DE2220175A1 - Schaltungsanordnung zur Abfühlung und/ oder Regeneration von in Form diskreter örtlicher Ladungszustände in einem Halbleiterkörper repräsentierter Information - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin:. BU 970 019

Schaltungsanordnung zur Abfühlung und/oder Regeneration von in Form diskreter örtlicher Ladungszustände in einem Halbleiterkörper repräsentierter Information ____

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Abfühlung und/oder Regeneration von in Form diskreter örtlicher Ladungszustände in einem Halbleiterkörper repräsentierter Information, insbesondere im Zusammenhang mit sog. ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen, bei denen an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers über isoliert angebrachte Steuerelektroden örtliche Ladungsansammlungen gespeichert und transportiert werden, welche Schaltung die durch das Vorhandensein von Ladungen verursachte Kapazitätsänderung ausnutzt.

In jüngster Zeit sind Halbleiteranordnungen bekanntgewordsn, die unter weitgehender Vermeidung fester PN-tibergänge arbeiten. Es wird dabei die Eigenschaft eines einkristallinen Halbleitermaterials ausgenutzt, im Zusammenwirken mit entsprechenden Elektroden auf einer den Halbleiterkörper bedeckenden Isolierschicht Ladungen bzw. Ladungsträgeransammlungen an der Oberfläche des-Halbleiterkörpers zu transportieren. Diese weitgehend übergangs-

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losen Halbleiteranordnungen werden als ladungsgekoppelte Elemente (charge coupled devices) bezeichnet. Ihre grundsätzliche Funktionsweise besteht darin, daß durch Anlegen von z. B. drei phasenverschobenen Spannungen an die auf der Isolierschicht über dem Halbleiterkörper verlaufenden Elektroden innerhalb des Halbleiterkörpers drei verschiedene, räumlich abgegrenzte Verarmungsgebiete mit entsprechend verschiedenen Feldintensitäten erzeugt werden. In diese Verarmungsgebiete eingeführte frei bewegliche Ladungen werden unter dem Einfluß der besonderen elektrischen Feldverteilung durch den Halbleiterkörper transportiert (vgl. z.B. Electronics vom 30. März 1970, Seiten 45 und 46).

Bezüglich der Abfühlung der als diskrete örtliche Ladungszustände repräsentierten Information ist es weiterhin grundsätzlich bereits bekannt, Kapazitäts- bzw. Oberflächenspannungsänderungen aufgrund der jeweiligen Ladungsverhältnisse zu messen (Electronics vom 11. Mai 1970, 112, 117). Diese grundsätzliche Richtung der Vorgehensweise lag aufgrund des besonderen Speicher- und Transportmechanismus bei diesen Anordnungen von vornherein auf der Hand; die bisher bekanntgewordenen konkreten Lösungsvorschläge für dieses Ausleseproblem sind jedoch außerordentlich aufwendig und drohen weitgehend die Vorteile zunichte zu machen, die man sich aufgrund dieser einfach aufgebauten ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen versprochen hat.

So wird z.B. zur Feststellung der Kapazitätsänderung an den einzelnen Speicherzellen nach einem Lösungsvorschlag in relativ aufwendiger Weise ein nach dem Avalanche-Prinzip arbeitender zusätzlicher Kondensator mit eigener Treiberquelle benötigt derart, daß die von dort an die durch die Speicherstellen dargestellten Kapazitäten Defektelektronen geliefert werden und die jeweiligen Auflade- bzw. Entladespitzen in einer Kapazitätsbrücke ausgewertet werden, um daraus auf den zugeordneten Ladungszustand zu schließen (vgl. Bell System Technical Journal, April 19 70, 59 3, 595, 596). Eine weitere später vorgeschlagene Lösung dieses Problems besteht sogar in der Ausbildung eines eigens für die La-

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dungsabfühlung vorgesehenen Diffusionsgebietes (Sensing Diffusion), das in elektrischer Verbindung mit einem Regenerier-Feldeffekttransistor steht (Electronics vom 21. Juni 197.1, 50, insbesondere 55 Fig. 5). Damit wird jedoch gerade einer der Vorteile der ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen, nämlich die weitgehende Vermeidung von Diffusionsgebieten bzw. PN-übergängen, wieder aufgehoben. ■

