DE2231616C3 - Ladungsübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsübertragungsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Es sind Halbleitervorrichtungen bekannt (niederländische Offenlegungsschrift 68 05 705), die aus einer Kette von bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, wobei die Drainelektrode jedes Tratisistors mit der Soduceelektrode des nächstfolgenden Transistors verbunden ist und zwischen der Drain- und Gateelektrode jedes Transistors ein Kondensator angeordnet ist. Die Gateelektroden jedes zweiten Transistors der Kette sind parallel geschaltet, wodurch zwei Steuereingänge der Halbleitervorrichtung gebildet werden, die über jeweils eine Taktleitung mit gegenphasigen Taktsignalen bzw. Taktspannungen beaufschlagt werden. Wird der Halbleitervorrichtung ein Eingangssignal in Form von Ladungen zugeführt, so werden diese Ladungen bei jedem Takt von Kondensator zu Kondensator weiter geschoben und dabei kurzzeitig gespeichert. Infolge dieser Funktionsweise werden die erwähnten Halbleitervorrichtungen als »Eimerkettenschaltungen« bezeichnet.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, Eimerkettenschaltungen aus diskreten Elementen aufzubauen, haben diese eine praktische Bedeutung nur in Form von integrierten Schaltkreisen erlangt. Hierzu wird in die Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine Vielzahl von Source- urd Drainzonen eindiffundiert und die dazwischenliegenden, undiffundierten C" ..'rflächenbereiche (Gäiezonen) des Substrates mit A.iscHluße'ekiroden versehen. Zur Schaffung der Kondensatoren werden die Gateelektroden zu jeweils einer diffundierten Zone hin verlängert, so daß die Überlappungskapazität zwischen jeder d^:ffundierten Zone und dem darüberliegenden Teil der betreffenden Gateelektrode den gewünschten Kondensator bildet.

Neben den Eimerkettenschaltungen gibt es integrierte Halbleitervorrichtungen (älteres Patent 21 07 022), bei denen ein Eingangssignal in Form von beweglichen Raumladungen in Potentialminima (»Potentialmulden«) des Oberflächenpotentials eines Halbleitersubstrates gespeichert und durch Verschieben der Potentialmulden längs der Substrutoberfläche übertragen wird. Zur Erzeugung der Potentialmulden ist die Substratoberfläche mit einer Isolierschicht und einer darauf befindlichen Vielzahl von hintereinanderliegenden Elektroden versehen, von denen jede dritte Elektrode parallel geschaltet ist, so daß drei verschiedene Steuereingänge der Halbleitervorrichtung gebildet werden, die über jeweils eine Taktleitung mit einer Phasenspannung einer 3phasigen Taktspannung beaufschlagt werden. Eine 3phasige Taktspannung ist erforderlich, um eine definierte Übertragungsrichtung für das Eingangssignal zu schaffen. Halbleitervorrichtungen des letztgenannten Typs werden als »ladungsgekoppelte Schaltungen« bezeichnet, die mit den Eimerkettenschaltungen unter dem Oberbegriff der »Ladungsübertragungsvorrichtungen« zusammengefaßt werden.

Im Vergleich mit den Eimerkettenschaltungen besitzt die ladungsgekoppelte Schaltung des vorstehend erläuterten Typs zwar den Vorteil einer einfacheren Herstellung, da eine Diffusion von Drain- und Sourcezonen entfällt, doch sind an Stelle von zwei Taktleitungen drei verschiedene Taktleitjngen erforderlich, was wiederum einen erhöhten Herstellungsaufwand erforderlirh macht und in vielen Anwendungsfällen unerwünscht ist.

Zur Schaffung <;iner ladungsgekoppelten Schaltung, welche nur zwei verschiedene Taktleitungen benötigt, ist in dem älteren Patent 21 07 087 bereits vorgeschlagen worden, durch eine geeignete Aliordnung der Elektroden und der Isolierschicht asymmetrische Potentialmulden auszubilden. Infolge der durch die Asymmetrie bestimmten Übertragungsrichtung können in gleicher Weise wie bei den Eimerkettenschaltungen gegenphasige Taktspannungen an Stelle von 3phasigen

Taktspannungen verwendet werden. Gegenüber den Eimerkettenschaltungen zeichnet sich die ältere Ladungsübertragungsvorrichlung durch geringere Übertragungsverluste und höhere Betriebsfrequenzen aus.

Die Aufgabe besteht darin, bei einer Ladungsübcrtragungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art die Verringerung der Anzahl von Taktspannungsphasen und damit der für jeden Übertragungskanal erforderlichen Taktleitungen auf andere Weise als durch bauliche Maßnahmen bei den Elektroden zu erzielen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch I. die u.a. einen wesentlich kompakteren Aufbau der Ladungsübertragungsvorrichtung bei vorgegebenen Herstellungstoleranzen ermöglichen, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindiingsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung erfolgt die Ausbildung von asymmetrischen Potentialmulden durch eine ungleichförmige Verteilung einer ausreichenden Menge an unbeweglichen Ladungsträgern unterhalb der Elektroden längs des Übertragungskanals. Diese ungleichförmige Verteilung unbeweglicher Ladung kann in Form ionisierter Ladung innerhalb der Isolierschicht oder durch eine geeignet abgestufte Dotierstoffdichte in einem Halbleitersubstrat erfolgen. Infolge dieser örtlich ungleichförmigen und vorzugsweise abgestuften Verteilung einer ausreichenden Menge unbeweglicher Ladungsträger entweder in der Isolierschicht oder in dem als Speichermedium wirkenden Halbleitersubstrat läßt sich erreichen, daß das Oberflächenpotential des Halbleitersubstrates im Bereich zwischen den benachbarten Elektroden den gleichen oder ähnlichen asymmetrischen Verlauf annimmt wie dies für das Oberflächenpotential unterhalb der Elektroden der Fall ist. Es handelt sich hierbei um einen Zustand, welcher nachfolgend als »wechselweise Asymmetrie« bezeichnet werden soll. Sobald der genannte Zustand vorliegt, kann der Betrag des Oberflächenpotentials unter den Elektroden größer oder kleiner als der Betrag des Oberflächenpotentials des haibieitersubsirais im Bereich zwischen benachbarten Elektroden gewählt werden, so daß Ladungsträger in die Potentialmulden unter dem Zwischenelektrodenbereich und anschließend aus diesen Potentialmulden in jeweils eine tiefere Potentialmulde unterhalb der aufeinanderfolgenden Elektroden gezogen werden können. Damit lassen sich aufgrund der Ausnutzung der Substratbereiche sowohl unterhalb der F.lektroden als auch zwischen den Elektroden kompaktere Bauelemente herstellen, wobei auch die mit der Bildung sehr eng beabstandeter Elektroden verbundenen Herstellungsprobleme vermieden werden. Des weiteren bewirkt die seitlich ungleichförmige, z. B. abgestufte Verteilung unbeweglicher Ladungsträger unterhalb der Elektroden ein elektrisches Feld in der gewünschten Richtung der Ladungsübertragung, so daß eine auf Ladungsträgeranreicherung beruhende Ladungsübertragung und damit eine erhöhte Übertragungsgeschwindigkeit erzielt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. I einen Längsschnitt durch einen Übertragungskanal eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäSen Iadungsgekopnehen Schaltung,

F i g. 2 eine schematisierte Darstellung des Oberflächenpotentialverlaufs bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch einen Übertragungskanal eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung, wobei schematisch die verschiedenen Öbcrflächcnpotentialverläufe veranschaulicht sind,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen Übertragungskanal eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung,
ίο Fig.5 eine schematische Darstellung des Oberflächenpotentialveflaufs bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4,

F i g. 6 einen Längsschnitt durch ein der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. 3 ähnliches, jedoch in bestimmter Weise abgewandeltes Ausführungsbeispiel, Fig. 7 bis 13 Längsschnitte durch einen Übertragungskanal weiterer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung,

Fig. 14 ein Diagramm für den Verlauf des Oberflächenpotentials in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei einer ladungsgekoppelten Schaltung.

Fig. 15 ein Diagramm ähnlich wie nach Fig. 14 für die ladungsgekoppelte Schaltung gemäß Fig. 13,

Fig. 16 einen Längsschnitt durch den Übertragungskanal einer zweiphasig gesteuerten ladungsgekoppelten Schaltung mit schematisch angedeutetem Oberflächenpolentiülverlauf.

Fig. 17 einen Längsschnitt durch den Übertragungskanal eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung.

Fig. 18 eine schematische Darstellung des Oberflächenpotentialverlaufs bei der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. 17.

Fig. 19 ein Diagramm für den Verlauf des Oberflächenpotentials in Abhängigkeit von der angelegten Spannung für zwei verschiedene Parameter der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. 17.

F i g. 20 einen Längsschnitt durch den Übertragungskanal eines weiteren ^usführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung.

Fig.21 eine schematische Darstellung des Oberflächenpotentialverlaufs bei der ladungsgekoppelten Schaltung nach F i g. 2G,

F i g. 22 ein Diagramm für den Verlauf des Oberflächenpotentials in Abhängigkeit von der angelegten Spannung für zwei verschiedene Parameter der ladungsgekoppelten Schaltung gemäß F i g. 20.

Die in F i g. I dargestellte zweiphasige ladungsgekoppelte Schaltung 20 umfaßt ein p-leitendes Halbleiter-Speichermedium 21. über welchem eine Isolierschicht 22 von im wesentlichen gleichförmiger Qualität und P^;cke angeordnet ist. Die Angabe von p-Ieitendem Halbleitermaterial für das Speichermedium 21 dient lediglich zur besseren Veranschaulichung; allerdings erscheinen bei den meisten für die Zwecke der Erfindung in Betracht kommenden Halbleiterwerkstoffen die ladungsgekoppelten Schaltungen mit N-Kanaf den ladungsgekoppelten Schaltungen mit P-Kanal aufgrund der höheren Übertragungsgeschwindigkeit überlegen, wie nachfolgend noch näher erläutert werden solL

Auf der Isolierschicht 22 befinden sich eine Vielzahl von in Übertragungsrichtung hintereinander angeordneten Elektroden 23a. 24a. 236.... 24/7, die einen Übertragungs- oder Informationskanal begrenzen, längs dessen bewegliche. Informationen darstellende Ladungsträger zeitweilig gespeichert und durch Anlegen geeigneter Takt- oder Treiberspannungen an die Elektroden 23 und 24 übertragen werden können.

