DE2208324A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE2208324A1 DE19722208324 DE2208324A DE2208324A1 DE 2208324 A1 DE2208324 A1 DE 2208324A1 DE 19722208324 DE19722208324 DE 19722208324 DE 2208324 A DE2208324 A DE 2208324A DE 2208324 A1 DE2208324 A1 DE 2208324A1
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Gaey Francis Weiland Worcestershire Vanstone (Großbritannien)
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UK Minister of Technology
UK Secretary of State for Defence
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UK Minister of Technology
UK Secretary of State for Defence
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Description

The Secretary of State for Defence m Her
Britannic Majesty's Government of the United
Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SV/ 1 (Großbritannien)
Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen«,
Halbleiteranordnungen mit Anwendung des Prinzips einer Ladungsspeicherung innerhalb einer elektrisch isolierenden Schicht auf der Oberfläche eines Stückes aus Halbleitermaterial wurden kürzlich beschrieben« Eine der interessantesten dieser Anordnungen ist ein Ladungsspeicherelement aus einem Siliziumstück, das auf seiner' Oberfläche eine Schicht aus Unterschichten von zwei elektrisch isolierenden Materialien (d. h. Materialien, die beide eine im Vergleich.
mit der des IlaLbleiters, d, h, Silizium große Bandlücke
3696/Ol;)-Tp-r (8)
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aufweisen) trägt. Die i;tu..ien elektrisch isolierenden Materiai l'üi sind Silizi imdioxia und Siliziumnitrid. Zwei lu Γfu;! ι onsbere iehe v/erden durch die elektrisch isolierende Schicht hergestellt und bilden eine Quellen- bzw. eine Senkenelektrode. Zwei Bf.-reiche aus elektrisch leitenden Material, wie z. B. Aluminium, werden auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht zwecks Bildung eines Quellenkontakts und eines Senkenkontakts unter Kontaktierung der Quellenelektrode bzw. der Senkenelektrode niedergeschlagen. Ein dritter Bereich aus elektrisch leitendem Material wird auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht in einer Lage zwischen der Quellenelektrode und der Senkenelektrode niedergeschlagen und bildet eine dritte Elektrode, die ein Torbereich ist ο Ladungsträgerfallen bestehen innerhalb der elektrisch isolierenden Schicht im Grenzbereich zwischen dem Siliziumdioxid und dem Siliziumnitrido Wenn geeignete Spannungen am Torbereich angelegt werden, lassen sich Ladungsträger in diese oder aus diesen Fallen treiben. Wenn z* B. Elektronen aus den Fallen getrieben werden, bleiben Bereiche positiver Ladung zurück. Diese positive Ladung läßt sich für eine sehr lange Zeit, d. h. mit einer sehr geringen Flüchtigkeit, speichern. Die Quellenelektrode, die Senkenelektrode und der Torbereich stellen zusammen die drei Elektroden eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Tor dar. Die Menge der in den Fallen an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumdioxid und dem Siliziumnitrid gespeicherten Ladung kann durch Messen der Schwellenspannung des Transistors (der Spannung, bei der der Strom im Transistor zwischen der Quellenelektrode und der Senkenelektrode erstmals zu fließen beginnt, wenn die am Torbereich angelegte Spannung variiert wird) erfaßt werden.
BAD ORIGINAL
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Eine Speichermatrixanordnung läßt sich unter Verwendung einer Matrix der Ladungsspeicherelemente herstellen, die auf einem einzigen Stück aus Halbleitermaterial ausgebildet sind*
D:e bekannten Heibleiterspeichermatri2anordnungen, die eine Ladungsspeicherung innerhalb ihrer Ladungsspeicherelemente ergeben, wurden in dei' Form einer Matrix von La-Jungsspei cherelementen vorgeschlagen, deren ,jedes einen Transistor, und twar mit einem Torbereioh, einer Quellenelektrode und einer Senkenelektrode umfaßt ο Die Quellenelektrode und die Senkenelektrode eines jeden solchen Transistors J] at ten die Fc rm von Pi f fusionsbereichen innerhalb der Oberfl achenz-one des Stückes aus Hai bleitermaterial»
Die.,e Quellen- und Senkenelektrode!! jedes Ladungsspeicherelements kennen zu gewissen Nachteilen führen., Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen ist das !Diffusionsstadium, in den die Quellen- und die Senkenelektroden durch selektive Diffusion eines Dotiermittels in das Halbleitermaterialstück gebildet werden, oft kostspielig und schwierig durchführbar, Wenn sich bei einer gegebenen Anzahl von Anordnungen eine niedrige Ausbeute der gewünschten Qualität ergibt, stellt ma:; einen der Gründe dafür oft im Zusammenhang mit der Bildung dieser Quellen- bzw. Senkenelektrodenbereiche fest« Au.~eidem nehmen diese beiden Elektrodenbereiche wertvollen Platz innerhalb der Halbleiteranordnung ein, womit die Dichte begrenzt wird, mit der sich die Speicherelemente anordnen lassen, und daher auch die Konzentration beschränkt wird,-in der sich die Information speichern läßt ο Diese vuellen- und Senkenelektroden können beide Quellen der Injektion von Ladungsträgern in
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die Oberflächenzone des Halbleitermaterialstückes sein, auch wenn keine Spannung zwischen ihnen angelegt ist» Bisher nahm man an, daß diese Ladungsträgerinjektion stets vorteilhaft ist. Es wurde im Z\ige dieser Erfindung festgestellt, daß es bei einigen Anwendungsfällen vorteilhaft ist, Ladungsspeicherelemente vorzusehen, die keine selche Ladungsträger!ηjektion aufweigen»
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Halbleiteranordnung zur Verwendung von Ladungsspeicherung innerhalb der elektrisch isolierenden Schicht ihrer Ladungsspeicherelemente das Verhältnis der Zahl von innerhalb der Oberflächenzone ihres Halbleitermaterial Stückes gebildeten Elektrodenbereichen zur Zahl der darin enthaltenen Ladungsspeicherelemente zu verringern«. '
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Halbleiteranordnung mit einem Stück aus Halbleitermaterial, einer elektrisch isolierenden Schicht auf einer Oberfläche des Halbleitermaterialstückes mit einem Ladungsspeicherbereich, einem ersten Bereich aus elektrisch leitendem Material auf einem Teil der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht,, einem zweiten Bereich aus elektrisch leitendem Material auf einem anderen Teil der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht, wobei der erste Bereich aus elektrisch leitendem Material mit dem angrenzenden Teil der elektrisch isolierenden Schicht und dem angrenzenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes ein erstes Ladungsepeicherelement und der zweite Bereich aus elektrisch leitendem Material mit dem angrenzenden Teil der elektrisch isolierenden Schicht und dem angrenzenden Teil des Oberflächenbereichs
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des Ha !.blei termaterialstückes ein zweites Ladungsspeichereleinent bilden, weiter mit einer Einrichtung zur Injektion von Ladungsträgern in einen ersten Teil des Oberflächenbereiclid des Halbleitermaterial Stückes, einer Einrichtung zum Ab Leiten von Ladungsträgern aus einem zweiten Teil des Oberflaehenbereichs des Halbleitermaterialstückes und einem Strompfad vom ersten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes sum zweiten Teil des Oberflächenbereich3 des Halbleitermaterialstückes mit dem Kennzeichen, dai3 das erste Ladungsspeicherelement und das zweite Ladungsspeicherelement keine Quellen- und Senkenelektrodenbereiche aufweisen, daß der erste Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes und dessen zweiter Teil des Oberflächenbereiches vom ersten und zweiten Ladungsspeicherelement entfernt sind und daß der Strompfad so beschaffen ist, daß bei einem Strom von Ladimg3trägern vom ersten zum zweiten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterial-Stückes diese sowohl durch den zum ersten Ladungsspeicherelement gehörenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes als auch durch den zum zweiten Ladungsspeicherelement gehörenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes fließen.