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung sowie ihre physikalische Implementierung in integrierter Halbleitertechnik anzugeben, die eine einfache und mit gutem Wirkungsgrad arbeitende Abfühlung, Messung bzw. Regeneration der als örtliche Ladungszustände in einem Halbleiterkörper repräsentierten Information ermöglicht, ohne daß besondere technisch aufwendige Brücken- oder zusätzliche Treiberschaltungen oder mehr als unbedingt nötige Diffusionsgebiete vorgesehen werden müssen.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Abfühlung und/oder Regeneration von in Form diskreter örtlicher Ladungszustände in einem Halbleiterkörper repräsentierter Information, insbesondere im Zusammenhang mit sog. ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen, bei denen an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers über isoliert angebrachte Steuerelektroden örtliche Ladungsansammlungen gespeichert und transportiert werden, welche Schaltung die durch das Vorhandensein von Ladungen verursachte Kapazitätsänderung ausnutzt, ist die Erfindung gekennzeichnet durch ein spannungsabhängiges, steuerbares, mindestens zweier stabiler Zustände fähiges Schaltelement, dessen Steuerelektrode mit dem Verbindungspunkt mindestens zweier in Reihe geschalteter Kondensatoren gekoppelt ist, von denen ein Kondensator zumindest teilweise als MOS-Kondensator unter Einbeziehung des die abzufühlende Ladung aufnehmenden Halbleiterkörpers ausgebildet ist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das steuerbare Schaltelement durch einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor dargestellt ist, dessen Gate-Elektrode mit dem MOS-Kondensator gekoppelt ist, daß infolge des Vorhandenseins von Ladungen in

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dem mit dem MOS-Kondensator in Verbindung stehenden Verarmungsgebiet dessen anfänglicher Kapazitätswert und damit auch der zugehörige Spannungsabfall im Sinne einer Veränderung des Schaltzustands des Feldeffekttransistors beeinflußt wird, so daß die durch diesen Ladungszustand repräsentierte Information verstärkt festgestellt bzw. in regenerierter Form in einen nächsten Ladungsweg eingespeist werden kann. Es wird somit direkt das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein von Ladungen an einer Speicherstelle zur Beeinflussung des Schaltzustandes eines aktiven steuerbaren Bauelementes ausgenutzt, ohne daß es erforderlich ist, dieL Ladungsabfühlung durch einen der Feststellung dienenden Aufladevorgang sowie durch Beobachtung des sich dabei ergebenden elektrischen Verhaltens sozusagen mittelbar vorzunehmen. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Kapazitätswerte der Kondensatoren im Ausgangszustand etwa gleichgroß und vorzugsweise kleiner 1 pF zu machen.

Um die Abfühlschaltung nach einem Abfühl- bzw. Regenerationsvorgang wieder in ihren jeweiligen Anfangszustand zu versetzen, sieht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine entsprechende Rücksetzschaltung in Form einer in den die ladungsabhängige MOS-Kondensatoranordnung darstellenden Halbleiterkörperbereich hineinreichenden bzw. daran anschließenden steuerbaren Feldeffekttransistor-Struktur und einer daran angeschlossenen Spannungsquelle vor. Schließlich sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, daß in der Reihenschaltung von zwei Kondensatoren der eine einen festen Kapazitätswert aufweist, während der andere Kondensator sich aus zwei Teilkapazitäten zusammensetzt, nämlich einer festen Kapazität definiert durch die die Kondensatorelektrode von der Halbleiteroberfläche isolierende Oxydschichtdicke sowie einer ladungsabhängigen veränderbaren Kapazität zwischen der Halbleiteroberfläche unterhalb der oberen Kondensatorelektrode und der im Halbleiterkörper ausgebildeten unteren Begrenzung des zugehörigen Verarmungsgebietes, welcher Kapazitätswert sich bei einer Ladungseinströmung entsprechend vergrößert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich-

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsdarsteilung durch

eine mittels Ladungskopplung arbeitende Halbleiteranordnung unter Anwendung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung

gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 die Draufsicht auf eine in integrierter Form

unter Einsatz der Erfindung ausgebildete Halbleiteranordnung und

Fig. 4 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch

eine mittels Ladungskopplung arbeitende Halbleiteranordnung unter Anwendung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Halbleiteranordnung besteht aus einem Halbleiterkörper 10, in dem eine Reihe von Diffusionsgebieten 11-16 mit gegenüber dem Halbleiterkörper 10 entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind. Für den Halbleiterkörper 10 ist vorzugsweise N-Silicium mit einer Leitfähigkeit von 10-20 0hm • cm und für die Diffusionsgebiete 11-16 P-leitfähiges Diffusionsmaterial verwandt.

Die Diffusionsgebiete 11 und 16 wirken als Ladungsinjektoren für die allgemein mit 16 bzw. 17 bezeichneten ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen. Die Diffusionsgebiete 11 und 16 können gegebenenfalls durch Punktkontaktdioden auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 als Ladungsinjektoren ersetzt werden. Das Diffusions·

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gebiet 12 stellt die Drain-Zone der im Halbleiterkörper 10 ausgebildeten Feldeffekttransistor-Struktur 18 mit dem Diffusionsgebiet 13 als Source-Zone dar. Weiterhin ist die eine Seite des MOS-Kondensators C-I (siehe Fig. 2) durch das Diffusionsgebiet 14 · bzw. die eine Seite des zweiten MOS-Kondensators C-3 durch das Diffusionsgebiet 15 realisiert.