Wie sich ferner aus Fig. I ergibt, sind sämtliche Elektroden 23 mit einer gemeinsamen Taktspannungsleitung 25 und sämtliche Elektroden 24 mit einer gemeinsamen Taktspannungsleitung 26 verbunden. An die Leitungen 26,27 werden mit Hilfe eines Taktgebers 27 geeignete Taktspannungen angelegt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten ladungsgekoppelten Schaltung 20 ist in dem Speichermedium 21 an dessen Oberfläene eine η-leitende Zone 28 mit ungleichförmiger Dotierstoffkonzentration angebracht. Die seitliche und vertikale Erstreckung der Zone 28 ist durch die ausgezogene Linie definiert, welche mit 28a bezeichnet ist. Ferner ist das Dotierungsprofil der Zone 28 durch eine gestrichelte Linie 29 veranschaulicht, wobei die Dotierstoffkonzentralion in Abwärlsrichtung der Linie 29 ansteigt, wie dies durch den gestrichelten Pfeil 30 links außen veranschaulicht ist.

Die zu übertragenden Informationen werden bei der Schaltung 20 gemäß Fig. 1 in den fnformationskanal mitteis einer Eingangsstufe eingekoppeii. weiche einen verhältnismäßig stark dotierten, außen links eingezeichneten Teil der Zone 28 mit der Bezeichnung N⁺ sowie eine Elektrode 31 umfaßt, die einen elektrischen Kontakt mit der Zone 28 bildet und auf konstantes Potential, üblicherweise Masse, gelegt ist. Das gleiche trifft auch auf den Grundkörper des Speichermediums 21 zu. Die Eingangsstufe umfaßt ferner eine Steuerelektrode 32. welche mit einer pulsgetasteten Potentialquelle Voate verbunden ist, um die Übertragung von Informationen in Form von Ladungspaketen von der Eingangsstufe zu der Potentialmulde unter der Elektrode 23a ireizugeben oder zu sperren.

Die Schaltung 20 gemäß F i g. 1 umfaßt ferner eine Ausgangsstufe, die einen verhältnismäßig stark dotierten, außen rechts eingezeichneten Teil der Zone 28 mit der Bezeichnung N* in unmittelbarer Nähe der letzten Elektrode 24n sowie eine Elektrode 33 aufweist. Die Elektrode 33 bildet einen elektrischen Kontakt mit der Zone 28 und ist mit einer Bezugsspannung Vj?2 solcher Polung und Größe verbunden ist, daÖ die Ausgangsstufe sowie das dieser zugeordnete Oberflächenpotential als Kollektor für bewegliche Ladungsträger wirkt, welche letztlich in die Potentialmulde unterhalb der Elektrode 24/j übertragen werden.

Die Funktionsweise der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. 1 soll anhand von Fig. 2 erläutert werden, weiche den Oberflächen-Potentialverlauf des Speichermediums 21 bei ganz bestimmten Takt- und Bezugsspannungen zeigt. In F i g. 2 ist ferner in gleicher Weise wie in F i g. 1 durch die gestrichelte Linie 29 das Dotierungsprofil längs der seitlichen Erstreckung der N-Ieitenden Zone 28 veranschaulicht, die innerhalb der durchgezogenen Linie 28a liegt Wie man erkennt besitzt das Dotierungsprofil der Zone 28 einen sägezahnförmigcrt Verlauf, wobei die mit 32a. 23aa, 24aa.2366.... 24nn bezeichneten Zahndachbereiche des Dotierungsprofils unterhalb der Elektroden 32,23a, 24a. 236... angeordnet sind und in jedem dieser Zahndachbereiche die Dotierstoffkonzentration linear von links nach rechts zunimmt.

Wie sich durch Versuche zeigen läßt, wird das Oberflächenpotential des Speichermediums 21 durch unbewegliche Ladungsträger beeinflußt, die unterhalb der Elektroden 23, 24 in einer Menge angeordnet sind, die nahezu linear proportional zu der Ladungsmenge an irgendeinem gegebenen Punkt ist- Durch das Anlegen einer positiven Spannung an irgendeine der Elektroden 32, 23a. 24a... 24n wird unterhalb dieser Elektrode ein Oberflächenpotential erzeugt, welches in der Darstel· lung gemäß F i g. 2 linear nach rechts ansteigt, sofern die angelegte positive Spannung ausreicht, um in bezug auf die Dotierstoffkonzentration in der Zone 28 eine Verarmung freier Ladungsträger hervorzurufen. Wenn dies nicht der Fall ist, hat die wirksame Ladung der ionisierten Dotierstoffe keinen Einfluß auf das OberflächenpolentiaK da dann eine Rekombination mit freien Elektronen erfolgt.

ίο Zum Betrieb der ladungsgekoppelten Schaltung 20 gemäß Fig. 1 und 2 werden die Steuerleitungen 25, 26 abwechselnd mit einer Phase Vc bzw. Vc' einer zweiphasigen positiven Taktspannung beaufschlagt. Solange keine Taktspannung angelegt ist, besitzt das

lä Dotierungsprofil der Zone 28 keine Einwirkung auf das Oberflächenpotential, da dann, wie schon erwähnt, eine Rekombination aufgrund des thermischen Gleichgewichts vorliegt, wobei in diesem Fall die positiven Ladungen jedes Donatoratoms mit einem thermisch freigesetzten freien Eiektron rekombinieren. Beim Anlegen ausreichend hoher Taktspannungen Vc und Vc' (wobei willkürlich Vr'größerals Vcangenommen wird) an die Steuerleitungen 25 und 26 zu Beginn des Übertragungsbetriebs werden die freien Elektronen in der Zone 28 rasch in denjenigen Potentialmulden festgelegt, welche unterhalb der Elektroden 23,24 durch die Taktspannungen Vc. Vc' erzeugt werden. Da voraussetzungsgemäß die Taktspannung Vc' positiver als die Taktspannung Vc ist, werden die freien

jo Elektronen unterhalb jeder Elektrode 23 in die tiefere, d. h. positivere Potentialmulde unterhalb der unmittelbar rechts benachbarten Elektrode 24 hineingezogen. Im einzelnen bedeutet dies, daß die freien Elektronen unterhalb der Elektrode 23a in die Potentialmulde unterhalb der Elektrode 24a. die freien Elektronen unterhalb der Elektrode 236 in die Potentialmulde unterhalb der Elektrode 246usw. gezogen werden.

Nach Festlegung der freien Elektronen werden die Donatoren in den Oberflächenbereichen unterhalb der Elektroden 23 an freien Elektronen verarmt. Infolge der Wirkung der Donatoren in den Bereichen 23aa. 2366.... 23nn steigen die darunter befindlichen Oberflächenpotentiale an. wie dies durch die strichDunktierten Linien 33a. 336.... 33/? dargestellt ist Werden nunmehr die Taktspannungen so umgekehrt, daß Vc an der Steuerleitung 26 und Vc' an der Steuerleitung 25 liegt, bleibt der Verlauf der Oberflächenpotentiale unterhalb der Elektroden 23 im wesentlichen der gleiche und wird nur hinsichtlich des Betrags vergrößert, wie durch die gestrichelten Linien 33a'. 336'....33n'angedeutet ist. Die zuvor unter den Elektroden 24 örtlich festgelegten Elektronen werden um einen Schritt nach rechts zu den positiveren Oberflächenpotentialen unterhalb der Elektroden 23 gezogen. Im einzelnen bedeutet dies, daß die

55- Elektronen unterhalb der Elektrode 24a zu einer Stelle unterhalb der Elektrode 236 übertragen werden, während die Elektronen unterhalb der Elektrode 246 zu einer Stelle unterhalb der Elektrode 23c übertragen werden, usw. Diese bevorzugte Übertragung nach rechts wird durch die angegebene Asymmetrie der Potentialmulden bzw. des Oberflächenpotentialverlaufes hervorgerufen, weiche wiederum durch die aufeinanderfolgende Verarmung der Donatorenbereiche in der Zone28entsteht-

Bei jedem aufeinanderfolgenden Taktwechsel der Taktspannungen werden die örtlich festgelegten Pakete an freien Elektronen um einen Schritt bzw. um eine Elektrode nach rechts verschoben, so Ianee. bis nach η

Taktperioden alle freien Elektronen in die Potefiiialffiul· de unterhalb der Elektrode 24« übertragen worden sind und aus dem Informationskanal mittels der an Vr 2 liegenden Ausgangsstufe herausgeschoben werden.

Nach erfolgtem Ausschieben aller freien Elektronen , aus den Donalnrenbereichen und bevor irgendwelche, eine Information darstellende beweglichen Elektronen über die Euißangsstufe in den Informationskanal eingeführt wurden, führt jeder aufeinanderfolgende Taktsvechsel der Taktspannungen zu einem Öberflä- to chenpotentialverlauf unterhalb der Elektroden 23, 24, Wie er für die kleinere Taktspannting durch strichpunktierte Linien 33a. 34a. 33Z>. 34b.... 34n und für die größere Taktspannung durch die gestrichelten Linien 13a'. 34a'. 330'. 34b'.... 34/;' angedeutet ist. Der Jtrichpunktierte Pfeil 35 sowie der gestrichelte Pfeil 36 •n der linken Seite von F i g. 2 geben die Richtung an, in welcher das betreffende Oberflächenpotential ansteigt.