Nach einer Ausführungsart der Erfindung ist eine Halbleiteranordnung der vorstehend definierten Art vorgesehen, die weiter nahe dem Halbleitermaterialstück eine Einrichtung zur Bestrahlung des ersten Ladungsspeicherelements und/ oder des zweiten Ladungsspeicherelements aufweist, wodurch die in dem Element oder den Elementen gespeicherte Ladung auf die Art der von der Strahlungsquelle aufgenommenen Strahlung ansprechbar ist.
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Das Halbleitermaterialstück der Halbleiteranordnung kann strahlungsemittierend sein, wobei die Strahlung vom ersten Ladungsspeicherelement und/oder vom zweiten Ladungsspeicherelement in einer Art ausgestrahlt werden kann, die auf in dem oder in den Elementen gespeicherte Ladungen anspricht«
Das Halbleitermaterial kann z„ Β» Silizium (das nicht elektrolumineszierend ist) oder Galliumarsenid sein (das elektrolumineszierend ist). Die Isolierschicht kann z. Be aus einer Unterschicht aus Siliziumdioxid und einer Unterschicht aus Siliziumnitrid bestehen. Die Bereiche aus dem leitenden Material können z. B. aus Aluminium (das nicht sehr transparent ist) oder Zinnoxid (das merklich lichttransparent ist) bestehen.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen;
Pig« 1 und 2 Querschnitte von Halbleiteranordnungen mit Ladungsspeicherung;
Pig. 3 und 4 Diagramme des Logarithmus der Zeit T in Abhängigkeit von der Menge Q der durch die anhand von Pig. 1 beschriebene Halbleiteranordnung gespeicherten positiven Ladung bei positiven bzw. negativen an ihre Torelektrode angelegten Spannungen V^;
Fig. 4 a ein Diagramm des Logarithmus der Zeit T in
Abhängigkeit von der Menge Q der durch die An-
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Ordnung nach Pig« 1 gespeicherten positiven Ladung für eine AnEaIiI von an ihre Torelektrode angelegten negativen Spannungen V~;
Fig.. 5 ein BJ oekdiagramin, teilweise in Schal tungsforri, einer Halbleiter!adungsspeicheranordmmg, die zur Erfassung νcn Licht verwendet werden kann;
Fig- 6 einen Querschnitt einer Reihe in der Anordnung nach Fig.. 5;
Fig. 7 einen Querschnitt einer- Säule in der Anordnung nach Fig 5;
Figo 8 einen Querschnitt einer Anordnung mit einer Do;: pe Im veaumetallisierung; und
Fig. 9 ein Schaltdiagramm einer Ladungsspeicheranordnung
Figo 1 zeigt einen Querschnitt einer Halbleiteranordnung, die mit Ladungsspeicherung arbeitet ο Ein Stück 1 aus in bekannter Weise hergestelltem, z= B- durch Zonenraffinieren gewonnenem Silizium ist vom η-Typ, hat einen Widerstand von etwa 5 Ohm»cm und eine Oberfläche, die in bekannter Weise geätzt und poliert ist. Eine Schicht 2 aus Siliziumdioxid, S1O2, ist auf der Oberfläche dee Stückes 1 in bekannter Weise, ζ» Β... mittels eines Stromes von feuchtem Sauerstoff, bei einer Temperatur zwischen 600 und 9Oj 0C aufgewachsen. Eine Schicht 3 aus Siliziumnitrid, Si,N^, ist auf der Oberfläche der Schicht 2 aufgewachsen. Die Schicht 3 hat eine Dicke von etwa 100 bis etwa 2000 Ä, üblich etwa 800 S und ist in
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einer bekannten Weise, z. Bo durch Reaktion von Silan und Ammoniak, bei 900 0C aufgewachsen» Ein Torbereich 4 aus leitendem Material, z. B* Aluminium, ist auf der Oberfläche der Si Iiziumnitridschicht 3 in bekannter Weise, z. B. durch Niederschlagen einer Schicht aus leitendem Material auf der Oberfläche der Siliziumnitridschicht 3 und Ätzen der Schicht aus leitendem Material zwecks selektiver Bildung einer Mehrzahl von Bereichen einschließlich des Torbereichs 4 aufgebrachte
Ein Bereich 2a von Ladungsträgerfallen besteht dann an der Grenzfläche zwischen der Schicht 2 und der Schicht 3« Wenn der Teil der Siliziumdioxidschicht· 2, der unter der Si i.i ziumnitridschicht 3 gezeigt ist, eine Dicke von etwa 20 S aufweist, ist es für Elektronen möglich, durch die Schicht 2 und in den und aus dem Fallenbereich 2a durch- bzwc ein- bzw ο auszutreten. Wenn ζ ο B. am Torbereich 4 eine hohe positive Spannung gegenüber dem n-Siliziumstück 1 angelegt wird, werden Elektroden vom n-Stück 1 in Richtung zum Fallenbereich 2a angezogen und dringen nach ihrem Durchtreten durch die Schicht 2 in den Fallenbereich 2a ein ο Wenn am Torbereich 4 eine hohe negative Spannung gegenüber dem Siliziumstück 1 angelegt wird, strömen Elektronen zum Siliziumstück 1 zurück,. Wenn die besonderen Fallen des Bereichs 2a selbst Elektronendonoren sind, dann behält der Bereich 2a eine eigene positive Ladung, wenn die Elektronen vom Bereich 2a abströmen. Dieser Bereich von positiver Ladung läßt sich dann verwenden, um einen Informations- oder "1"-Zustand darzustellen, der so lange vorhanden bleibt, bis ein Auelöschimpuls, d. h. eine positive Spannung, am Torbereich 4 angelegt wird.
6AD ORIGINAL
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2 2 Π Κ5 3 2 4
Dlm anhand von Pig. 1 beschriebene Halbleiteranordnung stellt, mn iiadungsspeicher« Leinen fc (al fcernati ■/ auch Ladung £3-apeicherkondensator genannt; dar, und dieses Element kann Tf ;1 einer Matrix seirio Die TtL Io der SiILaiumdioxidschicht 2, des Pal'lenbereichs 2a und des Oberflächenbereichö des Si 1Lziumstüekes 1, die das Element bilden, werden durch den Teil (der Schicht 2) und die Teile (des Bereichs 2a und der Oberfläche des SiIiziumstuokes 1) angrenzend an den 'Porbereich 4 definiert, soweit dort, eine merkliche Zahl von Ladungsträgern durch am Torbereich 4 angelegte Spannungen erfaßt und bewegt werden, so daß sie an dem Ladungsspeichervorgang teilnehmen könnenο
Figo 2 zeigt einen Querschnitt einer bekannten Halbleiteranordnung mit Ladungsspeicherung. Die Figur erläutert den Aufbau eines bekannten Elements, das bei einem herkömmlichen Einschreib-, Ablese- und Loöch-Gedachtnismatrixspeieher verwendbar wäre ο Das Siliz-iumstück 1, die Siliziumdioxidschicht 2, die Siliziumnitridschicht 3? der Fallenbereich 2a und der Torbereich 4 sind mit den entsprechenden Teilen in Fig. 1 identisch.. In der anhand der Pig» 2 beschriebenen Anordnung sind jedoch die Siliziumnitridschicht 3 und der Torbereich 4 in bekannter Weise geätzt, so daß die Schicht 3 eine etwas größere Oberfläche als die des Bereichs 4 aufweist, wobei eine in Aufsicht den Rereich 4 umgebende Zone bleibt, die kein leitendes Material trägt« Ein ρ-Quellenbereich 5 und ein p-Senkenbereich 6 sind in der Oberfläche des Siliziumstückes 1 in bekannter Weise, z, Bo durch Eindiffundieren von Bor Ln dati LlilLkium bis zu einer Tiefe von etwa '3 Mikron hergestellt, Die Bereiche 5 und 6 aind angrenzend im die Enden der· Dill riurimitridschiüht 3 b-'.n. dee forbere ichs 4 au^^ö-
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bildet.. Der Rest der überfläche des Siliziumstückes 1 (unter Ausschluß irgendwelcher Bereiche, die andere, dem einen anhand von Pig, 2 beschriebenen ähnliche Ladungsspeicherelemente enthalten) ist mit einer (etwa 10.000 Ä dicken) Siliziumdioxidschicht 7 bedeckt« Die Schicht 7 enthält einen Bereich 8 über dem Quellenbereich 5 und einen Bereich 9 über dem Senkenbereich 6, welche Bereiche 8 und 9 in bekannter Weise geätzt sind, um zu ermöglichen, daß weitere Bereiche 10 und 11 aus leitendem Material in bekannter Weise niedergeschlagen werden, um den Quellenbereich 5 bzw«, den Senkenbereich 6 zu kontaktieren. Der Bereich 10 und der Bereich 11 und der Torbereich 4 aus leitendem Material können alle gleichzeitig in bekannter Weise durch Bedecken der gesamten Oberfläche der Anordnung mit einer einzigen Schicht aus leitendem Material, wie z« B. Aluminium, und selektives Ätzen der Schicht hergestellt werden.