Im Anschluß an die Diffusion dieser P-leitenden Gebiete ist auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 eine Isolierschicht 20 aufgebracht. Diese Isolierschicht 20 kann beispielsweise in bekannter Weise aus Siliciumdioxyd mit einer Dicke von ungefähr 2000 R bestehen. In ebenfalls bekannter Weise wird diese Isolierschicht 20 durch Ätz- und Oxydaufwachsschritte in der Weise behandelt, daß eine Reihe von Vertiefungen bzw. Abstufungen 21a, 21b, 21n, 22 und 23 entstehen. Die Oxydschicht in diesen Vertiefungen sollte gegenüber der Halbleiteroberfläche eine Dicke von etwa 700 8 aufweisen. Auch das Gate-Oxyd 24 der Feldeffekttransistor-Struktur 18 wird mit einer Dicke von ungefähr 700 α ausgelegt. Anschließend wird eine Reihe von Kontaktlöchern 25 in der Isolierschicht geöffnet, um in jedem Diffusionsgebiet die Halbleiteroberfläche freizulegen.

Zum Schluß wird eine Reihe von leitfähigen Elektroden 26, 27, 28a, 28b, 28n, 29-38, 59 und 60 aufgebracht. Die Funktion jeder dieser Elektroden wird aus der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung deutlich. Als Material für diese Elektroden kann vorzugsweise Aluminium mit einer Dicke von etwa 9000 8 Verwendung finden und mittels bekannter Aufdampf- und Ätztechniken geformt werden. In dem hier beschriebenen Fall sind die ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen 16 und 17 so ausgelegt, daß der Ladungstransport durch den Halbleiterkörper 10 von links nach rechts stattfindet. In gleicher Weise ist natürlich eine umgekehrte Ladungstransportrichtung möglich.

Zum Zwecke der Beschreibung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sind die ladungsgekoppelteη Halbleiteranordnungen

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16 und 17 als mittels Zweiphasenbetrieb arbeitende Anordnungen dargestellt. Bezüglich der Herstellung und Arbeitsweise solcher im Zweiphasenbetrieb arbeitender ladungsgekoppelter Halbleiteranordnungen wird auf die an anderer Stelle bereits vorgeschlagenen Möglichkeiten verwiesen. Zur Erklärung des vorliegenden Ausführungsbeispiels soll im folgenden lediglich eine kurze Beschreibung der Arbeitsweise der ladungsgekoppelten Anordnung 16 in Fig. 1 gegeben werden. Die im Zweiphasenbetrieb betriebene ladungsgekoppelte Anordnung 16 arbeitet in der Weise, daß zu Anfang die Injektorelektrode 26 in geeigneter Weise vorgespannt wird, so daß sie in die Lage versetzt wird, Ladungsträger, in diesem Fall Löcher, aus dem P-Gebiet 11 herauszuinjizieren. Es soll davon ausgegangen werden, daß die Anwesenheit solcher Ladungen eine binäre 1 und deren Abwesenheit eine binäre O repräsentiert.

Einige Zeit nach dem Anlegen dieser Vorspannung an die Elektrode 26 wird an die Elektrode 28a ein Spannungszug in Form einer im wesentlichen negativen Rechteckspannung mit Abfallzeiten von etwa 30 ns und Anstiegszeiten von etwa 150 ns angelegt, wodurch sich in dem Halbleitergebiet unterhalb der Elektrode 28a ein abgestuftes Verarmungsgebiet 40 bildet. Dieses Verarmungsgebiet ist deshalb abgestuft, weil die Elektrode 28a sich über einer abgestuften Isolierschicht mit entsprechend unterschiedlichem Spannungs-" abfall darin erstreckt. Folglich reicht das Verarmungsgebiet 40 unterhalb der Vertiefung 21a tiefer in den Halbleiterkörper, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die unterschiedliche Abstufung des Verarmungsgebietes 40 repräsentiert unterschiedliche elektrische Feldstärken im Halbleiterkörper 10, wobei der tiefer reichende Bereich des Verarmungsgebietes der höheren Feldstärke entspricht.

Gleichzeitig mit dem Anlegen der Spannung an die Elektrode 28a wird die als Eingangssteuerelektrode dienende Elektrode 27 derart vorgespannt, daß ein Inversionsgebiet oder leitender Kanal 41 zwischen dem Diffusionsgebiet 11 und dem Verarmungsgebiet 40

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unterhalb der Elektrode 28a entsteht. Die Bildung dieses Kanals 41 erlaubt es den Ladungen, in der Nähe des Übergangs zwischen der Isolierschicht 20 und dem Halbleiterkörper 10 vom Diffusionsgebiet 11 in das Verarmungsgebiet 40 zu fließen. Die Ladungen wandern dabei in den Bereich des Verarmungsgebietes 40, der sich unterhalb der Vertiefung 21a befindet und die größere Feldstärke aufweist. Dieser Ladungsfluß dauert so lange an, wie die Steuerelektrode 27 ausreichend zur Aufrechterhaltung des Kanals 41 vorgespannt ist.