Rei Anlegen der nhen beschriebenen .Snnnnungen steigt das Oberflächenpotential unterhalb jeder Elektrode im wesentlichen linear von links nach rechts an. Ferner sind die mit gestrichelten Linien 34a'. 34b'. ...34η' angedeuteten Oberflächenpoteniiale unterhalb der Elektroden 24 in allen Punkten positiver als die mit strichpunktierten Linien 33a. 336,... 33n angedeuteten Oberflächenpotentiale unterhalb der Elektroden 23. wenn Vc'an die Steuerleitung 26 und Vc •n die Steuerleitung 25 gelegt werden. Daher werden bewegliche Elektronen unterhalb der Elektroden 23 in die Potentialmulde unterhalb der Elektroden 24 nach rechts geschoben.

Bei dem Taktwechsel der Taktspannungen befinden »ich die tieferen Potentialmulden unterhalb der Elektroden 23. wie dies durch die gestrichelten Linien 33a", 336'....33n'in Fig.2 dargestellt ist; die flacheren Potentialmulden treten unterhalb der Elektroden 24 auf. wie dies durch die strichpunktierten Linien 34a. 3Ab....34/7 dargestellt ist. In diesem Zustand werden bewegliche Elektronen unterhalb der Elektroden 24 in die nunmehr tiefere Potentialmulde unterhalb der Elektrode 23 nach rechts übertragen. Bei jedem folgenden Taktwechsel der Taktspannung werden bewegliche Ladungsträger entsprechend um eine Elektrode nach rechts geschoben.

Im weiteren Betriebsverlauf der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. I und 2 werden durch Anlegen eines geeigneten positiven Impulses aus der Potentialquelle Vcate an die Steuerelektrode 32 bewegliche Ladungsträger (Elektronen) in den Informationskanal eingeführt, wodurch das Oberflächenpotential unterhalb der Steuerelektrode 32 den durch die gestrichelte Linie 32" dargestellten Wert erreicht In diesem Zustand werden Elektronen von der Eingangsstufe in den Bereich positiveren Oberflächenpotentials gezogen, welches durch die gestrichelte Linie 32" dargestellt ist. Der positive Impuls aus der Potentialquelle Fctrewird an die Elektrode 32 während desjenigen Abschnitts der Taktperiode gelegt, in welcher die kleinere der beiden Taktspannungen an der Elektrode 23a liegt, um eine Überflutung des Informationskanals mit Elektronen zu verhindern. Vor oder bei dem Taktwechsel der Taktspannungen wird der aus der Potentialquelle Vgate kommende Impuls in einem ausreichenden Maße reduziert, um unterhalb der Elektrode 32 lediglich ein so großes Oberflächenpotential zu erzeugen, wie durch die gestrichelten Linien 32' angegeben ist. Wenn auf diese Weise die größere der beiden Taktspannungsn an der Elektrode 23a liegt, werden die zuvor von der Eifigangsstufe in die Potentialmulde unterhalb der Elektrode 32 gezogenen beweglichen Ladungsträger in die nunmehr positivere Potentialmulde 33a' unterhalb der Elektrode 23a gezogen. Auf diese Weise wird ein in den Informationskanal eingeführtes Ladiingspaket zu einer Polentialmuldß unterhalb der letzten Elektrode 24/j übertragen und anschließend in die positivere Potentialmulde 28' unterhalb der Ausgangsstufe gezogen. Die Ausgangsstufe wirkt somit ähnlich wie der Kollektor eines Transistors, wobei sich jede darin eingeflossene Ladung als Strom manifestiert, der durch die an der Elektrode 33 angeschlossene Schaltung fließt und mit Hilfe bekannter Einrichtungen angezeigt werden kann.

Bei allen vorstehenden und nachfolgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, daß wie bei jeder Ladungsübertragungsvorrichtung die Taktfrequenz ausreichend groß ist, damit die beschriebenen Effekte nicht durch Rekombination in dem halbleitenden Speichermedium 21 aufgehoben werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist in der Isolierschicht eine abgestufte Verteilung an unbeweglichen Ladungen angebracht, so daß die Bereiche unterhalb der Elektrodenspalte als aktive Glieder bei dem Ladungsübertragungsvorgang verwendet werden können.

Die in F i g. 3 mit 40 bezeichnete, einphasige ladungsgekoppelte Schaltung besitzt ein P--Ieitendes Halbleiter-Speichermedium 41, in welchem eine übliche N ⁺-Eingangsstufe 44 zum Einführen beweglicher Ladungsträger angebracht ist.

Ferner ist eine N + -Ausgangsstufe 44' vorgesehen, um die beweglichen Ladungsträger am Ausgang des Informationskanals zu sammeln. Die Eingangsstufe 44 besitzt eine Elektrode 31. die auf Massepotential gelegt ist Die Ausgangsstufe 44' besitzt eine Elektrode 33, die mit einer positiven Potentialquelle Vr verbunden ist. Das Potential der Quelle Vr ist ausreichend groß gewählt, damit die Ausgangsstufe 44' jederzeit ein positiveres Potential als das am Ausgang des Informationskanals auftretende Potential besitzt

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. J besitzt die isolierschicht zwei unterschiedliche Bereiche 42,45. Der Bereich 42 liegt außerhalb des Informationskanals und stellt einen im wesentlichen gleichförmigen undotierten Isolator dar. Der Bereich 43 ist dagegen über dem informationskanal angeordnet und umfaßt mehrere Abschnitte mit eingebauten unbeweglichen ionisierten Ladungsträgern gemäß einem sägezahnförmigen Dotierungsprofil, wobei die Dotierstoffkonzentration in Richtung des gestrichelten Pfeils 51 ansteigt Auf dem Isolierschichtbereich 43 befinden sich eine Vielzahl von Ladungskopplungselektroden 45a, 45b,...45n, die mit einer einzigen, an einem einphasigen Taktgeber 50 liegenden Steuerleitung 46 verbunden sind. Ferner ist über dem Isolierschichtbereich 43 eine Steuerelektrode 48 angebracht um eine selektive Steuerung der eine Information darstellenden, von der Eingangsstufe in den Informationskanal eingebrachten beweglichen Ladungsträger zu ermöglichen. Die Steuerelektrode 48 und der darunter befindliche Teil der Schaltung werden bei den nachfolgenden Erläuterungen als Teil des Informationskanals betrachtet

In dem Isolierschichtbereich 43 steigt die Konzentration der unbeweglichen, positiv ionisierten Ladungsträger von !inks nach rechts an. Von den sägezahnfcnnigen Dotierungsabschnitten 47a, 47£>,...47n befindet sich jeweils ein Abschnitt unterhalb jeder Elektrode 45a,

45b,...45η. Ferner befinden sich unter den Spalten zwischen den Elektroden 45a bis 45/? weitere sägezahnförmige Abschnitte 47aa, 47bb,... 47nn, die vorzugsweise mit den Abschnitten 47a, 47b....47η identisch sind. Schließlich befindet sich unter der Steuerelektrode 48 ein anderer Abschnitt 49.

Die sägezahnförmigen Abschnitte 47, 49 erzeugen in dem Speichermedium 41 ein Ruhe-Oberflächenpotential, dessen Verlauf durch die gestrichelten Linien 47a', 47aa', 47b', 47bb',... 48m;' 49' angedeutet ist. Wie durch den gestrichelten Pfeil 52 auf der linken Seite von F i g. 3 -. angegeben ist. steigt das Oberflächenpotential nach unten hin an. Unter den Elektroden 45a. 456....45n wird durch Anlegung eines festen positiven Potentials an die Steuerleitung 46 ein durch strichpunktierte Linien angedeuteter Oberflächenpotentialverlauf 45a 1, 45b 1....45/J 1 erzeugt. Unterhalb der Elektrode 45a sowie unterhalb des rechts davon benachbarten Elektrodenspalts tritt daher eine linear abgestufte Potentialmuld': auf, welche durch die strichpunktierten Linien 45a i. ¹Klaa' dargestellt wird. In diese Potentialmulde wird infolge des nach rechts ansteigenden Potentials jedes links davor befindliche Elektron gezogen. Ähnliche Potentialmulden treten unterhalb jeder anderen Elektrode 45 sowie unterhalb der an diese Elektroden angrenzenden Elektrodenspaite auf. wie beispielsweise mit der strichpunktierten Linie 45b 1 und der gestrichelten Linie 4766'angedeutet ist.

Das Anlegen einer größeren Taktspannung an die Elektroden 45 über die Steuerleitung 46 bewirkt — bildlich gesprochen — eine vertikale Auslenkung des Oberflächenpotentialverlaufs unterhalb der Elektroden 45 nach unten bis zu den durch gestrichelte Linien 45a 2, 4562,...45n2 angegebenen Stellen. In diesem letzterwähnten Zustand ist das rechts von jedem einzelnen Elektrodenspalt befindliche Oberflächenpotential stets größer als das Oberflächenpotential unterhalb des jeweiligen Elektrodenspalts. Demgemäß werden in den Potentialmulden unterhalb der Elektrodenspalte befindliche Elektronen in die positiveren Oberflächenpotentiale unterhalb der Elektroden 45 gezogen. In gleicher Weise werden bei jedem Wechsel der Taktspannung von einem größeren zu einem kleineren Wen und umgekehrt bewegliche Ladungsträger um einen Schritt nach rechts bewegt und schließlich unterhalb der Ausgangsstufe 44' gesammelt

Bewegliche, Informationen darstellende Ladungsträger werden durch Anlegung einer ausreichend positiven Spannung an die Steuerelektrode 48 eingeführt, wodurch ein verhältnismäßig großes, durch die gestrichelte Linie 49" dargestelltes Oberflächenpotential erzeugt wird. Dieses Oberflächenpotential kann etwa die gleiche Größe wie das größere Oberflächenpotential 45a 2 unterhalb der Elektrode 45a besitzen. Das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrode 48 nimmt dabei den durch die gestrichelte Linie 49" angegebenen Wert an, wobei während der Beaufschlagung der Steuerelektrode 48 an die Elektroden 45 die kleinere Taktspannung gelegt wird, um eine Überflutung des Informationskanals zu vermeiden. Anschließend wird die von der Potentialquelle Vgatekommende Spannung von der Steuerelektrode 48 abgeschaltet, und zwar vor oder gleichzeitig mit dem nächstfolgenden Taktwechsel der Taktspannung.

