μ Sicherheitsfaktor im Hinblick auf mögliche Änderungen oder Schwankungen der Schaltungsparameter.)

Die obigen Vorgänge sind in einer Reihe von Figuren

veranschaulicht Fig.6a gibt immer noch den Ruhezustand der Schaltung wieder. Zwischen ίο und t\ herrscht nach wie vor die in Fig.6a dargestellte Lage. Da die Steuerelektrode 14-0 gegenüber der Quelle noch sperrgespannt ist, entsteht unter der Elektrode 14-0 kein Inversionsgebiet Zu einem Zeitpunkt wie fe herrscht die in Fig.6e dargestellte Situatioa Während unter der ersten Elektrode 14-1 eine Potentialwanne vorhanden ist können keine Ladungsträger von der Quelle in diese Potentialwanne fließen, da die Steuerelektrode immer noch 0 Volt führt Wie bereits erwähnt, entspricht die Abwesenheit von Ladung unter der Elektrode 14-1 der Speicherung einer »0«.

F i g. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Eingangsschaltung. Der Unterschied zwischen dieser Schaltung und der Schaltung nach Fig.4 besteht darin, daß in F 5 g. 7 die Ladungsträgerquelle Si normalerweise ausreichend sperrgespannt ist (und zwar in diesem Fall um -20 Volt gegenüber dem Substrat und um —15 Volt gegenüber Masse), so daß in ihrem Ruhezustand die Quelle nicht als Minoritätsträgerquelle für Potentialwannen mit höheren Oberflächenpotentialen als die Quelle wirkt Eine solche Vorspannung kann bewirken, daß das Quellengebiet als Senke (Abflußelektrode) für die in einer Potentialwanne vorhandenen Ladungsträger wirkt Die Quelle kann durch Anlegen eines Spannungsimpulses V3 zu einem entsprechenden Zeitpunkt »eingeschaltet« werden, wie in F i g. 8 gezeigt

Im Betrieb der Anordnung nach Fig.7 übertragen bei Abwesenheit eines Impulses V3 die Impulse V_c und Φι eine »0« (keine Ladung) zur Potentialwanne unter der ersten Speicherelektrode 14-1. Dagegen wird bei Anwesenheit eines positiven Impulses V3 während der Impulse Φι und Vc eine »1« unter der ersten Elektrode 14-1 gespeichert

Die in Fig.8 dargestellte Zeitgebung der Impulse nach F i g. 7 ist von Interesse. Zum Zeitpunkt to wird der Impuls Φ\ an die Speicherelektrode 14-1 gelegt Dadurch entsteht unter der ersten Elektrode 14-1 eine Potentialwanne. Kurz nach dem Einsetzen des Impulses Φι, d. h. zum Zeitpunkt fi, beginnt der Steuerimpuls V,> Dadurch entsteht unter der Elektrode 14-0 eine Potentialwanne, die mit der Potentialwanne unter der Steuerelektrode 14-1 verbunden ist. Da an der Quelle Si noch keine Ladungen verfügbar sind, entsteht noch keine Inversionsschicht oder kein Leitungskanal. Kurz danach, zum Zeitpunkt h, gelangt der positive Impuls Vi zur Quelle Si. Dieser Impuls kann eine Amplitude von 10 Volt haben, so daß Vs₁ eine von -15 bis -5VoIt reichende Amplitude hat. Es herrschen jetzt genau die gleichen Zustände wie in Fig.6c, d.h. es besteht ein Leitungskanal von Si zur Potentialwanne unter der Elektrode 14-1, und die positiven Minoritätsträger fließen von der Quelle ab und füllen die Potentialwanne unter der Elektrode 14-1 auf den im voraus bekannten Bruchteil ihrer Kapazität teilweise auf. Die Hinterflanken der Impulse haben die in Fig.8 angegebene Lage, d. h. der Impuls V_c endet vor den anderen Impulsen, so daß verhindert wird, daß Ladung aus der teilweise gefüllten Potentialwanne unter der Elektrode 14-1 zur Quelle Si zurückfließt.

Ein wichtiges Merkmal der Schaltung nach Fig. 7 besteht darin, daß die Zeitpunkte, wo Ladungen eingebracht werden, durch Steuern der zeitlichen Lage der Impulse Vj und K- mit der in Fig.8 dargestellten Impulsreihenfolge genau gesteuert werden können. Im allgemeinen liefert der Impuls V₁. die Zeitsteuerung, während die Quellenspannung Vv, denjenigen Pegel

bestimmt, auf den die erste Potentialwanne gefüllt (oder geleert) wird. In diesem allgemeinen Fall ist die Zeitsteuerung so, daß der gesamte Impuls V_c in das Zeitintervall sowohl des Impulses Vi als auch des Impulses Φι fällt

Bei den bisher erläuterten Ausführungsformen der Eingangsschaltung wird als Steuersignal ein Signal wie Vc verwendet Man kann auch ohne weiteres logische Verknüpfungen mit den Eingangssignalen vornehmen. Beispielsweise können die beiden mit 14-0 und 14-1 in Fig.4 bezeichneten ersten Elektroden Steuerelektroden sein, die mit 14-01 und 14-02 bezeichnet werden können. In diesem Fall können die den beiden Steuerelektroden zugeführten Signale zwei Informationsbits darstellen, wobei die beiden Steuerelektroden die UND-Verknüpfung simulieren. Gewünschtenfalls kann der ersten Elektrode 14-01 ein verhältnis-Tiäßig längeres Signal und der Elektrode 14-02 ein kürzeres Signal, das zeitlich mit dem der Elektrode 14-01 zugeführten Signal zusammenfällt, zugeführt werden. Beide Signale können Informationen darstellen, oder das erste, d. h. das längere Signal kann Informationen darstellen, während das lürzere Signal ein Takt- oder Abtastimpuls sein kann.

Statt dessen können die beiden Eingangssignale auch die Signale V3 und V_c nach F i g. 7 sein, wobei das erste dieser Signale der Quelle und das zweite Signal der Steuerelektrode 14-0 zugeführt wird. In diesem Fall kann der positiv gerichtete Impuls V₃ eine »1« und der negativ gerichtete Impuls V_c ebenfalls eine »1« darstellen, in welchem Fall die Schaltung gleichfalls die UND-Verknüpfung erfüllt.

Allgemein kann bei ladungsgekoppelten Schaltungen der oben erläuterten Art die mehreingängige UND-Verknüpfung dadurch realisiert werden, daß gleichzeitig mehrere negative Impulse einer entsprechenden Anzahl von Steuerelektroden sowie ein positiver Impuls der Quelle Si zugeleitet werden. Eine ODER-Verknüpfung kann dadurch realisiert werden, daß mehrere Quellen, die sämtlich die erste Potentialwanne (unter der Elektrode 14-1) parallel mit Eingangsladung beschicken, verwendet werden.

In diesem Fall wird durch einen positiven Impuls, der gleichzeitig mit dem unbedingt zugeführten positiv gerichteten Steuerimpuls V_c irgendeiner Quellenelektrode zugeleitet wird, ein Ladungssignal auf die erste Potentialwanne gekoppelt. Auch andere Ausführungsformen sind möglich.

Ferner kann die Eingangsschaltung auch so betrieben werden, daß Ladungen unterschiedlicher Größe die Bits »1« und »0« darstellen. Eingangssignale dieser beiden Pegel können dadurch erhalten werden, daß mit Hilfe des Gleichspannungspegels des der Steuerelektrode 14-0 zugeführten Signals die »0« mit einem niedrigeren Ladungspegel als die »1« erzeugt und/oder die Spannung der Quelle so gesteuert wird, daß die erste Potentialwanne bei »0« auf einen niedrigeren Pegel als bei »!«gefüllt wird.

Mittelteil des Systems

Die Übertragung von Ladung aus dem Gebiet unter einer Elektrode wie 14-1 (Fig.4) in das Gebiet unter einer benachbarten Elektrode wie 14-2 erfolgt durch Anlegen eines negativen Spannungsimpulses Φι an die Elektrode 14-2, während der Spannungsimpuls Φ\ in seiner Amplitude verringert wird. Dadurch wird die Potentialwanne unter der Elektrode 14-1 flacher und zugleich die Potentialwanne unter der Elektrode 14-2 tiefer gemacht, und die Ladung stürzt aus der flacheren in die tiefere Wanne. Gewöhnlich werden überlappende Taktimpulse für lädungsgeköppelte Schaltungen mit zwei-, drei-, vier- und höherphasigem Betrieb verweadet Jedoch kann man bei Zweiphasenbetrieb (und auch bei Drei- sowie .Vierphasenbetrieb) auch mit nichtüberlappenden Taktimpulsen arbeiten, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind, wie noch erläutert wird.

Bei einer Anordnung von der in Fi g. 1 gezeigten Art besteht kein Problem hinsichtlich der Signalfortleitung in nur einer Richtung, wenn die Quelle 20 eine drei- oder höherphasige Quelle ist In diesen Fällen wird bei der

Übertragung von Ladung aus z. B. dem Gebiet unter der Elektrode 14-2 in das Gebiet unter der Elektrode 14-3 (Fig. 1) kein negativiy Spannungsimpuls an die Elektrode 14-1 gelegt Die sehr flache Potentialwanne unter der Elektrode 14-1 (eine solche Wanne wird lediglich aufgrund einer vorspannenden Gleichspannung zwischen Elektrode und Substrat gebildet) wirkt daher als Schwelle oder Sperre gegen den Ladungsfluß in der Rückwärtsrichtung, so daß nur die Vorwärtsrichtung für den Ladungsfluß verfügbar ist, wenn die Quelle 20 drei oder mehr Phasen liefert Eine solche Beschränkung des Ladungsflusses auf nur eine Richtung ist nicht gegeben, wenn die Quelle zweiphasig ist. In diesem FaIt müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um den Ladungsfluß auf eine Richtung zu

jo beschiänken, wie noch erläutert wird.

Im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung ist die Entwicklung spezieller Elektrodenkonstruktionen von Bedeutung, die verhältnismäßig leicht herzustellen sind und den Ladungsfluß in nur einer Richtung bei zweiphasigen Spannungen sicherstellen. Im allgemeinen besteht jede Elektrode nicht aus einer einzigen Platte, sondern aus zwei sich überlappenden oder übereinandergreifenden Platten. F i g. 9 zeigt eine Anordnung, deren Wirkungsweise hauptsächlich auf der Geometrie der Elektroden, und zwar insbesondere darauf beruht, daß die eine Elektrode eines Elektrodenpaars einen größeren Abstand vom Substrat hat als die andere Elektrode. Fig. 10 und 11 zeigen schematisch bzw. etwas realistischer eine andere Anordnung, die hauptsächlich darauf beruht, daß zwischen den beiden Elektroden jedes Paares eine Spannungsdifferenz aufrechterhalten wird. F i g. 12 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der die Geometrie nach F i g. 9 mit der Spannungsdifferenz nach F i g. 11 kombiniert ist.

In allen diesen Fällen ist der Elektrodenaufbau so, daß unter einem Elektrodenpaar bei Anlegen einer negativen Spannung (oder negativer Spannungen) ein asymmetrisches Verarmungsgebiet erzeugt wird. Die Richtung der Asymmetrie des Verarmungsgebietes ist so, daß eine dort eingebrachte Ladung sich am vorderen Rand des Verarmungsgebietes ansammelt, da die Potentialwanne in diesem Bereich erheblich tiefer als im übrigen Teil des Gebietes ist.

In Fig.9 besteht jede der 14-1, 14-2 usw. in Fig. 1 entsprechenden Elektroden aus zwei übereinandergreifenden Elektroden. Die eine Elektrode 26-1, 26-2 usw. besteht aus einem Metall wie Aluminium, während die andere Elektrode jedes Paares 28-1,28-2 usw. aus einem p + -Polysiliciumgebiet besteht, das elektrisch direkt mit der dazugehörigen Aluminiumelektrode verbunden ist. Der Ausdruck »Polysilicium« bezeichnet eine polykristalline Form des Siliciums, die dadurch erhalten wird, daß man das Silicium bei einer erhöhten Temperatur

aufbringt oder amorphes Silicium aufbringt und dann 10 Minuten lang oder länger auf 900⁰C erhitzt, so daß das amorphe in ein polykristallines Gefüge umgewandelt wird. (Die Verwendung von Polysilicium »st an sich in der MOS-Technik bekannt) Bei jedem Elektrodenpaar befindet sich die Polysiliciumelektrode näher oder dichter beim n-Siliciumsubstrat als die Aluminiumelektrode. Jede Aluminiumelektrode wie 26-2 überlappt den vorderen Rand der dazugehörigen Polysiliciumelektrode 28-2 sowie den hinteren Rand der Polysiliciumelektrode 28-1 des nächstvorderen Elektrodenpaares.

Der übereinandergreifende Polysilicium-Aluminiumelektrodenaufbau ermöglicht einen sehr dichten Abstand zwischen jeder Aluminiumelektrode und den beiden von ihr überlappten Polysiliciumelektroden. Typische Abmessungen werden später angegeben; hier sei nur erwähnt, daß dieser Abstand lOOOÄ oder weniger betragen kann. Ferner ermöglichen die später zu erläuternden Herstellungsverfahren für den Elektrodenaufbau eine Selbstausrichtung der Aluminiumelektroden in bezug auf die Polysiliciumelektroden. Die einzige kritische Ausrichtung betrifft das Ätzen der Aluminiumelektroden auf den Polysiliciumelektroden. Ferner kann man bei diesen Herstellungsverfahren ohne weiteres zwei verschiedene Dicken für die Kanaloxydschicht (a und b in F i g. 9) erhalten.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig.9 wird bei Anlegen eines negativen Spannungsimpulses Φ2 an z. B. das Elektrodenpaar 26-2, 28-2 ein asymmetrisches Verarmungsgebiet erzeugt, wie durch die gestrichelte Linie 30 angedeutet. Dieses Gebiet ist unter der Elektrode 28-2 erheblich tiefer als unter der Aluminiumelektrode 26-2 des betreffenden Paares. Dies hat zwei Gründe. Einmal ist die Elektrode 28-2 aufgrund ihres geringeren Abstandes vom n-Silicium fester mit dem n-Silicium gekoppelt, so daß am Siliciumdioxyd unter der Elektrode 28-2 (Gebiet c) ein kleinerer Spannungsabfall als unter der Elektrode 26-2 (Gebiet b) herrscht, was die Entsteheung einer Potentialv/anne zur Folge hat, die unter der Polysiliciumelektrode 28-2 tiefer ist als unter der Aluminiumelektrode 26-2. Der andere Grund besteht darin, daß die Austrittsarbeit für ρ+ -Polysilicium auf η-Substraten um ungefähr 1 Volt niedriger ist als für Aluminium. Dies bedeutet, daß bei Anlegen einer gegebenen negativen Spannung an eine Polysiliciumelektrode diese eine größere Anzahl von Elektronen aus dem benachbarten Substratgebiet zurückstößt als eine Aluminiumelektrode der gleichen Größe, die den gleichen Abstand vom Substrat hat und mit der gleichen Spannung beaufschlagt ist.

Da die Hauptfunktion der Aluminiumelektrode darin besteht, eine Schwelle oder Sperre für den Ladungsfluß zu bilden, wenn eine einem Elektrodenpaar zugeführte Phasenspannung positiver (in Wirklichkeit weniger negativ) gemacht wird, wobei die Ladung in die Potentialwanne unter dem nächsten Elektrodenpaar »gespült« wird, macht man das »aktive Gebiet« (der am dichtesten beim Substrat befindliche Teil mit der Abmessung k) dieser Elektrode kürzer als die entsprechende Abmessung c der Polysiliciumelektrode. Dadurch ergibt sich eine schnellere Übertragungszeit sowie die Möglichkeit einer größeren Packungsdichte. Diese Abmessung (die ungefähr gleich dem Abstand it zwischen zwei benachbarten Polysiliciumelektroden ist) kann bei den derzeitigen Herstellungsverfahren für MOS-Anordnungen so klein gemacht werden, daß sie nur 2,5 Mikron (0,1 Mil) beträgt.

Wie bereits erwähnt, wird eine Beschränkung der Ladungsübertragung auf nur eine Richtung bei einer zweiphasigen Anordnung, wie in Fig.9 gezeigt, dadurch erhalten, daß in der beschriebenen Weise asymmetrische Potentialwannen unter den aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren erzeugt werden. Um eine verhältnismäßig große Asymmetrie in diesen Wannen ohne sehr große Unterschiede zwischen den beiden Dicken (bei b und c) der Siliciumdioxydschicht zu erhalten, verwendet man zweckmäßigerweise Silicium-Substrate mit verhältnismäßig niedrigem spezifischem Widerstand, beispielsweise kleiner als 3 Ohmzentimeter, vorzugsweise ungefähr 1 Ohmzentimeter. Jedoch kann das Substrat auch einen etwas höheren spezifischen Widerstand haben, wenn man mit einer verhältnismäßig hohen Substratvorpsannung Vm beispielsweise + l(i<Volt oder mehr, arbeitet Eine hohe Substratvorspannung in Verbindung mit den beiden Oxyddicken ergibt eine tiefere Potentialwanne unter der sich dichter bei der Substratoberfläche befindenden Elektrode.

Es sei angenommen, daß im Betrieb der Anordnung nach F i g. 9 sich bei Anlegen eines negativen Impulses Φϊ eine positive Ladung im tieferen Teil der Potentialwanne 30 ansammelt, wie bei 31 angedeutet. Kurz vor der Hinterflanke dieses Impulses wird der negative Impuls Φ) dem nächsten Elektrodenpaar 26-3, 28-3 zugeleitet (Zeitpunkt f₂ in Fig. 13). Bei gleichzeitiger Anwesenheit des letzten Teils des Impulses Φ₂ und des ersten Teils des Impulses Φ\ hat die Ladung 31 das Bestreben, nach rechts zu fließen, wobei die Vorgänge in

jo der in Fig. 13 angegebenen Weise ablaufen. In dem Maße, wie die Potentialwanne unter der Elektrode 28-2 flacher wird, wird die Potentialwanne unter dem Elektrodenpaar 26-3, 28-3 tiefer, und die Ladung bei 31 stürzt in diese Potentialwanne und sammelt sich unter der Elektrode 28-3 an.

Zwar wird gleichzeitig mit dem Anlegen des Impulses Φι an das Elektrodenpaar 26-3, 28-3 auch das vorausgehende Elektrodenpaar 26-1, 28-1 mit diesem gleichen Impuls beaufschlagt, jedoch wird ein Ladungsfluß in der Rückwärtsrichtung durch die Potentialschwelle unter der Aluminiumelektrode 26-2 verhindert. Unmittelbar vor dem Auftreten des Impulses Φι ist sämtliche Ladung unter der Aluminiumelektrode 26-2 in der tieferen Wanne unter der Elektrode 28-2 gespeichert (Zeitpunkt fi in F i g. 13). Wenn daher der negative Impuls Φι einsetzt und der Impuls Φ2 aufzuhören beginnt (Zeitpunkt f₂ in Fig. 13), wird die Ladung in diesem tieferen Teil 31 der Potentialwanne in der Vorwärtsrichtung, d.h. in der Richtung, in der die gespeicherte positive Ladung das negativere Potential vorfindet, gespült, während ein Rückwärtsfließen durch den Potentialberg (die weniger negative Spannung), den die Ladung in dieser Richtung vorfindet, verhindert wird.