Wenn eine durch die Vorspannungszeit an der Steuerelektrode 27 und die Feldstärke im Verarmungsgebiet 40 bestimmte Ladungsmenge in das Verarmungsgebiet 40 geflossen ist, wird die Vorspannung an der Steuerelektrode 27 vermindert, der Kanal 41 und damit der LadungsfluS unterbrochen. Ein zweiter negativer Rechteckimpuls entsprechend dem an der Elektrode 28a angelegten wird nun an die Elektrode 28b angelegt, um ein weiteres zweifach abgestuftes Verarmungsgebiet 42 unterhalb der Elektrode 28b auszubilden. Dieses neuerlich erzeugte Verarmungsgebiet 42 schließt direkt an das Verarmungsgebiet 40 an und schafft somit eine insgesamt vierfach gestufte Verarmungszone. Wird nun das Verarmungsgebiet 40 in seiner Intensität durch entsprechende Verminderung der Vorspannung an der Elektrode 28a verringert, fließt die in dem Verarmungsgebiet 40 angesammelte Ladung in das Verarmungsgebiet 42. Dieser Ladungstransport ist durch die zu dieser Zeit bestehende größere Feldstärke unter der Vertiefung 21b bzw. der Elektrode 28b bedingt. Die aufeinanderfolgende Wiederholung des Anlegens und Verminderns der Elektrodenspannungen benachbarter Elektroden der ladungsgekoppelten Anordnung 16 bewirkt somit einen Ladungstransport durch den Halbleiterkörper 10, bis die Ladungen in dem Verarmungsgebiet 43 unterhalb der Elektrode 28n als der letzten Elektrode in dieser Reihe ankommen..

In Anbetracht der Tatsache, daß unerwünschte Ladungen in der ladung«» gekjppel tin Anordnung erzeugt und auf der anderen Seite curc'ü L~-;"f-£"-r?\ß;3 euer dgl- LRdusg«5D verloren werden können, ist

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die Länge der ladungsgekoppelten Anordnung 16 begrenzt. Deshalb muß nach einem bestimmten unterhalb einer bestimmten Anzahl von Elektroden durchlaufenden Weg die durch Ladungen repräsentierte Information abgefühlt bzw. gemessen und/oder regeneriert werden. Insbesondere dann, wenn diese Information in eine anschließende ladungsgekoppelte Anordnung eingespeist werden soll, muß die Information auch regeneriert werden. Eine solche Abfühlung, Messung oder Regeneration wird durch die gemäß der Erfindung im Halbleiterkörper 10 vorgesehene kapazitive Ladungsabfühlschaltung bzw. -anordnung erzielt. Diese Maßnahme läßt sich am besten im Zusammenhang mit dem elektrischen Ersatzschaltbild n®ch Fig. 2 erläutern.

Der Abfühlschaltkreis umfaßt drei MOS-Kondensatoren C-I, C-2 und C-3, eine Spannungsquelle 45, einen Widerstand 44, den als spannungsabhängigen Schalter zur Steuerung der Elektrode 37 des als Eingangselektrode der zweiten ladungsgekoppelten Anordnung 17 dienenden Feldeffekttransistor 18, eine Drain-Spannungsquelle 47 und eine Source-Spannungsquelle 61. Der Kondensator C-I besteht aus der Elektrode 34, dem Diffusionsgebiet 14, der Isolierschicht 20 zwischen dem Diffusionsgebiet 14 und der Elektrode 34 und der Elektrode 35, die in elektrischem Kontakt mit dem Diffusionsgebiet 14 und einer Spannungsquelle 45 steht. Die Elektrode 34 ist mit der Gate-Elektrode 32 des Feldeffekttransistors 18 verbunden. Dieser Feldeffekttransistor 18 besteht aus dem über die Drain-Elektrode 31 angeschlossenen Diffusionsgebiet 12, der Gate-Elektrode 32 und dem über die Source-Elektrode 33 angeschlossenen Diffusionsgebiet 13. Die Source-Elektrode 33 ist direkt mit der Spannungsquelle 61 und die Drain-Elektrode 31 ist über den Widerstand 44 mit der Source-Spannungsquelle 47 und der als eine Seite des MOS-Kondensators C-3 dienenden Elektrode 59 verbunden.

Der Kondensator C-3 besteht aus der Elektrode 59, dem Diffusionsgebiet 15, der Isolierschicht 20 zwischen dem Diffusionsgebiet und der Elektrode 59 und der in elektrischer Verbindung mit dem Diffusionsgebiet 15 stehenden Elektrode 16. Die Elektrode 60 ist

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mit der als Eingangssteuerelektrode der ladungsgekoppelten Anordnung 17 dienenden Elektrode 37 gekoppelt.