Ein wichtiges Merkmal des Ausführungsbeispiels

rioAli Ui η "3 V*o.r+o.\-t* /iorin riiytX Krt 1ij-«Ii ι ιΐ-ίπΙ.ηΐ.ι-ι.ΓιΓ.~ -■. llI. -il civ-Ii χ ι g» *j uvoi^iit viuxiii) uuw \j\ vnv>ii uiigivtutuvt xittg und vorzugsweise abgestuft verteilte unbewegliche Ladungsträger sowohl unterhalb der Elektroden als auch unterhalb der E!e><trodenspalte in ausreichender Menge und Polung angeordnet sind, so daß bei Fehlen einer Taktspannung an den Elektroden 45 das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrodenspalte angenähert den gleichen Verlauf und die gleichen Werte besitzt wie das Oberflächenpotential unterhalb der Efektroden 45. Sobald diese sogenannte »gegenseitige Asymmetrie« vorliegt, braucht lediglich das Oberflächenpotential unterhalb der Elektroden abwechselnd größer und kleiner als das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrodenspalte gewählt zu werden, um abwechselnd Ladungsträger in die Potentialmulden unterhalb der Elektrodenspalte zu übertragen bzw. hiervon abzuziehen. Dieses Grundprinzip kann auf verschiedene Weise realisiert werden, wie aus einigen der nachfolgenden Figuren hervorgeht.

Fig.4 zeigt einen Schnitt durch eine ladungsgekoppelte Schaltung 60, die im wesentlichen der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. 1 und 2 entspricht.

jedoch mit der Ausnahme, daß alle zweiten Elektroden 24 und die zugehörige Steuerleitung 26 entfernt wurden. Die Schaltung 6G gemäß F i g. 4 umfaßt ein Speichermedium 21, welches identisch bezüglich des Speichermediums 21 gemäß Fig. 1 und 2 ausgebildet sein kann.

Ferner weist die Schaltung 60 eine N-leitende Zone 28 auf, welche längs der gesamten Länge des Infcrmationskanals verläuft und ein sägezahnförmiges Dotierungsprofil aufweist, das durch die gestrichelte Linie 29 angedeutet ist. Auf dem Speichermedium 21 ist eine Isolierschicht 22 angeordnet, über welcher sich eine Vielzahl von Ladungskopplungselektroden 23a, 23b.... 23n befindet, von denen jede mit einer gemeinsamen, an einen einphasigen Taktgeber 50 angeschlossenen Steuerleitung 25 verbunden ist. Zum selektiven Einführen von eine Information darstellenden beweglichen Ladungsträgern in den Informationskanal wird an eine Steuerelektrode 32 eine von der Potentialquelle Vgate stammende Impulsspannung angelegt. In gleicher Weise wie bei der Schaltung gemäß

AO Fig. 1 und 2 werden bei fehlen einer Taktspannung keinerlei Ruhe-Oberflächenpotentiale durch den sägezahnförmigen Dotierstoffverlauf hervorgerufen, da sich dann die Schaltung im thciiiiischcii Giciv.ngcwn.iii befindet, in welchem die jedem ionisierten C> nator zugeordnete positive Ladung mit einem freien Elektron rekombiniert. In direkter Analogie zu den bezüglich F i g. 2 gegebenen Erläuterungen können durch Anlegen von η aufeinanderfolgenden Taktperioden an die Schaltung gemäß Fig.4 die freien Elektronen aus dem Bereich 28 ausgeschoben werden. Anschließend führt vor dem Einführen beweglicher Ladungsträger in den Informationskanal jeder Taktwechsel der Taktspannung zu einem mit gestrichelten Linien 63a, 636,.. .63/7 für die größere Taktspannung und mit strichpunktierten Linien 64a, 64b...64n für die kleinere Taktspannung angedeuteten Oberflächenpotentialverlauf unter den Elektroden 33 (F i g. 5). Nach erfolgtem Ausschieben der freien Elektronen aus den dotierten Bereichen unterhalb der Elektrodenspalte ergibt sich der mit gestrichelten Linien 62a, 626,... 62λ angedeutete Oberflächenpotentialverlauf unterhalb dieser Spalte, wobei in gleicher Weise wie bei den vorangehenden Figuren das Oberflächenpotential nach unten zu ansteigt, wie durch den gestrichelten Pfeil 61 angegeben ist

Im Betrieb der ladungsgekoppelten Schaltung 60 nach Fig.5 werden irn Anschluß an die vorstehend erläuterten Vorgänge Informationen darstellende Ladungsträger (Elektronen) in den Informationskanal

eingetastet, indem eine ausreichend positive Spannung von der Potentialquelle VcAtran die Steu?relektrode32 angelegt wird, damit das Oberflächenpotential unterhalb der Steuerelektrode 32 etwa den durch die gestrichelte Linie 65 angegebenen Wert annimmt. Während dieses Vorgangs befindet sich die Taktspannung auf dem Heineren Potential, so daß das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrode 23a einen Wert entsprechend der strichpunktierten Linie 64a annimmt. Danach wird die von der Potentialquelle Vcate gelieferte Spannung vor oder gleichzeitig mit dem Taktwechsel reduziert. Auf diese Weise wird das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrode 32 auf einen Wen 65' verringert welcher kleiner als der Wert dss Oberflächenpotentials gemäß der Linie 63a unterhalb der Elektrode 23a ist, so daß Elektronen von der Potentialmulde unterhalb der Elektrode 32 abgezogen und in die Potentialmulde unterhalb der Elektrode 23a hineingezogen werden. Aufgrund der aufeinanderfolgenden Taktwechsel der Taktspannungen werden diese Elektronen nacheinander von links nach rechts in der Zei"henebene von F i g. 5 übertragen. Die in den F ι g. 4 und 5 dargestellte ladungsgekoppelte Schaltung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Schaltung nach F ι g. 3 nach dem Ausschieben der freien Elektronen aus den Donatorenbereichen zu Beginn des Betriebs. In der Praxis bevorzugt man jedoch die Schaltung nach F i g. 4 und 5. da sich zur Zeit dotierte Isolierschichten, wie sie bei der Schaltung nach F i g. 3 erforderlich sind, nicht mit der nötigen Langzeitstabilität herstellen lassen.

Bei ladungsgekoppelten Schaltungen nach der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, die Ungleichförmigkeit der unbeweglichen Ladungsträger zu justieren, um asymmetrische, d h. mit elektrischen Feldkomponenten tangential zum Speichermedium verlaufende Potentialmulden ausreichender Größe zu erzeugen, damit die darin zwischengespeicherten beweglichen Ladungsträger mit Geschwindigkeiten bis an die durch die Knstallgitterbeugung gegebene Geschwindigkeitsgrenze weitergeschoben werden können. Für Silizium sind solche Felder im Bereich von ICP- 10* Volt/cm bekannt. Falls die geringste Konzentration der unbeweglichen Ladungsträger bei etwa 4 oder 5 χ 10" pro cm² und die größte Ladungsträgerkonzentration bei etwa IO^l2/cm² liegt und diese Konzentraticnsänderung über die Breite einer Elektrode oder eines Elektrodenspalts von etwa 20 μιη vorliegt, lassen sich die für diese Geschwindigkeitsgrenze erforderlichen tangentialen Felder erreichen.

Bei der in Fig. 6 dargestellten ladungsgekoppelten Schaltung 70 ist ähnlich wie bei der Schaltung nach F ι g. 3 eine Isolierschicht mit ungleichförmigen Dotierungskonzentrationen unbeweglicher Ladungsträger vorgesehen, die einen Einphasenbetrieb gestattet. Der einzige Unterschied gegenüber der Schallung gemäß Fig. 3 besteht darin, daß sich bei der Schaltung gemäß F ι g. 6 jeder Bereich steigender Dotierungskonzentration unter einer Elektrode und unter dem rechts davon benachbarten F.lektronenspalt erstreckt. Insbesondere liegt der Bereich 71. in welchem die Konzentration an beweglichen positiven Ladungsträgern nach rechts ansteigt, sowohl unterhalb der Elektrode 23c/ als auch unterhalb des Spalts zwischen der Elektrode 23c/ und der Elektrode 23e. In ähnlicher Weise liegt der Bereich 72 sowohl unterhalb der Elektrode 23e als auch unterhalb des Spalts zwischen der Elektrode 23e und der Elektrode 23/! Eine derartige Verteilung unbeweglicher Ladungsträger kann so ausgebildet sein, daß Oberflächenpotentiale in gleicher Weise wie bei der Schaltung nach Fig.3 erzeugt werden, sofern der Taktgeber einen geeigneten Gleichspannungsversatz aufweist In ähnlicher Weise können die Bereiche 71,72, 73 mit den linear abgestuften unbeweglichen Ladungsträgern in Form von N-Ieitenden Dotierungen analog zu den Schaltungen nach F i g. 4 und 5 ausgebildet, sein.
In der Praxis lassen sich linear abgestufte Profile von

ίο unbeweglichen Ladungsträgern nicht so ohne weiteres erzielen. Bei der erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltung kann jedoch für kleine Elektroden das linear abgestufte Profil durch eine einstufige Annäherung erzielt werden, wodurch sich die Herstellung vereinfacht Dies bedeutet daß anstelle jedes gewünschten linear abgestuften Bereichs mit unbeweglichen Ladungsträgern ein Bereich mit zwei unterschiedlichen Abschnitten vorgesehen wird, in denen jeweils die Ladungsträgerkonzentration im wesentlichen gleichförmig ist wobei in einem Abschnitt die Ladungsträgerkonzentration größer als in dem anderen Abschnitt ist fvlii dem vürsichcüd gebrauchten Ausdruck »kleine« Elektrode sind Elektroden gemeint, deren seitliche Abmessungen längs des Informationskanals in der Größenordnung der Tiefe der Verarmungszonen des Speichermediums liegen. Wenn beispielsweise das Speichermedium mit 10Ohm-cm p-leitend ist und die Isolierschichtdicke bei etwa 1000 Ä (10"⁵cm) liegt, beträgt die Tiefe der bei 10 Volt erzeugten Verarmungs-

jo zone etwa 5 μπι. In der Praxis zeigte sich bei einer solchen Verarmungstiefe für Elektroden von weniger als etwa 20 μπι Seitenlänge längs des Informationskanals, daß eine Schaltung mit einer derartigen Annähemng an die lineare Konzentrationsabstufung nur eine

j5 geringe oder nicht unterscheidbare Betriebsabweichung gegenüber einer Schaltung mit einer tatsächlich linearen Konzentrationsabstufung besaß. Für größere Elektrodenabmessungen kann selbstverständlich eine Annäherung an die lineare Konzentrationsabstufung in beispielsweise vier Schritten vorgesehen werden, falls dies notwendig sein sollte.