Wenn die Anordnung nach Fig.9 mit ausreichend großer Substratvorspannung betrieben wird, so daß das Ladungssignal in der tieferen Potentialwanne durch lediglich das Vorspannsignal festgehalten werden kann, brauchen die zweiphasigen Spannungsimpulse sich nicht zu überlappen. Ein solcher Betrieb ermöglicht die Verwendung einfacherer Signalregenerierschaltungen, wie noch erläutert wird.

Typische Abmessungen für die Anordnung nach F i g. 9 sind beispielsweise wie folgt:

a= 1000 Ä
b = 2000 Ä

c = 0,01 -0,013 mm

(0,4-0,5 Mil« 10-13 Mikron (μ))
d= 3000-10 000 A
e = 0,008-0,013 mm (0,3-0,5 Mil)
f = 500-1000 Ä
g= 3000- 10 000 Ä
Λ = größer als 0,01 mm (4 Mil)
j = 0,005-0,008 mm (0,2-0,3 Mil)
k = 0,0025-0,005 mm (0,1 -0,2 Mil)
/ =0,0025 mm (0,1 Mil)

Für die Anordnungen nach Fig. 11 und 12 kommen gleiche oder ähnliche Abmessungen (außer für 6 in Fig. 11)in Frage.

Fig. 10 veranschaulicht schematisch eine zweite Methode der Erzeugung asymmetrischer Verarmungszonen. Auch hier besteht jede Speicherstelle, entsprechend 14-2, 14-3 usw. in Fig. 1, aus zwei sehr dicht beabstandeten Elektroden wie 30-la und 30-Ib mit fester Gleichspannungsdifferenz, angedeutet schematisch durch die Batterie 32, zwischen ihnen. Bei Anlegen eines Taktimpulses wie Φ\ wird die erste Elektrode jedes Paares wie 30-1 weniger negativ als die zweite Elektrode wie 30-1 6. In der Praxis kann diese Spannungsdifferenz auf irgendeine herkömmliche Weise innerhalb der Mehrphasen-Spannungsquelle erzeugt werden. Als einfaches Beispiel kann die Spannung für die Elektrode 30-1 a von einem und die Spannung für die Elektrode 30-1 ft von einem anderen Punkt eines Spannungsteilers abgenommen werden. Die Spannungsdifferenz hat die Wirkung, daß eine asymmetrische Potentialwanne entsteht, wie durch die gestrichelte Linie 34 angedeutet, die schematisch die Situation für die Spannung Φι wiedergibt

F i g. 11 zeigt eine teilweise schaltschematische Querschnittsdarstellung einer praktischen Ausführungsform der Anordnung nach F i g. 10. Der Aufbau ist dem nach F i g. 9 sehr ähnlich, wobei jedoch die Aluminiumelektroden 30-1 a, 30-2a usw. in diesem Fall den gleichen Abstand vom Substrat haben können wie die Polysiliciumelektroden 30-1 b, 30-26 usw., d. h. a = b.

Während das asymmetrische Verarmungsgebiet in Fig. 11 auf andere Weise erhalten wird als in Fig.9, entspricht die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 11 bei Betrieb mit den zweiphasigen Spannungsimpulsen weitgehend der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig.9. Diese Wirkungsweise ist in Fig. 13 veranschaulicht

Die im Querschnitt in Fig. 12 gezeigte Anordnung vereinigt die Merkmale der Anordnungen nach F i g. 9 und 11. F i g. 12 braucht daher nicht erläutert zu werden.

Wie bereits angedeutet ist bei den verschiedenen oben erläuterten Anordnungen bei leerer Potentialwanne (wenn sich noch keine Ladungsträger in der Potentialwanne angesammelt haben) und einem gegebenen Spannungsabfall am Siliciumdioxyd die entstehende Potentialwanne um so tiefer, je höher der spezifische Widerstand des Substrats ist In dem Maße, wie eine Potentialwanne sich mit beweglichen Ladungen füllt wird mehr und mehr von der Spannung, die von der für die Wanne verantwortlichen Elektrode geliefert wird, als Spannungsabfall am Siliciumdioxyd verbraucht Dadurch wird die Asymmetrie der Potentialwanne vergrößert Mathematische Berechnungen für elektrische Felder in ladungsgekoppelten Schaltungen ergeben jedoch, daß das an einer Elektrode erzeugte elektrische Streufeld um so kleiner ist je niedriger der spezifische Widerstand des Substrats ist

und die derzeitige Theorie besagt, daß, je kleiner das Streufeld ist, desto niedriger die erhältliche Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit ist. Bei bestimmten Anwendungen ist es daher vorteilhaft, Substrate mit hohem

^r) spezifischen Widerstand zu verwenden. Die Ausführungsformen nach Fig. 11 und 12, bei denen die Gleichspannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden eines Paares auf der Potentialwannenasymmetrie beruht, ermöglichen eine derartige Ausführung, d. h.

ίο sie ermöglichen die Bildung asymmetrischer Potentialwannen bei Verwendung von Substraten mit höherem spezifischen Widerstand. Beispielsweise dürfte ein Betrieb bei Verwendung von zweiphasigen Spannungen und Substraten mit spezifischen Widerständen von etwa 10 Ohmzentimetern und bei Verwendung der Anordnung nach Fig. 11 und 12 mit den angegebenen Abmessungen und mit einer Gleichspannungsdifferenz von z. B. 5 Volt möglich sein.
Fig. 14 zeigt einen Teil einer zweidimensionalen, ladungsgekoppelten Kondensatoranordnung mit Elektrodenpaaren nach Art der Fig.9 (zweidimensional bedeutet mehr als eine einzige Zeile oder Reihe von Elektroden). Die Aluminiumelektroden 40-1 a, 40-2a usw. sind zickzackförmig im einen Sinne angeordnet, während die Polysiliciumelektroden 40-16, 40-26 usw. zickzackförmig im entgegengesetzten Sinne angeordnet sind. Dies bedeutet, daß ζ. B. im oberen Bereich der Anordnung der rechte Rand der Elektrode 40-1 a mit der dazugehörigen Elektrode 40-16 am rechten Rand der

jo Elektrode 40-la und am linken Rand der Elektrode 40-16 gekoppelt ist, während in der Mitte der Anordnung der linke Rand der Elektrode 40-la mit dem rechten Rand der Elektrode 40-16 gekoppelt ist Diese Anordnung hat den Zweck, daß die Ladungen sich im oberen Dünnschichtgebiet in der einen Richtung (nach rechts) und im nächsten Dünnschichtgebiet in der entgegengesetzten Richtung (nach links) bewegen, wie noch erläutert wird.

Die Polysiliciumelektroden 40-16 (und die Aluminiumelektroden) sind auch in der dritten Dimension, d. h. innerhalb und außerhalb der Zeichenebene in Fig. 14 zickzackförmig ausgelegt. Das heißt im oberen Teil der Figur befindet sich eine Elektrode wie 40-16 sehr dicht beim Substrat und ist daher mit diesem gekoppelt Im folgenden Gebiet ist der Abstand zwischen der Elektrode 40-16 und dem Substrat verhältnismäßig groß, so daß die Elektrode 40-16 effektiv vom Substrat entkoppelt ist Es können z. B. die dünne Schicht aus Siliciumdioxyd eine Tiefe von 500—2000 Ä und die

dicke Schicht eine Tiefe von 10 000 Ä oder mehr haben. Diese verschiedenen dünnen und dicken Schichtgebiete sind auf der rechten Seite der F i g. 14 angegeben. Jede Elektrode wie 40-la ist elektrisch direkt mit der dazugehörigen Elektrode des Paares wie 40-16 verbunden. Diese Verbindungen sind in Fig. 14 schematisch durch die sich diagonal kreuzenden Linien angedeutet

Der Aufbau des obersten Dünnschichtgebietes entlang 9-9 in Fig. 14 entspricht der Querschnittsdarstellung nach Fig.9 (jedoch mit anderen Bezugszeichen). Die Zickzackaüslegung der Polysilicium- und Aluminiumelektroden in der dritten Dimension (innerhalb und außerhalb der Zeichenebene in Fig. 14)sowie die Verbindung einer Aluminiumelektrode mit der dazugehörigen Polysilichimelektrode sind in Fig. 15 und 16 in Querschnitten entlang den Schnittlinien 15-15 bzw. 16-16 in Fig. 14 gezeigt Bei der nachstehenden Erläuterung der Wirkungsweise kann auf alle drei Figuren Bezug genommen werden.

Für die Zwecke der nachstehenden Erläuterung kann vorausgesetzt werden, daß sich bei Anlegen eines Impulses Φ, eine Ladung bei A in Fig. 14 im oberen Schieberegister unter der Elektrode 40-1 6 des Paares 40-16, 40-la angesammelt hat. Der Aufbau dieses Elektrodenpaares ist ähnlich wie in Fig.9, so daß die Potentialwanne asymmetrisch ist. Beim Zweitphasenimpuls Φ2 wandert die unter der Elektrode 40-16 gespeicherte Ladung nach rechts und wird bei B unter der Elektrode 40-26 des nächsten Elektrodenpaars 40-2a, 40-26 gespeichert. Beim nächsten Impuls Φ\ wandert diese Ladung weiter nach rechts und wird bei C unter der Elektrode 40-36 des Paares 40-3a, 40-36 gespeichert, und so fort. Wenn eine Ladung das Ende des Schieberegisters (nicht gezeigt in F i g. 14) erreicht, überträgt eine Ladungsregenerierschaltung (die später erläutert wird) eine Ladung oder deren Komplement (je nach Art der verwendeten Regenerierschaltung) an das nächste Schieberegister. Die Richtung des Ladungssignalflusses ist durch die gestrichelte Linie 42 angedeutet

Es sei angenommen, daß diese Ladung während der Zeit der Phase 1 (während des negativen Impulses Φι) im Gebiet £unter der Elektrode 40-46 des Paares 40-4a, 40-46 eingetroffen ist. Es ist klar, daß die Asymmetrierichtung der Potentialwanne jetzt umgekehrt ist Bei E befindet sich die Aluminiumelektrode 40-4a rechts von der dazugehörigen Elektrode 40-46, während bei D die Aluminiumelektrode 40-4a sich links von der dazugehörigen Elektrode 40-46 befindet. Beim nächsten Impuls Φ2 wandert daher die bei E gespeicherte Ladung nach links nach F.

Bei der Anordnung nach F i g. 14 kann man auf einem einzigen Substrat mehrere Schieberegister (wie schematisch in F i g. 2 angedeutet) unterbringen, die ein sehr langes Schieberegister simulieren. Wie bereits erwähnt und noch erläutert wird, können die den Ausgang jedes Schieberegisters mit dem Eingang des folgenden Schieberegisters verbindenden Einrichtungen in integrierter Form auf dem gleichen Substrat untergebracht werden wie die Register. Was das Verhältnis der Größe zur Speicherkapazität betrifft, so kann, wenn jede Speicherstelle eine Fläche von etwa 0,0025-0,005 mm (1-2 Mil) einnimmt, ein 10*-Bit-Register auf einem Substrat mit einer Fläche von 2,54 χ 2,54 mm (100 χ 100 Mil) oder 6,45 mm² (0,01 Quadratzoll) untergebracht werden.

Das später zu erläuternde Herstellungsverfahren ist ähnlich wie das bekannte Herstellungsverfahren für MOS-Feldeffekttransistoren mit Siliciumgitter. Jede Speicherstelle erfordert nur ein einziges Speicherelement (einen einzigen Ladungsspeicherkondensator), zum Unterschied von den erforderlichen vier oder sechs Transistoren pro Speicherstelle bei vielen derzeit bekannten Speichern. . ■

Fig. 17 zeigt eine andere Ausführungsform einer zweidimensionalen Anordnung mit einem n-Siliciumsubstrat 43, einer Siliciumdioxydschicht 44, die in einigen Gebieten dick und in anderen Gebieten dünn Ist, und auf dem Siliciumdioxyd angebrachten p-h-PoIysiliciumstreifen 65-69. Die Querschnittsdarstellungen nach Fig. 18 und 19 dienen der Veranschaulichung des Auf baus. Das dünne Schichtgebiet (Schnitt 9'-9') ist im Querschnitt ähnlich wie in F i g. 9.

Der Schlußteil der Anordnung, d.h. der auf der Oberfläche in Fig. 17 befindliche Teil enthält die Aluminiumstreifen 50 und 52, die zur Doppelkammanordnung, im einen Fall mit z. B. den Ansätzen 53 bis 58 und im anderen Fall z. B. den Ansätzen 59 bis 63, reichen. Der Streifen 50 ist an die Φι-Spannungsquelle angeschlossen und der Streifen 52 ist an die Φ2-έρ3η-nungsquelle angeschlossen. Der Streifen 50 ist mit jeder zweiten Polysiliciumelektrode 66 und 68 verbunden, und der Streifen 52 ist mit jeder zweiten Polysiliciumelektrode 65,67 und 69 verbunden, und zwar in beiden Fällen in der gleichen Weise wie in F i g. 14.

An einer Speicherstelle wird beispielsweise ein Elektrodenpaar für die Phase 1 durch den Ansatz 75 und die Elektrode 68, das nächste Elektrodenpaar für die Phase 2 durch den Ansatz 56 und die Elektrode 67, das nächste Elektrodenpaar für die Phase 1 durch den Ansatz 74 und die Elektrode 66 gebildet und so fort

Im Betrieb der Anordnung nach Fig. 17 wandert, wenn anfänglich eine Ladung während eines impulses der Phase 1 unter dem Elektrodenpaar 75-68 gespeichert wird, diese Ladung während des nächsten Impulses der Phase 2 nach links unter das Elektrodenpaar 56-67, während des nächsten Impulses der Phase 1 weiter nach links unter das Elektrodenpaar 74-66 und so fort Somit wird beim Schieberegister entlang 9'-9' die gespeicherte Ladung nach links fortgeleitet Dagegen wird beim nächsten Schieberegister mit den Ansätzen 53,60,55 usw. die dort gespeicherte Ladung nach rechts fortgeleitet. Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 9 bewirken also, wenn jeder horizontale Satz von Ansätzen als ein Schieberegister aufgefaßt wird, die der Elektrode 50 und 52 zugeleiteten zweiphasigen negativen Spannungsimpulse, daß in aufeinanderfolgenden Registern Ladungen in entgegengesetzten Richtungen fortgeleitet werden.

Ein Schieberegister mit der Anordnung nach F i g. 11 oder Fig. 12 ist in Fig.20 gezeigt Es enthält einen gemeinsamen Leiter 90, der an die Doppelkammansätze 91,92,93, die jeweils eine Elektrode eines Paares bilden, angeschlossen ist Die Polysiliciumelektrode 94 ist die zweite Elektrode des Paares 91,94, und die Polysiliciumelektrode 95 ist die zweite Elektrode des Paares 92,95. Die Polysiliciumelektroden 94 und 95 sind bei 96 und 97 direkt mit dem Aluminiumleiter 98 verbunden. Die Elektroden für die Phase 2 sind gleichartig aufgebaut und symmetrisch zu den Elektroden der Phase 1, und sie sind wie gezeigt angeordnet

Wie bei den bereits erläuterten Ausführungsformen enthält derjenige Teil der Anordnung nach F i g. 20, in dem gespeicherte Ladungen fortgeleitet werden, ein dünnschichtiges Siliciumdioxydgebiet bei 1Γ-1Γ. Der Querschnitt in diesem Dünnschichtgebiet ähnelt dem nach Fig. 11. Statt dessen kann der Querschnitt auch wie in F i g. 12 sein. Die Wirkungsweise des Schieberegisters nach F i g. 20 entspricht weitgehend der Wirkungsweise der bereits erläuterten Ausführungsformen.

Der Aufbau nach Fig.20 ist etwas ungünstig im Hinblick auf die Packungsdichte, da zusätzlicher Platz für die Leiter 98 und 98' benötigt wird. Trotzdem erhält man eine brauchbare und wirtschaftliche Anordnung, wenn man diesen Aufbau in der in Fig.21 gezeigten Weise abwandelt Hier bildet im Gebiet 100 jede Polysiliciumelektrode wie 1046 mehrere Speicherstellen statt nur einer einzigen Speicherstelle. Dies veranschaulicht Fig.22, die einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 22-22 in Fi g. 21 darstellt

Im Betrieb der Anordnung nach F i g. 2! sind mehrere Quellenelektroden (nicht gezeigt) vorhanden, die in das erste »Eiektrodenpaar« eine Anzahl von Ladungen einbringen, die einer Informationseinheit (1 Byte) entsprechen. Beispielsweise kann jede Polysiliriumelek-

trode eines Paares acht oder mehr dünne Siliciumdioxydschichtgebiete 104 nach Fig.22 enthalten, unter denen 8 Informationsbits gespeichert werden können. Diese Bits, dargestellt durch die Anwesenheit oder Abwesenheit von Ladung, werden z. B. informationseinheitsweise (Byte um Byte) von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar verschoben. Beispielsweise können sie (die 8 Bits) vom Elektrodenpaar 104-la, 104-16 zum Elektrodenpaar 104-2a, 104-26 verschoben werden, wobei in jedem Fall die a-Elektrode die Aluminiumelektrode an der Oberfläche und die ö-Elektrode die Polysiliciumelektrode sind.

Wenn man versucht, ein Signal entlang einer verhältnismäßig langen Polysiliciumleitung im dichten Abstand von einem Siliciumsubstrat zu senden, ergibt sich eine ziemlich lange Signallaufzeit, weil die Polysiliciumleitung einen verhältnismäßiig hohen Flächenwiderstand, in der Größenordnung von 10 bis 20 Ohm pro Flächeneinheit, hat, so daß die Leitung sich wie eine ÄC-Übertragungs- oder -Verzögerungsleitung verhält, wobei der »Kondensator« durch die verteilte Kapazität zwischen der Leitung und dem Substrat gebildet wird. Zur Lösung dieses Problems haben die Anordnungen nach Fig.20 und 21 mehrere verhältnismäßig kurze Polysiliciumleitungen oder -streifen wie 94 und 95 in Fig.20, die sämtlich parallel zu einer verhältnismäßig hochleitenden Leitung wie der Aluminiumleitung 98, die einen verhältnismäßig großen Abstand (10 000 Ä oder mehr) vom Substrat hat, geschaltet sind. Jedoch muß dafür, wie bereits erwähnt, ein größerer Platzbedarf in Kauf genommen werden, wodurch die Packungsdichte sich verringert.