Weiterhin besteht der Kondensator C-2 aus der Elektrode 30, dem Halbleiterkörper 10 sowie der Isolierschicht 20 zwischen der Elektrode 30 und dem Halbleiterkörper 10. Diese Elektrode 30-ist verbunden mit der Gate-Elektrode 32 des Feldeffekttransistors 18; sie ist von der Elektrode 28n jedoch getrennt durch die als Ausgangssteuerelektrode der ladungsgekoppelten Anordnung 16 dienenden Elektrode 29.

Man kann sich diesen Kondensator C-2 als aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren C-2¹ und C-2" bestehend vorstellen. C-2¹ steLlt dabei die Kapazität zwischen der Elektrode 30 und dem Oxyd/Halbleiterübergang 52 dar, und C-2" ist bestimmt durch die Kapazität im Halbleiterkörper zwischen dem übergang 52 und der äußeren Begrenzungslinie des Verarmungsgebietes 53, das im Halbleiterkörper 10 infolge der Spannung an der Elektrode 30 gebildet ist. Der Kondensator C-2" stellt die aktive Abfühl-Kapazität des Schaltkreises dar und ist zur Aufnahme der von der ladungsgekoppelten Anordnung 16 herrührenden Ladungseinströmung ausgelegt.

Um die Packungsdichte, den Ladungstransportwirkungsgrad usw. zu maximalisieren, sind in den ladungsgekoppelten Anordnungen die Elektroden sehr klein ausgebildet. Berücksichtigt man die Elektroden der ladungsgekoppelten Anordnungen 16 und 17 als MOS-Kondensatoren, beträgt ihr Kapazitätswert etwa 0,3 pF. Zur Erzielung einer maximalen Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen AbfühIschaltkreises sollten die Kondensatoren C-I, C-2, C-3 sowie etwaige Streukapazitäten C-S zwischen der Gate-Elektrode 32 des Feldeffekttransistors 18 und Masse zueinander und zur Kapazität der Elektroden der ladungsgekoppelten Anordnung 16 möglichst gleich gemacht werden. Für die im Zusammenhang mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorliegenden Verhältnisse ergeben sich

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Kapazitätswerte von etwa 0,3 pF/mil (ca. 625 μ ) metallisierter

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Fläche. Wenn die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren zueinander gleich sind und eine Spannung VO von der Spannungsquelle .45 an die Elektrode 35 gelegt wird, tritt am Kondensator C-I ein Spannungsabfall V-I und am Kondensator C-2 ein Spannungsabfall V™2 auf. Wenn in diesem Anfangszustand die Schaltung nach Fig. 2 eine Spannung VO von 30 V an.der Elektrode 35 des Kondensators C-I aufweist, stellt sich der Spannungsabfall V-I über dem Kondensator C-I auf 20 V bzw. V-2 über dem Kondensator C-2 auf 10 V ein (wegen Einfluß von C-S). Das bedeutet, daß die Gate-Elektrode 32 des Feldeffekttransistors 18 gegenüber Massepotential auf 10 ¥ liegt und der Transistor 18 leitend ist. Ist ferner die von der Spannungsquelle 47 gelieferte Drain-Spannung -Vd 20 V_? die Sowre©- Spannung -Vs von der Spannungsquelle 61 etwa 7 V und der Wert des Widerstandes 44 etwa 10 KOhm, beträgt die Spannung an der Elektrode 59 des Kondensators C-3 etwa 8 V. Wird der effektive Kapa~ zitätswert der in Fig. 2 als Kondensator C-4 berücksichtigten Eingangssteuerelektrode 37 mit 0,9 pF angenommen, beträgt der Spannungsabfall über dem Kondensator C-3 etwa 6 V; dann liegt as der Elektrode 37 lediglich eine Spannung von etwa 2 V₀ Diese Spannung reicht aber nicht aus, um über den Ladungsinjektor 36 Ladungen in die zweite ladungsgekoppelte Anordnung 17 zu injizieren.

Sind dagegen in dem Verarmungsgebiet 43 Ladungen vorhanden nnä ist ferner die Ausgangssteuerelektrode 29 im Sinne der Bildung eines leitenden Kanals 54 zwischen den Verarmungsgebieten 43 und 53 vorgespannt, wird die angesammelte Ladung aus dem Verarmungsgebiet 43 in das Verarmungsgebiet 53 unterhalb der Elektrode 30 wandern. Gelangt eine solche Ladungsanhäufung in das Verarmungsgebiet 53, zieht sich dieses zusammen, so daß der dadurch repräsentierte Kondensator C-2" einen erhöhten Kapazitätswert annimmt. Die Erhöhung des Kapazitätswerts des Kondensators C-2" hat zur Folge, daß der Spannungsabfall V-2 über dem Kondensator C-2 auf etwa 8 V abnimmt. Die Verringerung des Spannungswerts von V-2 beeinflußt unmittelbar die an der Gate-Ei@ktrod@ 32 des Feldeffekttransistors 18 anliegende Spannung. Damit wird

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die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors 18 unterschritten, dieser Transistor wird ausgeschaltet und unterbricht den Stromfluß zwischen seiner Source- und Drain-Elektrode.