Bei der in F i g. 7 dargestellten ladungsgekoppelten Schaltung 80 ist in der Isolierschicht 82 eine gleichförmige Verteilung unbeweglicher Ladungsträger vorgesehen, wie durch kleine Ringe mit darin eingetragenem Pluszeichen angedeutet ist. Ferner sind in dem p-leitenden Speichermedium 81 unterhalb der rechten Hälfte jeder Elektrode 23c/. 23e. 23/"sowie unterhalb der Elektrodenspalte liegende örtliche Zonen 81c/. 81 e. S\i.

Μ 81^. 81Λ vorhanden. Aus der Analogiebetrachtung in Verbindung mit den vorangehend beschriebenen Betriebsarten ergibt sich, daß die n-leitenden Zonen 81 d bis 81Λ im Betrieb örtlich festgelegte Teile von unbeweglicher positiver Ladung bilden, welche geeignete Asymmetrien der Potentialmulden hervorrufen.

F i g. 8 zeigt eine bezüglich der Schaltung nach F i g. 7 komplementäre ladungsgekoppelte Schaltung 90. in deren Isolierschicht 92 eine gleichförmige Verteilung positiver Ladungsträger vorhanden ist. Im Gegensatz zu der Schaltung nach F i g. 7 sind mehrere örtlich festgelegte, p-leitende Zonen 91c/. 91c/'. 91 e. 91c'. 91 f. 91/' vorgesehen, die jeweils Verhältnismäßig stark gegenüber dem p-leitenden Halbleiterkörper des Speichermediums 91 dotiert sind und im Betrieb eine negative unbewegliche Ladung in Form ionisierter Akzeptoren bilden. Hierdurch werden asymmetrische Potentialmulden erzeugt, deren Verlauf ähnlich wie bei den Potentialmulden der Schaltung nach F i g. 7 ist.

α λ a

Mit der vorstehend gebrauchten Bezeichnung »komplementär« soll zum Ausdruck gebracht werden, daß Dotierstoffe von entgegengesetztem Leitungstyp unterhalb der rechten bzw. linken Hälften der Elektroden und der Elektrodenspalte liegen, wobei in beiden Fällen der gleiche Oberflächenpotentialverlauf bei angelegter Spannung erzeugt wird. Ein aerartiger komplementärer Aufbau kann auch bei den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen werden.

Aus den Schaltungen nach F i g. 7 und 8 ergibt sich ferner, daß die gleichförmige Verteilung positiver Ladungsträger innerhalb der Isolierschicht 82 bzw. 92 durch eine gleichförmige Verteilung von n-leitenden Dotierstoffen an der Oberfläche des Halbleitermediums gebildet werden kann. Bei den am meisten interessierenden ladungsgekoppelten Schaltungen mit Silizium als halbleitendem Speichermedium 21 und Siliziumdioxid als Isolierschicht 22 ist stets eine gewisse verhältnismäßig gleichförmige Verteilung fester positiver Ladungsträger in dem Siliziumdioxid vorhanden, wenn dieses in üblicher Weise hergestellt wird. Die Konzentration dieser positiven Ladungsträger liegt üblicherweise im Bereich zwischen 5 χ ΙΟ¹⁰ und 10¹² Ladungsträger pro cm, was sich als brauchbarer Bereich für eine n-kanalige Schaltung erwies.

Im Zusammenhang mit den Schaltungen nach F i g. 7 und 8 ist ferner zu beachten, daß die Grundladungsträgerkonzentration für Akzeptoren in dem Halbleiterkörper des Speichermediums 81 bzw. 91 üblicherweise im Bereich von etwa 5 χ 10¹⁴ pro cm³ liegt und daß die Konzentration an η-leitenden Dotierstoffen in den Zonen 81 gemäß Fig. 7 sowie die Konzentration an p-Ieitenden Dotierstoffen in den Zonen 91 gemäß F i g. 8 im Bei eich von etwa 10" pro cm³ liegen kann.

Für die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 7 ist es nicht wesentlich, daß die η-leitenden Zonen 81 beim Betrieb vollständig an Elektronen verarmen. Bei einer unvollständigen Verarmung wird lediglich das im Informationskana! wirksame elektrische Feld reduziert. Es ergibt sich auch dann noch eine ausreichende Richtwirkung für die Ladungsübertragung, weil die nichtdotierten Bereiche längs der Oberfläche Potentialschwellen bilden, welche den Ladungsfluß in Umkehrrichtung verhindern. Aus diesem Grund können die η-leitenden Zonen 81 verhältnismäßig stark dotiert sein, die im Betrieb nicht vollständig an Elektronen verarmen.

In diesem Fall erfolgt die Ladungsübertragung ähnlich wie bei den Eimerkettenschaltungen. Falls daher die η-leitenden Zonen 81 gemäß Fig. 7 entsprechend stark dotiert werden, kann die Schaltung 80 als einphasige Eimerkettenschaltung betrieben werden.

Bei der in Fig. 9 dargestellten ladungsgekoppelten Schaltung 100 ist ein p-leitendes Halbleiter-Speichermedium 101 vorgesehen, auf welchem eine Isolierschicht 102 angeordnet ist. die eine ungleichförmige Konzentration unbeweglicher Ladungsträger aufweist, wie durch kleine Ringe mit darin eingetragenem Pluszeichen angedeutet ist. Zusätzlich sind die auf der Isolierschicht 102 angebrachten Elektroden 103d 103e. 103/ so ausgebildet, daß der linke Teil jeder Elektrode einen größeren Abstand zu der Oberfläche des Speichermedi-Ums 101 besitzt als der rechte Teil. Hierzu ist unterhalb des linken Teils jeder Elektrode 103 ein zusätzlicher Isolierabschnitt 104t/, 104ebzw. 104/angebracht.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig.9 tritt eine wechselweise Asymmetrie insofern auf, als bei jeder Elektrode 103 der unterschiedliche Abstandshalter bezüglich der Oberfläche des Speichermediums 101 so gewählt wird, daß unter jeder Elektrode 103 eine asymmetrische Potentialmulde erzeugt wird, die den durch die gleichförmige Konzentration unbeweglicher Ladungsträger unter den Elektrodenzwischenspalten erzeugten Potentialmulden entsprechen.

Bei der Herstellung der Schaltung 100 können die Elektroden 103 als Maske verwendet werden, durch weiche die ungleichförmigen Dotierstoffkonzentrationen in den Isolierschichtbereichen unter den Elektrodenspalten durch Ionenimplantation erzeugt werden, wobei die implantierten Ionen unter veränderlichem Winkel auf der Schaltungsoberfläche auftreffen.

Die in Fig. 10 veranschaulichte ladungsg°koppelte Schaltung 110 unterscheidet sich von der Schaltung 100 gemäß Fig.9 lediglich dadurch, daß die auf dem Speichermedium 111 angebrachte Isolierschicht 112 eine gleichförmige Verteilung von unbeweglichen ionisierten Ladungsträgern aufweist. Zur Erzeugung der Potentialmuldenasymmetrie unterhalb der Elektrodenspalte ist in der rechten Hälfte jedes Flektrodenspaltes eine zusätzliche Elektrode 105c/, 105e bzw. 105/ angeordnet, die in gleicher Weise wie das Speichermedium auf Massepotential liegt. Bei der Schaltung nach Fig. 10 wird die zwischen den Elektroden 103 auftretende Asymmetrie der Potentialmulden durch das Massepotential erzeugt, welches über die Elektroden 105c/ bis 105/ an der Oberfläche jeweils des halben Elektrodenspaltes anliegt. Der bei der Herstellung der Schaltung nach Fig. 10 etwas größere Aufwand wird durch die vorteilhafte Zunahme der Kapazität in den Elektrodenspalten infolge der Wirkung der Elektroden 105c/bis 105/aufgewogen. Diese vorteilhafte Wirkung ergibt sich auch bei der nachstehend beschriebenen Schaltung 120 nach Fig. II. bei welcher verhältnismäßig stark dotierte p-leitende, örtlich festgelegte Zonen 123c bis 123/an der Oberfläche des Speichermediums 121 unterhalb der Elektrodenspalte vorhanden sind. Die Schaltung nach Fig. Il unterscheidet sich von der ladungsgekoppelten Schaltung nach Fig. 3 dadurch, daß die lineare Abstufung durch eine einstufige Annäherung unter Verwendung unbeweglicher ionisierter Ladungsträger in der auf der Oberfläche des Speichermediums 121 liegenden Isolierschicht 122 erzielt wird. Zusätzlich befindet sich unterhalb der Elektrodenspalte eine Vielzahl von ρ ⁺ -leitenden, örtlich festgelegten Zonen 123c. 123c/, 123e. 123/mit einer im wesentlichen konstanten Akzeptorenkonzentration im Bereich zwischen IO¹⁶ und ¹O'⁸ Ladungsträger pro cm¹

so bei angelegten Spannungen im Bereich zwischen 0 und 20 Voll. Die Zonen 123 können wahlweise verwendet werde.ι. um die Leistungsfähigkeit von einphasigen Schaltungen tu veigroßem, wobei Teile des Speicher mediums unterhalb der Elektrodenspalte als aktive Glieder bei dem Ladungsübertragungsvorgang insofern wirken, als diese Zonen 123 die Kapazität im Bereich der Elektrodenspalte und damit den Betrag der bei einer vorgegebenen Taktspannung manipulierbaren Signalladungsmenge vergrößern. Die wirksame Kapazität im Bereich unier den F.lektrodenspalien wird in erster Linie von der Tiefe des Verarmungsbereichs in dem Halbleitermedium 121 bestimmt, wobei mit abnehmender Tiefe des Verarmungsbereichs die Kapazität zunimmt. Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 11 entspricht der Funktionsweise der in den vorangehenden Figuren dargestellten Schallungen.