Im Betrieb sind die Ladungsspeichereigenschaften de3 Elements ähnlich denen der anhand von Pig» 1 beschriebenen Anordnung. Jedoch stellt in diesem Fall die Anordnung auch einen Feldeffekttransistor dar. Wenn der Senkenbereich 6 gegenüber dem Quellenbereich 5 durch Anlegen einer Spannung an den Bereich 11 aus leitendem Material negativ vorgespannt wird und eine negative Spannung am Torbereich 4 angelegt wird, ist es möglich, eine Inversionsschicht 12 (d. ho einen induzierten p-Kanal) zwischen dem Quellenbereich 5 und dem Senkenbereich 6 an der Oberfläche des Siliziumstückes 1 zu bilden«
Im Betrieb des vollständigen anhand von Fig» 2 beschriebenen Speicherelements wird sein Zustand, d. h. ob positive Ladung im Fallenbereich 2a gespeichert wird oder
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ment, durch Hessen des Schwellenwerts des Transistors bestimmte Dies wird durchgeführt, indem man am Torbereich 4 eine ausreichende negative Spannung anlegt, um die Bildung der Inversionsschicht. 12 hervorzurufen, welche Spannung jedoch unzureichend ist, um Elektronen zwischen dem Fallenbereich 2a und dem oiliziumstück 1 zu überführenc Wenn eine positive Ladung im Falienbereieh 2b vorliegt, verursacht sie eine Änderung des am Tortereich 4 angelegten elektrischen Feldes und führt zu einem Anwachsen der Transistorschwellenspannung, do h. der Spannung, bei der die Inversionsschicht 12 gebildet wird, auf einen negativeren Wert.
Eine Gedächtnismatrixspeicheranordnung, die eine Matrix von Ladungsspeicherelementen entsprechend dem anhand der Figo 2 beschriebenen Element enthält, läßt sich nach der bekannten Technologie der integrierten Schaltungen fertigen, wobei die Schaffung der verschiedenen Teile der Elemente in einem einzelnen Schritt jeweils für alle Elemente vorgenommen wird» Der Diffusionsschritt, bei dem die Bereiche 5 und 6 und andere identische Bereiche ausgebildet werden, ist häufig teuer, schwierig durchzuführen und oft ein wesentlicher Faktor, der zu niedrigen Produktionsausbeuten bei einer bestimmten verarbeiteten Menge führt«
Fig· 3» 4 und 4a sind Diagramme des Logarithmus der Zeit T in Abhängigkeit von der Menge Q der im Fallenbereich 2a der anhand von Fig. 1 beschriebenen Anordnung gespeicherten positiven Ladung bei positiven (Fig. 3) und negativen (Fig- 4 und 4a) Torspannungen V„, die jeweils am Torbereich 4 angelegt sind. Die Menge Q der positiven Ladung läßt sich passend messen und definieren als V - V-p-n» wobei V eine Konstante ist und unter V-p-o die "Flachband-
O J?±5
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spannung", do h. die besondere Spannung verstanden wird, bei der das Valenzband und das Leitungsband des Siliziumstüokes 1 durch einen horizontalen Zustand zwischen dem Aufwärtsverlauf und dem Abwärtsverlauf gehen, wenn diev angelegte Spannung variiert wird« Die Diagramme der Fig« 3» 4 und 4a sind typische Darstellungen der Ergebnisse, die im Zuge der Erfindung experimentell ermittelt wurden.
Die anhand der Figc 1 beschriebene Anordnung wird in Figo 3 so behandelt, daß sie anfänglich im Informationsoder "1 "-Zustand ist. Dies ist durch eine Menge Q.. von positiver Ladung im Fallenbereich 2a definiert. Wenn man positive Spannungsimpulse am Torbereich 4 anlegt, werden Elektronen in die Fallen des Bereiche 2a gezogen. Dies bedeutet einen Abfall der Menge gespeicherter positiver Ladung«, Vier Zweige des Die^ramms sind dargestellt, die verschiedene Werte der angelegten Torspannung V„ bedeuten; wenn die Torspannung Vq positiv wächst, verringert sich die Zeit 'C (und damit log ), die zum Anziehen einer gegebenen Zahl von Elektronen zum Bereich 2a und damit zum Verlieren einer Menge Q positiver Ladung erforderlich ist.
Figo 4 stellt die anhand der Fig. 1 beschriebene Anordnung als anfänglich mit einer Menge Qp von gespeicherter positiver Ladung im Bereich 2a versehen dar. Das Diagramm weist zwei Zweige auf, und zwar einen Zweig (a) und einen Zweig (b)o Der Zweig (a) gibt das Verhalten wieder, wenn keine Quelle (außer der thermischen Erzeugung von Minoritätsträgern) von positiven Ladungsträgern im Oberflächenbereich des Siliziumstückes 1 vorhanden ist. Der Zweig (b) zeigt das Verhalten, wenn eine solche Quelle vorhanden ist. Im Zweig (a) ruft eine am Torbereich 4 angelegte negative
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oparuiuh,: V,, einen An.ιό 11 ^i.-; :i -τ "-o^; -j > '>*·>η .-!^ijeioherter oo« si ! iver Ladung nach einer ;;:.:!;; 1^ liv^vvor Ira Zweig (b) bewirkt eine negative opannun,; ^. (.er i;ioi/iivu; Gröi3e wie der i:n "weig (a) angelegten eitidu Anstieg der Menge Q der ges pe1 C? he r t en positiven Ladung ι ,.ach einer ~-/.i el kür ζ er en Zeit. ' :j ο Ler Unterschied zwischen u.aji vei.hai r.^Larnäßig langsamen Ansprechen im Zweig (a) und dem sehr schnellen Ansprechen im Zweig (b) laßt sich fxl.j end ermaß en erklären.; Im Zv/elg (a) werden, wenn eine negative Spannung zwischen dem Torbereich 4 und dem Siliziumstück 1 angelegt wird, Majoritätsladungsträger (Elektronen) vom Oberilächenbereich des Siliziumstückes 1 in dessen Inneres verarmt, und Minoritätsträger (Löcher) werden kontinuierlich thermisch erzeugt und zur Oberfläche des Siliziumstüekes 1 gezogen und beginnen, sich dort anzusammenln. Wenn die Spannung am Torbereich 4 angelegt wird, tritt zuerst der gröiSte Teil davon am SiI:- ziumstück 1 auf» Wenn sich jedoch die Löcher ansammeln, steigt der Anteil der an der Siliziumdioxidschicht 2 auftretenden Spannung, da der Anteil der an dem benachbarten Oberflächenbereich des Siliziumstüekes 1, wo sich die Löcher ansammeln, auftretenden Spannung sinkt. Nach einer Zeit ί . ist die an der Siliziumdioxidschicht 2 auftretende elektrische Feldstärke ausreichend, um einen Durchtritt von Ladungsträgern durch die Siliziumdioxidschicht 2 zuzulassen. Im Zweig (b) ergibt die Quelle von positiven Ladungsträgern im Oberflächenbereich des Siliziumstückes 1 eine ausreichende Menge positiver Ladungsträger (Löcher) nach einer sehr kurzen Zeit ?2» m die elektrische Feldstärk.; zu erzeugen, die zur Ermöglichimg clous Durehtrltts du roh die Si Iiziumdioxidschicht 2 erforderlich ist»
ilenn eine Anzahl von verschiedenen negativen Torapan-
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riungen V„ am Torbereich 4 angelegt wird, ergibt sich ein im Diagramm nach Fig. 4a dargestellter Effekt. Für vier Spannungswerte V1, V2, V3, V4, wobei [V4] > [V3] >[V2] >[v.,] , treten zwei Gruppen von Eigenschaften auf, wovon die eine voll ausgezogene Kurven des Zweiges (a) und die andere gestrichelte Kurven des Zweiges (b) darstellt. Die Wirkung des Anstiegs der Torspannung V-, in negativer Richtung für einen bestimmten Zweig (entweder den Zweig (a) oder den Zweig (b)) ist die Verringerung der zum Speichern einer gegebenen Menge Q von positiver Ladung im Fallenbereich 2a erforderlichen Zeit L ο Die Kurven des Zweiges (a) können die Kurven des Zweiges (b) überlappen, wie es z. B. in Figo 4a gezeigt ist, doch kommt dies nur vor, wenn die Spannung im Pail der Kurve des Zweiges (a) von viel größerem negativen Wert als dem im Fall der Kurve des Zweiges (b) ist.
