DE2201150C3

DE2201150C3 - Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung und Verfahren zur Fortleitung einer Ladung mit hoher Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE2201150C3
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: 1979-12-06
Also published as: GB1377125A; AU461729B2; GB1377122A; US3760202A; GB1377121A; NL182520C; GB1377123A; FR2121870B1; GB1377128A; FR2121870A1; NL182520B; US3758794A; DE2201150B2; AU3757872A; GB1377127A; GB1377124A; DE2201150A1; GB1377126A; GB1377129A; NL7200519A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ladungsgekoppelt Schaltungsanordnungen gemäß ObcrbcHriff der Neben ansprüche 1,6. II, 16, 19 und 26 sowir auf ein Verfahrcr zur f'ortleilung einer Ladung mit hoher Geschwindig keit gemäß Oberbegriff des PA 25. Solche Halbleiter schaltungen eignen sich besonders fürSerienrcgistcr.

l.adungsgekopnelte Halblcitcrschallungen der gc nannten Gattung sind bekannt, z. B. aus einem Aufsat? von M. I". Tom pse 11 u. a. »Charge Coupled 8-Bit Shifi Registern, der in der Zeitschrift »Applied Physic; Letters«, Hand 17, Nr. 3 (August 1970), Seiten 111 fI veröffentlicht ist. Hierbei werden Ladungen in an dei Oberfläche eines Halbleiterkörper erzeugten Polen tialgruben gespeichert und mit Hufe von angelegter Spannungen entlang dieser Oberfläche transportiert Bei diesen Ladungen handelt es sich um Minoritätsträ ger, die an den Grenzflächen zwischen dem Substral (Silizium) und der Isolierschicht (Siliziumdioxid) von MOS-Kondensatoren gespeichert sind. Si'.: 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 Ladungstragerqueiie, die aus einem Gebiet eines dem Substrat entgegengesetzten Leitungstyps besteht und auf derselben Vorspannung wie das Substrat liegt. Zwischen der Ladungstragerqueiie und der ersten Speicherelektrode der ladungsgekoppeltcn 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 )er 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-

lie dar. Diese Ausgangsgröße kann entweder als Ausgangssigniil verarbeite! werden oder aber als regeneriertes Signa' einer nächsten ladtingsgckoppclien Halbleiterschaltung eingegeben werden.

Die Aufgabe der !Erfindung besteht darin, die -, bekannten ladungsgekoppcllen Halbleitcrsehaltungcn derart ; j verbessern, daß stets eine eindeutige Zuordnung der übertragenen l.adungsmengen zu bestimmten Signalwertcn möglich ist. Die zur Lösung dieser Aufgabe erforderlichen Maßnahm?>'i hängen κι natürlich ab von der jeweiligen Anwcndiings- oder Betriebsart der ladtingsgckoppellen Sclialliingcn und beziehen sich zunächst einmal auf die Signalcingabe an der Lingangsseilc der Schaltung, bei mehrstufigen Schaltungen natürlich auch auf die Signalweitergabe ι -, von Stufe zu Stufe, bei Kcltcnschaltungcn mehrerer mehrstufiger Schaltungen auf die Signalübertragung von einem Kettenglied /um närhxlrn h/w auf Hin Signalausgabc.

Um die gestellte Aufgabe bei der Signalcingabe zu .>u lösen, wird eine ladungsgckoppeltc Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs I näher beschriebenen Gattung erfindungsgemäß so ausgebildet, wie es im Kennzeichnungsteil dieses Anspruchs angegeben ist. Der erfindungsgemäß ausgebildete y, Fingangstcil der ladungsgckoppelten Schaltung unterscheidet sich von dem oben erwähnten Stand der Technik im Prinzip dadurch, daß die Ladungsträgerqucl-Ic nicht unverändert auf einem dem Substrat gleichen Potcnti.! liegt, sondern eine wechselnde Spannung i< > empfängt, deren Änderungen sowohl zeitlich als auch amplitudenmäßig in bestimmter Weise gegenüber der Steiierspannung abgestimmt sind, die an die vor der ersten Speicherelektrode liegende Steuerelektrode gelegt wird. Hiermit wird im Gegensatz zum Stand der r, Technik erreicht, daß die Potentialgrube unterhalb der ersten Speicherelektrode mit einer sehr genau kontrollierbaren Ladungsmenge gefüllt wird.

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

Die Patentansprüche b bis Jl ollenbaren 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

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

Fig.2 und 3 Blockschaltschemata verschiedener Ausführungsformen der Halbleiterschaltung,

F i g. 4 eine Querschnittsdarstellung des Eingangsendes eines Schieberegisters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig.5 ein Diagramm, das in der Schaltung nach F i g. 4 auftretende Signalformen wiedergibt,

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

F i g. 7 eine schemaiische Querschriiitsdarsieilung einer anderen Form des Eingangsendes der Schaltung,

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

F i g. 9 cine realistischere Qucrschnittsdarstellung eines Teils eines Schieberegisters gemäß einer Ausführiingsform der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Querschniltsdarstcllung einer anderen Ausführungsform eines Schieberegisters,

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

Fig. 12 eine Querschnittsdarstcllung einer anderen Ausführungsform eines Schieberegisters,

Fig. 13 die Wirkungsweise der Schallungen nach F i g. 9 bis 12 erläuternde Diagramme, die Signalformen sowie Potcntialwannen wiedergeben,

Fig. 14 eine teilweise schematische Grundrißdarstel· lung einer zweidimensionalcn Schicberegistcranord niing gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15 und 16 Qucrschnittsdarstcllungen entlang den

1 *»- i ξ Κ-»

ΙΙ,.ΙΙ,ΙηΙ'Ι ■

Fig. 17 cine teilweise schematische Grundrißdarstellung einer anderen Ausfülirungsform einer zwcidimensionalen Schieberegisteranordnung,

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

Fig. 20 eine Grundrißdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Schieberegisters,

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

Fig. 22 eine Querschnittsdarstcllung entlang der Schnittlinie 22-22 in Fig. 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 Querschnittsdarslellungen entlang den Schnittlinien 26-26,27-27 bzw. 28-28 in F i g. 25,

Fig. 29 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eine·· 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 narh F i g. 29 auftretende Signalformen wiedergibt,

F i g. 32 eine schematische Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Koppelanordnung für ein vierphasiges Schieberegistersystem,

Fi g. 33 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung nach F i g. 32 auftretende Signalformen wiedergibt,

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

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

F i g. 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,

F i g. 38 und 39 Querschnittsdarstellungen abgewandelter Ausführungsformen der Eingangsschaltung des Empfangsregisters nach F i g. 37,

Fig.40 eine Querschnittsdarsteüung einer weiteren Ausführungsform einer Koppelschaltung, die mit einer zweiphasigen Versorgungsspannung arbeitet, F i g. 41 ein Diagramm, das im Betrieb der Schaltung

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nach F i g. 40 auftretende Signalformen wiedergibt,

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

F i g. 43 eine Querschi ittsdarstellung 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 Blockschallschema einer Koppeischaltung für z. B. die Schaltungsausführung nach F i g. 21.

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

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

F i g. 50 eine teils querschnittliche, teils schallschematische 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 de¹? Systems,

(5) allgemeiner Überlegungen der Konstruktion von ladungsgekoppelten Schiebeanordnungen,

(6) spezieller Überlegungen für den Schnellbetrieb i-.nd

(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 bewegen. Die Schichtdicke kann 500 bis 2000 Ä betragen. Die übrigen Gebiete der Siliciumoberfläche (nicht gezeigt) können mit einer dicken Siliciumdioxydschicht von z.B. lOOOOÄ oder mehr bedeckt sein.

Auf der Siliciumdioxydschicht sind mehrere leitende Platten oder Elektroden 14-0,14-1,14-2... 14-(n+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 l4-(n+ 1) eine Einrichtung Q mit einem Ladungsträg^rkoiiektor angeordnet Die Ladungsträgerquelle Si und die Einrichtung Q 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 arbeilet in noch zu erläuternder Weise als Schieberegister.

Neben dem ersten Schieberegister befindet sich ein ähnlich wie dieses aufgebautes zweites Schieberegister. Es enthält eine M'moritätsträgerquclle 52, mehrere leitende Platten oder Elektroden 16-0, 16-1, 16-2 usw. auf der Siliciumdioxydoberfläche 12 und eine bei der Steuerelektrode 16-(T; + I) angeordnete Einrichtung C\, die den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie die Einrichtung G 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 /wischen den beiden Registern, angedeutet durch die gestrichelte Linie 171, oder aus einer zwischen die beiden Register gekoppelten äußeren Schaltung, angedeutet durch den Rlock 19. bestehen. Dip Aiisgnngclritiing IR-I Hi.·« zweiten Schieberegisters kann an den Eingang des nächstfolgenden Schieberegisters (nicht gezeigt) angekoppelt sein. Diese Kopplung kann in der bereits erläuterten Weise bewerkstelligt werden, oder die Ausgangslcitung 18-1 kann über eine Rückkoppliingsschaltung an die Ladungsträgcrquellc S\ angekoppelt sein, so daß sich ein Umlaufspeicher ergibt. Als dritte Möglichkeit oder zusätzlich kann die Ausgangslcitung 18-1 den Ausgang des Systems bilden. Diese verschiedenen Möglichkeiten werden später an Hand der F i g. 2 und 3 erläutert.

Die in den Serien-Speicher nach F i g. I eingegebene Information kann von Stufe zu Stufe unter Steuerung durch eine Mehrphasen-Spannungsquellc 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 arbeilet. Bei Verwendung einer zweiphasigen Spannungsquelle ergibt sich allerdings nicht zwangsläufig eine .Signalfortleitung in nur einer Richtung.

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

Vor der Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. I soll zunächst die allgemeine Theorie der Wirkungsweise von ladungsgekoppelten 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 Potentialgrube oder -wanne entsteht, die dem induzierten Verarmungsgebiei 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 e^;nem Spannungsimpuls gegebener Amplitude. ]e dicker die Siliciumdioxydschicht unterhalb der Elektrode ist, desto flacher ist die Verarmungstiefe bei einer gegebenen Spannungsamplitude an der Elektrode.

Eine an der Oberfläche des Siliciumsubstrats gebilde-

te Potentialwanne ist bestrebt, Minoritätstniger (in diesem Fall Löcher oder Defektelektronen) anzusummen. Diese kommen, wenn sie von keiner anderen Stolle verfügbar sind, aus dem Substrat selbst. In diesem Fall werden die Ladungsträger thermisch, und zwar hauptsächlich durch einen Obcrflächenerzeugiingsvorgang erzeugt. Sie bilden an der Oberfläche des Siliciumstrats eine Inversionsschicht, in der die Potentialwanne in einer Zeit von ungefähr einer Sekunde entsteht. Das heißt, (lic unterhalb der Elektrode bei Auftreten eines negativen Spannungsimpuls erzeugte Potcntialwanne wird »auf natürliche Weise« mit Minoritätslrägern 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)

zusätzlichen Ladung, die aufgrund der kapazität zwischen dem Substrat und der betreffenden Fhkirodo aufgebaut wird.

Hei der in Fig. I gezeigten bevorzugten Aiisführungsform beruht die Bereitstellung di:r in eine Potentialwanne als Signal eingeführten Ladung nicht auf der thermischen Erzeugung von Ladungsträgern. Statt dessen ist eine Ladungsträgerquellc .Vi vorgesehen, die ein stark dotiertes ρ + -Gebiet im Substrat sein kann, wie in Kürze erläutert werden w^;rd. Hei Anlegen einer Spannung K- an die Steuerelektrode 14 0, die negativer ist als die Quellenspannung, und einer negativen Spannung an die Elektrode 14-1, deren Vordcrflanke die Hinterflanke der Spannung - V₁ überlappen kann, (oder einfach durch Anlegen eines Spannungsimpiilses V,- 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 cüe Anwesenheit einer Binärziffer (eines Bits), beispielsweise »I«, 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-Halbleitersubstrats 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, da(3 sie unter dem Einfluß des Driftfeldcs rtatt ί der Diffusion arbeitet.