Die in Fig. 12 dargestellte ladungsgekoppelte Schaltung besitzt anstelle einer einfachen Elektrodenanord-

1/

nung eine MlS-Struktur, um die Empfindlichkeit gegenüber fehlerhaft absorbierten Ladungen auf der Schaltungsoberfläche zu verringern. Von der Schaltung nach Fig.6 unterscheidet sich die Schaltung nach Fig. 12 dadurch, daß zusätzlich über der gesamten Schaltungsoberfläche eine zusätzliche Isolierschicht 130 und darüber eine zusätzliche Metallschicht 131 angebracht ist. Die Schichten 130 und 131 schützen in wirksamer Weise die Schaltungsoberfläche gegen unerwünschte Dotierstoffe. Gegebenenfalls kann die Metallschicht 131 mit einer Quelle V_B konstanten Potentials verbunden werden, um den Informationskanal gegen Einwirkungen elektrischer und/oder magnetischer Felder abzuschirmen.

Anstelle der in Fig. 12 dargestellten ohmschen Verbindung der Elektroden 23c/, 23e, 23/ mit einem Taktgeber über gestrichelt angedeutete Leitungen können die Elektroden 23 auch kapazitiv angesteuert werden, indem der Taktgeber mit der Metallschicht 131 verbunden wird. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die Bereiche des Speichermediums unterhalb der Elektrodenspalte 7usätz!ich zu isolieren.

Bei der in F i g. 13 dargestellten einphasig betriebenen ladungsgekoppelten Schaltung 150 ist neben einem p--leitenden Halbleiter-Speichermedium 151 eine einzige Metallschicht 153 vorgesehen, die über einer Isolierschicht 152 von im wesentlichen ungleichförmiger Dicke angeordnet ist Diese dielektrische Isolierschicht

152 weist eine ungleichförmige Verteilung an unbeweglichen ionisierten Ladungsträgern auf, wie durch kleine Ringe mit darin eingetragenen Pluszeichen dargestellt ist. Die Konzentration dieser Ladungsträger kann fihnliche Werte wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen jesitzet.. Des weiteren können diese Ladungsträger ebon.'ogut durch ähnliche ungleichförmige Dotierstoffkonzen -ationen an der Oberfläche des Speichermediums 151 hervorgerufen werden. Die über der Isolierschicht 152 liegende Metallschicht

153 ist mit einem Taktgeber verbunden, welcher eine treppenförmige Taktspannung erzeugt. Zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 13 wird zunächst auf die Diagramme gemäß Fig. 14 Bezug genommen.

Fig. 14 zeigt den Verlauf des Oberflächenpoienrials q>s in Abhängigkeit von der angelegten Taktspannung Va für eine typische MetalI/Isolator-Halbleiter-(MIS)-Struktur. Mit der Kurve 155 ist der Fall einer sehr kleinen beweglichen oder unbeweglichen Ladung zwischen der Elektrode und dem Speichermedium veranschaulicht, wobei die Dicke des Isolators verhältnismäßig gering ist und beispielsweise 1000 Ä beträgt. In diesem Fall ergibt sich eine gute Übereinstimmung des Oberflächenpotentials mit der angelegten Spannung. Mit der Kurve 156 ist der Fall einer fehlenden bewegliehen oder unbeweglichen Ladung entweder im Isolator oder im Verarmungsbereich des Halbleiters veranschaulicht, wobei jedoch die Isolatordicke wesent lieh größer ist als bei dem Fall gemäß Kurve 155 und beispielsweise 5000 A beträgt. Aus den Kurven 155, 156 ergibt sich, daß sich bei größeren Isolatordicken das Oberflächenpoiential bei einer vorgegebenen angelegten Spannung weniger ändert als bei geringeren Isolatordicken, Die in dem Diagramm nach Fig. 14 angegebenen Zahlenwerte beruhen auf einer eindimensionalen Auswertung der Poissonschen Gleichung unter Annahme einer Gfundladurigslrägerkorizentration in dem Halbleiter von 5 χ 10¹⁵ Donatoren pro cm³.

Der anhand von Fig. 14 gezeigte Zusammenhang läßt bei der Schaltung nach F i g. 13 folgendes erkennen. Die dort in der Isolierschicht 152 vorgesehene Ladungsträgerverteilung ist periodisch abgestuft, wie durch Bereiche 157,158,159,160 angedeutet ist. In dem Bereich 157 ist die Isolierschicht 152 verhältnismäßig dünn, beispielsweise 1000 Ä, so daß dort die Konzentration an unbeweglichen Ladungsträgern verhältnismäßig gering ist und beispielsweise 5 χ 10¹¹ Ladungsträger pro cm³ beträgt Im Bereich 158 ist zwar die Isolierschichtdicke genauso gering in dem Bereich 157, jedi ch ist die Konzentration an unbeweglichen Ladungsträgern größer und liegt beispielsweise bei über 10" Ladungsträgern pro cm². In dem Bereich 159 ist die Isolierschichtdicke wesentlich größer als in den Bereichen 157, 158

und beträgt beispielsweise 5000 A. Die Konzentration an unbeweglichen Ladungsträgern ist die gleiche wie in dem Bereich 157, d. h. 5 χ 10" Ladungsträger pro cm². In dem Bereich 160 ist die Isolierschichtdicke genauso groß wie in dem Bereich 159, d.h. 5000 A, doch entspricht die Konzentration an unbeweglichen Ladungsträgern der Ladungsträgerdicke in dem Bereich 158.d. h.8x 10" Ladungsträger pro cm.

Fig. 15 zeigt den Verlauf des Oberflächenpotentials bei einer Struktur nach Art von Fig. 13, wobei die dargestellten vier Kurven die gleichen Bezugszeichen wie die Bereiche 157 bis 160 aufweisen, für welche sie gelten. Wie hieraus hervorgeht, ist das Oberflächenpotential unter der, Bereichen 157, 158 bei einer verhältnismäßig geringen Taktspannung von beispiels-

jo weise 1 Volt geringer als das Oberflächenpotential unter den Bereichen 159, 160. Bei Erhöhung der angelegten Taktspannung Vg kehren sich die relativen Oberflächenpotentiale so um, daß bei verhältnismäßig hoher angelegter Taktspannung, beispielsweise von 16 Volt, das Oberflächenpotential unter den Bereichen 159,160 nunmehr geringer als das Oberflächenpotential unter den Bereichen 157,158 ist. Diese Umkehrung wird bei der Schaltung nach Fig. !3 ausgenutzt. Und zwar stellt in Fig. 13 die gestrichelte Linie 161 den Oberflächenpotentialverlauf bei einer ersten Taktspannung von beispielsweise 1 Volt dar, die an der Metallschicht 153 liegt. Für jede Gruppe von Bereichen 157, 158,159, 160 tritt der Punkt des höchsten positiven Potentials unter dem äußersten rechten Teil des dickeren Isolierschichtbereiches auf, d. h. unter dem Bereich 160.' Demgemäß kommen die in den Informationskanal eingeführten beweglichen Ladungsträger in der Potentialmulde unter dem ersten Bereich 160 rechts von der Lage dieser positiven Ladungsträger zur Ruhe.

Sofern das OberfJächenpotential unter dem Bereich 159 etwas weniger positiv als das Oberflächenpotential unter dem Bereich 160 ist. wirkt der Bereich 159 wie eine Potentialschwelle für die Ladungsübertragung nach links, wenn die treppenförmige Taktspannung auf den höheren Spannungswert übergeht. Es sei angenommen, daß einige freie Elektronen in der Potentialmulde unterhalb eines der Bereiche 160 vorhanden sind; ferner sei angenommen, daß die Taktspannung sprunghaft auf einen positiveren Wert erhöht wird, beispielsweise auf 16 Volt. In diesem Zustand tritt ein Oberflächenpotentialverlauf entsprechend der gestrichelten Linie 162 in F i g. 13 auf. In diesem Zustand tritt das Oberflächenpo tentialmaximum unter den Bereichen 158 auf, während das Oberflächenpotential unter den Bereichen 160 nunmehr weniger positiv als das Oberflächenpotential unter den Bereichen 157,158 ist. Dadurch werden die in den Potentialmulden unterhalb der Bereiche 160 befindlichen freien Elektronen durch das nunmehr

positivere Oberflächenpotential der Potentialmuiden unter den Bereichen 158 nach rechts gezogen. Bei jeder folgenden Änderung der Taktspannung werden die gespeicherten beweglichen Ladungsträger um einen Schritt, d. h. um zwei Bereiche, nach rechts bewegt und schließlich in der Ausgangsstufe gesammelt, wo sie durch geeignete Einrichtungen angezeigt werden können. Der Unterschied in der Isolierschichtdicke beträgt bei der Schaltung nach F i g. 13 mindestens etwa 3 :1, um einen praktischen Betrieb zu ermöglichen.

In Fig. 16 ist eine zweiphasige ladungsgekoppelte Schaltung 210 dargestellt, welche ein Speichermedium 211 aus beispielsweise einem p-leitenden Halbleiter, eine Isolierschicht 212 und mehrere Elektroden 214„_i, 213_m 214„ und 213_n+) pufweist, die in abwechselnder Folge über Steuerleitungen 215,216 an einer zweiphasigen Taktspannung mit den Phasen Ki und V'2 liegen.