Die Injektionsquelle von positiven Ladungsträgern an der Oberfläche des Siliziumstückes 1, die zum Verhalten in der Form des Zweiges (b) nach Fig. 4 führt, können Quellen- und Senkenelektroden wie bei der anhand von Fig. 2 beschriebenen Anordnung (die den Quellenbereich 5 und den Senkenbereich 6 enthält) sein. Jedoch fand man bei einigen Anwendungen im Zuge der Erfindung, daß es vorteilhaft ist, keine solchen Quellen- und Senkenelektrodenbereiche vorzusehen, da es bei solchen Anwendungsfällen möglich ist, die Ladungsträger auf andere nützliche Arten zu injizieren. Ein besonderes Beispiel besteht im Bestrahlen des Siliziumstückes mit Licht oder anderer Strahlung. Dies ruft die Erzeugung von Elektronen-Lochpaaren hervor, wobei die positiven Löcher für das Verhalten entsprechend dem Zweig (b) nach Fig. 4 entstehen. Der Unterschied der Länge der Zeit T (und da-
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her deren Logarithmus), die zum Speichern einer bestimmten Menge Q positiver Ladung im Fallenbereich 2a für eine gegebene Torspannung V„ erforderlich ist, kann viel geringer (fur eine gegebene Temperatur) sein, wenn das Siliziumstück 1 bestrahlt wird, als wenn das Siliz-iumstüek 1 nicht bestrahlt wird oder nicht irgendeine andere Quelle von positiven Ladungsträgern (außer seinen eigenen Minoritäts-Ladungsträgern) enthält» Der Unterschied zwischen dem Zweig (a) und dem 3weig (b) läßt sich daher zur Erzeugung eines Licht- oder Strahlungsdetektors ausnutzen.
Wenn z. B* die Dicke der Siliziumdioxidschicht 2 20 8. und die Dicke der Siliziumnitridschicht 3 900 S beträgt, ist es bei einer am Torbereich 4 für eine Zeit von 100 Millisekunden angelegten Torspannung Vf von etwa 45 Volt möglich, eine Verschiebung der Flachbandspannung von etwa 18 Volt bei einem Weißlichtniveau von etwa 95 Lumen cm"" zu erzeugen«, Es ist unter ähnlichen Arbeitsbedingungen möglich, Verschiebungen der Flachbandspannung zwischen etwa 0 und etwa
—2 18 Volt für Weißlichtniveaus zwischen 0 und 95 Lumen cm zu erzeugen, wobei diese Verschiebungen den Niveauhöhen proportional sind. Gleichfalls ist der Unterschied zwischen dem Zweig (a) und dem Zweig (b) in Fig. 4 eine Funktion der Wellenlänge der Strahlung. Mit anderen Worten sind die Zeit ί , die man zum Speichern einer gegebenen Menge Q positiver Ladung nimmt, und die Menge Q positiver Ladung, die für eine gegebene Zeit T1 für eine gegebene Spannung 1„ und für ein gegebenes Strahlungsniveau (Intensitätsniveau) gespeichert wird, Funktionen der Wellenlänge der Strahlung. Irgendeine dieser Größen läßt sich daher verwenden, um eine Messung der Wellenlänge der Strahlung vorzunehmen, die monochromatisch sein kann. (Die Funktionen werden durch die
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spektrale Änderung der Quantenwirksamkeit des Materials des Stückes 1 bestimmt, die bekannt ist.)
Figo 5 ist ein Diagramm, zum Teil in Schaltungsform, einer Halbleiteranordnung zur Verwirklichung der Erfindung, die sich zur Erfassung von Licht verwenden läßt. Die Anordnung enthält 24 Ladungsspeicherkondensatoren, deren jeder mit der anhand von Fig. 1 beschriebenen Anordnung identisch ist, und zwar in einer Matrixanordnung von 4 Reihen und 6 Säulen« Die erste Reihe von Kondensatoren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C11, C12, C1,, C1*, C-jc und Cjg. Die zweite Reihe der Kondensatoren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C21 o.« C2^o Die dritte Kondensatorenreihe in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C,.. »o« C,go Die vierte Kondensatorenreihe in der Matrix besteht aus den
Kondensatoren C.. .«. C.r* Die erste Säule der Kondensato-
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ren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C11, C21I C^1 und C.^ Die zweite Säule der Kondensatoren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C12, C22, C,2 und C^2. Die dritte Säule der Kondensatoren in der Matrix bestellt aus den Kondensatoren C.,, C2-, C,, und C.,-. Die vierte Säule der Kondensatoren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C1^, Cgi, C,/ und C.i· Die fünfte Säule der Kondensatoren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C C25' C35 1^ C45» und die se^ste Säule der Kondensatoren in der Matrix besteht aus den Kondensatoren C.ßf C2g, C~g und C.g. Die aus den Kondensatoren C11, C21, C,.. und C^1 bestehende Säule ist mit einer gemeinsamen Torelektrode G1 verbunden» In gleicher Weise ist die aus den Kondensatoren C12' ^22' ^32 λΧΐί^ ^42 ^)eB'teliende Säule mit der gemeinsamen Torelektrode G2, die aus den Kondensatoren C-,, C«,, C,, und C^2 bestehende Säule mit einer gemeinsamen Torelektrode
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GU, die aus den Kondensatoren G-. ., Cp/> ^34. un^ ^λ α bestehende Säule mit einer gemeinsamen Torelektrode G., die aus den Kondensatoren C11-, ^p c» ^S un(^ ^4.5 ^es"tenen(ie Säule mit einer gemeinsamen Torelektrode Gr und die aus den Kondensatoren C1^, C26' Cl56 1^ ^46 besfcenende Säule mit einer gemeinsamen Torelektrode G,- verbunden* Quellenelektroden S1, S2, S, und S., die jeweils aus einer diffundierten p-Zone bestehen, sind an einem Ende der die Kondensatoren O11 bzw« Cg-, bzw ο C-,.. bzw ο C.- umfassenden Reihen enthalten«. Jeweils aus einer verschiedenen p-Zone bestehende Senkenelektroden D1, D2, D, und D, liegen an dem anderen Ende dieser Reihen vor» Die Quellenelektroden S.., S2> S~ und S, sind an einem Ende des Kondensators C11 bzw. des Kondensators Gp1 bzw. des Kondensators C-,.. bzw. des Kondensators C^1 in einer Weise vorgesehen, die der ähnlich ist, in der der Quellenbereich 5 an einem Ende der Anordnung nach IPIg0 2 enthalten ist» Ebenso sind die Senkenelektroden D1, Dg» D^ und D^ an einem Ende des Kondensators C.g bsw. des Kondensators G2^ bzw. des Kondensators C2,- bzw» des Kondensators C AC in einer ähnlichen Weise vorgesehen wie der Senkenbereich 6 an einem Ende der anhand der Fig« 2 beschriebenen Anordnung vorliegt. Die Quellenelektroden S1, S2, S-, und S, sind mit äußeren, elektrisch leitenden Anschlüssen T1 bzw. T2 bzw. T, bzw. T, verbunden, und die Senkenelektroden sind mit äußeren, elektrisch leitenden Anschlüssen Tf- bzw. Tg bzw. Trj bzw. Tq verbunden.