Wenn eine Ladung die letzte Elektrode 14-/; cies Schieberegisters erreicht, kann sie abgefühlt werden, und das abgefühlte Signal kann dazu verwendet werden, den Übergang von Ladung nach den F.ingangsstufen des

in nächsten Registers zu steuern. Hei der Übertragung sind eine Steuerelektrode \4(n+ I) und die Einrichtung C) beteiligt. Die Funktion der Einrichtung C) besteht darin, d'·*·. Anwesenheit von L.idung wahrzunehmen und daraufhin einen Spannungspegel, der das Signal im

! , zweiten Schieberegister regenerieren kann, zu erzeuge.ι und das Ladungssignal vom ersten Schieberegister zu entfernen Beispielsweise kann ein massefreier Sc'mI-

werden, ein Signal auf die Steuerelektrode 160 zu

μ koppeln, so daß die Quelle .S'.. Ladung in das Gebiet unter der Elektrode 16-1 übertragen kann oder nicht, wenn die Elektrode 16-1 von der Spanniingsquelle 20 mit einem entsprechenden negativen Spannungsimpuls beaufschlagt ist. Diese Verbindung ist durch die

_>~. gestrichelte Linie 171 oder durch die Anordnung 18, 19 angedeutet. Im erstcren Fall ist die Verbindung so beschaffen, daß das Komplement des bei 14 " anwesenden Bits in das Gebiet unter 16-1 übertragen wird Im letzteren Fall kann entweder das Bit oder

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

F i g. 2 zeigt das Blockschaltschcma einer möglichen Anordnung von Schieberegistern. Die Schieberegister sind über Signalregenierschaltungcn jeweils Ende an

I) Ende gekoppelt, so daß sich ein großer Ring ergibt. Derartige Anordnungen sind vielseitig für Datenverarbeitungsanlagen, z. B. als Serien-Speicher großer Kapazität, verwendbar, und großr Umlaufrcgister dieser Art eignen sich ferner als Informationserneuerungsspeicher für Kathodenstrahlröhren-Bilddarsteller sowie für Nachrichtenübertraeunas- und Videosignalbehnndlungszwecke. Die Anordnung nach Fig. 2 enthält außerdem eine Eingabe-Ausgabe-Schaltung 20 mit Einrichtungen zum Empfang neuer Informationen und

4> 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

in bis 256 Bits speichern kann. Die Signalregenerier- und Steuerschaltungen 21 können eine Decodiereinrichtung, die auf Signale in Adressenleitungen anspricht, und eine Steuereinrichtung, die auf Signale in den Steuerleitungen anspricht, enthalten. Die Schaltungen können

Ϊ5 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

ω Trommelspeichers mit paralleler Auslesung der Bits analog angesehen werden. Hier sowie in F i g. 2 ist ebenfalls die Mehrphasen-Spannungsquelle, obwohl nicht dargestellt, vorgesehen.

Obwohl im folgenden nicht ausdrücklich erwähnt,

b5 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 Eingangslichtsigna! den Polysiliciumeleklroden iugeführt werden und die Anordnung als Photofühlersystcm 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 Glcichspannungswert, 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 Potentialwannc 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.

Eingangsscitc des Systems

Gemäß dem Stand der Technik wurde als Ladungsträgerquclle (St in F i g. I) für das ladungsgekoppelte Schieberegister ein gittergesleuerter p-n-Übergang (bei einem n-Substral 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 V_rin Fig. I) 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_rerforderlich.

Bei laclungsgekoppelten 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 niher 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/Störvcrhältnis, 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 besteht darin, daß die Einrichtung zum Erzielen eines gewünschten Grades der teilweisen Füllung der ersten Potentialwanne (der Wanne unter der Elektrode 14-1) im wesentlichen unabhängig von der Größe der der

in Steuerelektrode 14-0 zugeführten Spannung ist (solange die Amplitude des Steuerimpulses V₁-genügend groß ist).

Wie dies im einzelnen erreicht wird, wird noch erläutert.

In Fig.4 besteht die Ladungsträgerquelle Si aus

einem Leiter im n-Siliciumsubstrat. Diese Anordnung kann in der Weise hergestellt werden, daß man eine erhebliche Menge von p-Ieitendem Material wie Bor in ein beschränktes Gebiet des Substrats eindiffundiert. Dadurch wird dieses Substratgebiet verhältnismäßig hochleiiend und eine gute Quelle positiver Ladungsträger. Das n-Siliciumsubstral 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 Ladungsträger 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 Siliciumsubstrals nicht an die Oberfläche gelangen können, um die Fangstellen für die Minoritälsträger (in diesem Fall Löcher), die das Signal verkörpern, auszulöschen.

Um eine Steuerung der Auffüllung der Potentialwanne zu erzielen, ist die Ladungsträgerquelle Si nicht an

r. das gleiche Potential wie das Substrat angeschaltet, sondern statt dessen um beispielsweise -5VoIt gegenüber Masse oder Nullpotcnlial (- IO Volt) gegenüber dem Substrat) sperrgespannt Wie noch gezeigt wird, stellt diese Sperrspannung zusammen mit der

4i) Wahl von Impulsen K und Φ_{ geeigneter Amplitude und Zeitgebung sicher, daß die unter der ersten Elektrode 14-1 erzeugte Potcntialwanne sich nur auf einen vorbestimmten Pegel, der nur einen Bruchteil der Kapazität dieser Potentialwannc betragen kann, auf-

4-, füllt.

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

so F i g. 6a dargestellt. Die Wanne unter dem Quellengebiet Si, das eine Spannung von — 5 Volt führt, ist tiefer als die Wanne unter dein Elektroden 14-0 und 14-1, so daß die in Si vorhandenen Ladungsträger dort bleiben.
Wenn ein negativer Spannungsimpuls V₁- 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 S₍ entlang der Oberfläche des Siiiciumsubstrats unter der Steuerelektrode 14-0. Diese Inversions-

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

μ der Steuerelektrode 14-0 zugeführte negative Spannung um einen Betrag negativer ist als die Vorspannung der Quellenelektrode, der die Schwellenspannung V₁ des η leitenden Substrats übersteigt. Diese Schwellenspan-

nung V₁ ist dieselbe Kenngröße wie die Schwellenspannung eines MOS-Transistors. Die Stromleitung der induzierten Inversionsschicht 23 ist der Differenz zwischen der angelegten Spannung Vc und (V,+ Vs,) proportional, wobei Vs₁ die Quellenspannung ist.

Der Eingangsimpuls V₁- muß zeitlich mit dem Impuls Φ\ zusammenfallen, damit das Ladungssignal in die erste Potentialwanne übertragen wird. Das folgende Beispiel veranschaulicht den Fall, daß die Hinterflanke des Impulses V_cdie Vordcrflanke des Impulses Φ\ überlappt und der Impuls V_r vor dem Impuls Φ\ endet.

Wie in Fig.5 gezeigt, gelangt zum Zeitpunkt /1, während die Steuerspannung V₁- noch anwesend ist, die Vorderflanke des negativen Impulses Φ\ 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 Fig.6c dargestellt. Die der Elektrode 14-1 zugeführte negative Spannung hat die Entstehung einer Potcntialwannc im Substratgebict unter dieser Elektrode zur Folge. Die Minoritälsträger, im vorliegenden Fall positive Ladungen, fließen daraufhin von der Quelle Si 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 Si erreicht (vorausgesetzt, daß ausreichend Zeit, in der Größenordnung von Nanosekundcn. für diesen Vorgang zur Verfügung steht). Wenn somit die Differenz zwischen der Quellenspannung und der Stcuerspannung V_c genügend groß ist (in diesem Fall w/rd mit 5 Volt gearbeitet, jedoch wäre auch eine kleinere Spannungsdifferenz brauchbar), kann die erste Polentialwannc auf den gewünschten Pegel aufgefüllt werden. Dieser gewünschte Pegel kann nur einen Bruchteil der Kapazität der Potcntialwanne betragen und ist, im Unterschied zum Stand der Technik, genau steuerbar, ohne daß die Dauer oder die Amplitude des Steuerimpulses V_rgenau gesteuert werden muß.

F i g. 6d veranschaulicht die Vorgänge zum Zeitpunkt h, d. h. nach dem Ende des Steuerimpulses V_n 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 Potentialbcrg 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 »I« in die erste Stufe des Schieberegisters. Zum Einschreiben einer »0« wird während des Zeitintervalle to- /> 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 Voll, als die Spannung der Quelle ist, keine Ladung von der Quelle zur ersten Potentialwanne übertragen wird. (Der Spannungswert von I Volt ergibt eine mehr als ausreichende Potentialschwclle, um die Ladungsübertragung durch Ladungsträgerdiffusion zu verhindern, und außerdem einen Sicherheitsfaktor im Hinblick auf mögliche Änderungen oder Schwankungen der Schallungsparamcier.)

Die obigen Vorgänge sind in einer Reihe von Figuren

γ,

veranschaulicht. Fig.6a gibt immer noch den Ruhezustand der Schaltung wieder. Zwischen ίο und l\ herrscht nach wie vor die in Fig.6a dargestellte Lage. Da die Steuerelektrode 14-0 gegenüber der Quelle noch sperrgespannl ist, entsteht unter der Elektrode 14-0 kein Inversionsgebiet. Zu einem Zeilpunkt wie ti herrscht die in Fig.6e dargestellte Situation. 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«.

Fig.7 zeigt eine andere Ausführungsform der Eingangsschaltung. Der Unterschied zwischen dieser Schaltung und der Schaltung nach F i g. 4 besteht darin, daß in F i g. 7 die Ladungsträgerquelle S\ 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 Oberflächenpotenlialen als die Quelle wirkt. Eine solche Vorspannung kann bewirken, daß das Quellengebiel als Senke (Abflußelektrode) für die in einer Potentialwanne vorhandenen Ladungsträger wirkt. Die Quelle kann durch Anlegen eines Spannungsimpulses Vj 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_r und Φι eine »0« (keine Ladung) zur Potcntialwanne unter der ersten Speicherelektrode 14-1. Dagegen wird bei Anwesenheit eines positiven Impulses Vj während der Impulse Φι und V.-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 la wird der Impuls Φι 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 /1, beginnt der Steuerimpuls V₁, Dadurch entsteht unter der Elektrode 14-0 eine Potentialwanne, die mit der Potentialwanne unter der Steuerelektrode 14-1 verbunden ist. Da an der Quelle S\ noch keine Ladungen verfügbar sind, entsteht noch keine Inversionsschicht oder kein Leitungskanal. Kurz danach, zum Zeitpunkt I₂. gelangt der positive Impuls Vj zur Quelle Si. Dieser Impuls kann eine Amplitude von 10 Volt haben, so daß Vj, eine von -IG- bis -5VoIt reichende Amplitude hat. Es herrschen jetzt genau die gleichen Zustände wie in Fig.6c, d.h. es besteht ein Leitungskanal voii Si zur Potentialwanne unter der Elektrode 14-1, und die positiven Minoritätsträger fließen von der Quelle ab und füllen die Potentialwannc 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 K- 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 V₃ und V_c mit der in Fig.8 dargestellten Impulsreihenfolge genau gesteuert werden können. Im allgemeinen liefert der Impuls V₁- die Zeitsteuerung, während die Quellenspannung Vs₁ denjenigen Pegel

bestimmt, auf den die erste Potentialwanne gefüllt (oder geleert) wird. In diesem allgemeinen Fall ist die Zeitsteuerung so, daß der gesamte Impuls Vc in das Zeitintervall sowohl des Impulses Vj als auch des Impulses Φ\ 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 verhältnismäßig 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 darsteilen, 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 Vi 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 Vj eine »1« und der negativ gerichtete Impuls V_c ebenfalls eine »1« darstellen, in wt.:hem Fall die Schaltung gleichfalls die UND-Verknüpfung erfüllt

Allgemein kann bei ladungsgekoppelten Schaltungen der oben erläuterten Art die meN-eingängige UND-Verknüpfung dadurch realisiert werden, daß gleichzeitig mehrere negative Impulse einer entsprechenden Anzahl von Steuerelektroden sowie ein positiver Impulü der Quelle 5Ί zugeleitet werden. Eine ODER-Verknüpfung kann dadurch realisiert werden, daß mehrere Quollen, 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 V₁- irgendeiner Quellenelektrode zugeleitet wird, ein Ladungssignal auf die erste Potentialwanne gekoppelt. Auch andere Ausführangsformen sind möglich.

Ferner kann die Eingangsschaltung auch so betrieben werden, daß Ladungen unterschiedlicher Größe die Bits »I« 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 Ladtingspcgel 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.

ι ί

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 liefer gemacht, und die Ladung stürzt aus der flacheren in die tiefere Wanne. Gewöhnlich werden überlappende Taktimpulse für ladungsgekoppelt Schaltungen mit zwei-, drei-, vier- und höherphasigem Betrieb verwendet. Jedoch kann man bei Zweiphasenbetrieb (und auch bei Drei- sowie Vierphasenbetrieb) auch mit nirhtüberlappenden Taktimpulsen arbeiten, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind, wie noch erläutert wird.

Bei einer Anordnung von der in F i 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. I) kein negativer Spannungsimpuls an die Elektrode 14-1 gelegt. Die sehr flache Potenlialwanne 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 Fall müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um den Ladungsfiuß auf eine Richtung zu beschränken, wie noch erläutert wird.

Im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung ist die Entwicklung spezieller Elektrodcnkonstruktionen von Bedeutung, die verhältnismäßig leicht herzustellen sind und den Ladungsfiuß in nur einer Richtung bei zweiphasigen Spannungen sicherstellen. Im allgemeinen besteht jede Elektrode nicht aus einer einzigen Platte, sondern aus zwei sich überlappenden oder üborcinandcrgreifenden Platten. Fig.9 zeigt eine Anordnung, deren Wirkungsweise hauptsächlich cuf 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 Il zeigen schematisch bzw. etwas realistischer eine andere Anordnung, die hauptsächlich darauf beruht, daß /wischen den beiden Elektroden jedes Paares eine Spannungsdifferenz aufrechterhalten wird. Fig. 12 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der die Geometrie nach F"i g. 9 mit der Spannungsdifferenz nach Fig. Il kombiniert ist.