Da zweiphasige ladungsgekoppelte Schaltungen aus einer Folge von MIS-Kondensatoren bestehen, sind zur Übertragung eines jeden Bits einer digitalen Information oder eines Wertes einer analogen Information zwei MIS-K.ondensatoren erforderlich. Jeder MIS-Kondensator entspricht daher einem halben BiL Ein zweiphasiger Betrieb bedeutet daher im Falle einer Übertragung digitaler Informationen, daß entsprechende Halbbits mit einer Taktspannung geschoben werden, welche zumindest um einen gewissen Prozentsatz der Taktperiode außer Phase mit der Taktspannung zum Schieben der anderen Halbbits liegt. Um eine voraussagbare Richtwirkung der Ladungsübertragung zu schaffen, müssen daher die einzelnen Halbbits Potentialschwellen für die Verschiebung der beweglichen Ladungsträger in Umkehrrichtung besitzen. Hierzu ist in dem Speichermedium 211 der Schaltung 210 gemäß Fig. 16 durch gestrichelte Linien 217 eine schematische Darstellung des Oberflächenpotentials eps gegeben, wobei die erwähnten Potentialschwellen zur Verhinderung einer Ladungsverschiebung in umgekehrter Richtung ein Oberflächenpotential der Höhe Δφβ aufweisen. Der Betrag dieses Sperrpotentials bestimmt in Verbindung mit der sei'lichen Ausdehnung der diesem Sperrpotential zugeordneten Potentialmulde die maximale Übertragungskapazität. Diese Potentialschwelle soll im Hinblick auf einen optimalen Leistungsfaktor sowie eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit so schmal wie möglich sein, wobei die minimale Breite durch Tunneleffekte in Umkehrrichtung begrenzt wird. Ferner sollte die Ladungskapazität dieser Potentialschwelle so groß sein, daß die zur Verfügung stehenden Taktspannungen mitverwendet werden können. Schließlich sollte die Oberflächenbeweflichkeit der verwendeten Ladungsträger zur Darstellung von Signalinformationen so groß wie möglich sein.

Bekanntlich ist bei den meisten interessierenden halbleitenden Werkstoffen die Oberflächenbeweglichkett von Elektronen größer als von Löchern, so daß in der Regel der Übertragungs- oder Informationskznal η-leitend ist. Das Verhältnis der Trägerbeweglichkeit von Elektronen zu Löchern liegt beispielsweise bei Silizium in der Größenordnung von etwa 5 zu 1. Demgemäß beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen auf n-kanalige Schaltungen, obgleich die erläuterten Grundlagen in gleicher Weise auch auf p-kanalige Schaltungen anwendbar sind, sofern entsprechende Umpolungen der Taktspannungen vorgenommen werden.

Neben der Forderung, die Sperrpotentialmulde so schmal wie möglich zu halten, sollte für eine maximale Ladungsspeicherkapazi.ät an jeder Speicherstelle die Sperrpotentialhöhe Δφς bezüglich der maximalen Änderung des Oberflächenpotentials eingestellt werden, das in Fig. 16 mit φ«το bezeichnet ist. Und zwar sollte für einen vorgegebenen Wert tpso die Sperrpotentialhöhe ζΐφί etwa dem halben Wert von ipso entsprechen. Falls Aq>s kleiner als der halbe Wert von Q)so ist, besitzt die Speicherstelle rechts von der Potentialschwelle unterhalb jeder Elektrode eine geringere Ladungsspeicherkapazität. Wenn umgekehrt Atps größer als der halbe Wert von ipso ist, wird mehr als der maximale Betrag der übertragbaren Ladung gespeichert. Die Ladungsmenge, welche über die Potentialschwelle nach rechts übertragbar ist, ist in jedem Falle geringer als die maximale übertragbare Ladungsmenge. Damit ergibt sich für einen praktischen Betriebsspannungsbereich von etwa 5 bis 20 oder mehr Volt, daß das Sperrpotential zur Verhinderung einer Ladungsübertragung in Umkehrric-htung im Bereich zwischen 2,5 und etwa 10 oder mehr Volt liegen sollte.

Als bevorzugte Maßnahme zur Erzielung von Potentialschwell-n hat sich eine Ä · lerung der Dotierstoffkonzentration des Speichermedh ms neben der Halbleiter/Isolator-Zwischenfläche herausgestellt, da sich die Dotierstoffkonzentration in einem sehr weiten Bereich verändern läßt, beispielsweise über fünf oder mehr^r:rößenordnungen.

Fig. 17 zeigt in Anwendung dieses Prinzips ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweiphasigen ladungsgekoppelten Schaltung mit verhältnismäßig stark dotierten örtlich festgelegten Zonen neben der Halbleiter/Isolator-Zwischenfläche, um seitliche Ungleichförmigkeiten des Oberflächenpotentialverlaufs bei vorgegebenen angelegten Spannungen zu erzielen. Die in Fig. 17 dargestellte Schaltung 220 umfaßt ein n-kanaliges Speichermedium 221, dessen Halbleiterkörper aus einem verhältnismäßig leicht dotierten p-leitenden Halbleitermaterial besteht, auf welchem eine im wesentlichen gleichförmige Isolierschicht 222 angeordnet ist. Auf der Isolierschicht 222 befind ·η sich hintereinander längs des η-leitenden Infoimationskanals Elektroden 223a. 224a, 2236, 2246... 223n. 224n. vjn denen die Elektroden 223 über eine gemeinsame Steuerleitung 225 und die Elektroden 224 über eine gemeinsame Steuerleitung 226 mit einem Taktgeber 227 verbunden und mit zweiphasigen Taktspannungen beaufschlagt sind. Zum Einkoppeln von Informationen darstellenden Impulsen ist eine Eingangsstufe vorgesehen, welche eine örtlich festgelegte π+ -leitende Zone 228, eine damit kontaktierte und mit einer Potentialquelle Vr ι verbundene Elektrode 229 sowie eine Steuerelektrode 230 umfaßt welche mit der Steuerleitung 226 verbunden ist. Die Steuerelektrode 230 ist mit der Steuerleitung 226 lediglich zum Zwecke der besseren

v, Da-.tcllung verbunden, da dort im praktischen Betrieb eine andere Betriebsart vorliegt. Des weiteren besitzt die Schaltung nacS F i g. 17 eine Ausgangsstufe mit einer örtlich festgelegten η *-leitenden Zone 231 in unmittelbarer Nähe der letzten Elektrode 224, die mit einer an eine positive B?zugspotentialquelle V«2 gelegten Elektrode 232 verbunden ist. Die Spannung der Quelle Vr₂ ist ausreichend groß gewählt, damit die Zone 231 und der zugeordnete Verarmungsbereich als Kollektor für die zu der Potentialmulde unterhalb del Elektrode 224 übertragenen beweglichen Ladungsträger wirken. An der Oberfläche des Speichermediums 221 befinden sich mehrere verhältnismäßig stark dotierte und verhältnismäßig flache ρ+ -leitende Zonen 233a, 234a... 234/7, die

jeweils unterhalb des linken Teils jeder Elektrode 223, 224 liegen. Die Zonen 233, 234 bewirken eine wesentliche Asymmetrie der unter den Elektroden 223, 224 gebildeten Potentialmulden, sobald an die Elektroden 223, 224 entsprechend große Takispannungen angelegt werden. In ähnlicher Weise ist auch eine verhältnismäßig stark dotierte p-leitende Zone 235 unter der Steuerelektrode 230 vorhanden, um die Richtwirkung der Ladungsübertragung von der Quelle 228 zu der Potentialmulde unterhalb der Elektrode 223a zu vergrößern.

In Fig. 18 ist der Verlauf des Oberflächenpotenlials bei der Schaltung gemäß Fig. 17 schematisch durch die gestrichelte Linie 236 dargestellt. Dabei wurde davon ausgegangen, daß das Speichermedium 221 mit Massepotential verbunden ist, obwohl dies an sich nicht zwingend ist und stattdessen auch ein anderes festes Bezugspotential oder ein schwimmendes Potential

crtffi

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cnonniinopn

und die anderen, angelegten Spannungen richtig gewählt werden.

Es sei ferner angenommen, daß die an den Steuerleitungen 225, 226 liegenden Taktspannungen positiv sind und daß die an der Steuerleitung 225 liegende Spannung Va ι kleiner als die an der Steuerleitung 226 liegende Spannung VU₂ ist- Beide Spannungen Va ι und Va 2 sind ausreichend groß gewählt, damit der Oberflächenbereich des gesamten Informationskanals an freien Ladungsträgern bis zu einer Tiefe verarmt ist, die größer als die Eindringtiefe der stark dotierten, örtlich festgelegten Zonen 233,234, 235 ist. Eine Verarmung in diesem Ausmaß ist zwar nicht unbedingt erforderlich, doch aus bestimmten und noch zu erläuternden Gründen günstig. Wesentlich ist, daß in Oberflächennähe praktisch alle ionisierten Akzeptoren in den örtlich festgelegten Zonen 233, 234, 235 freigelegt werden. Da die Konzentration der ionisierten Akzeptoren in den örtlich festgelegten Zonen 233, 234, 235 größer als die Konzentration der ionisierten Akzeptoren an anderen Stellen längs der Oberfläche ist ergibt sich eine Asymmetrie des Oberflächenpotentials unterhalb der Elektrode 223,224, wobei das Mali der Asymmetrie proportional der Konzentrationsdifferenz zwischen den ionisierten Akzeptoren ist. In dem Diagramm nach Fig. 19 ist das Oberflächenpotential bei der ladungsgekoppelten Schaltung gemäß Fig. 17 und 18 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung aufgetragen. Dabei wird davon ausgegangen, daß in die Potentialmulden keine beweglichen Ladungsträger eingeführt wurden. Man erhält die Kurven gemäß Fig. 19 durch eine direkte Lösung der Poissonschen Gleichung, was zu dem Oberflächenpotential 9)5 als Funktion der angelegten Spannung Va führt. Bei der angewandten Berechnung zur Ableitung der Kurven gemäß Fig. 19 wird angenommen, daß die verhältnismäßig stark dotierten Oberflächenzonen 233, 234, 235 eine konstante Dotierungsdichte Ν_Λ ι und eine gut definierte Tiefe X\ aufweisen und daß die verhältnismäßig geringere Grundladungsträgerdichte in dem Halbleiterkörper des Speichermediums 221 einer Konstanten Na 2 entspricht. Unter diesen Annahmen ergeben sich folgende Ausdrücke bei der Lösung der Poissonschen Gleichung:

V si

X₁, > X₁

Dabei gilt:
K₁ = '

si = -

Es bedeuten:

die elektrische Eiementariadung =

1.6 χ 10-'«Coulomb
ει die Dielektrizitätskonstante des Speichermediums

(1,06 χ 10"¹² Farad pro cm für Silizium)
tox die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht (3,45 χ 10 -¹³ Farad pro cm für Siliziumdioxid)

die Dicke der Isolierschicht.