Bei der Anordnung nach Fig.23 ist das oben genannte Problem auf andere Weise so gelöst, daß kein zusätzlicher Platz benötigt wird. Hier hat das Schieberegister, ähnlich wie in Fig.20 und wie in der Querschnittsdarstellung nach Fig. 11, einen Doppelkammaufbau, und der Polysiliciumteil ist ebenfalls doppelkammförmig (d.h. ineinandergreifend) aufgebaut Die der Leitung 98 in F i g. 20 analoge Sammelleitung besteht aus einer langen Polysiliciumleitung wie 106, die mit ihrer gesamten Länge unter der entsprechenden Aluminiumleitung 108 liegt. Der Abstand /(F i g. 24) zwischen diesen beiden Leitungen kann in der Größenordnung von 500 bis 1000 A betragen, was kleiner als der oder vergleichbar mit dem Abstand a (Fig. 11) zwischen der Polysiliciumleitung und dem Substrat im dünnschichtigen Siliciumdioxydgebiet sein kann. Der Abstand zwischen der Polysiliciumleitung 106 und dem Substrat im dickschichtigen Siliciumdioxydgebiet (Abmessung q in F i g. 24) kann in der Größenordnung von 10 000 A oder mehr betragen.

Aufgrund dieser Geometrie wird die Kapazität zwischen der Polysiliciumleitung und den Aluminiumelektroden erheblich größer als zwischen der Polysiliciumleitung und dem Substrat, well eine viel größere Fläche des Polysiliciums vorhanden ist, die einen kleinen Abstand vom Aluminium hat, als eine solche, die einen vergleichbaren Abstand vom Substrat hat Außerdem kann, wie bereits erwähnt, der Aufbau so sein, daß der dichteste Abstand der Polysiliciumleitung vom Siliciumsubstrat 1000 bis 2000 A beträgt, während die Abmessung/etwa 500 A betragen kann.

Die Kopplung zwischen einer Aluminiumleitung und ihrer dazugehörigen Polysiliciumleitung kann auch auf andere Weise vergrößert werdea Beispielsweise kann die Silichimdioxydschicht nach Fig.24 durch eine etwa 500 A dicke Schicht aus Siliciumnitrid oder einem anderen Dielektrikum, das eine höhere Dielektrizitätskonstante als Siliciumdioxyd hat, ersetzt werden. Oder die Siliciumdioxydschicht kann durch eine ziemlich dünne dotierte Oxydschicht ersetzt werden, die an der Oberfläche des Polysiliciums einen p-n-Übergang bildet, so daß Direktschlüsse aufgrund von Poren, die bei der sehr dünnen Oxydschicht, die weniger als 500 A dick sein kann, auftreten können, vermieden werden.

Bei dem oben erläuterten Aufbau sind die Aluminiumleitungen wechselspannungsmäßig fest mit den entsprechenden Polysiliciumleitungen gekoppelt. Wenn daher z. B. die Leitung 108' mit einem Impuls Φι beaufschlagt wird, wird sie »augenblicklich« kapazitiv mit der Polysiliciumleitung 106' gekoppelt, während zugleich die beiden Leitungen eine gegenseitige Spannungsdifferenz in der bereits erläuterten Weise führen.

F i g. 25 zeigt eine zweidimensionale Anordnung, die auf den im Zusammenhang mit Fig.23 und 24 erläuterten Prinzipien beruht. Diese Anordnung hat im wesentlichen die gleiche Packungsdichte wie die Anordnung nach F i g. 17 und arbeitet mit einer Spannungsdifferenz wie die Anordnung nach F i g. 17 sowie nach F i g. 11 und 12. Auch hier sind dünnschichtige und dickschichtige Siliciumdioxydgebiete vorhanden. Dünnschichtige Gebiete befinden sich beispielsweise bei 11-11 in Fig.25. Der Querschnitt dieser Gebiete kann wie in Fig. 11 oder wie in Fig. 12 sein. Die dickschichtigen Gebiete liegen zwischen den dünnschichtigen Gebieten. F i g. 27 und 28 zeigen im Querschnitt entlang der Schnittlinien 27-27 bzw. 28-28 in F i g. 25 sowohl die dickschichtigen als auch die dünnschichtigen Gebiete.

Von Interesse bei der Anordnung nach Fig.25 ist ferner die Art und Weise der Zuleitung der zweiphasigen Spannungen nach den Ansätzen der Anordnung. Beispielsweise wird die Spannung der Phase 1 direkt über den Aluminiumleiter 116 den jeweils zweiten Aluminiumleitungen 118, 120, 124 zugeleitet. Die negativere Spannung der Phase 1 wird über den Aluminiumleiter 126 der Polysiliciumleitung 128 über deren gesamte Ausdehnung zugeleitet. Dieser Direktanschluß ist deutlicher in Fig.26 gezeigt, die einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 26-26 in Fig.25 darstellt Die lange Polysiliciumleitung 128 liegt parallel zu den Polysiliciumleitungen 118a, 120a, 124a. Eine ähnliche Anordnung ist für die Spannung der Phase 2 vorgesehen.

Bei der Anordnung nach Fig.25 wie bei der Anordnung nach Fig.23 ist die Kapazität zwischen jeder Aluminiumleitung wie 118 und der dazugehörigen Polysiliciumleitung wie 118a viel größer als die Kapazität zwischen der Polysiliciumleitung und dem Substrat, weil über einen verhältnismäßig großen Flächenbereich der verhältnismäßig dichte Abstand zwischen den Leitungen 118 und 118a besteht, wie im Zusammenhang mit F i g. 23 erläutert

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig.25 ergibt sich aus den betreffenden Erläuterungen im Zusammenhang mit F i g. 23. In der im Zusammenhang mit dem Eingangsteil des Systems erläuterten Weise kann Ladung in ein Schieberegister eingebracht werden. Diese Ladung, wenn sie einmal sich in einem Schieberegister befindet, wandert im obersten Schieberegister in der einen Richtung (nach rechts), im nächsten Schieberegister in der entgegengesetzten Richtung (nach links) und so fort Die einzelnen Schieberegister sind durch Regenerierschaltungen miteinander gekoppelt

Kopplung zwischen benachbarten Schieberegistern
des Systems

F i g. 29 zeigt im Querschnitt die Kopplungsanordnung zwischen dem Ausgangsende eines Registers und dem Eingangsende eines zweiten Registers. Die Platten oder Elektroden 14-(n—\), 14-n, 16-0 usw. sind einfach als Einzelelemente dargestellt. Ihr tatsächlicher Aufbau kann ähnlich wie in Fig.9, 11 und 12 sein und wird spater erläutert. Das Substrat 10 ist ein gemeinsames Substrat, und die Siliciumdioxydschicht 12 ist ebenfalls eine gemeinsame Schicht.

Neuartig in F i g. 29 ist ein massenanschlußfreies oder Übergangsgebiet F sowie ein Abfluß D, beide im Substrat. Diese Gebiete sind stark dotierte ρ + -Siliciumgebiete, ähnlich wie die Quelle S\ in F i g. 4 und 7. Der Übergang F und der Abfluß D entsprechen der Quellenelektrode bzw. der Abflußelektrode eines MOS-Transistors, und die Elektrode 14-(π+1) entspricht der Gitterelektrode eines solchen Transistors. Der Abfluß D ist an eine Spannungsquelle V₄ angeschlossen, die eine Spannung von z.B. —10 Volt liefert.

Das Eingangsende des nächsten Schieberegisters enthält eine Quelle 52 und eine Gitterelektrode 17, die ähnlich arbeiten und aufgebaut sind wie die Quelle S\ und die Gitterelektrode 14-0 in den zuvor erläuterten Figuren. Die durch den Spannungsimpuls V_c gesteuerte Elektrode 17 gibt den Zeittakt für die Übertragung des Ladungssignals von der Quelle S₂ zur Potentialwanne unter der ersten Elektrode 16-1. Wie bereits erläutert, kann diese Potentialwanne unter der ersten Elektrode des zweiten Schieberegisters in einem vorausbekannten Maße mit Ladung gefüllt werden, so daß ihr Oberflächenpotential der Spannung der Quelle 5₂, d. h. der Spannung von Vi, die z. B. —5 Volt betragen kann, angenähert ist

F i g. 29 zeigt auch einige der im System vorhandenen Kapazitäten. Diese Kapazitäten sind nachstehend definiert und ihre Bedeutung im Betrieb des Systems wird später erläutert.

Ca = Kapazität zwischen Elektrode 14-n und massenanschlußfreiem Übergang F;

Cb = Kapazität zwischen Rückstellelektrode 14-fn+ 1) und Übergang F;

C₃ = Kapazität zwischen Übergang Fund Substrat 10;

C₄ = Kapazität zwischen Gitterelektrode 16-0 und Substrat 10;

C₅ = Kapazität zwischen Substrat 10 und dem den Übergang F mit der Gitterelektrode 16-0 verbindenden Leiter 140;

Cf = C₃ + Cb + C₃ + C₄ + C₅ = effektive Gesamtkapazität des Übergangs F

Die Wirkungsweise des Systems nach Fig.29 wird zunächst für den Fall erläutert, daß die Kapazitäten C und Cb erheblich kiemer als Cf sind. Ferner sei angenommen, daß die Schieberegister mit einer dreiphasigen Spannungsquelle betrieben werden, da dies eine der einfacheren Betriebsarten ist Die Arbeitsweise anderer Anordnungen, die mit vierphasigen und mit zweiphasigen Spannungsquellen arbeiten, wird später erläutert.

F i g. 31 zeigt im Betrieb der Anordnung nach F i g. 29 verwendeten Signalverläufe. Fig.30 zeigt schematisch die entstehenden Potentialwannen und die Art und Weise der Ladungsübertragung bei Beaufschlagung mit den Signalverläufen nach F ig. 31.

F i g. 30 (a) veranschaulicht die Situation während des Impulses Φι (Zeitpunkt t\ in Fig. 31). Gleichzeitig mit dem negativen Impuls Φ₂ ist ein Rückstellimpuls Vr anwesend, der vorzugsweise negativer als. die Betriebsspannung V₄ ist. F i g. 30 (a) zeigt, daß sich bei Auftreten des Impulses Φ2 eine Ladung 142 in der Potentialwanne unter der Elektrode 14-fn— 1) angesammelt hat. Gleichzeitig hat der an der Rückstellelektrode i4-(n+1) anliegende Impuls V« von — 15 Volt einen niederohmigen Kanal, schematisch dargestellt bei 144, zwischen der Quelle F und dem Abfluß D erzeugt, wodurch das Gebiet F auf ein Bezugspotential dicht bei dem Wert von V₄ zurückgeschaltet wird, während die Ladung, die sich während des vorausgegangenen Zyklus bei F angesammelt hat, zum Abfluß D übertragen wird.

Fig.30(b) veranschaulicht die Situation nach dem Ende des Impulses der Phase 2 und dem Einsetzen des Impulses Φ3 der Phase 3 (Zeitpunkt h in Fig.31). Die zuvor unter der Elektrode \A-(n— 1) anwesende Ladung ist in die vereinigte Potentialwanne unter der Elektrode 14-n und dem Übergang F geflossen. Im vorliegenden Fall ist die Wanne unter der Elektrode 14-n tiefer als die unter der Elektrode F (14-n führt eine Spannung von —15 Volt, während Feine Spannung von ungefähr —10 Volt führt), so daß die Ladung bestrebt ist, sich im erstgenannten Gebiet der Potentialwanne anzusammeln, wie gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt t₂ ist Vr, die Rückstellspannung, 0 Volt. Es wird daher eine Potentialschwelle unter der Rückstellelektrode erzeugt,

d. h. der Kanal zwischen dem Übergang F und dem Abfluß D befindet sich in seinem hochohmigen Zustand. Betrachtet man F als eine Quelle, die Elektrode 14-fn+l) als ein Gitter und D als einen Abfluß eines MOS-Transistors, so ist dieser Transistor gesperrt, und

J5 es gelangt keine Ladung nach D.

Die bei Auftreten des nächsten Impulses Φι sich ergebende Situation ist in Fig.30(c) veranschaulicht. Nach dem positiven Pegelübergang des Impulses Φ3 (z. B. zum Zeitpunkt t_2a in F i g. 31) wird die etwa unter

der Elektrode 14-n vorhandene Ladung zum Übergang Fübertragen. Wenn am Übergang FLadung vorhanden ist, wird das Potential dieses Übergangs relativ positiv (tatsächlich weniger negativ). Da dieser masseanschlußfreie Übergang direkt mit der Steuerelektrode 16-0 verbunden ist, erhält diese Steuerelektrode ein relativ positives Potential, so daß die Potentialwanne unter dieser Elektrode sehr flach wird. Diese flache Potentialwanne wirkt als Spannungsschwelle. Während des gleichen Intervalls, z.B. zum Zeitpunkt f₃ in Fig.31, wird der Impuls V_c angelegt Dieser Impuls bewirkt, daß ein leitender Kanal von der Quellenelektrode 52, die eine Spannung von —5 Volt führt nach einem Substratgebiet unter der Elektrode 17 entsteht. Da jedoch die Steuerelektrode 16-0 erheblich positiver ist als Vt —5 Volt, die Spannung des leitenden Kanals, können keine Ladungen von der Quelle 52 in die Potentialwanne fließen, die unter der Elektrode 16-1 durch den dieser Elektrode zugeführten negativen Spannungsimpuls Φι erzeugt wird.

Fig.30(d)veranschaulicht den Fall, daß das letzte im ersten Register gespeicherte Bit eine »0« statt einer »1« ist In diesem Fall wird während des Impulses Φ3 unter der Elektrode 14-n eine »0« gespeichert Der Übergang F bleibt daher, negativ auf ungefähr —10 Volt der Spannung, auf die er während des Impulses Φ2 geladen worden ist Diese der Steuerelektrode 16-0 zugeführte Spannung hat daher die Durchlaßrichtung, so daß während des Impulses V_c ein leitender Kanal 146 von

der Quelle St zum Substratgebiet unmittelbar unter den Elektroden 17 und 16-0 und zur Potentialwanne, die unter der ersten Elektrode 16-1 durch den —15-Volt-Impuls Φ\ erzeugt worden ist, besteht Dadurch können die an der Quelle Si vei fügbaren positiven Ladungsträ- s get- zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 fließen, bis das Oberflächenpotential der Wanne sich dem Potential der Quelle 5j anzunähern beginnt Wenn daher unter der letzten Elektrode 14-/7 des ersten Schieberegisters eine »0« gespeichert ist, wird zur ersten Elektrode 16-1 des nächsten Schieberegisters eine »1« Obertragen.

Wenn also während des Impulses Φ₂ eine dem Bit »1« entsprechende Ladung unter der Elektrode 14-fn—1) gespeichert worden ist, so wird das Bit »1« während des Impulses Φ₃ zur Potentialwanne unter der Elektrode 14-17 fibertragen. Während des Impulses Φι wird unter der ersten Elektrode 16-1 des nächsten Schieberegisters die Abwesenheit einer Ladung, entsprechend dem Bit »0«, gespeichert Somit wird, wenn das letzte Bit im ersten Register eine »1« ist, deren Komplement »0« in das zweite Schieberegister eingeschoben. Wenn dagegen das letzte Bit im ersten Schieberegister eine »0« ist wird deren Komplement »1« in das zweite Schieberegister eingeschoben.

Die Anordnung nach Fig.32 entspricht schaltungsmäßig der nach F i g. 29, wobei jedoch in diesem Fall eine vierphasige statt einer dreiphasigen Spannungsquelle verwendet wird. Durch das Arbeiten mit vier statt mit drei Phasen wird die Taktgebung insofern etwas vereinfacht als statt des Impulses Vr der Impuls Φι der Elektrode t4-(n+1), zugeleitet werden kann.

Im Betrieb der Anordnung nach Fig.32 wandert während des Impulses Φι (Zeitpunkt fi in Fi g. 33) eine Ladung, falls vorhanden, unter die Elektrode l4-(n -2). Dieser gleiche, der Elektrode 14-fn+l) zugeführte Impuls bewirkt daß zwischen dem Übergangsgebiel F und der Abflußelektrode D eine Inversionsschicht entsteht, so daß das Obergangsgebiet F die etwa im vorausgegangenen Zyklus angesammelte positive Ladung abgibt und eine negative Spannung von ungefähr —10 Volt annimmt. Während des Impulses Φ3 wandert die unter der Elektrode 14-(n-2) anwesende Ladung in das Substratgebiet unter der Elektrode 14Yn-I). Während des Impulses Φ4 (Zeitpunkt t₃ in Fig.33) wandert die Ladung in das Gebiet unter der Elektrode K-π und kann sich im Übergangsgebiet Fanzusammeln beginnen. Der Ladungsübergang nach F ist bis zum Ende des Impulses Φ4 beendet, wodurch die Steuerelektrode 16-0 relativ positiv gegenüber dem Potential von S2 wird, wenn sich in Feine dem Bit »1« entsprechende positive Ladung angesammelt hat, während sie negativ wird, wenn das Gebiet Fnegativ, entsprechend dem Bit »0«, bleibt.

Während des Anliegens des negativen Impulses Φι gelangt der Steuerspannungsimpuls V_czur Elektrode 17, und zwar zum Zeitpunkt U in Fig.33. Je nachdem, ob die Elektrode 16-0 relativ negativ oder relativ positiv gegenüber S₂ ist, ehtsteht ein leitender Kanal von der Quelle S2 zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 oder entsteht kein solcher Kanal. Das heißt, die an der Quelle Si verfügbaren positiven Ladungsträger gelangen oder gelangen nicht zum Gebiet der Potentialwanne unter der Elektrode 16-1.

Vorstehend wurde der Betrieb des Systems mit überlappenden Impulsen betrachtet. Dabei wird der Ladungsübergang von einer zur nächsten Potentialwanne durch Erniedrigen des Oberflächenpotentials einer folgenden Wanne hervorgerufen, während das Potential der die zu übertragende Ladung enthaltenden Wanne angehoben wird, so daß deren Ladung in die folgende Potentialwanne fließt Verwendet man eine verhältnismäßig große Substratvorspannung V_n, beispielsweise von 10—15 Volt so kann man die Anordnung mit mehrphasigen Impulsen, die sich nicht überlappen, betreiben. In diesem Fall kann der Steuerimpuls V_R durch einen entsprechenden der mehrphasigen Spannungsimpulse ersetzt werden. In diesem Fall hängt, ob der Steuerimpuls V_c gänzlich entfallen kann oder nicht davon ab, wie schnell die Ladung aus dem Gebiet unter der Elektrode 14-n zum Gebiet unter dem Obergang F übertragen werden kann. Wenn diese Ladungsübertragung ausreichend schnell erfolgt (ein kürzeres Zeitintervall beansprucht als das Intervall zwischen den nichtüberlappenden Impulsen Φζ und Φ4, Fig.29), so ergibt sich ein einwandfreier Betrieb.