In allen diesen Fällen ist der Elcktrodenaiifbau so, daß unter einem Elektrodenpaar bei Anlegen einer negativjn Spannung (oder negativer Spannungen) ein asymmetrisches Verarniungsgebiei erzeugt wird. Die Richtung der Asymmetrie des Verarmungsgebietes ist so, daß eine dort eingebrachte Ladung sich am vorderen Rand des Verarinungsgebictes ansammelt, da die Potentialwannc 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. I entsprechenden Elektroden aus zwei übereinandcrgreifenden 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 ρ + -Polysiliciiimgcbict 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 IO Minuten lang oder länger auf 900⁰C erhitzt, so daß das amorphe in ein polykristallines Gefüge umgewandelt wird. (Die Verwendung von Polysilicium ist 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 RantJ der dazugehörigen Polysiliciumelektrode 28-2 sowie den hinteren Rand der Polysiliciumelektrode 28-1 des nächstvorderen Elektrodenpaares.

Der übereinandergreifende Polysilicium-AIuminiumelektrodenaufbau 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 1000 Ä oder weniger betragen kann. Ferner ermöglichen die später zu erläuternden Herstellungsverfahren für den Elektrodenaufbau eine Selbstausrichtung der Aluminiumelektrudeti iii bezug auf die Polysiiieiumeiektroden. Die einzige kriiische Ausrichtung betrifft das Atzen der Aluminiumelektroden auf den Polysiliciumelektroden. Ferner kann man bei diesen Herstellungsverfahren ohne weiteres zwei verschiedene Dicken für die Kanaloxydschicht (a und bin 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 Potentialwanne zur Folge hat, die untti· der Polysiliciumelektrode 28-2 tiefer ist als unier der Aluminiumelektrode 26-2. Der andere Grund besteht darin, daß die Austrittsarbeit für p-i -Polysilicium auf η-Substraten um ungefähr I Volt niedriger ist als für Aluminium. Dies bedeutet, daß bei Anlegen einer gegebenen negativen Spannung an eine Polysiliciumelektrode (iiese eine größere Anzahl von Elektronen aus dem benachbarten Stibstratgebiet 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 b.'sieht, eine Schwelle oder Sperre für den Ladungsfluß >.u 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 Ie) 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 k /wischen zwei benachbarten Polysiliciumelektroden ist) kann bei den dür/ciligcn Herstellungsverfahren für MOS-Anordnungen so klein gemacht werden, daß sie nur 2,5 Mikron (0,1 Mil)l/;;trägt.

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 Siliciumsubstrate 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 Vn, beispielsweise -I-10 Volt oder mehr, arbeitet. Eine hohe Substratvorspannung in Verbindung mit den beiden Oxyddicken ergibt eine tiefere Potentiaiwanne unter der sich dichter bei der Substratoberfläche befindenden Elektrode.

Es sei angenommen, daß im Beir--b der Anordnung nach Fig.9 sich bei Anlegen eines nsgztiven Impulses 'Pi eine positive Ladung im tieferen Teil der Potentialwanne JO ansammelt, wie bei 31 angedeutet. Kurz vor der Hinlerflanke dieses Impulses wird der negative Impuls Φι dem nächsten Elektrodenpaar 26-3, 28-3 zugeleitet (Zeitpunkt t₂ in Fig. 13). Bei gleichzeitiger Anwesenheit des letzten Teils des Impulses 'Pi und des ersien Teils des Impulses <P\ hat die Ladung 31 das Bestreben, nach rechts zu fließen, wobei die Vorgänge in der in Fig. 13 angegebenen Weise ablaufen. In dem Maße, wie die Potentialwanne unter der Elektrode 28-2 flacher wird, wird die Potentiaiwanne unter dem Elektrodenpaar 26-3, 28-3 tiefer, uikI die Ladung bei Jl stürzt in diese Potentialwanne und sammelt sich unter der Elektrode 28-3 an.

Zwar wird gleichzeitig mit dem Anlegen des Impulses 'P\ an das Elektrodenpaar 26-3, 28-3 auch das vorausgehende Elektrodenpaar 26-1, 28-1 mit iiesem gleichen Impuls beaufschlagt, jedoch wird ein Ladungs-Nuß 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 /ι in Fig. 13). Wenn daher der negative Impuls 'P] einsetzt und der Impuls 'Pi aufzuhören beginnt (Zeitpunkt ti 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 l ac'ung 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 Signalregenericrschaltungen, wie noch erläutert wird.

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

«i = 1000 A
b = 2000 Ä

22 Ol 150

c = O.OI -0.01 J mm

(0.4-0.5 Mil« H)- I 3 Mikron (μ))
(/= 3000- 10 000 Λ
c = 0.008-0.013 mm (0.3-0.5 Mil)
I = 500- 1000 A
g = 3000-10000 A
/i = größer als 0,01 mm (4 Mil)
/ = 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)

I Iir die Anordnungen mich rig. Il und 12 kommen gleiche oder ähnliche Abmessungen (aulicr für /> in (ig. 11) in Frage.

I ig. 10 veranschaulicht schematisch eine zweite Methode der Erzeugung asymmetrischer Verarmungs-/onen. Auch hier besieht jede Spcichcrstelle. entspre

und die der/eilige Theorie besagt, daß. je kleiner das Streufeld ist, desto niedriger die erhältliche l.adungsvcrschicbungsgcschwindigkcit ist. flci bestimmten Anwendungen ist es daher vorteilhaft, Substrate mit hohem spezifischen Widerstand zn verwenden. Die Ausfülirungsformen nach Γ ig. 11 und 12, bei denen die (jlcichspannungsdiffcrcn/ /wischen den beiden Licktroden eines Paares auf tier Potenlialwannenasymmenie beruht, ermöglichen eine derartige Ausführung, d. h. sie ermöglichen die Bildung asymmetrischer Potential wannen bei Verwendung von Suhslraten mil höherem spezifischen Widerstand. Beispielsweise dürfte ein Betrieb bei Verwendung von /.vcipha.sigcn .Spannungen und Substraten mit spezifischen Widerständen von etwa 10 Ohm/cntimctcrn und bei Verwendung der Anordnung nach I i g. 11 und 12 mil den angegebenen Abmessungen und mit einer (ilcichspannungsdifferen/

If-J mW. Ill

/vvui >l:u

lnabstandeten Elektroden wie 30-l;i und 30 I/> mit fester Cjlcichspanntingsdiffcrenz. angedeutet schemalisch durch die Balteric 32. /wischen ihnen. Bei Anlegen eines laktimpulses wie Ί>\ wird die ersle Elektrode jedes Paares wie 30 1 weniger negativ als die /weile Elektrode wie 30-Ib. In der Praxis kann diese Spannungsdifferenz, auf irgendeine herkömmliche Wei se innerhalb der MchrphascnSpannungsqucllc erzeugt u erden. Als einfaches Beispiel kann die Spannung für die elektrode 30-1.7 von einem und die Spannung für die elektrode 30 lft von einem anderen Punkt eines Spannungsteilers abgenommen werden. Die Span niingsdifferenz hat die Wirkung, daß eine asymmetrische Potentialwanne entsteht, w ic durch die gestrichelte Linie 34 angedeutet, die schematisch die Situation für die Spannung <I'\ wiedergibt.

I i g. 11 zeigt eine teilweise schaltsehematische Querschnittsdarstclliing einer praktischen Ausführungsform der Anordnung nach fig. 10. Der Aufbau ist dem nach F i g. 9 sehr ähnlich, wobei jedoch die Aluminiumelckiroden 30-1.7. 30-2,7 usw. in diesem Fall den gleichen Abstand vom Substrat haben können w ic die Polvsiliciumpicktroden 30 Ift 3O-2ftusw..d. h ;) = ft.

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

Die im Querschnitt in Fig. 12 gezeigte Anordnung \ ereinigt die Merkmale der Anordnungen nach Fig. 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 Poteniialwanne 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.

* WIl / . II. J y »/It Il IWf: III Il ΛI IM.

I ig. 14 zeigt einen Teil einer /weidimensionalen. ladungsgekoppelten Kondensatoranordnung mit lllcktrodenpaaren nach Art der l'ig. 9 (zweidimensional bedeutet mehr als eine einzige Zeile oder Keilte von Elektroden). Die Aluminiiimelcktroden 40-1,7. 40 2.7 usw. sind zickzackförmig im einen Sinne angeordnet, während die Polysiliciumelektroden 40 Ift, 40 2ft usw. /ick/ackförmig im entgegengesetzten Sinne angeordnet sind Dies bedeutet, daß ζ. B. im oberen Bereich der Anordnung der rechte Rand der Elektrode 40-1,7 mil der dazugehörigen Elektrode 40-1 ft am rechten Rand der Elektrode 40-1,7 und am linken Rand der Elektrode 40-lft gekoppelt ist. während in der Mille der Anordnung der linke Rand der Elektrode 40-1,7 mit dem rechten Rand der Elektrode 40-lft gekoppelt ist. Diese Anordnung hat den Zweck, daß die Ladungen sich im oberen Dünnschichtgcbiet in der einen Richtung (nach rechts) und im nächsten Dünnschichtgcbicl in der entgegengesetzten Richtung (nach links) bewegen, wie noch erläutert wird.

Die Polysiliciumelektroden 40-lft (und die Aluminiiimelcktroden) sind auch in der dritten Dimension, d.h. innerhalb und außerhalb der Zcichcncbenc in F ie. 14 zickzackförmig ausgelegt. Das heißt, im oberen Teil der Figur befindet sich eine Elektrode wie 40·lft sehr dicht beim Substrat und ist daher mit diesem gekoppelt. Im folgenden Gebiet ist der Absland zwischen der Elektrode 40-lft 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 A oder mehr i.tben. Diese verschiedenen dünnen und dicken Schichtgebicte sind auf der rechten Seite der Fig. 14 angegeben. Jede Elektrode wie 40-1 a ist elektrisch direkt mit der dazugehörigen Elektrode des Paares wie 40-1 b 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 F i g. 9 (jedoch mit anderen Bezugszeichen). Die Zickzackauslegung der Polysilicium- und Aluminiumelektroden in der dritten Dimension (innerhalb und außerhalb der Zeichenebene in F i g. 14) sowie die Verbindung einer Aluminiumelektrode mit der dazugehörigen Polysiliciumelektrode 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 Frläutcriing kann vorausgesetzt werden, daß sich bei Anlegen eines Impulses '/Ί eine Ladung bei A in F i g. 14 im oberen Schieberegister unter der Elektrode 40-\b des l'aares 40-1/>. 40-1,1 angesammelt hat. Der Aufbau dieses ί Flektroclenpaarcs ist ähnlich wie in Fig. 9, so daß die l'oteiiii'.lwannc asymmetrisch ist. Beim Zweilphascnimpuls <1'2 wandert die unter der Hlcklrodc 40-1b gespeicherte Ladung nach rcchls und wird bei U unter der Flcktrode 40-2/) des nächsten Elek'rodenpaars κι 40-2(1. 40-2/) gespeichert. Heim nächsten Impuls Φ\ wanden diese Ladung weiter nach rechts und wird bei C unter der Flcklrodc 40-3/) des Paares 40-3,-j, 40-3/) gespeichert, und so foil. Wenn eine Ladung das Fndc des Schieberegisters (nicht gezeigt in F i g. 14) erreicht, η überträgt eine l.adutigsrcgcncricrschaltung (die später erläutert wird) eine Ladung oder deren Komplement (je nach Art der verwendeten RcgcncricrschaltunE) an das nächste Schieberegister. Die Richtung des Laclungssignalflusscs ist durch die gestrichelte Linie 42 angcdcu- _>u IcI.

Fs sei angenommen, daß diese Ladung während der Zeit der Phase I (während des negativen Impulses Φή im (jcbicl /üintcr der Elektrode 40-4/> des Paares 40·4λ, 40-4/) eingetroffen ist. Fs ist klar, daß die Asymmetrie- y, richtung der Potentialwannc jetzt umgekehrt ist. Hei L befindet sich die Aluminiumelektrode 40-4a rechts von der dazugehörigen Elektrode 40-4/), während bei O die Aluminiumelektrode 40-4a sich links von der dazugehörigen Elektrode 40-46 befindet. Beim nächsten Impuls sn Φ2 wandert daher die bei E gespeicherte Ladung nach links nach /·"

Bei der Anordnung nach F'ig. 14 kann man auf einem einzigen Substrat mehrere Schieberegister (wie schematisch in Fig. 2 angedeutet) unterbringen, die ein sehr r> langes Schieberegister simulieren. Wie bereits erwähnt und noch erläutert wird, können die den Ausgang jedes Schieberegisters mit dem Hingang des folgenden Schieberegisters verbindenden Einrichtungen in integrierter Form auf dem gleichen Substrat untergebracht 4» werden wie die Register. Was das Verhältnis der Größe /.in Spcn-iici kapazität betrifft, so kann, wenn jede Speicherstellc eine Fläche von etwa 0,0025-0,005 mm (1-2MiI) einnimmt, ein W-Bit-Register auf einem Substrat mit einer Fläche von 2,54 χ 2,54 mm r, (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 5(1 Speicherstelle erfordert nur ein einziges Speicherelement (einen einzigen Ladungsspeicherkondtnsator), 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 arideren Gebieten dünn ist, und auf dem Siliciumdioxyd angebrachten ρ + -Polysiliciumstreifen 65-69. Die Querschnittsdarstellungen nach Fig. 18 und 19 dienen der Veranschaulichung des Aufbaus. Das dünne Schichtgebiet (Schnitt 9'-9') ist im Querschnitt ähnlich wie in F ig. 9.