Figo 6 ist ein Querschnitt der anhand der Figo 5 beschriebenen Anordnung. Er geht durch die Reihe von Kondensatoren C11 „„. G16' die Quellenelektrode S^ mit ihrem Anschluß T1 und die Senkenelektrode D1 mit deren Anschluß Tr. Die Anschlüsse T1 und Tr sind Ln diesem Fall in ihrer prak-
tischen Form (im Gegensatz zu ihrer schematischen Schaltkreisform nach Fig. 5) dargestellt. Die Anschlüsse T^ und Tr sind mit den Bereichen 10 bzw. 11 der anhand der Fig. 2 beschriebenen Anordnung identisch. Auch führen die Anschlüsse T1 und Tc in der Praxis zu bekannten Aluminium- oder anderen Zuführungen, an welchen Gold- oder andere Anschlüsse in bekannter Weise angebracht sind. Bei der anhand von Fig» 5 und 6 beschriebenen Anordnung sind das Siliziumstück 1, die Siliziumdioxidschicht 2, die Siliziumnitridschicht 3, der Fallenbereich 2a und der Torbereich 4 jedes Kondensators (im Gegensatz zu den gemeingamen Torelektroden G1 .»co Gg) alle mit dem entsprechenden Siliziumstück 1 der Siliziumdioxidschicht 2, der Siliziumnitridschicht 3» dem Fallenbereich 2a und dem Torbereich 4 der anhand von Fig. 1 beschriebenen Anordnung identisch.
Fig. 7 zeigt einen weiteren Querschnitt der anhand der Fig. 5 beschriebenen Anordnung, der durch die Säule von Kondensatoren C12* C22* G*2 1^1*1 G42 ^1^ ^e gemeinsame Torelektrode G2 führt. Hierbei ist die Siliziumnitridschicht in ihren nicht die Kondensatoren C12I ^22, C^2 und C.2 bildenden Bereichen geätzt und bildet Inseln 3d, 3c, 3b und 3a innerhalb der Kondensatoren C12 bzw. C22 bzw. C,2 bzw. C.2· Die Siliziumdioxidschicht 2 ist in bekannter Weise in den keine Kondensatoren bildenden Bereichen bis zu einer Dicke von etwa 5000 S wieder aufgewachsen.
Die Zwischenverbindungen zwischen den Kondensatoren in der Reihe sind durch dünne Streifen 13» 14 und 15 aus dem leitenden Material gebildet, aus dem die Torbereiche 4 bestehen. Die gemeinsame Torelektrode G2 (die man hier im Gegensatz zum Schaltdiagramm nach Fig. 5 in ihrer konkreten
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Gestalt erkennt) ist einfach ein zu einer bekannten (nicht dargestellten) Zuleitung führender Leiter, an dem ein äußerer (nicht dargestellter) Anschluß in bekannter Weise befestigt werden kann.
Die Reihen von Kondensatoren und die Quellen- und Senkenelektroden und ihre Anschlüsse außer denen, die Figo 6 zeigt, sind jeweils in gleicher Weise wie die anhand der Fig. 6 beschriebenen aufgebaut ,> Ebenso sind die Säulen von Kondensatoren und ihre gemeinsamen Torelektroden außer denen, die Pig. 7 darstellt, entsprechend wie die anhand der Pigc 7 beschriebenen gestaltet»
Eine Einkapselung der anhand der Fig. 5, 6 und 7 beschriebenen Anordnung kann nach den bei integrierten Schaltungen üblichen Standardeinkapselungstecimiken vorgenommen werden.
Man kann Licht auf die Anordnung nach den Fig« 5, 6 und 7 von einer Lichtquelle S einstrahlen lassen. Das Licht kann den Oberflächenbereich des Siliziumstückes 1 erreichen, indem man den Torbereich 4 jedes Kondensators aus transparentem Material (wie z. B. Zinnoxid) macht. Alternativ kann, wenn das Siliziumstück 1 dünn ist, die Lichtquelle S angrenzend an die von den Kondensatoren abgewandte Oberfläche des SiliziumetückeB 1 vorgesehen werden. Wenn Licht auf die Oberfläche nahe der Isolierschicht 2 des Siliziumstückee 1 einstrahlt, ruft es die oben im Zusammenhang mit dem Zweig (b) der Fig. 4 beschriebene Wirkung, nämlich Modifizierung der Menge Q der im Fallenbereich 2a in einer gegebenen Zeit T und für eine gegebene Torspannung VG ge speicherten Ladung der erforderlichen Zeit Γ , um eine ge-
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gebene Ladungsmenge Q bei einer gegebenen Torspannung V^ zu speichern, bzw. der erforderlichen Torspannung VW zum Speichern einer gegebenen Ladungsmenge Q in einer bestimmten Zeit L hervor.
Es sei nun angenommen, daß die Menge Q einer für eine gegebene Seit ( und eine gegebene Spannung V^ gespeicherten Ladung pis Meßwert des Lichtniveaus verwendet wird und daß jeder Kondensator in der Matrix eine verschiedene gespeicherte Ladung aufweist» Diese gespeicherte Ladung kann einem von nur zwei Niveaus je nach dem Zustand entsprechen, ob Licht einstrahlt oder nicht, oder es kann auch ein Kontinum von Niveaus zwischen diesen beiden Grenzen vorliegen» Die Lichtquelle S kann z. Bo eine Szene wiedergeben, und die Kondensatoren speichern Ladungen entsprechend verschiedenen Intensitäten innerhalb der Szene« Die Menge der von jedem Kondensator gespeicherten Ladung kann folgendermaßen abgelesen werden:
Zunächst wird eine bestimmte Säule von Kondensatoren mit ihrer gemeinsamen Torelektrode, z. B. die die Kondensatoren C1C* C25' ^35''^45 1^ iilre gemeinsame Torelektrode Gr enthaltende Säule ausgewählt. Die anderen gemeinsamen Torelektroden G-, Gp, G^, G. und Gg werden alle auf einer negativen Spannung (normalerweise etwa -20 Volt) gehalten, die ausreichend ist, um die Bildung einer Inversionsschicht im Teil des Oberflächenbereichs des Siliziumstückes 1 jer des der Kondensatoren in allen anderen Reihen mit Ausnahme der ausgewählten zu erzeugen. Eine geeignete Spannung (normalerweise etwa -10 Volt) wird zwischen jeder Quellenelektrode und der zugehörigen Senkenelektrode in der gleichen Reihe angelegt, um die Bildung solcher Inversionsschichten
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zu ermöglichen. Ein Spannungsimpuls (normalerweise etwa ~2ö Volt) wird dann an die gemeinsame Torelektrode G1- angelegt u Wenn nur mit zwei Ladungsniveaus entsprechend einer oder keiner Lichteinstrahlung auf das Siliziumstück 1 gearbeitet wird, erhält man entweder Strom oder keinen Strom (oder alternativ entweder ein niedriges Snromni^eau oder ein höheres Stromniveau) an jeder Senkenelektrode. Daher liefert eine Messung des an jeder Senkenelektrode fließenden Stromes einen Meßwert der Menge der im Kondensator (in der ausgewählten Säule) in der gleichen Reihe wie die Senkenelektrode gespeicherten Ladung« Wenn es für jeden Kondensator möglich ist, eines von einer Anzahl von Ladungsniveaus aufzuweisen, kann man die Menge der in jedem Kondensator gespeicherten Ladung nach einem der beiden folgenden Verfahren ablesen bzw. erfassen* Das erste Verfahren besteht darin, eine Anzahl von Spannungen ^pulsen verschiedener Größen an die gemeinsame Torelektrode G1- der ausgewählten Säule anzulegen. Bei bestimmten der verschiedenen Spannungen in dieser Anzahl werden sich .Inversionsschichten innerhalb jedes Kondensators (im Oberflächenbereich des Siliziumstückes 1) in der ausgewählten Säule ausbilden, wodurch ein Stromfluß an der Senkenelektrode in der gleichen Reihe wie der Kondensator ermöglicht wird» Die Spannung, bei der der Strom an der Senkenelektrode zu fließen beginnt, liefert daher einen Meßwert der im Kondensator in dieser Reihe (in der ausgewählten Säule) gespeicherten Ladung., Das zweite Verfahren sieht vor, einen Spannungsimpuls an der gemeinsamen Torelektrode Gk anzulegen, dessen Größe als eine bekannte Punktion der Zeit wächst, \ienn die bia zum Beginn des Stromflusses an der zugehörigen Senkenelektrode verstrichene Zeit (du h. die Zeit zur Bildung einer Inversionsschicht innerhalb d>:u Kt,rmerisat,ors in dar gewählten
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Reihe) gemessen wird, liefert sie einen Meßwert der Menge der im Kondensator in der gleichen Reihe wie die Senkenelektrode gespeicherten Ladung.