Wenn (F i g. 29) die Kapazitäten C, und C_b größer als ein kleiner Bruchteil des Wertes der Gesamtkapazität C/rdes Übergangsgebietes Fsind, kann die Arbeitsweise der Ausgangsschaltung beträchtlich von der eben erläuterten Arbeitsweise abweichen. Es soll zunächst die Wirkung der Kapazität Q, betrachtet werden. Wenn diese Kapazität gegenüber der Gesamtkapazität O nicht vernachlässigbar ist, so wird bei der Vorderflanke des Rückstellimpulses Vr an der Elektrode \4-(n+1), wo der positiv gerichtete Spannungsübergang auftritt dieser positive Spannungsübergang kapazitiv auf das Gebiet F gekoppelt, so daß eine positive Stufe im Potential von Fauftritt Dies hat zur Folge, daß am Ende dieses Rückstellimpulses Vr das Gebiet F ein höheres (positiveres) Potential als V₄ (die Gleichspannung, auf der das Abflußgebiet D liegt) führt Da bei sämtlichen in Betracht kommenden Schaltungen Q₁ möglichst klein sein sollte, sollte das Ausmaß der Überlappung zwischen der Elektrode 14-(n+l) und dem Gebiet F minimal sein. Eine Methode, um eine solche minimale Überlappung zu erzielen, besteht in der Verwendung eines »selbstausgerichteten Polysiliciumgitters« wie bei 14-(n+1) in Fig.37 gezeigt Ein geeignetes Herstellungsverfahren hierfür wird später beschrieben.

Während die Kapazität Cb möglichst nicht vorhanden sein sollte, kann mit Hilfe der Kapazität C, in vorteilhafter Weise eine andere Betriebsart der Ausgangsschaltung erhalten werden. Für den Fall eines ladungsgekoppelten Schieberegisters mit Dreiphasen-Spannungsbetrieb kann die Schaltung in genau der gleichen Weise aufgebaut sein wie in F i g 29, jedoch kann der negative Taktsteuerspannungsimpuls V_c entfallen.

Im Betrieb besteht der Hauptunterschied zwischen dieser Schaltungsart und der nach F i g. 29 darin, daß wegen der verhältnismäßig starken kapazitiven Kopplung Ct das Potential des Gebietes Fdas Bestreben hat, der Spannungsausschwingung der überlappenden Elektrode 14-n, die mit dem Spannungsimpuls Φ3 angesteuert wird, zu folgen. Somit wird während des Impulses Φ3 das Gebiet Fverhältnismäßig stark negativ. Man kann daher das Potential des Gebietes F direkt dazu verwenden, den Ladungsübergang von der Quelle Si zur ersten Potentialwanne (unter der Elektrode 16-1) des zweiten Schieberegisters zu steuern. Das heißt, wenn während des negativen Impulses Φ3 keine Ladung unter der Elektrode 14-n anwesend ist, entsprechend der Speicherung des Bits »0«, so hält das Gebiet F die Gitterelektrode 16-0 ausreichend negativ, so daß während der Zeit, wo die Vorderflanke des negativen

impulses Φ_λ die Hinterflanke des negativen Impulses Φ3 überlappt, Ladung von der Quelle S₂ zum Gebiet unter der Elektrode 16-1 fließen kann. Wenn dagegen während des Impulses Φ₃ unter der Elektrode 14-n positive Ladung anwesend ki, entsprechend dem Bit »1«, so wird das Gebiet F ausreichend positiv, um den Ladungsfluß von der Quelle Si zum Gebiet unter der Elektrode 16-1 während des nächsten Impulses Φι zu verhindern. All dies ist möglich, ohne daß der zusätzliche Taktsteuerimpuls V_cgebraucht wird.

Es gibt noch andere Betriebseigenschaften, die in vorteilhafter Weise ausgenützt werden können, wenn die Kapazität C, einen erheblichen Wert hat Bei Beendigung des Impulses Φ₃ (Zeitpunkt fa in Fig.31) erzeugt die positive Spannungsausschwingung von Φ3 eine positive Spannungsstufe im Gebiet F, durch die der Vorgang der Rückstellung von F auf das Bezugspotential V4 verändert wird. Aufgrund dieses Effektes läßt sich die Ausgangsschaltung in zweierlei V/eise vereinfachen. Zunächst kann der Rückstellimpuls Vr durch eine Gleichspannung, beispielsweise Masse- oder Nullspannung (da das Substrat eine Spannung + V_n führt) oder eine negativere Spannung wie Vi ersetzt werden. Sodann kann der Aufbau der Ausgangsschaltung vereinfacht werden, indem man die Rückstellelektrode 14-fn+1) sowie den Abfluß D und die Quelle 52 mit der gleichen Spannung, beispielsweise Vj, betreibt. Schließlich kann durch Verwendung einer,speziellen Steuersignalform V_a nach Fig.35 die Wirkungsweise der Schaltung verbessert werden.

F i g. 34 zeigt eine Schaltungsausführung, bei der die oben genannten Merkmale vereinigt sind. Die gemeinsame Spannung Vi, auf der die Elektroden D und 52 gehalten werden, kann -5 Volt betragen, während das Substrat 10 auf + 5 Volt vorgespannt sein kann.

Bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig.34 sind Fig.34, 35 und 36 heranzuziehen. Zum Zeitpunkt t\ kann unter der Elektrode 14-fn—2) eine Ladung anwesend sein. Das zusammengesetzte Signal V, hat seinen positivsten Wert, der Nullpotcntial entsprechen kann. Aufgrund dieses positiven Impulses wird das Gebiet F, das durch die Kapazität C_a mit erheblichem Wert kapazitiv mit der Elektrode 14-/7 gekoppelt ist, ebenfalls relativ positiv gesteuert. Als Folge davon verhält sich das Gebiet F wie eine verhältnismäßig stark durchlaßgespannte Quellenelektrode eines MOS-Transistors, und etwa zuvor dort gespeicherte Ladung wird über das Kanalgebiet unter der Elektrode 14-(7n-1) zur Abflußelektrode D übertragen. Dabei nimmt das Gebiet Feinen negativen Wert an, der etwas weniger negativ als —5 Volt ist, und zwar —5 Volt + V,, wobei V, die Schwellenspannung ist, wie bereits erwähnt. Die Form der Potentialwannen zum Zeitpunkt fi ist in F i g. 36 (a) gezeigt.

Danach tritt der Impuls Φ2 auf, und die unter der Elektrode 14-(n-2) anwesende Ladung wandert zum Substratgebiet unter der Elektrode 14-fn—1). Dieser Vorgang ist unkompliziert und in Fig.36 nicht veranschaulicht.

Zum Zeitpunkt k hat die Steuerspannung V„ ihren (,0 negativsten Wert. Der negative Impuls Φ3 hat eingesetzt, und der Impuls Φ2 geht zu Ende. Wenn der Impuls Φ2 ein negatives Maximum von —15 Volt hat, beträgt die tatsächlich an der Elektrode i4-(n— 1) zu diesem Zeitpunkt herrschende Spannung ungefähr -8 Volt. b5 Die zu dieser Zeit erzeugten Potentialwannen sind in Fig.36(b) gezeigt. Die zuvor in der Potentialwanne unter der Elektrode 14-(Vj-I) anwesende Ladung fließt in die Poteniialwanne unter der Elektrode 14-n und in das Gebiet F. Aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen der Elektrode 14-yjund dem Gebiet Fführtdas Gebiet F eine negativere Spannung als die Elektrode 14-fl, da das Gebiet F anfänglich um fast —5 Volt negativ war. Die tiefste Potentialwanne befindet sich daher beim Gebiet F, und wenn anfänglich Ladung unter der Elektrode i4-(n-2) gespeichert war, so sammelt sich diese Ladung schließlich im Gebiet Fan. Der Abfluß D ist nicht so negativ wie das Gebiet F, und ferner ist, da die Elektrode i4-(n+1) vom Substrat beabstandet ist, das Oberflächenpotential unter dieser Elektrode etwas weniger negativ als das des Abflusses D.

Während des Zeitintervalls mit fe steht der Impuls Φ₃ an. Dieser Impuls wird anderswo in der Anordnung, beispielsweise an die Elektrode 16-3 in Fig.34 angelegt, so daß eine zuvor unter der Elektrode 16-2 gespeicherte Ladung zur Elektrode 16-3 wandert Gewünschtenfalls könnte man, statt die Steuerspannung V„ zu verwenden, den Impuls Φ3 der Elektrode 14-Λ zuleiten, wie bereits erläutert; jedoch ist die dabei erhältliche Steuerung der Ladungsübertragung und Signalregenerierung nicht so vielseitig, wie noch erläutert wird.

Zum Zeitpunkt f3 steht der Impuls Φ\ an. Zugleich steigt die Spannung V₈ auf einen Wert zwischen 0 und -15 Volt an. Der tatsächliche Wert hängt von Schaltungsparametern wie dem Wert der Kapazität C₁ (F i g. 29) und anderer verteilter Schaltungskapazitäten ab.

Durch das Ansteigen der Spannung von V, auf - V wird die Potentialwanne des Gebietes F etwas flacher; sie bleibt jedoch immer noch ausreichend tief, um zu verhindern, daß der größte Teil der Ladung im Gebiet F zum Gebiet D fließt. Der Wert von - V ist so gewählt, daß, wenn bei F Ladung anwesend ist, entsprechend dem Bit »1«, die Spannung bei 16-0 den Ladungsübergang von der Quellenelektrode S₂ zum Gebiet unter 16-1 verhindert. Diese Situation ist in Fig.36(c) veranschaulicht. Die Spannung V_c kann auch so bemessen sein, daß bei Abwesenheit von Ladung im Gebiet F entsprechend der Speicherung des Bits »0«, unter der Elektrode 16-0 ein leitender Kanal erzeugt wird, so daß Ladung von der Quelle 52 zum Gebiet unter der Elektrode 16-1 übertragen wird. Diese Situation ist in F i g. 36 (d) veranschaulicht.

Die Schaltung nach F i g. 34 ist besonders gut geeignet, wenn sie mit MOS-Bauelementen (F, 14-(n+1), D) vom stromerhöhenden Typ, die niedrige Schwellenspannungen haben, realisiert wird. Auch andere, bereits erläuterte Schaltungsausführungen können in vorteilhafter Weise mit speziellen Signalformen wie V_a nach F i g. 35 zur Steuerung der Elektrode, die das Übergangsgebiet F überlappt, betrieben werden. Dies ermöglicht eine bessere Taktsteuerung des am Gebiet F erzeugten Potentials sowie die Verschiebung dieses Potentials auf einen negativeren Wert (wenn F eine Ladung vom Gebiet unter einer Elektrode wie 14-f/?-2) empfängt, Fig.34) und auf einen weniger negativen Wert - Knach F i g. 35, der so gewählt wird, daß sich die gewünschte Schwellenspannung für die Signalregenerierung ergibt, wenn die Potentialwanne unter der ersten Speicherelektrode 16-1 des nächsten Schieberegisters empfangsbereit für Ladung ist. Dies bedeutet, daß die positive Stufe Δ V bei V₃ (kapazitiv gekoppelt mit F) eine zusätzliche Steuerung bewirkt, die sicherstellt, daß, wenn das an Fangrenzende Substratgebiet im zulässigen Maße mit Ladung gefüllt ist, das Potential von F (zugeleitet der Elektrode 16-0) den

Ladungsfluß von der Quellenelektrode & zum Gebiet unter der ersten Speicherelektrode 16-1 unterbindet

Fig.37 zeigt in etwas realistischerer Darstellung einen möglichen Aufbau für den schematisch in F i g. 29 dargestellten Schaltungsteil, Hier wie auch in anderen Figuren sind jedoch die Dicken der einzelnen Elektroden (ihre Vertikalabmessungen) nicht maßstabgerecht, sondern im Verhältnis zu den Horizontalabmessungen (Längen) der Elektroden stark übertrieben dargestellt Der gleiche Aufbau sowie die abgewandelten Ausführungsformen nach Fig.38, 39 und 40 sind auch für den schematisch in F i g. 32 und 34 dargestellte Anordnung geeignet

F i g. 37 zeigt eine Ausführung der ladungsgekoppelten Vierphasen-Schaltung mit Siliciumgitter, wie im Zusammenhang mit Fig.32 und 33 erläutert Fig.38 zeigt das untere der beiden Schieberegister nach Fig.37 in abgewandelter Form. Hier erfolgt die Signalregenerierung durch die Koinzidenz zweier Steuerimpulse V_c und V3. In diesem Fall gibt der Spannungsimpuls V_c den Takt für die Eingabe der Ladung in das zweite Schieberegister. Der Steuerimpuls V3 bestimmt, ob oder wieviel Ladung zur ersten Potentialwanne des zweiten Schieberegisters übertragen werden soll oder nicht. Die selektive Taktsteuerung dieser beiden Steuerimpulse wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Eingangsteils des Systems erläutert.

Fig.39 gibt eine verallgemeinerte Darstellung des Eingangsendes eines Registers, das dem nach F i g. 38 jo ähnlich, jedoch für Zweiphasen-Betrieb gedacht ist. Die Signalregeneration bei einem speziellen, ähnlichen ladungsgekoppelten Zweiphasen-System wird später im Zusammenhang mit Fig.42, 43 and 44 im einzelnen erläutert

In F i g. 38 ist wie bei der Anordnung nach F i g. 37,39 und 40 das masseanschlußfreie Gebiet F mit einer Aluminiumelektrode 16-0 vom selbstausgerichteten Typ verbunden, die so ausgebildet werden kann, daß sie eine verhältnismäßig kleine Kapazität mit dem Substrat 10 bildet. Während die Elektrode 16-0 einen verhältnismäßig dichten Abstand von der zusätzlichen Steuerelektrode 17, einer Polysiliciumelektrode, im Gebiet 170 hat, ist dieses Gebiet 170 sehr klein, in der Größenordnung von 1/2 Mikron. Durch das Vorhandensein der Elektrode 17 wird daher die Kapazität der Elektrode 16-0 nicht nennenswert vergrößert. Im übrigen Teil der Überlappung, im Gebiet 171, kann das Siliciumdioxyd verhältnismäßig dick, in der Größenordnung von mehreren Tausend A, sein (die Zeichnung ist nicht maßstabgerecht). Dieser verhältnismäßig große Abstand über eine verhältnismäßig große Strecke bedeutet, daß die Kapazität in diesem Gebiet verhältnismäßig klein ist. Die bereits erwähnte Polysiliciumelektrode 17 liegt zwischen der Aluminiumelektrode 16-0 und der Quelle S₂.

Bei einem Vierphasen-System wie nach F i g. 34, das jedoch immer noch Polysilicium- und Aluminiumelektroden sowie eine Ausgangsstufe ähnlich wie in F i g. 40 hat, kann das Gebiet F des ersten Registers mit der Elektrode 17 des zweiten Registers nach Fig.37 verbunden werden. In diesem Fall werden die Spannung Φ\ der Elektrode 16-0, die Spannung Φ2 der Elektrode 16-1, die Spannung Φ3 der Elektrode 16-2 und die Spannung Φ4 der Elektrode 16-3 zugeleitet.

Sämtliche oben beschriebenen Ausführungsformen des Eingangsendes des zweiten Registers können für das Eingangsende des ersten und sämtlicher anderen Register verwendet werden. Das heißt die schematisch in F i g. 4 und 7 dargestellten Anordnungen können in der Praxis so aufgebaut sein, wie in einer oder mehreren der letzterläuterten drei Figuren gezeigt

F i g. 40 zeigt eine Ausführungsform der Koppelschaltung, die für den Zweiphasen-Betrieb geeignet ist und bei der, wie im Zusammenhang mit F i g. 34 erläutert die Überlappungskapazität C₁ einen verhältnismäßig großen Bruchteil der Gesamtkapazität Cf des Übergangsgebietes F ausmacht Der Aufbau ist in vieler Hinsicht ähnlich wie bei den bereits erläuterten Ausführungsformen. Die im Betrieb der Schaltung verwendeten Signalformen sind in F j g. 41 gezeigt

Im Betrieb tritt während des negativen Impulses Φ\ der negative Spannungsimpuls V« auf. Dadurch werden etwaige im Gebiet F angesammelte Ladungsträger abgegeben, und das Gebiet F nimmt ein negatives Potential an, das dicht bei dem der Spannungsquelle V₄ liegt Während des nächsten Impulses Φ₂ wird die Ladung, die sich gegebenenfalls unter dem Elektrodenpaar 14-(n— \)a, i4-(n—\)b angesammelt hat zum Gebiet unter der Elektrode 14-n und dem Gebiet F übertragen. Kurz nach dem Einsetzen des negativen Impulses Φ2 erscheint der negative Steuerimpuls Vc, was zur Folge hat, daß unter der Polysiliciumelektrode 17 ein leitender Kanal entsteht der effektiv bis zum Quellengebiet S₂ reicht. Es fließt jetzt Ladung von S₂ zur ersten Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 oder nicht je nachdem ob die Elektrode 16-0 relativ negativ (keine positive Ladung bei F) oder relativ positiv (entsprechend der Speicherung des Bits »1« bei 14-nund F) gegenüber dem Potential der Quelle S₂ ist.

Fig.42 zeigt im Grundriß einen Teil einer zweidimensionalen Schieberegisteranordnung, von der F i g. 40 einen Teil im Querschnitt zeigt Zum besseren Verständnis der F i g. 42 sind dort Elemente, die solchen in F i g. 40 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet Die bei Zweiphasen-Betrieb mögliche Wirtschaftlichkeit der Auslegung wird aus Fig.42 deutlich ersichtlich.

Fig.43 zeigt eine andere Ausführungsform einer Zweiphasen-Koppelschaltung. Hier wird die letzte Elektrode des ersten Schieberegisters durch ein Elektrodenpaar 14-na, 14-nZ> statt durch die Einzelelektrode nach F i g. 40 gebildet. Außerdem wird die erste Elektrode 16-1 des zweiten Schieberegisters mit einem Impuls der Phase 1 statt mit einem Impuls der Phase 2 angesteuert. Ferner sind die taktsteuernden Signalformen nach F i g. 44 etwas anders als die für die Schaltung nach F i g. 40 verwendeten Signalformen.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig.43 tritt während des Impulses Φ\ der Rückstellimpuls Vr auf, und das masseanschlußfreie Übergangsgebiet schaltet auf den negativen Bezugsspannungspegel zurück. Bei Auftreten des nächsten Impulses Φ₂ wird die gegebenenfalls unter dem Elektrodenpaar \A-(n- \)a, i4-(n- \)b anwesende Ladung zur Potentialwanne unter dem Elektrodenpaar 14-na, 14 — nb übertragen, von wo sie in die Potentialwanne des Gebietes F fließt, wenn während des Impulses Φ2 das Gebiet Fein negativeres Potential führt als das Elektrodenpaar 14-na, i4-nb. Die Ladungsübertragung von der letzten Potentialwanne des Schieberegisters zum Gebiet F wird während der Hinterflanke von Φ2 beendet. Zu dieser Zeit besteht während des Impulses V_c(der während des ersten Teils des negativen Impulses Φι auftritt) ein leitender Kanal von der Quelle 52 zum Gebiet unter der Elektrode 17. Wenn zugleich das Gebiet F relativ negativ ist, fließt Ladung von 52

durch diesen Kanal und durch den unter der Elektrode 16-0 gebildeten Kanal zur durch den Impuls Φι erzeugten Potentialwanne unter der Elektrode 16-1. Wenn dagegen die Elektrode 16-0 relativ positiv ist, entsprechend der Speicherung einer »1«im Gebiet F, so entsteht unter der Elektrode 16-0 eine Potentialschwelle, und es fließt keine Ladung von 52 zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1.