Der Schlußtei! 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 isl an die Φι-Spannungsquclle angeschlossen und der Streifen 52 ist an die «fy-Spannungsquelle 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 Speicherstclle wird beispielsweise ein Flcktrodenpaar für die Phase 1 durch den Ansatz 75 und die Flektrode 68. das nächste Fleklrodenpaar für die Phase 2 durch den Ansatz 56 und die Flcklrodc 67. das nächste Flektrodenpaar für die Phase 1 durch den Ansatz 74 und die Flektrode 66 gebildet und so fort.

Im Betrieb der Anordnung nach Fig. 17 wandelt, wenn anfänglich eine Ladung während eines Impulses der Phase I unter dem Flcktrodenpaar 75-68 gespeichert wird, diese Ladung während des närhslrn Impulses der Phase 2 nach links unter das Flcktrodenpaar 56-67. während des nächsten Impulses der Phase I weiter nach links unter das Fücktroclenpaar 74-66 und so fort. Somit wird beim Schieberegister entlang 9'-9' die gespeicherte Ladung nach links fortgcleitet. Dagegen wird beim nächsten Schieberegister mit den Ansätzen 53,60,55 usw. die dort gespeicherte Ladung nach rechts fortgcleitet. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 9 bewirken also, wenn jeder horizontale Satz von Ansätzen als ein Schieberegister aufgefaßt wird, die der FJektrode 50 und 52 zugeleiteten zwciphasigen 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 9t, 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 tleKtroden tür die Phase 2 sind gleichartig aulgebaut und symmetrisch zu den Elektroden der Phase l.und sie sind wie gezeigt angeordnet.

Wie bei den bereits erläuterten Ausführungsformen enthält derjenige Teil der Anordnung nach Fi 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 wit 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 F i g. 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 104fe 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. 21 sind mehrere Quelienelektroden (nicht gezeigt) vorhanden, die in das erste »Elektrodenpaar« eine Anzahl von Ladungen einbringen, die einer Informationseinheit (1 Byte) entsprechen. Beispielsweise kann jede Polysiliciumelek-

22 Ol

trode eines Paares acht oder mehr dünne Siliciuindioxydsehichtgebiete 104 nach Fig. 22 enthüllen, unter denen 8 Informationsbits gespeichert werden können. Diese Bits, dargestellt durch die Anwesenheit oder Abwesenheit von Ladung, werden z. B. informationsein- ϊ heitsweise (Byte um Byte) von Elektrodenpaar /.u Elektrodenpa;>r verschoben. Beispielsweise können sie (die 8 Bits) vom Elektrodenpaar 104-1,7. 104-16 aim Elektrodenpaar 104-2«, 104-2i> verschoben werden, wobei in jedem Fall die /!-Elektrode die Aluminiumelek- in trode an der Oberfläche und die b-Elektrode die Polysilicitimelek trode sind.

Wenn man versucht, ein Signal entlang einer verhältnismäßig langen Polysiüciiimleitung im dichten Abstand von einem Siliciumsubstrat zu senden, ergibt r> sich eine ziemlich lange Signallaufzeit, weil die Polysiüciiimleitung einen verhältnismäßiig hohen Fla chenwiderstand, in der Größenordnung von IO bis 20 Ohm pro Flächeneinheit, hat, so daß die Leitung sich wie eine /iC-Übertragungs- oder -Verzögerungsleitung _>n 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 y, 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, in 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 Schiebere- π gister, 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 Sammeliei- to tung besteht aus einer langen Polysiliciumleitung wie

IW, ΚΛΙΚ, Ulli IMICt gC3UllllCll 1-.ClIIgC UIItCl UCI

entsprechenden Aluminiumleitung 108 liegt. Der Abstand /"(Fig. 24) zwischen diesen beiden Leitungen kann in der Größenordnung von 500 bis 1000 A betragen, was π 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 Siliciumdioxydge- >» biet (Abmessung q in Fig. 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 Polysilici- r> umleitung und dem Substrat, weil 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 t,o 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 Polysäüciurnieiturig kann auch auf t,*> andere Weise vergrößert werden. Beispielsweise kann die Siliciumdioxydschicht nach F i g. 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 Siliciumdiorydschicht 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 tier 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 <P\ 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.

Fig. 25 zeigt eine zweidimensional Anordnung, die auf den im Zusammenhang mit F i g. 2.5 und 24 erläuterten Prinzipien beruht. Diese Anordnung hat im wesentlichen die gleiche Packungsdichte wie die Anordnung nach Fig. 17 und arbeitet mit einer Spannungsdifferenz wie die Anordnung nach Fig. 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 diinnschichtigen Gebieten. Fig. 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 F i g. 25 ist ferner die Art und Weise der Zuleitung der zweiphasigen Spannungen nach den Ansätzen der Anordnung. Beispielsweise wird die Spannung der Phase I 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 Direktan- ^IHIUIJ IM UCUtIILIICI lit Γ I g. £O gC£.CIgi, UIC t-lttCI!

Querschnitt entlang der Schnittlinie 26-26 in Fig. 25 darstellt. Die lange Polysiliciumleitung 128 liegt parallel zu den Polysiliciumleitungen 118a, 120a, 124.7. 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 Fig. 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 gekop-DeIt.

Kopplung zwischen benachbarten Schieberegistern
des Systems

Fig. 29 zeigt im Querschnitt die Kopplungsanordnung zwischen dem Ausgangsende eines Registers und dem Eingangsende eines zweiten Registers. Die Platten oder Elektroden 14-fn-l), 14-n, 16-0 usw. sind einfach als Einzelelemente dargestellt. Ihr tatsächlicher Aufbau kann ähnlich wie in Fig. 9, Il und 12 sein und wird später 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 massenanschluUfrcies oder Übergangsgehiet F sowie ein Abfluß IX 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 AbfluUelcktrode eines MOS-Transistors, und die Elektrode 14-(/M- I) einspricht der Gitterelektrode eines solchen Transistors Der AbNuU D ist an eine Spunmingsc|iiclle V., angeschlossen, die eine Spannung von /. Ii. - If) Volt liefert.

Das Eingangsende des nächsten Schieberegister«; enthält eine Quelle S₂ und eine Gitterelektrode 17. die ähnlich arbeiten und aufgebaut sind wie die Quelle .S", und die Gilterelektrode 14-0 in den zuvor erläuterten Figuren. Die durch den Spannungsimpuls V₁-gesteuerte Elektrode 17 gibt den Zeittakt iür 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 .Vj, d. h. der Spannung von V\, 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.

Cj = Kapazität zwischen Elektrode 14-n und massenanschluQfreiem Übergang F;

C_b = Kapazität zwischen Rückstellelektrode 14-(O+1) und Übergang F;

G = Kapazität zwischen Übergang Fund Substrat 10;

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

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

C_F = Q+ C_h+ Ct+ C + C₅ = effektive Gesamtkapazität des Übergangs F.

Die Wirkungsweise des Systems nach F i g. 29 wird zunächst für den Fall erläutert, daß die Kapazitäten C₁ und Cb erheblich kleiner 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. F i g. 30 zeigt schematisch die entstehenden Potentialwannen und die Art und Weise der Ladungsübertragung bei Beaufschlagung mit den Signal verlaufen nach F i g. 31.

F i g. JO (a) veranschaulicht die Situation wahrend des Impulses Φ₂ (Zeitpunkt /, in (ig. Jl). Gleichzeitig mit dem negativen Impuls Φ₂ ist ein Riickstellimpuls V_K anwesend, der vorzugsweise negativer als die Betriebsspannung K4 ist. F i g. 30 (a) zeigt, daß sich bei Auftreten des Impulses Φ₂ eine Ladung 142 in der Potentialwanne unter der Elektrode 14-(n — 1) angesammelt hat. Gleichzeitig hat der an der Rückstellelcktrode \4-(n+ I) anliegende Impuls Vr von — 15 Volt einen niederohinigen Kanal, schematisch dargestellt bei 144, zwischen der Quelle F und dem Abfluß D erzeugt, wodurch das Gebiet F auf ein Bezugspotential dicht bei dein Wert von V4 zurückgeschaltet wird, während die Ladung, die sich während des vorausgegangenen Zyklus bei /■' angesammelt hat, zum Abfluß ^übertragen wird.

I i g. 30 (b) veranschaulicht die Situation mich ilen'· F.nde des Impulses der Phase 2 und dem Einsetzen 'les Impulses Φ\ der Phase i (Zeitpunkt (> in F i κ. Jl). Die zuvor unter der Elektrode 14-(V; - 1) anwesende Ladung ist in die vereinigte Potentialwanne unter der Elektrode 14-ii und dem Übergang Fgeflossen. Im vorliegenden F all ist die Wanne unter der Elektrode 14-η 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 I₂ 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 Dbefindet sich in seinem hochohmigen Zustand. Betrachtet man F als eine Quelle, die Elektrode i4-(n+\) als ein Gitter und D als einen Abfluß eines MOS-Transistors, so ist dieser Transistor gesperrt, und es gelangt keine Ladung nach D.

Die bei Auftreten des nächsten Impulses Φ\ sich ergebende Situation ist in Fig. 30(c) veranschaulicht. Nach dem positiven Pegelübergang des Impulses Φι (z. B. zum Zeitpunkt t_2a in fig. 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 mas.sea'i.-chlußfreie 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 fj in Fig. Jl. wird der Impuls V_c angelegt. Dieser Impuls bewirkt, daß ein leitender Kanal von der Quellenelektrode S₂, 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 S₂ in die Potentialwanne fließen, die unter der Elektrode 16-1 durch den dieser Elektrode zugeführten negativen Spannungsimpuls Φι erzeugt wird

F i g. 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 Φι 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 Vr ein leitender Kanal 146 von

der Quelle Si 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 Sj verfügbaren positiven Ladungsträ- ϊ ger zur Potentialwunne unter der Elektrode 16-1 fließen, bis das Oberfiächenpotential der Wanne sich dem Potential der Quelle Sj anzunähern beginnt. Wenn daher unter der letzten Elektrode 14-n des ersten Schieberegisters eine »0« gespeichert ist, wird zur in ersten Elektrode 16-1 des nächsten Schieberegisters eine »1« übertragcru

Wenn also während des Impulses Φ2 eine dem Bit »1« entsprechende Ladung unter der Elektrode 14-('n—1) gespeichert worden ist. so wird das Bit »1« während des 1 > Impulses Φ] zur Potentialwanne unter der Elektrode 14-n übcrfzgen. Während des Impulses Φ\ 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 jii ersten Register eine »I« ist deren Komplement »0« in das zweite Schieberegister eingeschoben. Wenn dagegen das letzte Bit im ersten Schieberegister eine »C« ist, wird deren Komplement »I« in das zweite Schieberegistereingeschoben, j-,

Die Anordnung nach Fig.32 entspricht schaltungsmäßig der nach F i g. 29, wobei jedoch in diesem Fall eine vierphasigc statt einer dreiphasigen Spannungsqu-.lle verwendet wird. Durch das Arbeiten ,nit vier statt mit drei Phasen wird die Taklgebung insofern etwas j< > vereinfacht, als statt des Impulses V« der Impuls Φ2 der Elektrode 14-f*n+ I), zugeleitet werden kann.

Im Betrieb der Anordnung nach Fig.32 wandert während des Impulses Φ2 (Zeitpunkt /1 in F i g. 33) eine Ladung, falls vorhanden, unter die Elektrode \4-(n— 2). y. Dieser gleiche, der Elektrode 14-(77+1) zugeführte Impuls bewirkt, daß zwischen dem Übergangsgebiet F und der Abflußclektrodc D eine Inversionsschicht entsteht, so daß das Übergangsgebiet F die etwa im vorausgegangenen Zyklus angesammelte positive La- w dung abgibt und eine negative Spannung von ungefähr -10 Volt annimmt. Während des Impulses Φ_} wandert die unter der Elektrode i4-(n-2) anwesende Ladung in das Substratgebiet unter der Elektrode l4-(n—i). Während des Impulses Φα (Zeitpunkt <j in Fig.33) 4-, wandert die Ladung in das Gebiet unter der Elektrode 14-n und kann sich im Übergangsgebiet Fanzusammcln beginnen. Der Ladungsübergang nach F ist bis zum Ende des Impulses Φ< beendet, wodurch die Steuerelektrode 16-0 relativ positiv gegenüber dem Potential von ,o S₂ wird, wenn sich in Feine dem Bit »I« entsprechende positive Ladung angesammelt hat, während sie negativ wird, wenn das Gebiet Fnegativ, entsprechend dem Bit »0«, bleibt.

Während des Anliegens des negativen Impulses Φ\ -,-> gelangt der Steuerspannungsimpuls V_c zur Elektrode 17, und zwar zum Zeitpunkt u in Fig.33. Je nachdem, ob die Elektrode 16-0 relativ negativ oder relativ positiv gegenüber 52 ist, entsteht ein leitender Kanal von der Quelle Sh zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 _M) oder entsteht kein solcher Kanal. Das heißt, die an der Quelle Sz verfügbaren positiven Ladungsträger gelangen oder gelangen nicht zum Gebiet der Potentialwanne unter der Elektrode 16-1.

Vorstehend wurde der Betrieb des Systems mit t,-, 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 Poteniialwanne fließt. Verwendet man eine verhälinismäßig 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« 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 nichtübcrlappcnden Impulsen Φ} und Φ4, Fig.29), so ergibt sich ein einwandfreier Betrieb.