Durch Wahl einer bestimmten Säule zu einer Zeit und Abfragen jedes Kondensators in der Säule nacheinander in der beschriebenen Weise kann man den Zustand der ganzen Matrix entweder wiederholungsweise oder in geeigneten Abstän<~ den abtasten.
Damit sich die Inversionsschichten ao ausbilden, daß sie sich zwischen benachbarten Kondensatoren in einer Reihe erstrecken, ist es erforderlich, den Abstand zwischen benachbarten Kondensatoren längs der Reihen gering zu haltenο Zum Beispiel können die Torbereiche 4 zwischen benachbarten Kondensatoren längs der Reihen Abstände von etiwa 2 Mikron aufweisen.
Alternativ kann die Verwendung von p-Silizium statt n-Silizium im Stück 1 oder einer in bekannter Weise gewachsenen Siliziumnitridschicht 3» so daß die gespeicherte Restladung im Fallenbereich 2a negativ statt positiv ist, die Bildung von Inversionsschichten leichter machen.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Verbesserung der Leichtigkeit, mit der Inversionsschichten gebildet werden können, ist die Schaffung einer "Zweischichtmetallisierung". Pig. 8 ist ein Querschnitt einer Anordnung mit Zweischichtmetallisierung. Eine weitere Schicht 16 aus Siliziumdioxid ist über dem leitenden Bereich 4 aufgewachsen. Ein weiterer Bereich 17 aus leitendem Material ist auf der Schicht 16 niedergeschlagen, so daß er über beiden benachbarten Tor-
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bereichen 4 liegt. Eine Spannung (in Abhängigkeit von der Dicke der Schicht 16, Jedoch üblicherweise zwischen etwa -15 und etwa -25 Volt.) über der (etwa · 1ö Volt betragenden) an jedem Torbereich 4 zum Hervorrufen einer Inversionsschicht darunter angelegten wird an dem Bereich 17 angelegt, und dies bewirkt, dai3 sich die Inversionsschichten unter den benachbarten Torbereichen 4 treffen* Jedes bevjachbarte Paar von Kondensatoren, die beide in derselben Hei he (in irgendeiner der Reihen in der Matrix) sind, wird in gleicher tfeise mit der Zwei sohlr-htmetal.l isierung versehene
Die anhand der Pig. 5, 6 und 7 beschriebene Anordnung muß nicht als Lichtdetektor verwendet werden. Sie kann auch als Ladungsspeicheranordnung benu+st werden, die eine Ladungsspeicherung aufgrund elektrischer E.vngange erzeugte Es sei angenommen, daß man wünscht, eine Information elektrisch in den Kondensator G,- einzuschreiben« Ein negativer Spannungsimpuls wird an die gemeinsame Torelektrode G, mit einer zur Bewirkung einer Ladungsspeicherung ausreichenden Länge und Größe angelegt. Eine Speicherung tritt auf, wenn Ladungsträger von der Quelleiielektrode S., zum Bereich des Stückes 1 unter dem Kondensator C,^ injiziert werden. Dies ist nur möglich, wenn Ladungsträger von der Quellenelektrode S.Z längs der Oberfläche des Siliziumstückes 1 injiziert werden. Ladungsträger können durch die Kondensatoren C,-, G,ρ un^ C„ injiziert werden, ohne eine Speicherung darin zu bewirken, indem Spannungen an die jeweiligen gemeinsamen Torelektroden G1, G2 und G., für eine genügend lange Zeitdauer angelegt werden, um die Ladungsträger längs des Siliziumstückes 1 zu injizieren, welche Zeitdauer jedoch nicht lange genug dafür ist, daß die Kondensatoren
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C31 ' C12 und C33 tei diesen bestimmten angelegten Torspannungen (üblicherweise etwa -20 Volt) Ladung speichern. In dieser Weise läßt sich Ladung In einem ausgewählten Kondensator in der Matrix speichern. Sie kann in der oben beschriebenen Weise abgelesen werden.
Die anhand von Fig. 5 beschriebene Anordnung muß auch nicht 24 Kondensatoren in einem 4 x 6-Muster aufweisen. Zum Beispiel könnte die Anordnung in der Praxis eine Matrix von Hunderten von Kondensatoren umfassen.
Ein alternatives Verfahren zum elektrischen Einschreiben, Ablesen und Löschen von Ladungsspeicherinformation soll nun anhand der Fig. 9 beschrieben werden, die ein Schaltkreisdiagramm einer Halbleiterladungsspeicheranordnung zeigt, Die Anordnung besteht aus einer Matrix von mit denen identischen Ladungsspeicherkondensatoren, die anhand von Fig. beschrieben wurden, und Mitteln zum elektrischen Einschreiben (d. h« Speichern oder Eingeben) von Information in die Kondensatoren und zum elektrischen Ablesen oder Löschen der gespeicherten Information.
Die Matrix von LadungsSpeicherkondensatoren besteht aus einer ersten Reihe mit einem Kondensator C1A, einem Kondensator C2A und einem Kondensator C3A, aus einer zweiten Reihe mit einem Kondensator C1B, einem Kondensator C2B und einem Kondensator C3B, aus einer dritten Reihe mit einem Kondensator C1C, einem Kondensator C2C und einem Kondensator C3C und einer vierten Reihe mit einem Kondensator C1D, einem Kondensator C2D und einem Kondensator C3D. Eine erste Säule wird durch den Kondensator C1A, den Kondensator C1B, den Kondensator C1C und den Kondensator C1D gebildet.
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Eine zweite Säule wird durch den Kondensator C2A, den Kondensator C2B, den Kondensator 020 und den Kondensator C2J3 gebildet, und eine dritte Säule wird durch den Kondensator C3A, den Kondensator G3B, den Kondensator 030 und den Kondensator C3D gebildet. Die Torelektroden der Kondensatoren CIA, 01B, 010 und C1D sind mLt einem Leiter ¥;5 verbunden. Die Torelektroden der Kondensatoren C2A, C2B, 020 und 02D sind mit einem Leiter W 4 und die Torelektroden der Kondensatoren C3A, C3B, 030 und 0.3D sind mit einem Leiter ¥5 verbunden O
Ein separater Kanal läßt sich längs eines Pfades durch jede Reihe von Kondensatoren mittels Anlegens geeigneter Spannungen an jede der Torelektroden der Kondensatoren in gleicher Weise wie nach der Beschreibung anhand der Fig, 5> 6 und 7 erzeugen* Solche Spannungen werden über die Leiter W3» W4 und ¥5 angelegt. So kann man einen Kanal CH1 längs eines Pfades durch die Reihe der Kondensatoren C1A, C2A und C3A, einen Kanal CH2 längs eines Pfades durch die Reihe der Kondensatoren C1B, C2B und C3B, einen Kanal CH3 längs eines Pfades durch die Reihe der Kondensatoren C1C, 02C und C3C und einen Kanal CH4 längs eines Pfades durch die Reihe der Kondensatoren C1D, C2D und C3D bilden.