Kurz nach dem Ende des Steuerimpulses Vc und n-jch während des negativen Impulses Φι, tritt der Rückstellimpuls ν«.'...-auf, so daß das Gebiet F auf sein Bezugspotential zurückgeschaltet wird. Zu dieser Zeit kann jedoch keine Ladung von der Queue S₂ abfließen, da Vc Nullpotential hat und somit eine Potentialschwelle besteht, die den Abfluß von Ladung aus der Quelle S₂ verhindert.

Fig.45 zeigt im Grundriß einen Teil einer zweidimensionalen Schieberegisteranordnung, wie sie zum Teil in Fig.43 dargestellt ist Auch hier ist die platzsparende Auslegung ohne weiteres ersichtlich.

Obwohl nicht dargesteift, sind auch anderweitige Vertauschungen und Kombinationen der verschiedenen beschriebenen Anordnungen möglich. So ist es, um nur ein Beispiel zu nennen, klar, daß der vereinfachte Aufbau nach F i g. 34 auch in der Zweiphasen-Ausführung des Schieberegisters verwendet werden kann.

Bezüglich F i g. 40 ist noch zu sagen, daß, wie bereits erwähnt, der Aufbau der Signalregenerierstufe, wie aus Fig.42 ersichtlich, etwas vereinfacht werden kann, wenn man die Schaltung so einrichtet, daß sie ohne den jo Rückstellsteuerspannungsimpuls V« arbeitet. Diese Amführungsform der Schaltung ist schematisch durch die gestrichelte Linie angedeutet, die die Elektrode l4-f/i+1) mit der gleichen Spannungsquelle V₄ verbindet, die auch für den Abfluß D verwendet wird. Vorzugsweise sieht man eine gemeinsame Spannungsoder Energieversorgung für D, \4-(n+1) und S₂ vor, und zwar in der gleichen Weise, wie in Fig.34 für den Fall eines Dreiphasen-Systems angegeben.

Bei den bisher erläuterten Ausführungsformen empfängt jedes Schieberegister jeweils die Komplemente der im vorausgehenden Schieberegister gespeicherten Bits. Die in Fig.46 schematisch dargestellte Schaltung ermöglicht es, daß jedes Schieberegister an das nächste Schieberegister jeweils die Bits selbst liefert. Zu diesem Zweck ist das masseanschlußfreie Gebiet F über eine Umkehr- oder Inversionsstufe / statt direkt mit der Gitterelektrode 16-0 des nächsten Registers verbunden. Im übrigen ist die Arbeitsweise die gleiche wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen. Die Inversionsstufe kann auch bei den verschiedenen anderen Ausführungsformen verwendet werden. In der Praxis kann die Inversionsstufe aus MOS-Bauelementen aufgebaut sein, die in integrierter Form im selben Substrat untergebracht sind wie die übrige Schaltung, oder die Inversionsstufe kann als getrennte Schaltung außerhalb des Substrats vorgesehen sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 21 werden mehrere Bits parallel in das Gebiet 100 übertragen. In diesem Zusammenhang wurde erwähnt, daß diese Bits <,o eine Informationseinheit, d.h. ein Byte umfassen können. Eine besonders vorteilhafte Arbeitsweise läßt sich erhalten, wenn außerdem gleichzeitig das Komplement des Bytes übertragen wird. Eine derartige Anordnung besteht aus η Paaren von ladungsgekoppel- es ten Schieberegistern (wobei η eine ganze Zahl ist, die im Grenzfall 1, normalerweise 6 oder 8 beträgt und auch erheblich größer sein kann). In jedem Paar speichert das eine Schieberegister die Bits und das andere Schieberegister die Komplemente der Bits, und jedes Registerpaar kann an einen Gegentaktdetektor angeschlossen sein, wie in F i g. 47 gezeigt.

Ein wichtiger Vorteil dieser Betriebsweise besteht darin, daß das Signal wahrgenommen oder erfaßt werden kann, ohne daß es einen ganz bestimmten Schwellenwert oder -pegel annehmen muß. Das einzige Erfordernis für ein verläßliches Arbeiten des Gegentaktdetektors ist, daß ein ausreichender Amplitudenunterschied zwischen den beiden Eingangssignalen, von denen das eine das Bit »1« und das andere das Bit »0« darstellt, besteht Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Gegentaktdetektoranordniuig ist, wie im Zusammenhang mit F i g. 49 erläutert wird, die verhältnismäßige Leichtigkeit der Eingabe neuer Information in die Speicherschleife sowie der Gewinnung von Ausgangsinformation aus der Speicherschleife. Der Grund hierfür ist die zusätzlich verfügbare Signalverstärkung, aufgrund deren der Gegentaktdetektor in einer gewissen Entfernung von den ladungsgekoppelten Schieberegistern angeordnet werden kann.

Fig.48 zeigt eine Anordnung mit Gegentaktdetektor. Es sei vorausgesetzt, daß das obere linke Register i4-(n+1), 14-n usw. Bits und das obere rechte Register \4a-(n+\), \4a-n usw. die Komplemente der Bits speichert. In der Praxis sind diese beiden Register Seite an Seite angeordnet, und die Bits und ihre Komplemente wandern in der gleichen Richtung; in der Zeichnung sind sie jedoch um der besseren Anschaulichkeit willen einfach als konvergierend oder zusammenlaufend dargestellt

Der Gegentaktdetektor enthält zwei Transistoren 200,201, die in dasselbe Substrat integriert sind wie der übrige Teil der Anordnung. Ferner benutzt er die Ausgangsschaltungen der beiden Schieberegister als Lastelemente oder »Arbeitswiderstände« für die beiden überkreuz gekoppelten Transistoren 200, 201. Somit besteht der Gegentaktdetektor effektiv aus einem Flipflop mit vier Transistoren, von denen zwei als Arbeitswiderstände dienen und zur Ausgangsschaltung der Schieberegister gehören.

Im Betrieb der Anordnung nach Fig.48 werden während des Impulses Φ\ die Spannung Vr verhältnismäßig stark negativ und die Spannung V_ci gleich V₄ gemacht. Dies hat zur Folge, daß die Gebiete Fi und F₂ etwaige in ihnen angesammelte Ladung abgeben und auf einen Wert dicht bei - V₄ zurückschalten. Die Anschlüsse 202 und 203 werde somit auf das gleiche negative Potential dicht bei - V₄ gebracht, und wenn V_R null wird (während V_c\ auf — V₄ bleibt), werden alle vier Transistoren gesperrt, und der Stromkreis der Gebiete F\ und Fi wird unterbrochen.

Die Übertragung von Ladungssignalen nach den Gebieten F₁ und F2 bestimmt denjenigen Zustand, den das Fliflop annimmt, wenn es wiedeerregt wird, d. h. wenn das Flipflop mit den vier Transistoren in den Betriebszustand gesetzt wird. Das Flipflop wild dadurch in den Betriebszustand gesetzt, daß als erstes V_c\ positiver (in Wirklichkeit weniger negativ) gemacht und dann (oder gleichzeitig) V« auf einen negativen Wert geschaltet wird, so daß die Transistorarbeitswiderstände CF,, i4-(n+1), Dund F₂,i4a-(n+1), DJeffektiv wieder eingeschaltet werden. Streng genommen kann V« etwas positiver als beim Rücksetzteil des Zyklus gemacht werden; jedoch wird V« immer noch auf einem Wert gehalten, der genügend negativ ist, um die beiden Lasttransistoren noch im leitenden Zustand zu halten.

Die Steuerspannung Vq wird positiv gegenüber Vi gemacht; sie kann beispielsweise auf Vi oder einen etwas positiveren Wert angehoben werden (die Wahl des tatsächlichen Wertes für Vq hängt von den bei 202 und 203 gewünschten Spannungen ab).

Wie oben erwähnt, hängt der Zustand, den das Flipflop annimmt, von den Werten der in den beiden Schieberegistern gespeicherten Bits ab. Wenn beispielsweise das während des Impulses 4>2 unter dem Elektrodenpaar 14-n gespeicherte Bit eine »0« (keine Ladung) ist, bleibt Fi relativ negativ. Entsprechend befindet sich unter dem Elektrodenpaar 14a-n eine Ladung, so daß diese Ladung am Ende des Impulses Φ-ι nach F2 übertragen wird und Fi relativ positiv ist. Die relativ negative Spannung bei 202 bringt das Flipflop aus dem Gleichgewicht, und wenn das Fiipflop wieder in den Betriebszustand gesetzt wird, wird der Transistor 201 in den leitenden Zustand gesteuert, und durch die relativ positive Spannung bei 203 wird der Tranistor 200 gesperrt. Die Spannungsdifferenz zwischen Fi und F; bestimmt den neuen Zustand bei Wiedererregung des Flipflops. So nimmt der Anschluß 202 eine relativ negative Spannung dicht beim Wert von — V4 minus dem Spannungsabfall von D nach Fi an, während der Anschluß 203 eine relativ positive Spannung dicht beim Wert von Ve,, der gleich Vi sein kann, führt.

Während des Impulses Φ\ bewirkt die bei 202 und 203 gespeicherte Information, die gleichzeitig mit der Zuleitung eines negativen Impulses Vc an die Elektroden 17 und 17a zu den Gitterelektroden 16-0 bzw. 16a-0 gelangt, daß unter der Elektrode 16-0 ein Leitungskanal und unter der Elektrode 16a-0 kein Leitungskanal vorhanden ist. Das heißt, nach dem Einsetzen des Impulses Φ\, wenn das Flipflop in den neuen Zustand schaltet, wird der Steuerimpuls Vc negativ, und Ladung wird von S2 zum Gebiet unter der Speicherelektrode 16-1 betragen. Da die Elektrode 16a-0 positiv gegenüber Vi ist, erfolgt keine Ladungsübertragung von der Quelle S2 zum Gebiet unter der Speicherelektrode 16a-l.

Fig.49 veranschaulicht etwas schematischer eine andere Ausführungsform der Anordnung. Der Aufbau der oberen und unteren Schieberegister ist der gleiche wie in F i g. 48, und nur die Obergangsgebiete Fi, F2 und die Elektroden 16-0 sind gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden die Übergangsgebiete Fi und F2 nicht als Lastelemente für den Gegentaktdetektor verwendet. Die Transistoren 200 und 201 sind die gleichen wie in F i g. 48. Jedoch sind zusätzlich getrennte Transistoren 204 und 205 vorhanden, die dazu dienen, die bei Fi und F2 anwesenden Signale zu verstärken. Außerdem sind Transistoren 207 und 208 vorgesehen, die einmal als Transistorlastelemente für das Flipflop 200, 201 und zum anderen als Mittel für die Eingabe neuer Information in das Flipflop dienen. Auch bei der Anordnung nach F i g. 48 kann die Eingabe von neuer Information mittels eines Transistorpaares wie 207 und 208 in F i g. 49 erfolgen.

Im Betrieb der Anordnung nach Fig.49 kann das Flipflop anfänglich rückgesetzt werden, indem beide Transistoren 207 und 208 leitend gemacht werden (EXT= EXT = V, während IN_x = /TV, = irgendein negativer Wert wie — Vi nach Fig.48). Dann werden die Transistoren 207 und 208 gesperrt, beispielsweise indem EXT= EXT= Nullpotential gemacht wird, während Vq ebenfalls gleich — V4 ist, so daß die Transistoren 200 und 201 gesperrt werden. Somit werden die Schaltungspunkte 202 und 203 beide auf das gleiche Bezugspotential (— V4) rückgesetzt.

Wenn das Flipflop rückgesetzt ist und die Ladungssignale bei Fi und F2 anstehen, gelangt ein negativer Impuls Vc₂, der negativer ist als Vq, zu den Abflußelektroden der Transistoren 204 und 205.
Wenn jetzt beispielsweise IN (die Spannung bei Fi) relativ negativ und IN (die Spannung bei F;) relativ positiv sind, leitet der Transistor 204 stärker als der Transistor 205. Dadurch wird das Flipflop aus dem Gleichgewicht gebracht, so daß in der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach F i g. 48 das Flipflop, wenn es wiedererregt wird (indem zuerst die Spannungen IN = IN auf - V₄ zurückgebracht werden und dann Vq auf Vi zurückgebracht wird), in einen neuen Zustand gesetzt wird, in dem die Spannungsdifferenz zwischen den Schaltungspunkten 202 und 203 eine verstärkte Version der anfänglich zwischen Fi und F2 vorhandenen Spannungsdifferenz darstellt.

Neue Information kann in die unteren Register über die Transistoren 207 und 208 in ähnlicher Weise wie z. B.

:bei einer p-MOS-Speicheranordnung gegeben werden. Die Signale EYT und EXT erfüllen dabei die Funktion^ der Wortwählimpulse, während die Signale IN und IN die Funktion der Bitsignale zur Eingabe neuer Information erfüllen. Die externen Eingangssignale :können das Flipflop bei Abwesenheit des Steuereingangsimpulses Vq in den gewünschten Zustand setzen.

Den externen Signalen kann auch eine so große Amplitude gegeben werden, daß sie etwaige Signale, die während Vq bei Fi und F2 anwesend sind, übersteuern oder überdecken. Im übrigen ist die Arbeitsweise ähnlich wie bei der Anordnung nach F i g. 48. Das heißt, während des Vorgangs der Informationsregenerierung erfüllen die Transistoren 207 und 208 die Funktion der Lastelemente oder Arbeitswiderstände im Flipfiop, die bei der Anordnung nach F i g. 48 zur Ausgangsschaltung der komplementären Schieberegister gehören.

Abgesehen von den oben erläuterten Merkmalen der Anordnungen nach Fig.48 und 49, stellen die verwendeten Flipflops zweckmäßige Mittel zum Übersetzen der ladungsgekoppelten Information in statische Information, die in einem Flipflop gespeichert ist, dar. Wird beispielsweise eine Nachrichteneinheit (1 Byte) und ihr Komplement durch ein ladungsgekoppeltes Schieberegister hindurchgeleitet wie in Fig.21, so können am Ausgang dieses Systems η Flipflops von der in F i g. 48 und 49 gezeigten Art vorgesehen sein, wobei η die Anzahl der Bits in einer Nachrichteneinheit (1 Byte) ist Diese η Bits können leicht in einen Speicher irgendeiner gewünschten Form eingeschoben werden.

Beispielsweise kann ein Signairegenerier-Flipflop von der in F i g. 49 gezeigten Art zusammen mit zusätzlichen Transistoren 204 und 205 zum Verstärken der von Fi und F2 abgeleiteten Signale als ein Halbleiterspeicher betrieben werden, der als Pufferspeicher zwischen den ladungsgekoppelten Speicherschleifen und äußeren Schaltungen dienen kann.

Bei den Anordnungen nach Fig.48 und 49 wird die Eingangsinformation an anschlußfreien (floating) Obergängen (Obergängen, die nicht an Masse oder eine andere Bezugsspannungsquelle angeschlossen sind) wie Fj und Fi abgefohlt Die Anordnung kann aber auch mit derartig anschlußfreien Aluminiumelektroden wie 14λ in Fig.50 arbeiten, über die die Signale kapazitiv auf das Flipflop gekoppelt werden. Die Kapazitätsänderung solcher anschlußfreier Elektroden in Abhängigkeit vom Ladungssignal wird bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 50 ersichtlich werden.
Während die vorstehende Erläuterung der F i g. 47 —

49 sich auf eine Zweiphasen-Anordnung bezieht, ist die Methode als solche ebensogut auch auf drei-, vier- und höherphasige Ladungsfortleitungsschaltungen anwendbar.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist in der Koppelschaltung zwischen zwei Registern ein anschlußfreies Übergangsgebiet wie F, Fi usw. vorgesehen. Dieses anschlußfreie Übergangsgebiet liegt in einem n-Ieitenden Substrat und besteht aus einem ρ+ -Gebiet. Man kann statt dessen als Signalabfühl- oder -Wahrnehmeinrichtung auch eine anschlußfreie Aluminiumelektrode verwenden, wie in F i g. 50 gezeigt. Hier ist die anschlußfreie Aluminiumelektrode 14-n am Ausgangsende eines Schieberegisters mit einer Gitterelektrode 16-0 am Eingangsende des nächsten Registers gekoppelt.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 50, eines Vierphasen-Systems, sei vorausgesetzt, daß die Elektrode 14-/7 durch den negativen Steuerimpuls Vb, auf irgendeine Spannung, die nicht ganz so negativ wie V^ ist, rückgesetzt und durch Entfernen des Steuerimpulses Vq ausgeschaltet (anschlußfrei gelassen) worden ist. Dadurch wird eine Potentialwanne unter der Elektrode 14-n erzeugt. Zum Zeitpunkt von Φ4 wird zum Substratgebiet unter der letzten Speicherelektrode 14-fn-l) Ladung (oder keine Ladung) übertragen. Es sei zunächst angenommen, daß Ladung anwesend ist. Während der Hinterflanke von Φα, die den negativen Impuls Φ\ überlappt, fließt, da die Potential wanne unter der Elektrode 14-fn-!) flacher wird, die dort anwesende Ladung in die Potentialwanne unter der anschlußfreien Aluminiumelektrode 14-/7. Bekanntlich bewirkt die Ladungszunahme in der Potentialwanne unter der Elektrode 14-n, daß die effektive Kapazität zwischen der Elektrode 14-n und dem Substrat sich erhöht. Da an diesen anschlußfreien Elektroden zuvor eine feste Ladung aufgebaut worden ist, sinkt dadurch die Spannung an der Elektrode 14-/7 und folglich bei 16-0 ab.

Nach Beendigung des Impulses Φα wird die Ladungsübertragung zur Potentialwanne unter der Elektrode 14-n beendigt, und zu dieser Zeit gelangt der negative Steuerpannungsimpuls Vc zur Elektrode 17. Nunmehr sind die Voraussetzungen dafür gegeben, daß Ladung von 52 durch den Leitungskanal unter der Elektrode 17 und, je nachdem, ob die Elektrode 16-0 negativ oder positiv gegenüber Spannung Vi der Quelle 52 ist zur Potentialwanne unter der Speicherelektrode 16-1 fließt oder nicht.