Durch das Ausschalten des Feldeffekttransistors 18 steigt andererseits das Potential der Elektrode 59 des Kondensators C-3 in Richtung auf die Drain-Spannung -Vd an. Für die hier angenommenen Spannungsverhältnisse steigt die Spannung an der Elektrode 59 auf 18 V und die an die Eingangssteuerelektrode 37 angelegte Spannung auf 4,5 V an, welche Spannung ausreicht, einen leitenden Kanal zwischen dem zweiten Injektor, nämlich dem Diffusionsgebiet 16, und einem Verarmungsgebiet 56 zu bilden, das gleichzeitig unterhalb der Elektrode 38 gebildet wird, wobei die Elektrode 38 die erste einer Reihe von Elektroden der zweiten ladungsgekoppelten Einrichtung 17 darstellt. Wird demnach von der Eingangssteuerelektrode 37 ein Signal erhalten, kann die Ladung vom zweiten Injektor 15 in das Verarmungsgebiet 56 fließen. Auf diese Weise bewirkt die beschriebene Schaltung, daß die durch die Ladungen im Verarmungsgebiet 43 repräsentierte Information von der ladungsgekoppelten Anordnung 16 in einwandfreier Weise auf die zweite ladungsgekoppelte Anordnung 17 übertragen wird.

Nachdem die durch Ladungen repräsentierte Information übertragen worden ist, muß die Äbfühlschaltung wieder zurückgesetzt werden. Dies wird durch die Ankopplung von Rücksetzschaltkreisen 6 3 an C-2 bzw. 64 an C-3 erreicht. In Fig. 2 sind diese Rücksetzschaltkreise 63 und 64 dargestellt als Feldeffekttransistor 65 mit der Spannungsquelle 66 bzw. als Feldeffekttransistor 67 mit einer Spannungsquelle 68. Der Rücksetzvorgang erfolgt, indem die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 65 im Sinne einer Entladung des Kondensators C-2" vorgespannt wird, so daß dieser Kondensator C-2" wieder seinen Anfangszustand vor der Aufnahme der Ladungseinströmung einnimmt. Der Feldeffekttransistor 67 dient zum Rücksetzen des Kondensators C-3 auf dessen Anfangspotential.

Dieser Rücksetzvorgang soll im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert _BU97OO19 209847/1180

werden. Dort ist das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel in Form eines bevorzugten physikalischen Schaltungsentwurfs in seiner Integration in einen Halbleiterkörper im einzelnen dargestellt. Einander entsprechende Einzelheiten sind in Fig. 3 gegenüber den Darstellung in Fig. 1 und 2 gleich bezeichnet.

In Fig. 3 ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Abfühlschaltung zwischen der letzten Elektrode 28n der ersten ladungsgekoppelten Anordnung 16 und der ersten Elektrode 38 der zweiten ladungsgekoppelten Anordnung 17 liegt. Neben der Ausgangssteuerelektrode 29 befindet sich in der Vertiefung 22 die Elektrode 30 des Kondensators C-2, die direkt in Verbindung mit der Elektrode 34 des Kondensators C-I und der Gate-Elektrode 32 des Feldeffekttransistors 18 steht. Das durch einen unterbrochenen Linienzug angedeutete Diffusionsgebiet 14 erstreckt sich unterhalb, der Elektrode 34 und ist über die Elektrode 35 kontaktiert. In gleicher Weise sind die Diffusionsgebiete 12 und 13 des Feldeffekttransistors 18 unterhalb der Elektroden 31 bzw. 33 dargestellt. Da der Widerstand 44 durch Diffusion in dem Halbleiterkörper 10 realisierbar ist, ist er ebenfalls in unterbrochenen Linien sowie in Verbindung mit der Elektrode 31 gezeigt. Der Kondensator C-3 ist dargestellt mit seiner an den Leiterzug 31 angeschlossenen Elektrode 59 und das Diffusionsgebiet 15, das über die Elektrode 60 in Verbindung mit der die Eingangssteuerelektrode der zweiten ladungsgekoppelten Anordnung 17 darstellenden Elektrode 37 in Verbindung steht. Zwischen die Gate-Elektrode 32 des Feldeffekttransistors 18 und die Eingangssteuerelektrode 37 ist das Diffusionsgebiet 16 sowie die Elektrode 36 des Injektors für die zweite ladungsgekoppelte Anordnung 17 dargestellt.