Ein Schalter SW1 ist so angeordnet, daß er den Kanal CH1 (wenn er gebildet ist) an seinem dem Kondensator C1A nächsten Ende entweder mit einem auf negativem Potential V-p gehaltenen Leiter ¥1 oder mit einem auf Erdpotential gehaltenen Leiter ¥2 verbindet. In gleicher ¥eise sind Schalter S¥2, SW3 und S¥4 so angeordnet, daß sie die Kanäle CH2, CH3 und CH4 (wenn sie gebildet sind) an ihren den Kondensatoren C1B bzw. 01C bzw. 01D nächsten Enden entweder mit dem
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Leiter WI oder dem Leiter W2 verbinden. An den anderen Enden (den den Kondensatoren C3A bzw.. C3B bzw. C3C bzw. C3D nächsten Enden) können die Kanäle CH1, CH2, CH3 und CH4 (wenn sie gebildet sind) über Widerstände R1 bzw. R2 bzw. R3 bzw. R4 mit einem auf dem gleichen negativen Potential Vj, wie der Leiter W1 gehaltenen Leiter W6 verbunden werden. Ausgangsströme in den Kanälen CH1, CH2, CH3 und CH4 lassen sich an Ausgangsanschlüssen 0P1, OP2, 0P3 und 0P4 erfassen, die zwischen dem Kondensator CJiA und dem »Viderstand R1 bzw. dem Kondensator C3B und dem Widerstand R2 bzw. dem Kondensator C3C und dem Widerstand R3 bzw. dem Kondensator C3C und dem Widerstand R4 angeschlossen sind.
In der Praxis können die Leiter W1 , W2 jeder eine einzelne Quellenelektrode sein, die mit einem auf dem geeigneten Potential gehaltenen metallischen Leiter verbunden ist, und der Leiter W6 kann eine einzelne Senkenelektrode sein, die mit einem auf dem geeigneten Potential gehaltenen metallischen Leiter verbunden ist. Auch können die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 (die in Pig. 9 herkömmlich gezeigt sind) jeweils Transistorschalter sein, die im gleichen Halbleitermaterialstück wie die Ladungsspeicherkondensatoren integriert sein können.
Der Betrieb der anhand der Pig. 9 beschriebenen Anordnung ist folgender: Eine Information in Form gespeicherter Ladung kann in die Ladungsspeicherkondensatoren eingeschrieben und daraus abgelesen bzw. gelöscht werden. Zum Einschreibvorgang wird eine negative Spannung V™ (etwa -10 V), die ausreichend zur Erzeugung der Kanäle CH1, CH2, CH3 und CH4, jedoch nicht ausreichend zur Bewirkung einer Ladungsspeicherung in irgendeinem der Kondensatoren ist, an jeden
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der Leiter W3, W4 und V/5 aus bekannten Spannungsquellen VS3 bzw. VS4 und VS5 angelegt. Es sei angenommen, daß man wünscht, eine Information in die Kondensatoren G1A und C1C, jedoch nicht in die Kondensatoren C1B und C1C einzuschreiben« Die Schalter SW1 und SW3 werden betätigt, um die Kanäle CH1 und CH3 mit dem Leiter W2 zu verbinden, und die Schalter SW2 und SW4 werden betätigt, um die Kanäle CH2 und CH4 mit dem Leiter WI au verbinden. Ein negativer Spannungsimpuls Vo, der der Spannung V~tj überlagert ist, wird an den Leiter W^ angelegt» Der Spannungsimpuls Vg hat eine Größe (etwa 30 Volt) und Dauer (etwa 10 Mikrosekunden oder langer), die ausreichen, um eine Ladungsspeicherung in den Pallenbere.ichen der Isolierschicht jedes geeigneten Kondensators zu bewirkenο
Die Potentialdifferenz zwischen der Torelektrode und dem gemeinsamen Halbleitermaterialstück (d. h. den Kanälen CH1 und CH3) der Kondensatoren G1A und 01G ist -Vg (für die Dauer des Impulses), was ausreichend dafür ist, daß eine Ladungsspeicherung in den Kondensatoren 01A und C1C auftritt. Auch ist die Potentialdifferenz zwischen der Torelektrode und dem gemeinsamen Halbleitermaterialstück (d. h, den Kanälen CH2 und CH4) der Kondensatoren C1B und C1D -(Vg~VD). Die Spannung V^ ist typisch etwa -10 Volt. Daher ist die Spannung -(Vg-V-jO typisch etwa -20 Volt, was nicht ausreichend ist, um das Auftreten einer Ladungsspeicherung in den Kondensatoren C1B und C1D zu bewirken.
Der Einschreibvorgang wird dann in der nächsten Reihe vorgenommen. Der Leiter ¥4 wird mit einem negativen Spannungsimpuls Vg beaufschlagt, während die Leiter W3 und W5 noch auf einem Potential VCH von etwa -10 V gehalten werden.
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Die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 verbinden jeweils die geeigneten Kanäle CH1, CH2, CH3 und CH4 entweder mit dem Leiter W2 oder mit dem Leiter W1 je nachdem, ob es gewünscht ist oder nicht, in den Kondensatoren C2A bzw. C2B bzw. C2C bzw. C2D Ladung zu speichern. Der Einschreibvorgang wird dann in gleicher Weise in der nächsten Reihe vorgenommen.
Der Lesevorgang wird in jeder Reihe unter Anwendung des gleichen Verfahrene wie eines der anhand der Fig. 5 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Wenn man z. B. wünscht, die Zustände der Säule mit den Kondensatoren C2A, C2B, C2C und C2D festzustellen, wird ein Spannungsimpuls mit einer Größe VR (typisch etwa 15 oder 20 Volt für eine Dauer von etwa 10 Mikrosekunden) an den Leiter W4 angelegt, während Potentiale VCH (wieder etwa -10 Volt) an die Leiter W3 und W5 angelegt werden. Die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 werden so betätigt, daß die Kanäle CH1, CH2, CH3 und CH4 alle mit dem Leiter W2 verbunden werden.
Es sei angenommen, daß die Kondensatoren C2B und C2D Ladung speichern und die Kondensatoren C2A und C2C nicht. Der Impuls VR bewirkt den Fluß eines relativ starken Stromes an den Ausgangsanschlüssen 0P2 und OP4 und den Fluß eines relativ schwachen Stromes an den Ausgangsanschlüssen 0P1 und 0P3 in der oben anhand von Fig. 5 beschriebenen Weise.
Die Zustände der Kondensatoren in den anderen beiden Reihen werden in entsprechender Weise (jeweils eine Reihe) abgelesen.
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Der Löschvorgang wird wie folgt durchgeführt: Die Schalter SWI, SW2, SW3 und ÖW4 werden alle mit dem Leiter W2 verbunden. Ein starker positiver Spannungsimpuls mit einer Größe Vß (etwa 30 Volt oder mehr) wird an jeden der Leiter W3> W4 und W5 für etwa 10 MlkrοSekunden oder länger angelegt. Jeder Kondensator in der Matrix wird dadurch gelöscht.
Alternativ kann der [jösck'rorgang auch selektiv in einer dem Einschreibvorgang ähnlichen ./eise durchgeführt werden, wobei jedoch der negative Spannungsimpuls V„t der an jeden der Leiter W3, W4 und Wi> na.aeinander angelegt wird, durch einen positiven Spannungsimpuls mit einer GroiBe 'V-g ersetzt wird.
Die Spannungen Vqtm Vg und V-, können an jeden der Leiter W3i W4 oder W5 mittels bekannter Spannungsquellen VS3» VS4 und VS5 angelegt werden«.
Das Siliziumstück 1 kann bei eine ν alternativen Anordnung durch ein ähnliches Stück mit >-tnem Halbleitermaterial ersetzt werden, das nicht Silizium ist. Yiexin der Halbleiter elektrolumineszierend ist, kann man dad Gegenteil von Li^iit- oder Strahlungserfassung, nämlich eine Li ·<ν!;-> oder 8 trail-· lungserzeugung durchführen. Dies läßt sich durch Abänderung der anhand der Pig. 5 beachriebonon Anordnung derart erreichen, daß ein Spannungsimpuls au irgendeinen Kondensator in Isolation, d. h. unter elektrische;:' Isolierung U^: Torbereic'hs 4 jedeo Kondoti^atory von dun «tüdorän 'tcrl.Ofliehen 4 angelegt wird. Eine negative- iiponming 'km ι α diinti :m einen auugev/äh .1 ten Toj-bei-fich 4 aitgtilegi- v/Oi'i '.-I1, vj.-. viav Verarmung an Major L täfcoe U!:. t;r-< >:.e>i Lm Ob^t-riiu-hiJhbwr-eLoh üt.a
Halbleitermaterialatückes zu bewirken und eine kleine Schicht von Minoritätslöchern zu belassen. Wenn ein positiver Spannungsimpuls dann plötzlich an diesen besonderen Torbereich 4 angelegt wird, werden Elektronen zurück zum Oberflächenbereich des Halbleitermaterialstückes angezogen und rekombinieren sich mit den Minoritätslöchern unter Erzeugung einer ausgestrahlten Rekombinationsstrahlung. Die Strahlung laßt sich beobachten, indem man das Halbleitermaterialstück dünn oder indem man die Torbereiehe 4 au3 transparentem leitendem Material macht.