Unter idealen Voraussetzungen bei perfekt dielektrischer Siliciumdioxydschicht d. h. ohne Streuung oder Ableitung, könnte in der Elektrode 14-n eine feste Ladung durch kapazitive Spannungsteilerwirkung beibehalten werden. Es sei hier vorausgesetzt daß eine verhältnismäßig große Gleichspannung V<q und ein verhältnismäßig kleiner Kondensator Cp in der Schaltung vorhanden sind, um diesen Zustand zu erreichen. In der Praxis hat jedoch selbst ein so gutes 'Dielektrikum, wie Siliciumdioxyd, einen endlichen spezifischen Widerstand, der im allgemeinen dazu neigt, die Bezugsspannung der Elektrode 14-n unter diesen Voraussetzungeil vom vorherigen Zustand des Schieberegisters abhängig zu machen. Ferner ergibt sich eine geringfügige Spannungsabwanderung oder -verschiebung an diesen anschlußfreien Elektroden, wenn die Leitfähigkeiten dieser beiden Kondensatoren nicht genau ihren Kapazitäten proportional sind, was weitere Fehler mit sich bringen würde. Um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden und ohne eine verhältnismäßig hohe Gleichspannung auskommen zu können, ist eine Spannungsrückstelleinrichtung wie das MOS-EIement F, Vq₁ D\ vorgesehen, das die Elektrode 14-n auf einen Bezugspegel zurückschaltet. Jedesmal bei Auftreten des negativen Steuerimpulses Vq wird die Aluminiumelektrode 14-n auf die Spannung von Di zurückgebracht. Zwar kann gewünschtenfalls während jedes Impulses Φ2 ein negativer Impuls Vq zugeleitet werden; jedoch braucht tatsächlich die Elektrode 14-n nicht so oft zurückgeschaltet zu werden. Gewünschtenfalls kann sie z. B. synchron mit einem negativen Impuls Φ2 ungefähr jede Millisekunde zurückgeschaltet werden.

Ein weiteres Merkmal der Schaltung nach Fig.50 besteht darin, daß die Spannung der Elektrode 16-0 durch irgendeine äußere Spannungsquelie Vc₅ über einen Koppelkondensator, gestrichelt dargestellt bei Cp, moduliert werden kann. Die Steuerspannung Vc₅ kann mit der Steuerspannung Vc synchronisiert sein. Sie hat den Zweck, den Pegel der Spannung bei 16-0 auf einen geeigneten Wert zu verschieben, um den Kanal unter der Elektrode 16-0 in einem Fall vollständig zu sperren und in einem anderen Fall hochleitend zu machen. Dies entspricht effektiv dem, was bereits für den Fall erläutert worden ist, daß eine beträchtliche Überlappungskapazität C, vorhanden ist.

Statt der oben erläuterten Zurückschaltung kann man auch die Aluminiumelektrode 14-n auf einer festen Bezugsspannung halten, indem man sie über einen verhältnismäßig hochohmigen Widerstand, gestrichelt dargestellt bei Rc, mit einem Versorgungsspannungsanschluß verbindet. Dieser Widerstand kann die Form eines verhältnismäßig dünnen Streifens aus Polysiliciumfilm mit der gleichen Zusammensetzung wie bei den Polysiliciumelektroden haben.

Ausgangsseite des Systems

Fig.51 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform einer Eingangs-Ausgangsschaltung für die erfindungsgemäße Anordnung. Sie veranschaulicht ferner die Verwendung von ladungsgekoppelten Verknüpfungsschallungen. Die Schallung ist für die zweiphasigen Ausführungsformen eingerichtet; jedoch können ähnliche Schaltungen auch für die drei-, vier- und höherphasigen Ausführungsformen verwendet werden.

Der die Elektroden 14-fn-2), 14-fn-l) usw. enthaltende Schaltungsteil oben links kann sich am Ende des letzten Registers des Systems befinden, und der Schaltungsteil mit den Elektroden 16-2,16-1 usw. kann sich am Anfang des ersten Registers des Systems befinden. Zusammen können sie Bestandteil einer geschlossenen Schleife sein. Wenn man einfach die Information umlaufen lassen will, so haben die Impulse Vrec irgendeinen negativen Wert gegenüber der Quelle 52, während Vrec positiv gegenüber der Quelle S₃ ist die z. B. Massepotential haben kann.

Die Elektroden 17a, I63-0,16a-l und 16a-2 stellen das Eingängsende eines Schieberegisters zinn Abnehmen des Ausgangssignals aiis dem obigen System, das eine geschlossene Schleife sein kann, dar. Dieses Register des Systems arbeitet wie folgt Das Ausgangssignal wird nur dann erhalten, wenn die negative Steuerimpulsfolge y_m (an der Elektrode 17a^ anwesend ist Wenn die Impulse Vrec relativ negativ sind und Vreg relativ positiv ist kann unter Steuerung durch das Steuereingangssignal V»,neue Information in das Schleifensystem eingegeben werden. Im übrigen ist die Funktion der Steuerimpulse

Vrec, Vreg und V₁-O ähnlich wie die des Taktimpulses in F i g. 40.

Die Spannung Vi, die die Potentiale von 52, S3 und Sa steuert, soll im vorliegenden Falle — 5 V sein. Die Quellen S₂, 53 und 54 können dasselbe einzige Quellengebiet umfassen; um jedoch eine zusätzliche Steuerung des Arbeitens der Ausgangsstufe zu ermöglichen, kann man den Quellen S₂, S3 und St getrennte Steuerspannungen z. B. in der Weise zuleiten, wie im Zusammenhang mit F i g. 7 erläutert.

Die Arbeitsweise der geschlossenen Schleifenanordnung dürfte sich aus den vorherigen Erläuterungen, beispielsweise der Erläuterung der Schaltung nach F i g. 40 (mit der Maßgabe, daß Φ₂ in F i g. 40 der Größe Φ₂ in Fig.51 entspricht), ohne weiteres ergeben. Während des negativen Impulses Φι wird das !Complement des in der letzten Stufe des letzten Schieberegisters gespeicherten Bits in die erste Stufe (16-1) des ersten Schieberegisters geschoben. Während des nächsten Impulses Φ₂ wird das unter 16-1 gespeicherte Bit nach links zur Potentialwanne unter dem Elektrodenpaar 16-2 geleitet.

Bei der Vorderflanke dieses Impulses Φ₂ und der Hinterflanke des endenden Impulses Φι fließt die bei Fi anwesende positive Ladung in die unter 14ma, 14m6 erzeugte Potentialwanne. Fi ist eine kurze Strecke, die von der Aluminiumelektrode 14-λ überspannt wird, von 14-fn-l) entfernt. Die Elektrode 14-n wirkt während der Hinterflanke von Φι als Gitterelektrode und verhindert, daß etwaige bei Fi anwesende Ladung nach 14-f/j-l) zurückgeleitet wird. Während Φι absinkt, nimmt die Potentialwanne unter der Elektrode 14-n ab und nimmt gleichzeitig die Potentiaiwanne unter dem Elektrodenpaar 14-flja und 14-m6 zu, so daß diese Ladungsübertragung stattfindet. Die Ladungsübertragung von Fi nach F₂ hört auf, wenn die Elektrode Fi das Potential von Φ2 minus der Schwellenspannung Vt, d. h. etwa (—15 Volt plus Vi) erreicht. Dies ist die Rückstell- oder Bezugsspannung für Fi.

Am Beginn des Impulses Φ2 hat F₂ eine negative Spannung Vr dicht bei V» + Φ₂ (eine starke kapazitive Kopplung von Φ₂ nach F₂ vorausgesetzt), nachdem F₂ zuvor in noch zu erläuternder Weise rückgesetzt worden ist. Es sammeln sich somit die positiven Ladungsträger in der Potentialwanne unter F₂ an. Das Potential von F₂, wenn keine Ladung von Fi übertragen wird, ist V₄ + Φ₂, vorausgesetzt, daß die Kapazität der Elektrode H-mb erheblich größer ist als die Kapazität zwischen F₂ und dem Substrat plus der Kapazität der Elektrode 16a-0. Andernfalls ist das Potential von F₂ gleich V4 + ΔΦ2, wobei ΔΦ2 zur Gesamtkapazität von F₂ abhängt

Der oben erläuterte Ladungsfluß hat, falls er stattfindet eine positive Änderung des Potentials bei F2 und, da F₂ mit 16a-0 verbunden ist, eine entsprechende Spanmingsändening bei 16a 0 zur Folge. 16a-0 ist die Gitterelektrode für ein weiteres Schieberegister 16a-l, 16a-2usw.

Wenn während Φ₂ die Steuerspannung Vco negativ gegenüber der Spannung der Quelle & ist, wird Ladung von Si durch den Leitungskanal unter 17a.forgeleitet Nunmehr wird, je nachdem ob 16a-0 negativ (keine Ladung bei F₂) oder positiv (Ladung bei F₂ gegenüber S₂ ist, die Ladung von S₂ zur ersten Potentialwanne, der einen Elektrode 16a-l, geleitet oder nicht Danach wird diese Information nach rechts fortgeleitet Wenn dagegen Vco relativ positiv, etwa Nullpotential ist, so kann keine Information von F₂ zum Register 16a-l,

16a-2 usw. gelangen.

Nach Beendigung von Vco endet der Impuls Φ₂, während der Impuls Φι anwesend ist und der zweite Steuerspannungsimpuls Vq₂ auftritt. Dieser Impuls bewirkt, daß das Substratgebiet unter der Steuerelektrode 14-(7?+1) als Leitungskanal arbeitet und etwaige Ladung bei F₂ über diesen Kanal zum Abfluß D geleitet wird. Nachdem die Ladungen übertragen sind, wird die zweite anschlußfreie Elektrode F₂ durch den Steuerimpuls Vc₂ auf einen negativen Wert dicht bei Vt zurückgesetzt. Vt kann irgendeinen Wert, z. B. ungefähr -5 Volt haben.

Wenn neue Information in das Schieberegister eingegeben werden soll, wird die Elektrode 17 positiv gegenüber S₂ gemacht, d. h. auf z. B. Nullpotential gebracht, und 17-6 ein relativ negativer Impuls oder eine Folge von relativ negativen Impulsen Vreg zugeleitet. Die relativ positive Spannung Vrec bewirkt, daß die Elektrode 17 ohne Rücksicht auf die Spannung bei 16-0 verhindert, daß Ladungsträger von der Quelle S₂ zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 gelangen. Wenn also bei Vw keine Information eingeschoben wird, bewirkt Vreg, daß bei jedem Impuls Φι effektiv eine »0« in das Schieberegister eingeschoben wird, wodurch die im Schieberegistersystem aufeinanderfolgend gespeicherten Bits effektiv gelöscht werden.

Neue Information kann dadurch eingegeben werden, daß der Gitterelektrode 166-0 eine entsprechende Spannung Vm gleichzeitig mit der Zuleitung des Impulses Vreg an 17-6 während jedes negativen Impulses Φι zugeleitet wird. Wenn Vw während des Impulses Φι negativ ist, überträgt die Quellenelektrode S3 Ladung zur Potentialwanne unter den Elektroden 16-1 und 166-1. Bei diesen beiden Elektroden handelt es sich in Wirklichkeit um ein und dieselbe, gemeinsame Elektrode, die Ladung entweder über den von den Elektroden 17 und 16-0 oder über den von den Elektroden 17-6 und 166-0 gesteuerten Kanal empfangen kann. Wenn dagegen Vw während des negativen Impulses Vreg relativ positiv, beispielsweise Nullpotential ist, so wird unter der Elektrode 166-0 eine Potentialschwelle erzeugt und keine Ladung von S3 zu der unter der Elektrode 166-1, 16-1 erzeugten Potentialwanne übertragen.

Die spezielle Stufe mit den Elektroden 14-ma und 14-mb und dem Gebiet F₂ hat den Zweck, die Gewinner eines Ausgangssignals zu ermöglichen, das um eine halbe Periode gegenüber dem Ausgangssignal am ersten Schieberegister verzögert ist ohne daß die erste Ausgangsstufe irgendwie zusätzlich kapazitiv belastet wird. Der Aufbau dieser speziellen Ausgangsstufe kann zu einer mehrstufigen Anordnung erweitert werden, bei der jede Stufe aus 14-/na, 14-/n6, F₂ besteht und aufeinanderfolgende Stufen durch aufeinanderfolgende Phasen angesteuert werden. Diese neuartige und verbesserte Anordnung eignet sich als sogenannte »Eimerketten«-Schaltung, wie sie in F.L.J. Sangst er: »Integrated MOS and Bipolar Analoy Delay Lines using Bucket-Brigade Capacitor Storage« in »ISSCC Digest Technical Papers«, Seite 74, 1970, beschrieben ist Solche Schaltungen werden nach üblichen p-MOS-Verfahren hergestellt Der neuartige Aufbau nach Fig.51 wird nach einem noch zu erläuternden Verfahren mit Siiiciumgitter-Selbstausrichtung erhalten, das zu einem erheblich kompakteren Schaltungsaufbau führt Ferner kann dabei die Kapazität der Elektrode (14-ro6Ji die die diffundierten anschlußfreien Obergänge überlappt, reproduzierbarer

gemacht werden. Ein weiteres Merkmal dieser Schaltung ist, daß die unerwünschte Rückkopplungskapazität zwischen den Stufen praktisch entfällt. Letzteres ist deshalb möglich, weil die anschlußfreien Übergangsgebiete unter Benutzung der Siliciumgitter wie 14-/na und \4-(n+\) im Falle der Fig.51 als Maske diffundiert werden.

Die neuartigen Anordnungen für Eimerketten-Schieberegister, die auch als selbstabgetastete Photofühleranordnung verwendet werden können, lassen sich in der gleichen Weise herstellen wie zweiphasige ladungsgekoppelte Schieberegister, und zwar unter Verwendung von zwei verschiedenen Kanaloxyddicken, so daß die asymmetrischen Potentialwannen erhalten werden, wie in Fig. 14 oder 17 gezeigt. Jedoch sind bei den neuartigen Eimerkettenanordnungen die zwei verschiedenen Kanaloxyddicken für den Betrieb nicht wesentlich; sie können aber für die zusätzliche Beeinflussung der relativen Werte der Silicium-Gitter- und der Aluminiumkapazitäten benutzt werden, um die Eigenschaften dieser Schaltungen zu optimalisieren.

Im Betrieb den oben erläuterten Eimerkettenschaltung werden Informationen darstellende Ladungen zwischen sperrgespannten anschlußfreien Übergängen wie dem Gebiet F2 in der F i g. 51 unter Steuerung durch die zweiphasigen Taktspannungsimpulse wie Φ2 übertragen, die parallel die selbstausgerichteten Polysiliciumgitter wie 14-ma, welche die anschlußfreien Übergangsgebiete wie F2 überlappen, aussteuern.

Allgemeine Überlegungen zum Aufbau

und zur Besserung von ladungsgekoppelten

Schiebeschaltungen

Verschiedene Faktoren, die bei der Konstruktion der oben beschriebenen Schaltungen zu berücksichtigen sind, wurden im vorstehenden bereits angesprochen. Nimmt man Fig.40 als Beispiel, so dient die Spannungsquelle V₄ dazu, das anschlußfreie oder »schwimmende« Gebiet F auf irgendein Bezugspotential Vref ^ V₄ einzustellen. Die Speisespannung Vi (vereinigt mit V3, F i g. 29, falls vorhanden) bestimmt die Menge an Ladung, die in die Potentialwanne unter der ersten Speicherelektrode 16-1 eingebracht wird. Das Potential V/r des Gebietes Fist diejenige Spannung, die an der Gitterelektrode 16-0 liegt. Wenn Vf — V«£F(kein Ladungssignal bei F anwesend), so kann die bei 52 verfügbar gemacht Ladung zu einem angemessenen Zeitpunkt nach der Potentialwanne unter 16-1 übertragen werden. Andererseits muß der Wert von Vr wenn Ladung anwesend ist, ausreichend groß sein, um den Ladungsfluß von 52 zur Potentialwanne unter 16-1 zu verhindern. Dieser Wert muß positiver sein als (— Vi + Vt), wobei Vr die Schwellenspannung für 52, 16-0 ist Im vorliegenden Fall kann vorausgesetzt werden, daß V_cin Fi g. 40 so stark negativ ist, daß unter der Elektrode 17 ein hochleitender Kanal entsteht

Es ist klar, daß durch vernünftige Wahl der Werte für V₄ und Vi ein angemessener Wert von Vp erhalten werden kann, so daß im einen Fall (keine Ladung bei F) ein Ladungsfluß im gewünschten Ausmaß von 52 zur Potentiälwanne unter 16-1 erfolgen kann und im anderen Fall (Ladung bei F) der Ladungsfluß von 52 zur Potentialwanne unter 16-1 verhindert wird. Die Spannungsausschwingung bei F, d. h. der Betrag, um den Vf von Vref abweicht kann durch Vergrößern der &5 Amplitude von Φ2 (in Fig.40) erhöht werden, so daß eine tiefere Potentialwanne bei F entsteht und, wenn Ladungen anwesend sind, mehr solche Ladungen sich ansammeln und dadurch die positive Ausschwingung oder Amplitude von V>größerwird.

Bei der Erläuterung der F i g. 29 wurden die verschiedenen verteilten Schaltungskapazitäten eingeführt. Die gesamte kapazitive Belastung Cfdes Gebietes Fist:

Cf= Ca + Ct+ C₃+ C₄ + C₅

Die bei Faufgrund einer Ladungsübertragung ζ) nach F ίο erzeugte Spannungsänderung Δ V/rist:

W_F = -ß-.

Bei einem Substrat mit verhältnismäßig hohem spezifischen Widerstand kann Cf in der Hauptsache durch Ca und C5 gebildet werden. Unter solchen Voraussetzungen kann daher Δ Vf bei einem gegebenen Q dadurch erheblich vergrößert werden, daß man C₃ und C5 minimal (vorausgesetzt, daß die Kapazität zwischen 17 und 16-0 in F i g. 40 verhältnismäßig niedrig ist) und eine minimale Überlappung zwischen 14-n und F, wie z. B. in F i g. 43 gezeigt. Jedoch sind in diesem Fall, wie im Zusammenhang mit F i g. 43 erläutert, etwas komplexere Takt- oder Zeitsteuersignale erforderlich, und es kann manchmal wünschenswert sein, im Interesse der Vereinfachung der Taktgabe sowie aus anderen Überlegungen einen gewissen Anteil der Spannungsverstärkung zu opfern. Die Wirkung der

jo Erhöhung der Kapazität bei C₃ auf das Arbeiten der Schaltung wurde bereits erläutert.