Wenn (Fig. 29) die Kapazitäten C₁ und Cbgrößer als ein kleiner Bruchteil des Wertes der Gesamtkapazität Crdes Übergangsgebietes F sind, kann die Arbeitsweise der Ausgangsschaltung beträchtlich von der eben erläuterten Arbeitsweise abweichen. Es soll zunächst die Wirkung der Kapazität Ci betrachtet werden. Wenn diese Kapazität gegenüber der Gesamtkapazität Ci nicht vernachlässigbar ist, so wird bei der Vordcrflankc des Rückstcllimpulscs Vr an der Elektrode 14-fn+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 V_t (die Gleichspannung, auf der das Abflußgebiet D liegt) führt Da bei sämtlichen in Betracht kommenden Schaltungen Q, möglichst klein sein sollte, sollte das Ausmaß der Überlappung zwischen der Elektrode 14-(n+1) und dem Gebiet F minimal sein. Eine Methode, um eine solche minimale Überlappung zu erzielen, besteht in der Verwendung eines »sclbstausgerichteten Polysiliciumgitters« wie bei 14-(n+ 1) in Fig.37 gezeigt. Ein geeignetes Herstellungsverfahren hierfür wird später beschrieben.

Während die Kapazität G, möglichst nicht vorhanden sein sollte, kann mit Hilfe der Kapazität C₁ 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 Fig.29, jedoch kann der negative Taktstcucrspannungsimpuls V₁ entfallen.

Im Betrieb besteht der Hauptunterschied zwischen dieser Schaltungsart und der nach Fig.29 darin, daß wegen der verhältnismäßig starken kapazitiven Kopplung C, das Potential des Gebietes Fdas Bestreben hat, der Spannungsausschwingung der überlappenden Elektrode 14-n, die mit dem Spannungsimpuls Φι angesteuert wird, zu folgen. Somit wird während des Impulses Φ} das Gebiet Fverhältnismäßig stark negativ. Man kann daher das Potential des Gebietes F direkt dazu verwenden, den LadungsObergang von der Quelle S] zur ersten Potentialwanne (unter der Elektrode 16-1] des zweiten Schieberegisters zu steuern. Das heißt, wenn während des negativen Impulses Φ} keine l-adung unter der Elektrode 14-n anwesend ist, entsprechend der Speicherung des Bits »0«, so hält das Gebiet Fdie Gitterelektrode 16-0 ausreichend negativ, so daU während der Zeil, wo die Vorderflanke des negativen

Impulses ί·ι die Hjmerflanke des negativen Impulses Φ₃ überlappt, Ladung von der Quelle S₂ zum Gebiet unter der Elektrode 16-1 fließen kann. Wenn dagegen während des Impulses Φι unter der Elektrode 14-n positive Ladung anwesend ist, entsprechend dem Bit »1«, so wird das Gebiet F ausreichend positiv, um den Ladungsfluß von der Quelle Ää zum Gebiet unter der Elektrode 16-1 während des nächsten Impulses Φ\ zu verhindern. All dies ist möglich, ohne daß der zusätzliche Taktsteuerimpuls V_r gebraucht wird. m

Es gibt noch andere Betriebseigenschaften, die in vorteilhafter Weise ausgenützt werden können, wenn die Kapazität C₁ einen erheblichen Wert hat Bei Beendigung des Impulses Φ3 (Zeitpunkt tu in Fig-31) erzeugt die positive Spannungsausschwingung von Φι ^ eine positive Spannungsstufe im Gebiet F, durch die der Vorgang der Rückstellung von F auf das Bezugspotential \ « verändert wird. Aufgrund dieses Effektes läßt sich die Ausgangsschaltung in zweierlei Weise 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 \'\ ersetzt werden. Sodann kann der Aufbau der Ausgangsschaltung vereinfacht werden, indem man die Rückstellelcktrode i4-(n+ 1) sowie den Abfluß D und die Quelle S2 mit der gleichen Spannung, beispielsweise Vi, betreibt. Schließlich kann durch Verwendung einer speziellen Steuersignalform V₁ nach Fig.35 die Wirkungsweise der Schaltung verbessert werden.

Fig.34 zeigt eine Schaltungsausführung, bei der die oben genannten Merkmale vereinigt sind. Die gemeinsame Spannung V,, auf der die Elektroden D und 5; gehalten werden, kann —5 Volt betragen, während das Substrat 10 auf +5 Volt vorgespannt sein kann. y-,

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 V₁ hat seinen positivsten Wert, der Nullpotential 4η entsprechen kann. Aufgrund dieses positiven Impulses wird das Gebiet F, das durch die Kapazität C, mit erheblichem Wert kapazitiv mit der Elektrode 14-n gekoppelt ist, ebenfalls relativ positiv gesteuert. Als Folge davon verhält sich das Gebiet F wie eine 4^ verhältnismäßig stark durchlaßgespannte Quellenelektrode eines MOS-Transistors, und etwa zuvor dort gespeicherte Ladung wird über das Kanalgebict unter der Elektrode 14-fn+l) zur Abflußelektrode D übertragen. Dabei nimmt das Gebiet Feinen negativen Wert an, der etwas weniger negativ als —5 Voll ist, und zwar —5 Volt + V₁, wobei V₁ die Schwellenspannung ist, wie bereits erwähnt. Die Form der Potcntialwatincn zum Zeitpunkt u ist in F i g. 36 (a) gezeigt.

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

Zum Zeitpunkt h hat die Steuerspannung V, ihren to negativsten Wert. Der negative Impuls Φι hat eingesetzt, und der Impuls Φι geht zu Ende. Wenn der Impuls Φι ein negatives Maximum von -15 Voll hat, beträgt die tatsächlich an der Elektrode 14-(Ti-I) zu diesem Zeitpunkt herrschende Spannung ungefähr -8 Volt. Die zu dieser Zeit erzeugten Potentialwannen sind in Fig.36(b) gezeigt. Die zuvor in der Potentialwanne unter der Elektrode 14-fn- 1) anwesende Ladung fließt in die Poteniialwanne unter der Elektrode 14-n und in das Gebiet F. Aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen der Elektrode 14-n und dem Gebiet Ffwhrt das Gebiet F eine negativere Spannung als die Elektrode 14-n, 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 14-fn—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 14-fn+l) vom Substrat beabstandet ist, das Oberflächenpotential unter dieser Elektrode etwas weniger negativ als das des Abflusses D.

Während des Zeitintervalls mit /2 steht der Impuls Φϊ an. Dieser Impuls wird anderswo in der Anordnung, beispielsweise an die Elektrode 16-3 in F i g. 34 angelegt, so daß eine zuvor unter der Elektrode 16-2 gespeicherte Ladung zur Elektrode 16-3 wandert Gewünschtenfalls könnte man, statt die Stcuerspannung V₁ zu verwenden, den Impuls Φ3 der Elektrode 14-n zuleiten, wie bereits erläutert; jedoch ist die dabei erhältliche Steuerung der Ladungsübertragung und Signalregenerierung nicht so vielseitig, wie noch erläutert wird.

Zum Zeitpunkt h steht der Impuls Φ, an. Zugleich steigt die Spannung V₁ auf einen Wert zwischen 0 und -15 Volt an. Der tatsächliche Wert hängt von Schaltungsparamctern wie dem Wert der Kapazität C₁ (Fig.29) und anderer verteilter Schaltungskapazitäten ab.

Durch das Ansteigen der Spannung von V₁ 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 »I«, die Spannung bei 16-0 den Ladungsübergang von der Quellenelektrode Sj 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 Sj zum Gebiet unter der Elektrode 16-1 übertragen wird. Diese Situation ist in F i g. 36 (d) veranschaulicht.

Die Schaltung nach Fig.34 ist besonders gut geeignet, wenn sie mit MOS-Bauelementen (F, 14-fn+I), D) vom stromerhöhenden Typ, die niedrige Schwellenspannungen haben, realisiert wird. Auch andere, bereits erläuterte Schaltungsausführungen können in vorteilhafter Weise mit speziellen Signalformen wie V, 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 i4-(n— 2) empfängt, Fig.34) und auf einen weniger negativen Wert — V nach F i g. 35, der so gewählt wird, daß sich die gewünschte Schwellenspannung für die Signalregenerierung ergibt, wenn die Petentialwanne unter der ersten Speicherelektrode 16-1 des nächsten Schieberegisters empfangsbereit für Ladung ist. Dies bedeutet, daß die positive Stufe Δ V bei V, (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 Si zum Gebiet unter der ersten Speicherelektrode 16-1 unterbindet

Fig.37 zeigt in etwas realistischerer Darstellung einen möglichen Aufbau für den schematisch in Fig,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 F i g. 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 K, und V₃. In diesem Fall gibt der Spannungsimpuls V_c den Takt für die Eingabe der Ladung in das zweite Schieberegister. Der Steuerimpuls Vj 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 ähnlich, jedoch für Zweiphasen-Betrieb gedacht ist Die Signalregeneration bei einem speziellen, ähnlichen ladungsgekoppelt Zweiphasen-S^tem wird später im Zusammenhang mit Fig.42, 43 und 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 Λ, 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 Fig.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 Φι der Elektrode 16-1, die Spannung Φ\ der Elektrode 16-2 und die Spannung Φ^ der Elektrode 16-3 zugeleitet.

Sämtliche oben beschriebenen Ausführungsformen des Eingangsendes des zweiten Registers können für das Eingangsende des ersten und sämtlicher anderen

ίο

Register verwendet werden. Das heißt, die sehematfEch in Fig,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 Ausfübrungsform der Koppelschaltung, die für den Zweiphasen-Betrieb- geeignet ist und bei der, wie im Zusammenhang mit F i g. 34 erläutert, die Überlappungskapazität C_t einen verhältnismäßig großen Bruchteil der Gesamtkapazität Cf des Überlangsgebietes F ausmacht Der Aufbau ist in vieler Hinsicht ähnlich wie bei den bereits erläuterten Ausführungsformen. Die im Betrieb der Schaltung verwendeten Signalformen sind in Fi g. 41 gezeigt

Im Betrieb tritt während des negativen Impulses Φ\ ci°r negative Spannungsimpuls Vr 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 V, liegt. Während des nächsten Impulses Φ» wird die Ladung, die sich gegebenenfalls unter dem Elektrodenpaar \4-(n—\)a, \4-(n—\)b angesammelt hat zum Gebiet unter der Elektrode 14-/7 und dem Gebiet F übertragen. Kurz nach dem Einsetzen des negativen Impulses Φι erscheint der negative Steuerimpuls Vc, was zur Folge hat daß unter der Polysiliciumelektrode 17 ein leitender Kanal entsteht, der effektiv bis zum Quellengebiet Si reich is, Es fließt jetzt Ladung von Si 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 »!«bei 14-nund ^gegenüber dem Potential der Quelle Sz 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 v-'ird 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-nb statt durch die Einzelelektrode nach Fig.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 etwtis 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 i4-(n-\)n, \4-(n— 1)6 anwesende Ladung zur Potentialwanne unter dem Elektrodenpaar \4-na, 14 — nb übertragen, von wo sie in die Potentialwanne des Gebietes F fließt, wenn während des Impulses Φι das Gebiet Fein negativeres Potential führt als das Elektrodenpaar I4n;i, \4-nb. Die Ladungsübertragung von der letzten Potentialwanne des Schieberegisters zum Gebiet F wird während der flintcrflanke von Φ2 beendet. Zu dieser Zeit besteht während des Impulses V_r(der während des ersten Teils des negativen Impulses Φι aufiritt) ein leitender Kanal von der Quelle Si zum Gebiet unter der Elektrode 17. Wenn zugleich das Gebiet F relativ negativ ist, fließt Ladung von S₂

durch diesen Kanal und durch den unter der Elektrode 16-0 gebildeten Kanal zur durch den Impuls Φ\ erzeugten Potentialwanne unter der Elektrode 16-!. 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 S> zur Potentialwanne unter der Elektrode 16-1.

Kurz nach dem Ende des Steuerimpulses Vc und noch während des negativen Impulses Φ\, tritt der Rückstellimpuls Vr auf, so daß das Gebiet F auf sein Bezugspotential zurückgeschaltet wird. Zu dieser Zeit kann jedoch keine Ladung von der Quelle S> abfließen, da Vc Nullpotential hat und somit eine Potentialschwelle besteht, die den Abfluß von Ladung aus der Quelle Si verhindert.

F i g. 45 zeigt im Grundriß einen Teil einer zweidimensionaien Schieberegisleranordnung, wie sie zum Teil in Fig.43 dargestellt ist. Auch hier ist die platzsparende Auslegung ohne weiteres ersichtlich.