In unmittelbarer Nachbarschaft der Elektrode 30 des Kondensators C-2, jedoch durch die Elektrode 69 getrennt, befindet sich ein mit einem Leiterzug 71 verbundenes Diffusionsgebiet 70. Durch entsprechende Vorspannung der Elektrode 69 wird ein Ladungsfluß vom Bereich unterhalb der Elektrode 30 in das Diffusionsgebiet 70 bewirkt, wenn dieses Gebiet 70 über den Leiterzug 71 von der

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Spannungsquelle 66 (Fig. 2) eine Vorspannung zugeführt erhält, um den Kondensator C-2" auf seinen Anfangszustand zurückzusetzen, so daß es erneut Ladungen aufnehmen kann. Diese Elektrode 69 stellt in Verbindung mit dem Diffusionsgebiet 70 die in Fig. 2" durch den Feldeffekttransistor 65 gezeigte Rücksetzschaltung 6 3 dar.

In gleicher Weise ist benachbart zur Elektrode 59 und zum Diffusionsgebiet 15 eine Elektrode 72 sowie ein über einen Leiterzug 74 kontaktiertes Diffusionsgebiet 73 vorgesehen, das zur Rücksetzung des Kondensators C-3 dient. Dadurch wird durch entsprechende Vorspannung der Elektrode 72 bei gleichzeitiger Vorspannung des Diffusionsgebietes 73 über die Spannungsquelle 68 und den Leiterzug 74 aus dem unter der Elektrode 59 befindlichen Diffusionsgebiet 15 die jeweilige Ladungsanhäufung abgezogen, wodurch das Potential am Kondensator C-3 auf seinen Anfangszustand zurückgesetzt wird. Diese Elektrode 72 stellt zusammen mit dem Diffusionsgebiet 70 den in Fig. 2 durch den Feldeffekttransistor 67 dargestellten Rücksetzschaltkreis 64 dar.

In Fig. 4 ist ein leicht abgewandeltes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, in dem überlappende Kapazitätsstrukturen zur Erzielung einer engeren Kopplung sowie eines höheren Wirkungsgrades ausgebildet sind. In dieser Querschnittsdarstellung ist ein mit einer abgestuften Isolierschicht 81 bedeckter Halbleiterkörper 80 zu sehen. Die dort gezeigte Anordnung läßt lediglich die letzte Elektrode 82 einer ladungsgekoppelten Anordnung er kennen. Soweit diese Darstellung nicht den übrigen Teil der Anordnung zeigt, ist diese mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung identisch. An die Elektrode 82 schließt sich benachbart eine Ausgangssteuerelektrode 83 an, an die sich eine erste Kondensatorelektrode 84 mit einer dagegen isolierten und von der ersten Elektrode 84 teilweise überdeckten zweiten Kondensatorelektrode 85 anschließt. Wiederum benachbart dazu befindet sich ein Feldeffekttransistor 86, dessen Drain-Elektrode 87 über einen MOS-Kondensator C-3¹ an eine Eingangssteuerelektrode 88 einer weiteren

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ladungsgekoppelten Anordnung angeschlossen ist. Der Kondensator C-3¹ besteht aus einer mit der Drain-Elektrode 87 gekoppelten Elektrode 92 sowie einem Diffusionsgebiet 9 3, das über die Elektrode 94 mit der Eingangssteuerelektrode 88 verbunden ist.

An die Elektrode 84 ist eine Spannungsquelle 89 so angeschlossen, daß zwischen den Elektroden 84 und 85 über das dazwischen befindliche Oxyd eine Kapazität besteht. Diese Kapazität entspricht der des Kondensators C-I in Fig. 2. Durch die Kopplung der angelegten Spannung über das dazwischen befindliche Oxyd besteht eine zweite Kapazität entsprechend dem Kondensator C-2 zwischen der Elektrode 85 und dem Halbleiterkörper 80. Dadurch entsteht ein Verarmungsgebiet 90 unterhalb der Elektrode 85. Der in Fig. 4 dargestellte Abfühlschaltkreis arbeitet in genau derselben Weise wie der in Fig. 1. Wenn also Ladungen in das Verarmungsgebiet 90 gelangen, nimmt dessen Kapazitätswert zu, wodurch die an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 86 angelegte Spannung absinkt und dieser Transistor ausgeschaltet wird. Bei ausgeschaltetem Feldeffekttransistor 86 steigt die an dem MOS-Kondensator C-3¹ anliegende Spannung auf den von der daran angeschlossenen Drain-Spannungsquelle 91 bestimmten Wert. Dadurch wird die Eingangssteuerelektrode 88 der folgenden ladungsgekoppelten Anordnung soweit vorgespannt, daß -sich dort ein Ladungsfluß ausbilden kann.