Arbeitsgeschwindigkeit

Die mit den oben beschriebenen ladungsgekoppelten Schieberegistern erzielbare Arbeitsgeschwindigkeit hängt zum Teil von derjenigen Zeit ab, die nötig ist, um eine Ladung von einer zur nächstbenachbarten Potentialwanne zu übertragen. Diese Ladungsübertragung kann auf drei verschiedene Weisen erfolgen:

1. durch Diffusion;

2. mit Hilfe eines selbstinduzierten Drift- oder Wanderfeldes, das sich aus dem Gradienten des Oberflächenpotentials infolge ungleichmäßiger Ladungsverteilung in oder zwischen den beiden Potentialwannen ergibt; und

3. durch ein extern induziertes Driftfeld, das sich aus dem Streufeld zwischen den beiden Elektroden ergibt.

Computerberechnungen für den obigen Fall 3 haben ergeben, daß bei ausreichend hohem spezifischen Widerstand des Substrats die oben erläuterten selbstausgerichteten Elektrodenanordnungen, aufgrund deren der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden gleich oder kleiner als der Abstand einer Elektrode vom Substrat sein kann, so betrieben werden können, daß die vollständige Ladungsübertragung hauptsächlich aufgrund des Streufeldes und in einer Zeit in der Größenordnung von Nanosekunden erfolgt Andererseits erfolgt im obigen Fall 2, der als ein Diffusionsvorgang mit einem der Ladungsdichte proportionalen Diffusionskoeffizienten angesehen werden kann, die Ladungsübertragung in ähnlicher Weise wie bei der Entladung einer ÄC-Übertragunglsleitung. Im Gegensatz zu einer solchen Entladung wird jedoch im Fall 2 die Ladungsübertragung in Abhängigkeit von der aus der Potentialwanne ausgetragenen Ladungsmenge zunehmend langsamer als die ÄC-Zeitkonstante.

Wenn daher eine Ladungsübertragung gemäß dem obigen Fall 3 nicht gegeben ist, wie es bei weit beabstandeten und/oder langen Elektroden zu erwarten ist, beginnt in dem Ma?e, wie die Potentialwanne leerer wird, der Ladungsübcrtragungsvorgang überwiegend und schließlich gänzlich auf der Diffusion von Ladungsträgern unabhängig von ihrer Konzentration

j2

mit einer charakteristischen Zeitkonstante von—-zu

beruhen, wobei L=Elektrodenlänge und D= Diffusionskoeffizient in cnWsec In den Fällen 1 und 2 ist zu erwarten, daß der Wirkungsgrad der Ladungsübertragung (der Grad der Vollständigkeit der Ladungsübertragung) der Betriebsfrequenz umgekehrt proportional ist Im Fall 3 dagegen kann eine vollständige Ladungsübertragung im wesentlichen innerhalb einer einzigen Driftlaufzeit der Ladungsträger erfolgen, was eine extrem hohe Arbeitsgeschwindigkeit sowie eine vollständige Ladungsübertragung bedeutet Während daher der Vorgang gemäß Fall 2 erheblich zur anfänglichen Ladungsübertragung beitragen kann, ist eine vollständige und sehr schnelle Ladungsübertragung nur dann möglich, wenn der Vorgang gemäß Fall 3 gegeben ist.

Wenn die Verarmungstiefen vergleichbar oder größer als die Elektrodenlängen L sind und der Abstand zwischen den Elektroden gleich oder kleiner als die Dicke der Siliciumdioxydschicht ist, kann die effektive Ladungsübertragungszeit 7*_c aufgrund des Streufeldes für ein Substrat mit unendlichem spezifischen Widerstand durch die folgende Gleichung approximiert werden:

f —

I₁. —-

μ Λ V V2.τα,/'

wobei diese Gleichung abgeleitet ist von
_ 2 .τα 1 V

^⁴ mitt ψ "5

ί, =

worin £"„,,·„=das elektrische Feld unter der Φι-Elektrode (siehe unten), μ = die Beweglichkeit = 250 cm²/Voltsekunden für n-Silicium, und Δ V= die Differenz zwischen den Spannungen an zwei benachbarten ladungsgekoppelten Elektroden. Die Gleichung wurde für ein dreiphasiges ladungsgekoppeltes Schieberegister bei abnehmender Spannung Φ* zunehmender Spannung Φ3 und Spannung Φι gleich 0 abgeleitet. Die Ladung wurde von der Potentialwanne unter einer <&2-Elektrode zur Potentialwanne unter der Φ3-Elektrode übertragen. Zum interessierenden Zeitpunkt betrugen die Werte der diesen beiden Elektroden zugeführten Spannungen: Φ,=0 Volt, Φ₂= - VVoIt und Φ₃= -2 VVoIt, so daß Δ V= V. Ferner ist in den obigen Gleichungen a = die Dicke des Siliciumdioxyds, d. h. der Abstand einer Elektrode vom Substrat.

Während im obigen Fall der Wert von £„,,„ auf analytischem Wege (durch genaue Auflösung der Potentialfeldgleichungen) erhalten wurde, sind solche analytischen Methoden dann nicht anwendbar, wenn ein endlicher spezifischer Widerstand im Spiele ist. In diesem Fall sind Computerberechnungen mit Approximationen (die Auflösung der Piossonschen Gleichungen) erforderlich. Solche numerischen Auflösungen des Potentialfeldes für ladungsgekoppelte Strukturen, bei denen der endlicl-e spezifische Widerstand des Substrats, d. h. die Raumladung des Verarmungsgebietes, berücksichtigt wird, haben folgende Resultate ergeben: Bei einer Elektrodenanordnung mit L= 4 μ, einem Elektrodenabstand /=0,2 μ, a=2000 A, einem spezifischen Substratwiderstand p=20 Ohmzentimeter und Spannungen an drei benachbarten Elektroden von 2, 7 und 12 Volt beträgt das minimale Streufeld an der Siliciumsubstratoberfläche (das Feld, das die Ladungsübertragung unterstützt) 2,SxIO³ Volt/cm. Dies entspricht einer Laufzeit (Dauer der Ladungsübertragung von einer Potentialwanne zur nächsten) von 0,5 Nanosekunde. Das Streufeld für L=IO μ bei im übrigen gleichen Faktoren ist 4XlO² Volt/cm, entsprechend einer Laufzeit von 10 Nanosekunden.

Das Streufeld fällt scharf ab (und die Laufzeit steigt entsprechend an), wenn die Verarmungstiefe kleiner als die Elektrodenlänge L wird. Der Betrag des Streufeldes ist eine Funktion u.a. der Elektrodenspannung (je größer die Spannung zwischen den Elektroden und je größer die absoluten Spannungswerte sind, desto größer ist das Ftid), des spezifischen Substratwiderstandes ρ (je größer p, desto größer ist das Streufeld, bei gegebener Elektrodenspannung) und der Abmessung a (je kleiner a, desto größer ist das Streufeld bei gegebener Elektrodenspannung). Es wurde gefunden, daß, wenn die Verarmungsteife x_d kleiner als 6 a wird, das Streufeld mit abnehmendem spezifischen Substratwiderstand sehr rasch abzufallen beginnt Der Zustand, bei dem Verarmungstiefe Xd gleich 6 a ist, entspricht der Situation, wenn die effektive Dicke des Siliciumdioxyds (die gleich ungefähr 3 a ist) gleich V2 x<* der effektiven Verarmungstiefe, ist. Der obige Zustand entspricht der Situation, wenn der Spannungsabfall am Siliciumdioxyd gleich der Spannung an der Verarmungstiefe des Siliciums ist.

Eine andere Methode, das Streufeld bei gegebenem Elektrodenaufbau für den Fall eines Substrats mit verhältnismäßig niedrigem spezifischen Widerstand zu erhöhen, besteht darin, daß man die Zweiphasen-Anordnungen mit einer verhältnismäßig großen Substratvorspannung Vn betreibt. Eine große Substratvorspannung ergibt stärkere Streufelder durch Vergrößerung der Verarmungstiefen der Potentialwannen. Beispielsweise zeigen die numerischen Lösungen der Potentialfelder, daß bei einer Substratdotierung von 5 χ 10^:5 cm-³ (was einem spezifischen Widerstand von 0,8 Ohmzentimeter bei η-leitendem Substrat entspricht) und 4 μ langen, durch 0,2 μ breite Zwischenräume getrennten Elektroden auf 2000 Ä Kanaloxyd das minimale Streufeld 300 Volt/cm für Phasenspannungen von 2, 7 und 12 Volt beträgt. Bei der gleichen Anordnung erhöht sich jedoch das minimale Streufeld auf 1200 Volt/cm für Phasenspannungen von 12,17 und 22 Volt. Das bedeutet, daß in diesem Fall das minimale Streufeld sich um den Faktor 4 vergrößert, wenn die Substratspannung sich von V_n=+2 Volt in Vjv=+12 Volt ändert.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnungen lassen sich hohe Arbeitsgeschwindigkeiten erzielen. Aufgrund des übereinandergreifenden oder überlappenden Elektrodenaufbaus können die benachbarten

b5 Elektroden dicht beieinander angeordnet sein. Der Abstand zwischen den Elektroden /'(Fig.9) kann sehr klein, nämlich 1000 Ä oder kleiner (d.h. 0,1 μ oder kleiner) gemacht werden. Die Länge L (Fig.9) kann

Jdein sein, nämlich 13 μ oder kleiner, vielleicht sogar nur 5 μ, ebenso wie die Länge Ur(F ig. 9), die 2—5 μ betragen kann. Die kleine Länge Jt wird ohne weiteres nach dem Verfahren der Silicium-Gitter-Selbstausrichtung erhalten.

Die oben erwähnte Computeranalyse zeigt, daß bei Verwendung eines Substrats mit verhältnismäßig hohem spezifischen Widerstand (10 Ohmzentimeter oder mehr) Bitgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10⁸ Bits pro Sekunde oder höher erzielt werden können. Dagegen können Schaltungen mit hoher Packungsdichte, wie sie für serielle Speicherzwecke erwünscht sind, am besten dadurch erhalten werden, daß man zweiphasige Anordnungen für die ladungsgekoppelten Schaltungen verwendet Von diesen Anordnungen arbeitet diejenige mit nur zwei Siliciumdioxyddicken und ohne Spannungsunterschied (wie in Fig.9) mit einem Substrat mit verhältnismäßig niedrigem spezifischen Widerstand, beispielsweise einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 3 bis 1 Ohmzentimeter. Diese Register arbeiten mit Bitgeschwindigkeiten im Bereich von 10' bis 10⁸ Bits pro Sekunde. Um mit diesen Anordnungen die höheren Bitgeschwindigkeiten zu erreichen, kann man mit einer verhältnismäßig großen Substratvorspannung V"m beispielsweise +10 Volt oder mehr, arbeiten. Um Bitgeschwindigkeiten über 10⁸ Bits pro Sekunde zu erzielen, verwendet man vorzugsweise die Zweiphasen-Anordnungen mit Gleichspannungsdifferenzen (wie in Fig. 11 gezeigt), da bei diesen Anordnungen die Substrate mit hohem (sowie mit niedrigem) spezifischen Widerstand ausgebildet werden können.

Ein weiterer Faktor, der bei der Bestimmung der Arbeitsgeschwindigkeit der oben erläuterten Schaltungen zu berücksichtigen ist, ist die Ansprechzeit der Signalregenerierschaltungen (wie sie beispielsweise in Verbindung mit Fig.37—40 erläutert worden sind). Hier muß die für die Zurücksetzung des schwimmenden Übergangsgebietes Fauf Bezugspotential erforderliche Zeit sowie die für die Ladungsübertragung zum schwimmenden Übergangsgebiet erforderliche Zeit und die für die Eingabe von Ladung in die erste Potentialwanne des nächsten Registers (die Wanne unter der Elektrode 16-1) unter Steuerung des schwimmenden Übergangs erforderliche Zeit berücksichtigt werden. Die Ladungsübertragung in das schwimmende Übergangsgebiet kann im Prinzip ebenso schnell erfolgen wie die Ladungsübertragung zwischen zwei benachbarten Potentialwannen. Die für die Zurücksetzung des schwimmenden Übergangs auf das Bezugspotential (V4) erforderliche Zeit ist der Ladungsübertragungszeit vergleichbar und kann durch Verwendung eines ausreichend großen Rücksetzimpulses Vr verkürzt werden. Der noch verbleibende Faktor, nämlich die für die Ladungsübertragung zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 erforderliche Zeit, stellt die Hauptbeschränkung für die Ansprechzeit der Signalregenerierschaltung dar. Jedoch ist dies keine ernsthafte Beschränkung, da sich zeigen läßt, daß bei einer Spannung von 2 Volt oder größer diese Ladungsübertragungszeit in der Größenordnung von mehreren Nanosekunden betragen kann.

Herstellungsverfahren

Die nachstehende Erläuterung der für die Herstellung der oben beschriebenen ladungsgekoppelten Schaltungen geeigneten Herstellungsverfahren betrifft Methoden, die an sich in der Technologie der integrierten Schaltungen bekannt sind. Ihre Beschreibung ist daher etwas abgekürzt und allgemein bekannte Verfahrensschritte wie das Säubern der Scheibchen, das Aufbringen von Photoiackätzschutzmasken, das Glühen des Kanaloxyds, das Anlegieren des Siliciums an Aluminiumkontakte und ändere herkömmliche Maßnahmen sind, obwohl sie durchgeführt werden, nicht im einzelnen erläutert , _f/

Wie in F ig. 52a gezeigt, wird eine dicke Siliciumdioxydschicht 240 (ungefähr 10 000 Λ dick) thermisch auf das Siliciumsubstrat 242 aufgewachsen. Dann wird, wie in Fig.52b gezeigt, derjenige Teil des SiliciumdioxyHs, wo die Elektroden und die diffundierten Gebiete D, F und Si gebildet werden sollen, weggeätzt Danach wird, wie in Fig.52c gezeigt, eine dünne Schicht 244 aus Siliciumdioxyd (etwa 500 bis 2000 Λ dick) thermisch auf das Substrat aufgewachsen.

Als nächstes wird, wie in Fig.52d gezeigt, eine Polysiliciumschicht 246 (ungefähr 3000 bis 5000 Λ dick) epitaxial auf dem Siliciumscheibchen 242 Ober sowohl den dünnen als auch den dicken Siliciumdioxydgebieten abgeschieden. Danach werden mit Hilfe einer Maske diejenigen Substratgebiete festgelegt, wo die ρ+-Gebiete gebildet werden sollen, und zwar indem alles Polysilicium, das nicht für die Gitter oder Elektroden gebraucht wird, entfernt wird. Durch diese Maske kann ein Photolack aufgebracht werden, und diejenigen Teile des Polysiliciums und des Siliciumdioxyds, die den nichtgehärteten Bereichen des Photolacks entsprechen, werden weggeätzt, so daß der in Fig.52e gezeigte Aufbau zurückbleibt Dadurch werden bestimmte Gebiete 248—250 des Substrats freigelegt. Danach werden mit Hilfe einer Quelle von ρ+ -Dotierstoff wie Bor die p-n-Übergänge gebildet, wie in F i g. 52f gezeigt Bei diesem Verfahrensschritt dienen die Polysiliciumgebiete und an anderen Stellen die dicken Siliciumdioxydgebiete als Diffusionsmaske.

Nach den oben beschriebenen Verfahrensschritten kann auf die gesamte Anordnung eine zweite dünne Siliciumdioxydschicht (2000 bis 6000 A dick) aufgebracht werden, wie in Fig.52g gezeigt Diese Oxydschicht dient als dielektrische Isolation zwischen den Polysilicium- und den Aluminiumelektroden verschiedener Spannungsphasen. Man kann diese Oxydschicht auch vor dem Anbringen der Quellen und Abflüsse aufbringen. Als nächstes können mit Hilfe einer weiteren Maske die im Verfahrensschritt nach Fig.52h wegzuätzenden Gebiete festgelegt werden. Sodann wird geätzt, so daß die Polysiliciumteile jedes Elektrodenpaars wie bei 252—257 zurückbleiben. In F i g. 52h kann das ρ + -Gebiet im Substrat die Quelle 5Ί, das schwimmende oder anschlußfreie Gebiet Fund der Abfluß D sein. Die Elektrode 258 kann die Steuerelektrode für das Zurücksetzen des schwimmenden Gebiets Fauf die Spannung des Abflusses D sein.

Die übrigen Verfahrensschritte sind offensichtlich und daher nicht veranschaulicht. Als erstes wird eine weitere Siliciumdioxydschicht thermisch aufgewachsen oder abgeschieden, um die gewünschte Kanaloxyddicke unter den Aluminiumelektroden herzustellen und die Polysiliciumelektroden zu isolieren. Sodann werden mit Hilfe einer weiteren Maske Kontaktöffnungen für die ρ+ -Gebiete im Substrat und an den Steilen auf dem Polysilicium angebracht, wo ein Anschluß an die später aufzubringenden Aluminiumleiter oder -elektroden benötigt wird. Danach kann auf die Anordnung eine durchgehende Aluminiumschicht aufgebracht werden. Sodann können mit Hilfe einer weiteren Maske die

Aluminiumelektroden festgelegt werden. Danach können TeHe des Aluminiums weggeätzt werden, um die Struktur der Aluminiumelektroden herzustellen.

Im Verfahrensschritt nach Fig.52h kann gewünschtenfaHs ein Teil des Siliciumdioxydkanalgebietes 244 weggeätzt werden. Ob dies geschieht oder nicht, hängt davon ab, wie dicht die Aluminiumelektrode beim Substrat angeordnet sein solL Soll die Aluminiumelektrode so dicht beim Substrat sein wie die Polysiliciumelektroden, so müssen Teile der Schicht 244 weggeätzt werden, und zwar im Hinblick auf die nächste anzubringende SiliciumdiöxydschichL Sollen dagegen die Aluminiumelektroden weiter vom Siliciumsubstrat entfernt sein als die Polysiliciumelektroden, so kann mit dem Ätzen aufgehört werden, wie in F i g. 52h gezeigt

Gemäß einer anderen Ausführungsforni des Verfahrens läßt sich im wesentlichen der gleiche .Aufbau, jedoch ohne selbstausgerichtete Diffusion, durch Abwandeln der Folge der Verfahrensschritte herstellen. In diesem Fall können die ρ+-Gebiete im η-Substrat vor dem Aufwachsen der dicken Siliciumdioxydschicht (vor dem Verfahrensschritt nach F i g. 52a) gebildet werden. Jetzt werden beim Aufwachsen der dicken Oxydschicht die ρ+-Gebiete tiefer in das Substrat hineingetrieben. AuBerdem kann bei dieser Verfahrensausführung eine der Masken für das Ätzen sowohl der Polysiliciumelektroden 252—257 als auch der Polysiliciumsteuerelektrode 258 verwendet werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung erwähnten speziellen Materialien sind lediglich beispielsweise angegeben. In vielen Fällen können auch andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise für das Substrat, obwohl Silicium derzeit als bevorzugtes Material angesehen wird, können auch andere Materialien wie z. B. Germanium oder Galliumarsenid verwendet werden. Ferner können auch bei Verwendung von Silicium p-leitende Substrate in manchen Fällen η-leitenden Substraten vorzuziehen sein. Bei p-leitenden Substraten sind die Ladungsträger Elektronen, deren Beweglichkeit ungefähr doppelt so groß ist wie die von Löchern (Defektelektronen), was bedeutet, daß auf diese Weise ladungsgekoppelte Schaltungen mit höheren Arbeitsgeschwindigkeiten erhalten werden können. Außerdem können statt Polysilicium und Aluminium für die Elektroden auch andere Materialien wie Polysilicium und Molybdän oder Molybdän-Gold- oder Platin-Titan-Gold- oder Wolfram-Aluminium- oder Aluminium-Siliciumlegierungen oder irgendeines dieser Metalle verwendet werden. Auch das Polysilicium kann durch andere Materialien ersetzt werden, indem mit Zweischichtmetallisierung gearbeitet wird. Beispielsweise kann man anodisiertes Aluminium für die erste Metallschicht verwenden (in diesem Fall wäre Alumini umoxyd der Isolator oder einer der Isolatoren zwischen dieser Metallelektrode und der zweiten des Paares). Ferner können, obwohl Siliciumdioxyd viele vorteilhafte Eigenschaften hat, auch andere Isoliermaterialien wie Aluminiumoxyd und Siliciumnitrid auf Siliciumsubstra ten sowie viele andere hochwertige Dielektrika auf Substraten aus anderen Materialien als Silicium verwendet werden.