Obwohl nicht dargestellt, sind auch anderweitige Vertauschungen und Kombinationen der verscl iedenen beschriebenen Anordnungen möglich. So ist es, um nur ein Beispiel zu nennen, klar, daß der vereinfachte Aufbau nach Fig.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 Rückstellsteuerspannungsimpuls Vrarbeitet. Diese Ausführungsform der Schaltung ist schematisch durch die gestrichelte Linie angedeutet, die die Elektrode \4-(n+ I) mit der gleichen Spannungsquelle Vt verbindet, die auch für den Abfluß D verwendet wird. Vorzugsweise sieht man eine gemeinsame Spannungsoder Energieversorgung für D, 14-(O+ I) und Sz vor, und zwar in der gleichen Weise, wie in Fi g. 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 masseanschaißfreie 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 Aurführungsformen 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 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 ladungsgekoppelt ten Schieberegistern (wobei η eine ganze Zahl ist, die im Grenzfall I, normalerwe'j'¹, 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 Gegen-

H) taktdetektors 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 Gegentaktdetektoranordnung ist, wie im Zusam-Ι menhang mit F i g. 49 erläutert wird, die verhältnismäßige Leichtigkeit der Eingabe neuer Information in die Speicherschleife sowie der Gewinnung von AusgangMnformation aus der Speicherschleife. Der Grund hierfür ist die zusätzlich verfügbare Signalverstärkung, auf-

Jd grund deren der Gegentaktdetektor i"» einer gewissen Entfernung von den ladungsgekoppeken Schieberegistern angeordnet werden kann.

Fig.48 zeigt eine Anordnung mit Gegentaktdetektor. Es sei vorausgesetzt, daß das obere linke Register

r> 14-fn+ 1), 14-/J usw. Bits und das obere rechte Register i4a-(n+ r), 14a-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

so 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

r> übrige Teil der Anordnung. Ferner benutzt er die Ausgangsschaltungcn der beiden Schieberegister als Lastelemente oder »Arbeitswiderstände« für die beiden überkreuz gekoppelten Transistoren 200, 201. Somit besteht der Gegentaktdetektor effektiv aus eineiii

-in 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 Φι die Spannung Vr verhältnis-

r, mäßig stark negativ und die Spannung Ki gleich K, gemacht. Dies hat zur Folge, daß die Gebiete Fi und Fi etwaige in ihnen angesammelte Ladung abgeben und auf einen Wert dicht bei — V4 zurückschalten. Die Anschlüsse 202 und 203 werde somit auf das gleiche

V) negative Potential dicht bei — V4 gebracht, und wenn Vr null wird (während V_t-i auf - V₄ bleibt), werden alle vier Transistoren gesperrt, und der Stromkreis der Gebiete Fi und Fi wird unterbrochen.

Die Übertragung von Ladungssignalen nach den

-)5 Gebieten Fi und Fi 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 wird dadurch in den Betriebszustand gesetzt, daß als erstes V_c\

w) positiver (in Wirklichkeit weniger negativ) gemacht und dann (oder gleichzeitig) Vr auf einen negativen Wert geschaltet wird, so daß die Transistorarbei'.swiderstände (Fu H-(n+ I), Duncl F₂,14a-|O+ I), DJeffektiv wieder eingeschaltet werden. Streng genommen kann Vr etwas

f>5 positiver als beim f.L'cksetzteil des Zyklus gemacht werden; jedoch wird Vr immer noch auf einem Wert gehalten, der genügend negativ ist, um die beiden Lasttransistoren noch im leitenden Zustand zu halten.

Die Steuerspannung V^, wird positiv gegenüber l'< gemacht; sie kann beispielsweise auf \\ oder einen etwas positiveren Wert angehoben werden (die Wahl des tatsächlichen Wertes für IV₁ hängt von den bei 202 und 203 gewünschten Spannungen ab).

Wie oben erwähnt, hängt der Zustand, den das I lipflop annimmt, von den Werten der in den beiden Schieberegistern gespeicherten Hits ab. Wenn beispielsweise das während des Impulses Φ₂ unter dem Elcktrodenpaar 14» gespeicherte Hit eine »0« (keine Ladung) ist, bleibt l\ relativ negativ. linisprechend befindet sich unter dem Flektrodcnpaar 14.7 η eine Ladung, so dall diese Ladung am Lndc ties Impulses Φ_} nach I) übertragen wird und I) relativ positiv ist. Die relativ negative Spannung bei 202 bringt das I lipflop aus dem Gleichgewicht, und wenn das I lipflop wieder in den Betriebszustand gesetzt wird, wird der Transistor 201 in den leitenden Zustand gesteuert, und durch die relativ positive Spannung bei 2OJ wird der Tranistor 200 gesperrt. Die Spannungsdifferenz zwischen /Ί und I) bestimmt den neuen Zustand bei Wicdcrerregting des l'lipflops. So nimmt der Anschluß 202 eine relativ negative Spannung dicht beim Wert von - \\ minus dem Spannungsabfall von I) nach I] an. während der Anschluß 203 eine relativ positive Spannung dicht beim Wert von V₁ ,.der gleich V₁ sein kann.führt.

Während des Impulses Φι bewirkt die bei 202 und 203 gespeicherte Information, die gleichzeitig mit der Zuleitung eines negativen Impulses V_t an die elektroden 17 und 17,-' zu den Gitterelektrode 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 HipHop in den neuen Zustand schaltet, wird der Steuerimpuls l'< negativ, und Ladung wird von .S_> zum Gebiet unter der Speicherelektrode 16-1 betragen. Da die elektrode 16aO positiv gegenüber Vi ist. erfolgt keine Ladungsübertragung von der Quelle S: zum Gebiet unter der Speicherelektrode 16a-l.

Fig. 49 veranschaulicht etwas schcmatischer eine andere Ausführungsform der Anordnung. Der Aufbau der oberen und unteren Schieberegister ist der gleiche w ic in ί ι g. 4ö. und nur die ii'vci garigsgebietu r\, F₂ und die Elektroden 16-0 sind gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden die Übergangsgebiete /Ί und F₂ nicht als Lastelementc für den Gegentaktdetektor verwendet. Die Transistoren 200 und 201 sind die gleichen wie in Γ i g. 48. Jedoch sind zusätzlich getrennte Transistoren 204 und 205 vorhanden, die dazu dienen, die bei F\ und F₂ anwesenden Signale zu verstärken. Außerdem sind Transistoren 207 und 208 vorgesehen, die einmal als Transistorlastelemente für das ΠίρΠορ 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 ΠίρΠορ anfänglich riickgesetzt werden, indem beide Transistoren 207 und 208 leitend gemacht werden (EXT= EXT = V, während IN_x = IN_x = irgendein negativer Wert wie - V, nach Fig.48). Dann werden die Transistoren 207 und 208 gesperrt, beispielsweise indem EXT = EXT = Nullpotential gemacht wird, während Vr₁ ebenfalls gleich — V_t ist, so daß die Transistoren 200 und 20! gesperrt werden. Somit werden die Schaltungspunkte 202 und 203 beide auf das gleiche Bezugspotential (- V₄) rückgesetzt.

Wenn das I lipflop riickgesetzt ist und die l.adungssi gnali- bei I] und I) anstehen, gelangt ein ncgativei Impuls l'₍j, der negativer ist als Vf₁, zu dei Abflullelekiroden der Transistoren 204 und 205.

Wenn jetzt beispielsweise IN (die Spannung bei I] relativ negativ und IN (die Spannung bei I)) relativ positiv sind, leitet der Transistor 204 stärker als dei Transistor 205. Dadurch wird das HipHop aus dem Gleichgewicht gebracht, so daß in der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach I" i g. 48 das I lipflop. wenn es wiedererregt wird (indem zuerst die Spannungen IN = /A/auf - Vt zurückgebracht werden und dann Γ,, auf l'i zurückgebracht wird), in einen neuen Zustand gesetzt wird, in dem die Spannungsdifferenz zwischen den Schaltungspunktcn 202 und 203 eine verstärkte Version der anfänglich zwischen /Ί und I) vorhandenen Spannungsdifferenz darstellt.

Neue Information kann in die unteren Register übel die Transistoren 207 und 208 in ähnlicher Weise wie z. I) bei einer p-MOS-Spcichcranordnunp gegeben werden Die Signale /:'A7'und V.XTerfüllen dabei die Funktion der Wortwählimpulsc. während die Signale IN und /Λ die Funktion der Bitsignalc zur eingabe neuer Information erfüllen. Die externen Fingangssignak können das Flipflop bei Abwesenheit des Stcucrcin gangsimpulscs IV₂ in den gewünschten Zustand setzen.

Den externen Signalen kann auch eine so große Amplitude gegeben werden, daü sie etwaige Signale, die während i'_t-, bei I] 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 Informationsrcgcnericrung erfüllen die Transistoren 207 und 208 die Funktion der !.astelementc oder Arbeitswiderstände im Flipflop, die bei der Anordnung nach F i g. 48 zur Ausgangsschaltung der komplementären Schieberegister gehören.

Abgesehen von den oben erläuterten Merkmalen der Anordnungen nach F'ig. 48 und 49, stellen die verwendeten HipHops zweckmäßige Mittel zum Übersetzen der ladungsgekoppelten Information in statische Information, die in einem HipHop gespeichert ist, dar. Wird beispielsweise eine Nachrichteneinheit (1 Byte) und ihr is.ompiemcnt durch ein ladungsgekoppeltes Schieberegister hindurchgeleitct, wie in Fig. 21, so können am Ausgang dieses Systems π 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 Signalregenerier-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 F i g. 48 und 49 wird die Eingangsinformation an anschluBfreien (Hoating) Übergängen (Übergängen, die nicht an Masse oder eine andere Bezugsspannungsquelle angeschlossen sind) wie F₁ und F₂ abgefühlt Die Anordnung kann aber auch mit derartig anschluBfreien Aluminiumelektroden wie 14n in F i g. 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 r. 47 —

49 sich auf eine Zweiphasen-Anordnung bezieht, ist die Methode «ils solche ebensogut auch auf drei-, vier- und höherphasigc Ladu.igsforllcitungsschallungen anwendbar.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist in der Koppelschaltung zwischen zwei Registern ein anschli;E-"reies Übergangsgebiet wie /', I] usw. vorgesehen. Dieses anschluBfreic Übergangsgebiet liegt in einem η-leitenden Substrat und besteht aus einem ρ+ -Gebiet. Man kann statt dessen als S:£nalabfühl- oder -wahrnchmcinrichtung auch eine anschlußfreie Aluminiumelektrode verwenden, wie in F i g. 50 gezeigt. Hier ist die anschluBfrcie Aluminiumelektrode 14-nam Ausgangsende eines Schieberegisters mit einer Gitterelektrode 16-0 am Eingangsende des nächsten Registers gekoppelt.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung

narh Γ-" i σ SfI ρίπος Viprnha^nn-KvQlpm«: toi vnrancop-

setzt, daß die Elektrode 14-n durch den negativen Steuerimpuls V_(A auf irgendeine Spannung, die nicht ganz so negativ wie V< ist, rückgesetzt und durch fintfernen des Steuerimpulses Vi ·_Α ausgeschaltet (anschlußfrei gelassen) worden ist. Dadurch wird eine Potentialwanne unter der Elektrode 14« erzeugt. Zum Zeitpunkt von Φ< wird zum Subslratgebict unter der letzten Speicherelektrode 14-(n-1) Ladung (oder keine Ladung) übertragen. Es sei zunächst angenommen, daß Ladung anwesend ist. Während der Hintcrflankc von Φ4, die den negativen Impuls Φι überlappt, fließt, da die Potent ilwanne unter der Elektrode 14-(n-l) flacher wird, die dort anwesende Ladung in die Potentialwanne unter der anschlußfreien Aluminiumelektrode 14-n. 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-n und folglich bei 16-0 ab.

Nach Beendigung des Impulses Φ« wird die Ladungsübertragung zur Potentialwanne unter der Elektrode I4-n beendigt, und zu dieser Zeit gelangt der negative Steuerpannungsimpuls V_c zur Elektrode 17. Nunmehr sind die Voraussetzungen dafür gegeben, daß Ladung von S2 durch den Leitungskanal unter der Elektrode 17 und, je nachdem, ob die Elektrode 16-0 negativ oder positiv gegenüber Spannung Vj der Quelle S? 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 grcße Gleichspannung Vr$ und ein verhältnismäßig kleiner Kondensator C_p in der Schaltung vorhanden sind, um diesen Zustand zu erreichen. In der Praxis hat jedoch selbst ein so gutes Dielektrikum, wie SHiciumdioxyd, einen endlichen spezifischen Widerstand, der im allgemeinen dazu neigt die Bezugsspannung der Elektrode 14-/7 unter diesen Voraussetzungen vom vorherigen Zustand des Schieberegisters abhängig zu machen. Ferner ergibt sich eine geringfügige Spannungsabwanderung oder -verschiebung an diesen anschiuSfreien 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-Element f. V₍₄, O\ vorgesehen, das die Elektrode 14-n auf einen Bez.ugspegel zurückschaltet. Jedesmal bei Auftreten des negativen Steuerimpulses Vq wird die Aluminiumelektrode 14-n auf die Spannung von D\ zurückgebracht. Zwar kann gewUnschtenfalls während jedes Impulses Φι ein negativer Impuls V(^ zugeleitet werden; jedoch braucht tatsächlich die Elektrode 14-n nicht so oft zurückgeschaltet zu werden. GewUnschtenfalls kann sie z. B. synchron mit einem negativen Impuls Φ2 ungefähr jede Millisekunde zurückgeschaltet werden.