Die beschriebene erfindungsgemäße kapazitive Abfühlschaltung kann im Zusammenhang mit jeder ladungsgekoppelten Anordnung eingesetzt werden. Dabei ist es unerheblich, ob im Zwei-, Drei- oder Mehrphasenbetrieb oder analog gearbeitet wird. Weiterhin können für die Isolierschichten, Elektroden usw. sämtliche in der integrierten Technik sonst verwendbare Materialien gewählt werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäß Abfühlschaltung nicht lediglich in Verbindung mit ladungsgekoppelten Anordnungen von Nutzen, sie kann in gleicher Weise zur Ladungsfeststellung in anderen Halbleiterschaltungen mit z. B. Isolierschicht-Feldeffekttransistoren vorteilhaft Anwendung finden. Bei solchen Transistoren müssen

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nicht unbedingt die Drain-Diffusionsgebiete vorhanden sein.

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Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

   {Al Schaltungsanordnung zur Abfühlung und/oder Regeneration von in Form diskreter örtlicher Ladungszustände in einem Halbleiterkörper repräsentierter Information, insbesondere im Zusammenhang mit sog. ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen, bei denen an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers über isoliert angebrachte Steuerelektroden örtliche Ladungsansammlungen gespeichert und transportiert werden, welche Schaltung die durch das Vorhandensein von Ladungen verursachte Kapazitätsänderung ausnutzt, gekennr zeichnet durch ein spannungsabhängiges steuerbares mindestens zweier stabiler Zustände fähiges Schaltelement (18), dessen Steuerelektrode (32) mit dem Verbindungspunkt mindestens zweier in Reihe geschalteter Kondensatoren (C-I, C-2) gekoppelt ist, von denen.ein Kondensator (C-2) zumindest teilweise als MOS-"Kondensator unter Einbeziehung des die abzufühlende Ladung aufnehmenden Halbleiterkörpers (10) ausgebildet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätswerte der Kondensatoren im Ausgangszustand etwa gleich groß und vorzugsweise kleiner 1 pF sind.
3. 3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Schaltelement ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor ist, dessen Gate-Elektrode mit dem MOS-Kondensator gekoppelt ist, und daß infolge des Vorhandenseins von Ladungen in dem mit dem Kondensator in Verbindung stehenden Verarmungsgebiet (53, 90) dessen anfänglicher Kapazitätswert und damit auch der zugehörige Spannungsabfall im Sinne einer Veränderung des Schaltzustandes des Feldeffekttransistors beeinflußt wird, so daß die durch diesen Ladungszustand repräsentierte Information

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   verstärkt festgestellt bzw. in regenerierter Form in einen nächsten Ladungsweg eingespeist werden kann.
4. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die ladüngsabhängige Kondensatoranordnung eine nach dem Abfühl- bzw. Regenerationsvorgang wirksam werdende Rücksetzschaltung vorgesehen ist, durch die der jeweilige Anfangszustand der ladungsabhängigen Kondensatoranordnung wieder herstellbar ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetzschaltung aus einer in den die ladungsabhängige MOS-Kondensatoranordnung darstellenden Halbleiterkörperbereich hineinreichenden bzw. daran anschließenden steuerbaren Feldeffekttransistor-Struktur und einer damit in Verbindung stehenden Spannungsquelle besteht.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reihenschaltung von zwei Kondensatoren (C-I, C-2) der eine (C-I) einen festen Kapazitätswert aufweist, während der andere Kondensator (C-2) sich aus zwei Teilkapazitäten (C-2¹, C-2") zusammensetzt, nämlich einer festen Kapazität (C-2¹) definiert durch die die Kondensatorelektrode (30) von der Halbleiteroberfläche (52) isolierende Oxydschichtdicke sowie einer ladungsabhängigen veränderbaren Kapazität (C-2") zwischen der Halbleiteroberfläche (52) unterhalb der oberen Kondensatorelektrode (30) und der im Halbleiterkörper (10) ausgebildeten unteren Begrenzung des zugehörigen Verarmungsgebietes (53), welcher Kapazitätswert sich bei einer Ladungseinströmung entsprechend vergrößert.
7. 7. Ladungsgekoppelte Halbleiteranordnung unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils letzte

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   Glied einer ersten ladungsgekoppelten Anordnung (16) mit dem jeweils ersten Glied bzw. dem Injektor der nächstfolgenden ladungsgekoppelten Anordnung (17) über eine Abftihl- und/oder Regenerierschaltung verbunden ist derart, daß über eine Ausgangssteuerelektrode (29, 83) die Zuleitung der Ladung in die ladungsabhängige Kondensatoranordnung bzw. das damit verbundene Verarmungsgebiet (53, 90) im Halbleiterkörper (10, 80) erfolgt, daß sich daran eine Feldeffekttransistor-Struktur (18, 86) anschließt, deren Schaltzustand durch die ladungsabhängige Kondensatoranordnung bestimmt ist, und daß über einen der nächsten ladungsgekoppelten Halbleiteranordnung zugeordneten Injektor sowie eine entsprechende Eingangssteuerelektrode (37, 88) die regenerierte Information in den folgenden Ladungsweg eingespeist wird.

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