Die oben beispielsweise angegebenen Abmessungen gelten für Anordnungen, die nach der Technologie der integrierten Schaltungen hergestellt werden, beispielsweise durch Kontakt- oder Projektionsdrucken zum Entwickeln des Photolacks. Die gleiche Art von Anordnungen kann auch mit erheblich kleineren Abmessungen hergestellt werden, so daß sich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten ergeben, indem man einen Abtastelektronenstrahl für die Belichtung des Photolacks oder auch für die Direktherstellung der Elektroden verwendet In diesem Fall kann die Ausrichtung zwischen verschiedenen Schichten der Anordnung dadurch automatisiert werden, daß man mit Rückkopplung und einem digitalen Computer für die Steuerung arbeitet. Mit Hilfe dieser Herstellungsmethode werden Längenabmessungen von Elektroden in der Größenordnung von 1 μ (10~⁶ Meter) oder kleiner erhalten.

Hierzu 24 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial und mit einer im Substrat gebildeten Ladungsträgerquelle, ferner mit einer Vielzahl von gegenüber dem Substrat isolierten Elektrodenanordnungen, denen Taktimpulse mehrerer verschiedener Phasen anlegbar sind, um Ladungsträger zu speichern und weiterzugeben, und mit einer Steuereinrichtung zum Einbringen von Ladungsträgern aus der Ladungsträgerquelle in eine Potentialgrube unter der am nächsten an der Ladungsträgerquelle liegenden Elektrodenanordnung während derjenigen Zeiten, in denen ein Taktimpuls der dieser Elektrodenanordnung zugeordneten Phase dort eine solche Potentialgrube hervorruft, wobei diese Steuereinrichtung eine zwischen der Ladungsträgerquelle und der genannten nächstliegenden Elektrodenanordnung befindliehe zusätzliche, gegenüber dem Substrat isolierte Steuerelektrodenanordnung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ferner Steuerspannungsquellen enthält, um der Steuerelektrodenanordnung (14-0) und der Ladungs- 2¹; trägerquelle (Si) gleichzeitig Wechselspannungen (Va V_s 1) anzulegen, deren Polaritäten, Amplituden und Dauer so bemessen sind, daß eine Abgabe von Ladungsträgern aus der Ladungsträgerquelle, der Fluß der Ladungsträger durch den unter der j« Steuerelektrodenanordnung liegenden Substratbereich und das Anfüllen der genannten Potentialgrube auf ein durch die Wechselspannungen gesteuertes Maß bewirkt wird (F i g. 7 und 8).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch r, gekennzeichnet, daß der genannten nächstliegenden Elektrodenanordnung (14-1) von einer Taktimpulsquelle ein zu einem Zeitpunkt ίο beginnender und zu einem Zeitpunkt U endender Taktimpuls (Φι) zuführbar ist, daß die Steuerelektrodenanordnung aus einer einzigen Steuerelektrode (14-0) besteht, die mit einer Steuerimpulsquelle (V_c) gekoppelt ist, deren Steuerimpuls zu einer Zeit t\ nach dem Zeitpunkt fo beginnt und zu einer Zeit h a vor dem Zeitpunkt U endet, und daß das der Ladungsträgerquelle (Si) zugeführte Signal (Vz) ein in Durchlaßrichtung gepolter Spannungsimpuls ist, der zu einer Zeit f2 nach dem Zeitpunkt ίο beginnt und zu einer Zeit tz nach dem Zeitpunkt h „ und vor dem Zeitpunkt U endet, und daß die Ladungsträgerquelle außerhalb der Zeit dieses Spannungsimpulses eine Sperrvorspannung empfängt, die zur Verhinderung der Ladungsträgerabgabe ausreicht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerimpuls (V₀) von der Steuerimpulsquelle eine Amplitude hat, die höher ist als die Schwellenspannung V, des Substrats und wesentlich größer ist als der der Ladungsträgerquelle (Si) zuführbare Spannungsimpuls (V3).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch t,o gekennzeichnet, daß die Steuerelektrodenanordnung mindestens zwei Steuerelektroden (z. B. 16-0 und 17 in Fig.8) aufweist, die einzeln durch Steuerimpulse beaufschlagbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch b5 gekennzeichnet, daß sich die beiden Steuerelektroden (z.B. 17 und 16-0 in F i g. 38) hintereinander zwischen der Ladungsträgerquelle (z. B. S₂) und der genannten nächstliegenden Elektrodenanordnung (z.B. 16-1) befinden.

6. Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial, einer Reihe von mehreren auf dem Substrat angeordneten Ladungsspeichern, deren jeder ein Paar gegenüber dem Substrat isolierter und kapazitiv mit dem Substrat gekoppelter Elektroden aufweist, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Potentialgrube unter jedem Elektrodenpaar, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (z.B. 30-16 in Fig. 11) jedes Paars aus einem stark dotierten Halbleiter besteht, während die zweite Elektrode (30-ia) aus Metall besteht und von der ersten Elektrode isoliert ist und diese überlappt

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Elektrodenpaar die eine aus Metall besiehende Elektrode (z. B. 30-1 a in F i g. 11) gleichen Abstand vom Substrat hat wie die andere aus stark dotiertem Halbleitermaterial bestehende Elektrode (30-löJl

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Metallelektrode jedes Paars weiter vom Substrat entfernt befindet als die jeweils zugeordnete stark dotierte Halbleiterelektrode (F ig. 12).

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihen von Ladungsspeichern zu einer Ladungspeichermatrix zusammengefaßt sind (z. B. F i g. 25).

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Ladungsspeicherreihen durch eine relativ dicke Isolierschicht auf dem Substrat voneinander getrennt sind, und daß die Elektroden jeder Reihe über der Isolierschicht verlaufen und sich bis mindestens zur nächstbenachbarten Reihe erstrecken (z. B. F i g. 25).

11. Zweiphasig gesteuerte ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial, einer Reihe von mehreren auf dem Substrat angeordneten Ladungsspeichern, deren jeder ein Paar gegenüber dem Substrat isolierter und kapazitiv mit dem Substrat gekoppelter Elektroden aufweist, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer asymmetrischen Potentialgrube unter jedem Elektrodenpaar, und einer zur Weitergabe von Ladung längs der Speicherreihe dienenden zweiphasigen Spannungsquelle, deren eine Phase an einen über den anderen Ladungsspeicher gelegt ist und deren andere Phase an die übrigen Ladungsspeicher gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode jedes Paars (z. B. 26-2,28-2 in F i g. 9) eine andere Austrittsarbeit hat als die andere Elektrode, wobei die Elektrode mit der kleineren Austrittsarbeit mindestens so nahe am Substrat liegt wie die Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 1, bei welcher mehrere Reihen von Ladungsspeichern auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Elektroden vom Substrat trennende Isolierschicht am Ort der Ladungsspeicherreihen relativ dünn und zwischen den Ladungsspeicherreihen relativ dick ist, und daß gleichartige Elektroden der die Ladungsspeicher bildenden Elektrodenpaare mindestens zweier benachbarter Reihen jeweils durch Teile eines zusammenhängenden leitenden Belags gebildet sind, die sich über den dünneren Bereich der Isolierschicht

erstrecken, während sich die diese Elektroden verbindenden Teile des leitenden Belags Ober den dickeren Bereich der Isolierschicht erstrecken (z. B. Fig. 14,17,25).

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eleKtrodenbildenden Teile des für die ersten. Elektroden der Elektrodenpaare vorgesehenen leitenden Belags die elektrodenbildenden Teile des für die zweiten Elektroden der Elektrodenpaare vorgesehenen ic leitenden Belags in der einen Ladungsspeicherreihe auf der einen Seite und in der benachbarten Ladungsspeicherreihe auf der entgegengesetzten Seite überlappen (z. B. F i g. 14,17,25).

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß von dem einen leitenden Belag mehrere Streifen (40-1 a, 40-2a usw.) vorgesehen sind, die wellenförmig in Spaltenrichtung quer zu den Ladungsspeicherreihen verlaufen, und daß von dem anderen leitenden Belag ebenfalls mehrere Streifen (40-1 b, 40-26 usw.) vorgesehen sind, die ebenfalls wellenförmig in Spaltenrichtung quer zu den Ladungsspeicherreihen verlaufen, wobei jeder Streifen des einen Belags an den in Spaltenrichtung beabstandeten Orten mit dicker Isolierschicht einen Streifen des anderen Belags in wechselnden Richtungen überkreuzt (F i g. 14).

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest von dem einen leitenden Belag mehrere, sich längs der j« dickeren Isolierschichtbereiche zwischen den Ladungsspeicherreihen erstreckende Hauptäste vorgesehen sind, deren jeder zur Bildung der Elektroden seitliche Fortsätze (z. B. 59, 60, 61, 62, 63, 64) aufweist, die sich wechselweise gegenständig in die r> dünneren Isolierschichtbereiche der beiden benachbarten Ladungsspeicherreihen erstrecken und dort die elektrodenbildenden Teile (65,66,67,68,69) des anderen lebenden Belags abwechselnd auf verschiedenen Seiten überlappen, und daß sich die einander zuweisenden Fortsätze (z. B. 60,62,64 und 53,55,51) benachbarter Hauptäste in gegenseitig verzahnter Anordnung befinden (F i g. 17 oder 25).

16. Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen mittels ladungsgekoppel- v-, ter Schieberegister, gekennzeichnet durch zwei parallele ladungsgekoppelte Schieberegister, und einen Signaldifferenzdetektor, dessen erster Eingang an einer Stufe des einen Schieberegisters und dessen zweiter Eingang an die entsprechende Stufe des anderen Schieberegisters angeschlossen ist (F ig. 47).

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schieberegister aus einem Halbleitersubstrat und einer Reihe von hiermit kapazitiv gekoppelten Elektroden (14) besteht und daß in jedem Schieberegister diejenige Stufe, an die der Signaldifferenzdetektor angeschlossen ist, aus einem Dotierungsgebiet (Fu Fi) im Substrat besteht, das einen anderen Leitungstyp hat ω als das an eine der Elektroden (14-n, 14_a-nj des Schieberegisters angrenzende Substratgebiet (F ig. 48).

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldifferenzdetektor ein Flipflop mit vier Transistoren mit jeweils einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Steuerelektrode ist. wobei die mit dem Signaldetektor gekoppelten Dotierungsgebiete (F\, Fi) im Substrat jeweils die SourceeJektroden für zwei der Transistoren bilden (F i g. 48).

19. Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung mit einem Substrat gegebenen Leitungstyps, gekennzeichnet durch zwei in verhältnismäßig dichtem Abstand im Substrat angeordnete Gebiete (Fu F₂) des entgegengesetzten Leitungstyps; eine mit dem zweiten dieser Gebiete (Fi) gekoppelte Einrichtung (14-(n+l)), die im Substrat während eines gegebenen Zeitintervalls einen Leitungsweg vom zweiten Gebiet nach einer Bezugsspannungsquelle (D, Vt) zum Zurücksetzen des zweiten Gebiets auf einen Bezugsspannungspegel erzeugt; und eine mit dem zweiten Gebiet und dem Teil des Substrats zwischen den beiden Gebieten gekoppelte Elektrodenanordnung (14_roa), die das erste Gebiet (Fi) während eines zweiten Zeitintervalls auf einen Spannungspegel zurücksetzt (F i g. 51).

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle ein drittes Gebiet (D) im Substrat vom entgegengesetzten Leitungstyp umfaßt, welches auf einem festen Bezugsspannungspegel (V4) gehalten ist.

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch zwei Ausgangsklemmen, deren eine mit dem ersten (Fi) und deren andere mit dem zweiten Gebiet (F2) gekoppelt ist; ein viertes Gebiet (S2 + S3 + S4) im Substrat, welches einen anderen Leitungstyp als das Substrat hat und als Minoritätsträgerquelle dient; eine Einrichtung(16-1), die in einem Bereich des Substrats dicht beim vierten Gebiet eine Potentialgrube erzeugt; und eine vierte mit dem Substratbereich zwischen dem vierten Gebiet und der eine Potentialgrube erzeugenden Einrichtung (16-1) gekoppelte Steuerelektrode (16-0), die an die eine der Ausgangsklemmen (bei Fi) angeschlossen ist und den Ladungsfluß vom vierten Gebiet zur Potentialgrube steuert.

22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine fünfte mit dem Substratbereich zwischen dem vierten Gebiet (S2 + S3+S4) und der die Potentialgrube erzeugenden Einrichtung (16-1) gekoppelte Steuerelektrode (17), wobei die vierte und die fünfte Elektrode zwei sich überlappende Elektroden bilden, die im Substrat zwei in Reihe liegende Leitungswege zwischen dem vierten Gebiet und der Potentialgrube erzeugen.

23. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16_a-l), die in einem anderen Substratgebiet dicht beim vierten Gebiet (S₂+ S₃+ S₄) ^eine zweite Potentialgrube erzeugt; und eine weitere, mit dem Substratbereich zwischen dem vierten Gebiet und der zweiten Potentialgrube gekoppelte Steuerelektrode (16_a-0), die an die andere der Ausgangsklemmen (bei F2) angeschlossen ist.

24. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine mit verschiedenen Teilen des vierten Gebiets gekoppelte Einrichtung (17 und 17-6,1 die bewirkt, daß gleichzeitig der eine Teil (S2) des vierten Gebiets den Durchgang von Ladungsträgern zu der eine Potentialgrube erzeugenden Einrichtung (16-1) verhindert und ein anderer Teil (S3) des vierten Gebiets den Durchgang von Ladungsträgern zu dieser Einrichtung gestattet.

25. Verfahren zur Fortleitunc einer Ladung mit

hoher Geschwindigkeit von einer Potentialgrube in einem Substrat unterhalb einer ersten Elektrode in ein Gebiet des Substrats unterhalb einer zweiten, benachbarten überlappenden Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im Überlap- ■> pungsbereich um eine Strecke voneinander beabstandet werden, die nicht größer ist als der Abstand der Elektroden vom Substrat; und daß zwischen den Elektroden ein derart starkes Randfeld erzeugt wird, daß im Substrat unterhalb der zweiten Elektrode ein Verarmungsgebiet mit einer der Elektrodenbreite vergleichbaren Tiefe entsteht.

26. Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial eines gegebenen Leitungstyps und mit einer Vielzahl von \^r, gegenüber dem Substrat isolierten Speicherelektroden, die durch Taktimpulse mehrerer verschiedener Phasen ansteuerbar sind, um Ladungssignale zu speichern und weiterzugeben, sowie mit einem nach einer n-ten Speicherelektrode im Substrat angeordneten ersten Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps und solcher Vorspannung, daß es Minoritätsträger aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Gebiet (D) und der n-ten Speicherelektrode (14-n^ ein zweites Gebiet (F) des entgegengesetzten Leitungstyps im Substrat (10) gebildet ist; daß zwischen diesen beiden Gebieten im Abstand vom Substrat eine Steuerelektrode (14-fn+l)) zum Steuern des Minoritätsträgerflusses vom zweiten zum ersten Gebiet angeordnet ist; daß jo die /7-te Speicherelektrode bei entsprechender Ansteuerung die unter ihr gespeicherte Minoritätsträgerladung in denjenigen Substratteil verschiebt, wo sich das zweite Gebiet (F) befindet; daß eine Einrichtung (Vr) vorgesehen ist, welche die Steuer- r, elektrode mit einem Signal in einem solchen Sinne beaufschlagt, daß eine etwa im zweiten Gebiet vorhandene Ladung zum ersten Gebiet geleitet und das zweite Gebiet daraufhin auf einen Bezugsspannungspegel zurückgesetzt wird; daß an das zweite Gebiet eine Ausgangsklemme (140) zum Abnehmen eines Signals angeschlossen ist (F i g. 29).

27. Schaltungsanordnung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch ein beabstandetes, das Substrat berührendes drittes Gebiet (S2) aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps; eine im Abstand von der Substratoberfläche dicht beim dritten Gebiet angeordnete weitere Speicherelektrode (16-1); eine im Abstand von der Substratoberfläche zwischen dem dritten Gebiet und der weiteren Speicherelektrode angeordnete weitere Steuerelektrode (16-0); eine zwischen dem zweiten Gebiet (F) und der weiteren Steuerelektrode (16-0) liegende Koppeleinrichtung (140), die bei Anwesenheit eines Ladungssignals im zweiten Gebiet die Spannung der weiteren Steuerelektrode steuert

28. Schaltungsanordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die das erste und dritte Gebiet (D, S2) und die erste Steuerelektrode (14-fn+1)) auf der gleichen Spannung (- Vj) hält eo (Fig.34).

29. Schaltungsanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung eine Umkehreinrichtung (/in F i g. 46) ist

30. Schaltungsanordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine mit dem dritten Gebiet (S2) gekoppelte Einrichtung, die das dritte Gebiet mit einer Sperrspannung (— Vj) beaufschlagt deren Amplitude nicht ausreicht, um zu verhindern, daß das dritte Gebiet als Minoritätsträgerquelle wirksam wird.

31. Schaltungsanordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die das dritte Gebiet (S2) normalerweise so weit in Sperrichtung spannt (V\ in Fig.38), daß es keine Minoritätsträger freigeben kann, und eine Einrichtung, die das dritte Gebiet während der Zeit, wo die Spannung der weiteren Steuerelektrode (16-0) durch das zweite Gebiet (F) gesteuert wird, mit einem Impuls (Vi) in Durchlaßrichtung beaufschlagt.