Ein weiteres Merkmal der Schaltung nach I' i g. 50 besteht darin, daß die Spannung der Elektrode 16-0 durch irgendeine äußere Spannungsquelle Vc₅ über einen Koppelkondensator, gestrichelt dargestellt bei Cp,

jl tuprfjpn tann OiC SlCUCrS¹^SnHL!"" V" ks""

mit der Steuerspannung Vc synchronisiert sein. Sie hat

in 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 bereifs für den FaM erläutert worden ist, daß eine beträchtliche Überlappungskapazität C, vorhanden ist.

Statt der oben erläuterten Zurückschallung kann man auch die Aluminiumelektrode 14-n auf einer festen Bezugsspannung halten, indem man sie über einen

jo 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

j-, 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 Verknüpfungsschaltungen. Die Schaltung ist für die zweiphasigen Ausführungsformen eingerichtet; jedoch können ähnliche Schaltungen auch für die drei-, vier- und höherphasigen Ausführungsformen verwendet werden.

Der die Elektroden 14-(n-2), 14-fn-i) 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 Vreg irgendeinen negativen Wert gegenüber der Quelle Si. während Vreg positiv gegenüber der Quelle & ist, die z. B. Massepotential haben kann.

Die Elektroden 17a, 16a-0,16a-l und 16a-2 stellen das Eingangsende eines Schieberegisters zum Abnehmen des Ausgangssignals aus 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 V_n, (an der Elektrode YIa) anwesend ist Wenn die Impulse Vkeg relativ negativ sind und Vreg relativ positiv ist kann unter Steuerung durch das Steuereingangssignal V/h neue Information in das Schleifensystem eingegeben werden. Im übrigen ist die Funktion der Steuerimpulse

22 Ol 150

r; und Ku ähnlich wie die des Taktimpulses in F i g. 40.

Die Spannung Vi, die die Potentiale von S₂, Si und S₄ steuert, soll im vorliegenden Falle -5 V sein. Die Quellen Sh, Si und Sa können dasselbe einzige Quellengcbiet umfassen; um jedoch eine zusätzliche Steuerung des Arbeitens der Ausgangsstufe zu ermöglichen, kann man den Quellen 52, 5j und Sa getrennte Steuerspannung_·η ζ. 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 <P\ wird das Komplement des in der letzten Stufe des letzten Schieberegisters gespeicherten Bits in die erste Stufe (16-1) des ersten Schieberegisters geschoben. Während des nMrhstpn Impulso": 'f>₂ wirrl Has iinlpr lfi-1 upsnP'rhrrlr Bit nach links zur Potentialwanne unter dem Elektrodenpaar 16-2 geleitet.

Bei der Vorderflanke dieses Impulses Φ₂ und der Hinterflanke des endenden Impulses Φ\ fließt die bei f\ anwesende positive Ladung in die unter 14/na, I4mb erzeugte Potentialwanne. Fi ist eine kurze Strecke, die von der Aluminiumelektrode 14-n überspannt wird, von 14-(Vj-I) entfernt. Die Elektrode 14-n wirkt während der Hinterflanke von <P\ als Gitterelektrode und verhindert, daß etwaige bei Fi anwesende Ladung nach i4-(n—\) zurückgeleitet wird. Während <P\ absinkt, nimmt die Potentialwanne unter der Elektrode 14-n ab und nimmt gleichzeitig die Potentialwanne unter dem Elektrodenpaar 14-ma und 14-mö zu, so daß diese Ladungsübertragung stattfindet. Die Ladungsübertragung von Fi nach F2 hört auf, wenn die Elektrode Fi das Potential von <P₂ minus der Schwellenspannung Vt, d. h. etwa (—15 Volt plus V7) erreicht. Dies ist die Rückstell- oder Bezugsspannung für F\.

Am Beginn des Impulses Φ; hat Fj eine negative Spannung Vn dicht bei Va + Φ₂ (eine starke kapazitive Kopplung von Φι nach F₂ vorausgesetzt), nachdem F₂ zuvor in noch zu erläuVsrnder Weise rückgesetzt worden ist. Es sammeln sich somit die positiven Ladungsträger in der Potentialwanne unter F^ an. Das Potential von F2, wenn keine Ladung von Fi übertragen wird, ist V₄ + Φ₂, vorausgesetzt, daß die Kapazität der Elektrode 14-m6 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 Fi und, da F2 mit 16a-0 verbunden ist, eine entsprechende Spannungsänderung bei 16a-0 zur Folge. 16a-0 ist die Gitterelektrode für ein weiteres Schieberegister I63-I, 16a-2usw.

Wenn während Φ₂ die Steuerspannung Vco negativ gegenüber der Spannung der Quelle Si ist, wird Ladung von Si durch den Leitungskanal unter I7a 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 fortgeleiteL Wenn dagegen Vco relativ positiv, etwa Nullpotential ist se kann keine Information von F₂ zum Register 16a-l, 16,1-2 usw. gelangen.

Nach Beendigung von V₁₁₁ endet der Impuls </»>. während der Impuls Φ\ anwesend ist und der zweite Steuerspanniingsimpuls Vc₂ auftritt. Dieser Impuls -, bewirkt, daß das Substiatgebiet unter der Steuerelektrode 14-Cn+ I) als Leitungskanal arbeitet und etwaige Ladung bei F₂ über diesen Kanal zum Abfluß Ü geleitet wird. Nachdem die Ladungen übertragen sind, wird die zweite anschlußfreie Elektrode F₂ durch den Steuerim-

ID puls Vc₂ auf einen negativen Wert dicht bei V₄ zurückgesetzt. V₄ kann irgendeinen Wert, z. B. ungefähr -5 Volt haben.

Wenn neue Information in das Schieberegister eingegeben werden soll, wird die FJektrode 17 positiv

r, gegenüber Sj gemacht, d.h. auf z.B. Nullpotential gebracht, und l7-6ein relativ negativer Impuls oder eine Folge von relativ negativen Impulsen Vm.g zugeleitet Die relativ positive Spannung V««,· bewirkt, daß die Elektrode 17 ohne Rücksicht auf die Spannung bei 16-0

m verhindert. <lnß ladungsträger von der Quelle S₂ /nr Potentialwanne unter der Elektrode 16-1 gelangen. Wenn also bei Vw keine Information eingeschoben wird, bewirkt Vmg, daß bei jedem Impuls <P\ 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 V;/v gleichzeitig mit der Zuleitung des

jo Impulses Vmg an 17-6 während jedes negativen Impulses Φ\ zugeleitet wird. Wenn Vis während des Impulses Φ\ negativ ist, überträgt die Quellenelektrode Sj Ladung zur Potentialwanne unter den Elektroden 16-1 und 166-1. Bei diesen beiden Elektroden handelt es

π 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 V/,v während des negativen

tu Impulses Vmti relativ positiv, beispielsweise Nullpotential ist. so wird unter der Elektrode 166-0 eine Potentialschwelle erzeugt und keine Ladung von S] zu der unter der Elektrode 166-1, 16-1 erzeugten Potentialwanne übertragen.

₄-, Die spezielle Stufe mit den Elektroden 14-/7),i und 14-m6 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

V) Ausgangsstufe irgendwie zusätzlich kapazitiv belastet wird. Der Aufbau dieser speziellen Ausgangsstufe kann zu einer mehrstufigen Anordnung erweitert werden, bei der jede Stufe aus 14-ma, 14-n?6, 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. Sangs t e r : »Integrated MOS and Bipolar Analoy Delay Lines using Bucket-Brigade Capacitor Storage« in

_b0 »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 Siliciumgitter-Selbstaus-

6, richtung erhalten, das zu einem erheblich kompakteren Schaltungsaufbau führt. Ferner kann dabei die Kapazität der Elektrode (14-/nöjt die die diffundierten anschlußfreien Übergänge überlappt reproduzierbarer

gemacht werden. F-Iiti weheres Merkm.il dieser Schaltung ist, daß die unerwünschte Rik'kkopplungskapa/ilal /wischen den Stufen praktisch entfällt, Letzteres ist deshalb möglich, weil die anschlußfreien Übergangsgebicte unter Benutzung der Siliciumgitter wie 14-/»«/ und 14Yn-H) im Falle der Fig.5l als Maske diffundiert werden.

Die neuartigen Anordnungen für Eimerketten-Schicberegister, die auch als sclbstabgetastcte 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 AlumintiimkanayilSlpn hpnntyt wprijpn_ um Hip F-'iupnschaften diesel Schaltungen zu optimalisiercn.

Im Betrieb den oben erläuterten Eimerkettenschal tung 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 \4-ma, welche die anschlußfreien Übergangsgebiete wie F2 überlappen, aussteuern.

Allgemeine Überlegunge.i zum Aufbau

und zur Besserung von ladungsgekoppelten

Schiebeschaltungen

Verschiedene Faktoren, die bei der Konstruktion der oben beschriebenen Schaltungen zu berücksichtigen r. 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 Vitil· s V₄ einzustellen. Die Speisespannung Vi to (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= W/«--(kein 4-, Ladungssignal bei F anwesend), so kann die bei S2 verfügbar gemacht Ladung zu einem angemessenen Zeitpunkt nach der Potentialwanne unter 16-1 übertragen werden. Andererseits muß der Wert von W, wenn Ladung anwesend ist, ausreichend groß sein, um den ,n Ladungsfluß von S? zur Potentialwanne unter 16-1 zu verhindern. Dieser Wert muß positiver sein als (- Vi + V7), wobei Vr die Schwellenspannung für Sb, 16-0 ist. Im vorliegenden Fall kann vorausgesetzt werden, daß Vein F i 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 W erhalten werden kann, so daß im einen Fall (keine Ladung bei F) ein Ladungsfluß im gewünschten Ausmaß von S2 zur to Potentialwanne 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 Vp von Vref abweicht, kann durch Vergrößern der Amplitude von Φ2 (in F i g. 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 Ausschwinguni, oder Amplitude von V/ größer wird.

Bei der Erläuterung der Fig. 29 wurden die verschiedenen verteilten Schaltungskapazitäten eingeführt. Die gesamte kapazitive Belastung CVdes Gebietes FiSt:

cv = c, + c_ö + c, l· c; + c.

Die bei Faufgrund einer Ladungsübertragung ζ) nach F erzeugte Spannungsänderung Δ Wist:

Hei einem Substrat mit verhältnismäßig hohem spe/ifischen Widerstand kann O in der Hauptsache durch C₁, und C\ gebildet werden. Unter solchen Voraussetzungen kanu daher Δ V, bei einem gegebenen Q dadurch erheblich vergröüert werden, daß man C₃ r\

ll /..

daö die Kapazität /wischen 17 und 16-0 in F i g. 40 verhältnismäßig niedrig ist) und eine minimale Überlappung zwischen 14-η und F. wie z. B. in F i g. 43 gezeigt, jedoch sind in diesem Fall, wie im Zusammenhang mit Fig.43 crläuteit, etwas komplexere Takt- oder Zeitsteuersignale erforderlich, und es kann manchmal wünschenswert sein, im Interesse der Vereinfachung der Taklgabe sowie aus anderen Überlegungen einen gewissen Anteil der Spannungsverstärkung zu opfern. Die Wirkung der Erhöhung der Kapazität bei C, 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 Potentiaiwanne 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

vyuti 1 tauiiLiipiftt.Miiui3 tlliuigc Ultgtcuillllduigci I_udungsverteilung in oder zwischen den 'v;iden

Potentialwannen ergibt; und
J. 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 weil beabstandeten und/oder langen Elektroden zu erwarten ist, beginnt in de«: MaBe, wie die Potentialwanne leerer wird, der Ladungsübertragungsvorgang überwiegend und schließlich gänzlich auf der Diffusion von Ladungsträgern unabhängig von ihrer Konzentration

mit einer charakteristischen Zeitkonstante von -—-- zu

beruhen, wobei L= Elektrodenlänge und D=Diffusionskoeffizient in cmVsec. In den Fällen 1 und 2 ist zu erwarten, daß der Wirkungsgrad der Ladungsübertragung (der Grad der Vollständigkeit der Ladungsübertragung) der Betriebsfrequenz umgekehrt proportional hit. 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 knnn, 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 Siliciumdioxydscbicht ist, kann die effektive Ladungsübertragungszeit T_c aufgrund des Streufeldes für ein Substrat mit unendlichem spezifischen Widerstand durch die folgende Gleichung approximiert werden:

'^r ,,\V\2na)'

wobei diese Gleichung abgeleitet ist von _ 2.-71I I V

t-mi. = ΓΪ

l'E_m

worin £mm=das elektrische Feld Uiiter der Φι-Elektrode (siehe unten), μ=die Beweglichkeit = 250 Cm²AOItsckunden 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 Φ2, zunehmender Spannung Φ] und Spannung Φ₍ gleich 0 abgeleitet. Die Ladung wurde von der Potentialwanne unter einer $2-Elektrode zur Potentialwanne unter der ^-Elektrode übertragen. Zum interessierenden Zeitpunkt betrugen die Werte der diesen beiden Elektroden zugeführten Spannungen: *i=0 Volt, *j- -VYoIt und Φ^-2 VYoIt, so daß /JV= 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 E_mm 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 endliche spezifische Widerstand des Substrats, d.h. die Raumladung des Verarmungsgebietes, berücksichtigt wird, haben folgende Resultate ergeben: Bei einer Elektrodenanordnung mit L=A μ, einem Elektrodenabstand /=0,2 μ, a=20G0Ä, einem spezifischen Substratwiderstand p=20 Ohmzentimeter und

in 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^xIO³ Volt/cm. Dies entspricht einer Laufzeit (Dauer der Ladungsübertragung

is von einer Potentialwanne zur nächsten) von 0,5 Nanosekunde. Das Streufeld für L=IO μ bei im übrigen gleichen Faktoren ist 4XiO² 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 Feld), 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 xj kleiner als 6 a wird, das Streufeld mit abnehmendem spezifischen Substratwiderstand sehr rasch abzufallen beginnt Der Zustand, bei dem Verarmungstiefe Xdgleich 6 a ist, entspricht der Situation, wenn die effektive Dicke des Siliciumdioxyds

j5 (die gleich ungefähr 3 a ist) gleich Ui 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 Substratvor- spannung V/v betreibt Eine große Substratvorspannung ergibt stärkere Streufelder durch Vergrößerung der Verarmungstiefen der Potentialwannen. Beispielsweise zeigen die numerischen Lösungen der Potenttalfelder, 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 Λ 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 Phasen-Spannungen 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 Vlv-+2 Volt in Vn-+ 12 Volt ändert.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnungen lassen sich hohe Arbeitsgeschwindigkeiten erzielen. Aufgrund des übereinandergreifenden oder überlappenden Elektrodenaufbaus können die benachbarten Elektroden dicht beieinander angeordnet sein. Der Abstand zwischen den Elektroden /(Fig.9) kann sehr klein, nämlich 1000A oder kleiner (d.h. 0,1 μ oder kleiner) gemacht werden. Die Länge L (F i g. 9) kann

klein sein, nämlich 13 μ oder kleiner, vielleicht sogar nur 5 μ, ebenso wie die Länge k (F i g. 9), die 2 - 5 μ betragen kann. Die kleine Länge k 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 in 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 die- H sen 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 10⁷ bis 10⁸ Bits pro Sekunde. Um mit diesen Anordnungen die höheren Bitgeschwindigkciten zu erreichen, kann man mit einer verhältnismäßig großen Substralvorspannung Vn, beispielswcisc +10 Volt oder mehr, arbeiten. Um Bitgeschwindigkeiten über 10⁸ Bits pro Sekunde zu erzielen, verwendet man vorzugsweise die Zweiphasen-Anordnungen mit Gleichspannungsdifferenzen (wie in Ffg. 11 gezeigt), da bei diesen Anordnungen die in 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 r> 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 berück- vi sichtigt 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 (Vi) erforderliche Zeit ist der Ladungsübertragungszeit vergleichbar und kann durch Verwendung eines ausreichend großen Rücksetzimpulses V« 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 so Ladungsübertragungszeit in der Größenordnung von mehreren Nanosekunden betragen kann.

Herstellungsverfahren

Die nachstehende Erläuterung der fUr 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 Photolackätzschutzmasken, das Glühen des Kanaloxyds, das Anlegieren des Siliciums an Aluminiumkonlakte und andere herkömmliche Maßnahmen sind, obwohl sie durchgeführt werden, nicht im einzelnen erläutert

Wie in Fig.52a gezeigt, wird eine dicke Silicium iioxydschicht 240 (ungefähr 10 000 A dick) thermisch auf das Siliciumsubstrat 242 aufgewachsen. Dann wird, wie in Fig.52b gezeigt, derjenige Teil des Siliciumdioxyds, wo die Elektroden und die diffundierten Gebiete D, F und S] 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 A dick) epitaxial auf dem Siliciumscheibchen 242 über 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 Verfahrensschriit 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 Si, 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 Dsein.

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 Stellen 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 Teüe des Aluminiums weggeätzt werden, um die Struktur der Aluminiumelektroden herzustellen.

Im Verfahrensschritt nach F i g, 52h kann gewünsehtenfalls 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 SiliciumdioxydschichL Sollen dagegen die Aluminiumelektroden weiter vom Siliciumsubs.trat entfernt sein als die Polysiliciumelektroden, so kann mit dem Atzen aufgehört werden, wie in F i g. 52h gezeigt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform 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, letzt werden beim Aufwachsen der dicken Oxydschicht die p+-Gebiete tiefer in das Substrat hineingetrieben. Außerdem 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 wecden. Bc-jpielswcise für das Substrat, obwohl Silicium derzeit als bevorzugtes Material angesehen wird, können aurh 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 Alummium-Siliciumlegierungen oder irgendeines dieser Metalle

ίο 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 uinoxyd 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

ίο 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 I μ(10-⁶Μεΐει·^εΓkleiner 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 nächstliegsnden Elektrodenanordnung befindliehe zusätzliche, gegenüber dem Substrat isolierte Steuerelektrodenanordnung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ferner Steuerspannungsquellen enthält, um der Steuerelektrodenanordnung (14-0) und der Ladungsträgerquelle (S\) gleichzeitig Wechselspannungen (Vq V_s i) 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 Steuerelektrodenanordnung liegenden Substratbereich und das Anfüllen de/ genarbten Potentialgmbe auf ein durch die Wechsdspannungen gesteuertes Maß bewirkt wird (F i g. 7 und 8).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten nächstliegenden Elektrodenanordnung (14-1) von einer Taktimpulsquelle ein zu einem Zeitpunkt fo beginnender und zu einem Zeitpunkt U endender Taktimpuls ι(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 /b beginnt und zu einer Zeit /2» vor dem Zeitpunkt U endet, und daß das der Ladungsträgerquelle (Si) zugeführte Signal (V₁) ein in Durchllaßrichtung gepolter Spannungsimpuls ist, der zu einer Zeit t₂ nach dem Zeitpunkt /0 beginnt und zu einer Zeit ti nach dem Zeitpunkt tj,, 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 (V_c) von der Steuerimpulsquelle eine Amplitude hat, die höher ist als die Schwellenspannung V, des Substrats und wesentlich größer ist als der der Ladungsträgerquelle (S]) zuführbare Spannungsimpuls (Vi).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrodenancfrdnung 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 gekennzeichnet, daß sich die beiden Steuerelektroden (z.B. 17 und 16-0 in Fig. 38) hintereinander zwischen der Ladungsträgerquelle (/.. B. 52) und der

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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, u,;d mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Potentialgrube unter jedem Elektrodenpaar, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (z. B. 30-ib in Fig. 11) jedes Paars aus einem stark dotierten Halbleiter besteht, während die zweite Elektrode (3Q-Xa) 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 bestehende Elektrode (z. B. 30-la in Fig. 11) gleichen Abstand vom Substrat hat wie die andere aus stark dotiertem Halbleitermaterial bestehende Elektrode (30-Xb).

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. Zwriphasig 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 Spaimungsquelle, 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 Austritlsarbeit mindestens so nahe am Substrat liegt wie die Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder I₁ bei welcher mehrere Reihen von Ladungsspeichern auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Elektroden vom Substrat trennende Isolierschicht am Ort der Ladungsspeicherreilhen relativ dünn und /wischen den Ladungsspeicherreihen relativ dick ist, und daß gleichartige: Elektroden der die Ladungsspeicher bildenden Eiektrodenpaare mindestens zweier benachbarter Reihen jeweils durch Teile eines zusammenhängenden leitenden Belags gebildet sind, die sich über den dünneren Bereich der Isolierschicht

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erstrecken, während sich die diese Elektroden verbindenden Teile des leitenden Belags über 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 in 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, r, dadurch gekennzeichnet, daß von dem einen leitenden Belag mehrere Streifen (40-la, 40-2a usw.) vorgesehen sind, die wellenförmig in Spaltenrichtung quer zu den Ladungsspeicherreihen verlaufen, und daß von dem anderen leitenden Belag ebenfalls _>n mehrere Streifen (40-16, 4Q-2b usw.) vorjesehen 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 tu 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 leitenden Belags abwechselnd auf verschiedenen Seiten überlappen, und daß sich die einander w zuweisenden Fortsätze(z. B.60,62,64und53,55,51) benachbarter Hauptäste in gegenseitig verzahnter Anordnung befinden (Fig. 17 oder 25).

16. Ladungsgekoppeite Schaltungsanordnung zur Obertrag-.ing von Signalen mittels -lidungsgekoppel- r, ter Schieberegister, gekennzeichnet durch zwei parallele ladungsgekoppelte Schieberegister, und einen Signaldifferenzdetektor, dessen erster Eingang an einer Stufe de,·: einen Schieberegisters und dessen zweiter Eingang an die entsprechende Stufe -,o 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 π hiermit kapazitiv gekoppelten Elektroden (14) besteht und daß in jedem Schieberegister diejenige Stufe, an die der Signaldifferenzdetektor angeschlossen ist, aus einem Dotierungsgebiet (F\, F₂) im Substrat besieht, das einen anderen Leitungstyp hat _hn uls das an eine der Elektroden (14-n, 14,-nj des Schieberegisters angrenzende Substratgebiet (F ig. 48).

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldifferenzde- t,5 tektor ein Flipflop mil vjer Transistoren mit jeweils einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Steuerelektrode ist, wobei die mit dem Signaldetektor gekoppelten Datierungsgebiete (F₁, F₂) im Substrat jeweils die Sourceelektroden fm 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 (F\, F2) des entgegengesetzten Leitungstyps; eine mit dem zweiten dieser Gebiete (F₂) gekoppelte Einrichtung (14-fn+l)), die im Substrat während eines gegebenen Zeitintervalls einen Leitungsweg vom zweiten Gebiet nach einer Bezugsspannungsquelle (D, Va) 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_ma), die das erste Gebiet (Fi) während eines zweiten Zeitintervalls auf einen Spannungspegel zurücksetzt (F i g. 51).

20. Schaltungsanordnung nac« Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle ein drittes Gebiet (D) im Substrat vom entgegengesetzten Leitungstyp umfaßt, welche·» auf einem festen Bezugsspannungspegel (V*) 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 + S_t + &) 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 (Si +Sj +S*) 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,-1), die in einem anderen Substratgebiet dicht beim vierten Geuiei (S₂ +Sj + &) eine zweite Potentialgrube erzeugt; und eine weitere, mit dem Substratbereich zwischen dem vierten Gebiet und der zweiten Potentialgrube gekoppelte Steuerelektrode (16,-0), die an die andere der Ausgangsklemmen (bei F₂) angeschlossen is?

24. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine mit verschiedenen Teilen des vierten Gebiets gekoppelte Einrichtung (17 und 17-/)jt die bewirkt, daß gleichzeitig der eine Teil (S₂) des vierten Gebiets den Durchgang von Ladungsträgern zu der ei if 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 Fortleitune einer Ladune mit

hoher Geschwindigkeit von einer Polcnlialgnibc in einem Substrat unterhalb einer ersten elektrode in ein Gebiet des Substrats unterhalb einer zweiten. benachbarten überlappenden Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im Überlappungsbereich 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 Randfcld erzeugt wird, daß im Substrat unterhalb der zweiten Elektrode ein Verarmungsgebiet mit einer der Elcklrodcnbrcile vergleichbaren Tiefe entsteht.

26. l-adungsgekoppeltc Schaltungsanordnung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial eines gegebenen Lcitungstyps und mit einer Vielzahl von gegenüber dem Substrat isolierten Spcicherelcktroden, die durch Taktimpulsc mehrerer verschiedener Phasen ansteuerbar sind, um Ladungssignalc zu speichern und weiterzugeben, sowie mit einem nach einer n-ten Speicherelektrode im Substrat angeordneten ersten Gebiet entgegengesetzten Lcitungstyps und solcher Vorspannung, daß es Minoritälslräger aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Gebiet (D) und der n-tcn Speicherelektrode (14-n^ein zweites Gebiet (I) des entgegengesetzten Leitungstyps im Substrat (10) gebildet ist; daß zwischen diesen beiden Gebieten im Abstand vom Substrat eine Steuerelektrode (14-(n+ I)) zum Steuern des Minoritätsträgerflusses vom zweiten zum ersten Gebiet angeordnet ist; daß die /Me Speicherelektrode bei entsprechender Ansteuerung die unter ihr gespeicherte Minorilätsträgerladung in denjenigen Substratteil verschiebt, wo sich das zweite Gebiet (F) befindet; daß eine Einrichtung (Vr) vorgesehen ist. welche die Steuerelektrode 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 Signais angeschlossen ist \\ i g. iv).

27. Schaltungsanordnung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch ein beabstandetes, das Substrat berührendes drittes Gebiet (Si) 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, 5b) und die erste Steuerelektrode (14-(Vj+ I)) auf der gleichen Spannung (— V₁) hält (F ig. 34).

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

30. Schaltungsanordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine mit dem dritten Gebiet (S?) gekoppelte Einrichtung, die das dritte Gebiet mit einer Sperrspannung (— V]) beaufschlagt, deren Amplitude nicht ausreicht, um zu verhindern, daß da! dritte Gebiet als Minorilätsträgerquellc wirksan wird.

31. Schaltungsanordnung nach Anspruch 27 gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die da; drille Gebiet (Si) normalerweise so weit ir Spcrrichlung spannt (\\ in Cig. 38), daß es keim Minorilätsträger freigeben kann, und eine Einrichtung, die das dritte Gcbiel während der Zeit, wo die Spannung der weiteren Steuerelektrode (16-0) durcl das zweite Gcbiel (F) gesteuert wird, mit einen Impuls (Vi) in Durchlaßrichtung beaufschlagt.