Wenn irgendeiner der Kondensatoren in der Matrix in seinem Fallenbereich entsprechend obiger Beschreibung Ladung speichert, dann ist die Wirkung der Ladung die Modifizierung der angelegten elektrischen Felder. Daher wird der Elektronen-Loch-Rekombinatinsvorgang modifiziert und so die· Intensität der erzeugten Strahlung geändert. Somit läßt sich ein Bild in der Form verschiedener Ladungemengen in einer Matrix von Kondensatoren speichern und optisch von Zeit zu Zeit wiedergeben (ablesen). Die Information läßt sich nach den oben beschriebenen elektrischen Verfahren ablesen und löschen.
Das Halbleitermaterial kann Galliumarsenid, das eine Strahlung von etwa 1,4 eV ausstrahlt, Galliumareenidphoephid, das eine Strahlung von etwa 1,9 eV ausstrahlt, oder Indiumgalllumphosphid oder Indiumaluminiumphosphid sein, die Licht einer Energie bis zu 2,3 eV (d. h. Licht über den sichtbaren Bereich bis zum Grünbereich) ausstrahlen. Während des negativen Spannungsimpulses müssen ausreichende Minoritätaladungeträger erzeugt werden, um die Ausstrahlung zu ermög-
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lichen. Dies läßt sich durch Verwendung eines dotierten Halbleitermaterials, um einen Durchtritt der Minoritätsladungsträger zu bewirken, oder unter der Verwendung einer Lawinenverstärkung erreicheno Ein besonderes Material mit einem brauchbar hohen Minoritätsladungsträger-Lawinenverstärkungsfaktor ist p-Galliumarsenido
Schichten aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid lassen sich auch auf anderen Materialien als Silizium nach bekannten Verfahren niederschlagen. Ladungsspeicherkondensatoren können daraus ebenso wie in der oben für die auf Silizium niedergeschlagenen Schichten beschriebenen Weise hergestellt werden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    ( 1«,^Halbleiteranordnung mit einem Stück aus Halbleitermaterial, einer elektrisch isolierenden Schicht auf einer Oberfläche des Halbleitermaterialstückes mit einem Ladungsspeicherbereich, einem ersten Bereich aus elektrisch leitendem Material auf einem Teil der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht, einem zweiten Bereich aus elektrisch leitendem Material auf einem anderen Teil der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht, wobei der erste Bereich aus elektrisch leitendem Material mit dem angrenzenden Teil der elektrisch isolierenden Schicht und dem angrenzenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes ein erstes Ladungsspeicherelement und der zweite Bereich aus elektrisch leitendem Material mit dem angrenzenden Teil der elektrisch isolierenden Schicht und dem angrenzenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes ein zweites Ladungsspeicherelement bilden, weiter mit einer Einrichtung zur Injektion von Ladungsträgern in einen ersten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes, einer Einrichtung zum Ableiten von Ladungsträgern aus einem zweiten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes und einem Strompfad vom ersten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes zum zweiten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Ladungsspeicherelement und dae zweite Ladungsspeicherelement keine Quellen- und Senkenelektrodenbereiche aufweisen, daß der erste Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes und dessen zweiter Teil des Oberflächenbereiches vom ersten und zweiten Ladungsspeicherele-
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    ment entfernt sind und daß der Strompfad so beschaffen ist, daß bei einem Strom von Ladungsträgern vom ersten zum zweiten Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes diese sowohl durch den zum ersten Ladungsspeicherelement gehörenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes als auch durch den zum zweiten Ladungsspeicherelement gehörenden Teil des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes fließen.
    2« Anordnung nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von zusätzlichen Bereichen aus elektrisch leitendem Material jeweils auf einem besonderen Teil der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht, wobei jeder der zusätzlichen Bereiche aus elektrisch leitendem Material mit dem daran angrenzenden Teil der elektrisch isolierenden Schicht und dem daran angrenzenden Teil des Halbleitermaterialstückes getrennt ein zusätzliches Ladungsspeicherelement bilde"t, mit einer Mehrzahl von zusätzlichen Einrichtungen zur Injektion von Ladungsträgern in eine erste Mehrzahl von getrennten Teilen des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes, einer Mehrzahl von zusätzlichen Einrichtungen zum Ableiten von Ladungsträgern aus einer zweiten Mehrzahl von getrennten Teile des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes und einer Mehrzahl von zusätzlichen Strompfaden jeweils von einem zur ersten Mehrzahl von Teilen des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes gehörenden Teil zu einem zur zweiten Mehrzahl von Teilen des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes gehörenden Teil, dadurch gekennzeichnet , daß die zusätzlichen Ladungsspeicherelemente keine Quellen- oder Senkenelektrodenbereiche enthalten, daß die erste
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    Mehrzahl von Teilen des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes und die zweite Mehrzahl von Teilen des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes sämtlich von den zusätzlichen Ladungsspeicherelementen entfernt sind und daß die zusätzlichen Strompfade so beschaffen sind ι daß bei einem Strom von Ladungsträgern von einem zur ersten Mehrzahl von Teilen des Oberflächenbereichs gehörenden Teil zu einem zur zweiten Mehrzahl von Teilen des Oberflächenbereichs gehörenden Teil diese durch den Oberflächenbereich des Halbleitermaterialstückes fließen, der zu einer Reihe der zusätzlichen Ladungsspeicherelemente gehört.
    3« Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen einer positiven oder negativen Spannung zwischen dem zu irgendeinem der Ladungsspeicherelemente gehörenden Bereich des elektrisch leitenden Materials und dem Halbleitermaterialstück, •die sich zum Bewirken einer Verschiebung von Ladungsträgern zwischen dem Oberflächenbereich des Halbleitermaterialstückes und dem zu diesem Speicherelement gehörenden Teil des Ladungsspeicherbereichs eignet.
    4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen dem zu irgendeinem der Ladungsspeicherelemente gehörenden Bereich des elektrisch leitenden Materials und dem Halbleitermaterialstück, die zur Bewirkung einer Verschiebung von Ladungsträgern vom Oberflächenbereich des Halbleitermaterialstückes zu dem zu diesem Ladungsspeioherbereich gehörenden Teil des Ladungsspeicherbereiohs nicht ausreicht, jedoch eine Ladungsträgerleitung länge dee Strompfades durch das Element zuläßt.
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    5. Anordnung nach Anspruch 4» weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen der Spannung das Anlegen eines Spannungsimpulses mit einer als Funktion der Zeit wachsenden Größe ermöglicht.
    6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, weiter gekennzeichnet durch eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen des Oberflächenbereiehs des Halbleitermaterial™ stückes an einem Teil in oder neben wenigstens einem der Ladungsspeicherelemente.
    7« Anordnung nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen des Oberflächenbereiehs des Halbleitermaterialstückes mit weißem Licht geeignet iste
    8. Anordnung nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterialstückes mit Licht einer bestimmten Wellenlänge geeignet ist.
    9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, weiter gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schaltern, wovon jeder getrennt mit einem der zusätzlichen Strompfade verbunden ist und es ermöglicht, diesen Strompfad elektrisch entweder mit einem Leiter auf Erdpotential oder mit einem Leiter auf einem vom Erdpotential verschiedenen Potential zu verbinden.
    10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Halbleitermaterialstückes elektrolumineszierend ist.
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