In diesen Gleichungen stellen die Parameter cp_s\ und Vi die Spannungsabfälle an dem Silizium-Verarmungsbereich bzw. der Isolierschicht 222 dar, wenn die Verarmungsschichtbreite ΛΌgleich ΛΊ ist.Die in Fig. 19 angegebenen speziellen Kurven gelten für den Fall, daß Na 1 = 10" pro cm^J, M* 2 = 5 χ 10^H pro cm³, X\ =2 χ 10"⁵

cm und c/= 222 1000 A bzw. 10 -⁵ cm betragen.

Wie aus F i g. 19 ersichtlich ist, besitzen die dargestellten Kurven zwei Bereiche mit unterschiedlichem Verhalten des Oberflächenpotentials bei der angelegten Spannung Va. Der erste dieser Bereiche verläuft bei der Kurve für Mt ι von dem Ursprung der Kurve zu einem Kniepunkt wobei sich in diesem Bereich das Oberflächenpotential 055 nur langsam bei steigender Spannung Va ändert und den Zustand wiedergibt, bei dem die Verarmungsbereichstiefe Xd geringer als die Eindringtiete Λι der verhältnismäßig stark dotierten Oberfiächenzonen ist. Der Kniepunkt A tritt auf, wenn Xd gleich Xi ist Oberhalb des Kniepunkts A verläuft die Kurve nahezu linear und gibt den Zustand wieder, bei dem die Verarmungsbereichsbreite Xd größer als die Eindringtiefe Xi der relativ stark dotierten Zonen ist Der optimale Betrieb der Schaltung nach Fig. 17

so besteht im linearen Kurvenbereich gemäß Fig. 19, da dann der vertikale Abstand zwischen der Kurve ^für Na ι und der Kurve für N_A 2 die Sperrpotentialhöhe Aq>_s bestimmt die vorstehend in Verbindung mit Fig. 16 erläutert wurde. Diese Potentialschwelle verhindert eine Ladungsübertragung in umgekehrter Richtung.

Bei einem Betrieb der Schaltung nach F i g. 17 im nichtlinearen Teil der unteren Kurve gemäß Fig. 19. verringert sich die Sperrpotentialhöhe zigsswährend der Ladungsübertragung, so daß die Taktspannungen nach Signaiform und Betrag so zugeschnitten werden müssen, daß eine ausreichend große Potentialschwelle stets gewährleistet ist Dieser spezielle Zuschnitt kompliziert die Betriebsweise der Schaltung 220 unnötig, so daß es in den meisten Fällen günstig ist im linearen Teil der unteren Kurve gemäß Fig. 19 zu arbeiten.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ersichtlich, daß eine Vergrößerung des Wertes Xi bei vorgegebe-

nem Wert von Na ι zu einer Verschiebung des linearen Teiles der unteren Kurve gemäß Fig. 19 zu höheren Werten von Va für ein gegebenes Oberflächenpolenlial gos führt. Das Ausmaß der Verschiebung hängt von der Ladung pro Flächeneinheit in dem stark dotierten Bereich ab. Da der lineare Teil der Kurve bei Verwendung rechteckförmiger oder sinusförmiger Taktspannungen besonders günstig ist und die Gesamtladuni; in dem stark dotierten Bereich durch Veränderung von Na ι einstellbar ist, sollte der Wert von ΛΊ klein gehalten werden, beispielsweise bei 2000 Ä (2 χ ΙΟ-⁵ cm). Ein kleiner Wert von ΑΊ hat den weiteren Vorteil, daß die zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruches erforderliche Ladungsmenge bei einer vorgegebenen angelegten Spannung für kleinere Werte von X\ größer ist. Des weiteren sollten zur Verringerung einer Leistungsstreuung die Taktspannungen Kt ι und Ki₂So gewählt werden, daß die Oberseite der tieferen Sperrpotentialschwelle genau auf dem gleichen Poten-

.:-»...:- J_n- n~-i ι π—ι r»„» *:_i i-i— i:_n~»

lidt wie uci UUUCIiUCi ι lanici tu ι iricituaiiiiuiui.il liegt.

Die Funktionsweise der ladungsgekoppelten Schaltung 220 gemäß F i g. 17 ergibt sich wie folgt:

Wenn bei angelegten Taktspannungen an den Steuerleitungen 225, 226 das Potential V_Ä) an der Eingangsstufe sprunghaft auf einen geringeren positiven Wert gesteuert wird, um den Teil des pn-Übergangs zwischen der Eingangszone 228 und der Oberfläche des Speichermediums 221 im Bereich neben der vorderen Kante der Elektrode 230 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, so injiziert die Zone 228 bewegliche Ladungsträger in die Potentialmulde unterhalb der Steu ^elektrode 230. Sofern die Steuerelektrode 230 mit der Sleuerleitung 226 verbunden ist. ist das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrode 230 stets positiver als das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrode 223a. Dadurch werden die von der Zone 228 injizierten Ladungsträger in der Potentialmulde 230' unterhalb der Elektrode 230 gesammelt, welche ein örtliches Potentialenergieminimum für Elektronen, d. h. einen Punkt örtlich positivsten Oberflächenpotentials darstellt.

Die in Fig. 18 angegebenen Oberflächenpotentiale beziehen sich auf eine zeitliche Momentaufnahme unmittelbar nach Anlegen der laktspannungen an die Steuerleitungen 225, 226. Diese Potentiale sind für die durch die beweglichen Ladungsträger hervorgerufenen pberflächenpotentialeffekte nicht verantwortlich. Die Wirkung dieser beweglichen Ladungsträger, z. B. Elektronen im Falle einer n-kanaligen Schaltung, besteht in der Verringerung des Oberflächenpotentials an der Speicherstelle. Wenn jedes Elektron in eine Potentialmulde gezogen wird, nimmt das Oberflächenpotential ab. Demgemäß entspricht die maximal in einer Potentialmulde speicherbare Ladungsträgermenge derjenigen Menge, weiche das Oberflächenpotential der Speicherstelle bis nahe auf das Oberflächenpotential an der Oberseite der zugeordneten Potentialschwelle verringert. Ene über diese maximale Ladungsträgermenge hinausgehende Menge hätte das Bestreben, entgegen der Übertragungsrichtung über den Rand der Poientialmuide abzulaufen, was einem Signalverlust gleichkäme.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß die Zone 228 so lange Elektronen in die Potentialmulde unterhalb der Elektrode 230 injiziert, bis die Wirkung der injizierten Elektronen auf das Oberflächenpotential unterhalb der Elektrode 230 ausreicht, am dieses Oberflächenpotential annähernd auf das Potential der Zone 228 zu verringern. Während der Ladungsträgerinjektion wird daher das an die Zone 228 angelegte Potential positiver gewählt als das Potential an der Oberseite der Potentialschwelle 233a'unterhalb der Elektrode 233a, um ein Überfluten des Informationskanals mit Elektronen zu verhindern. Falls eine derartige Überflutung auf andere Weise vermieden wird, wie vorstehend erwähnt ist, braucht das an die Zone 228 angelegte Potential nicht eingestellt zu werden, da selbst bei einer

ίο Überfüllung der Potentialmulde 230' unterhalb der Elektrode 230 die überschüssigen beweglichen Ladungsträger in der Potentialmulde 230' nach rückwärts bzw. über die Polentialschwelle 235' ablaufen, wenn vor dem Taktwechsel die Ansteuerung der Zone 228 beendet wird. In der Potentialmulde 230' bleiben dann nur so viele Ladungsträger zurück, wie erforderlich ist. um dort das Oberflächenpotential bis auf das Oberflächenpotential nahe an der Oberseite der Potentialschwelle 235' zu verringern.

ληρ,ηΙΙη r*tr*r*~ \/λ»·1». nrltanr* Λ*\— ITItI*

Speichermediurns 221 mit Massepotential kann auch eine Verbindung mit irgeneinem anderen festen Potential vorgesehen werden, wobei in diesem Fall die Steuerelektrode 230 nicht mit der Steuerleitung 226.

sondern mit einer getrennten gepulsten Potentialquelle verbunden wird, um den LadungsträgerfluD von der Quelle 228 zu steuern. Die Dauer des entweder an die Quelle Vr \ oder an die Steuerelektrode 230 angelegten Impulses kann zur Bestimmung der zur Darstellung der übertragenen Information erforderlichen Ladungsmenge verwendet werden. Es kann daher ein analoger oder digitaler Betrieb erzielt werden, indem das analoge oder digitale Signal entweder an die Zone 228 oder an die Steuerelektrode 230 angelegt wird.

Wenn nach erfolger Injektion der beweglichen Ladungsträger (Elektronen) in die Potentialmulde 230' unterhalb der Elektrode 230 die Taktspannungen Umgekehrt werden, d. h. die Steuerleitung 225 positiver als die Steuerleitung 226 wird, so wird der Oberflächenpotentialverlauf unterhalb der Elektroden 223 in Richtung auf einen positiveren Wert nach unten verschoben, während der Oberflächenpotentialverlauf unterhalb der Elektroden 224 in Richtung auf einen weniger positiven Wert nacn oDen verschonen wira. tsei der Umkehrung der Taktphasen werden demgemäß die Potentialmulden unterhalb der Elektroden 223 positiver als die Potentialmulden unterhalb der Elektroden 224. Damit werden die zuvor in den Potentialmulden unterhalb der Elektroden 224, 230 gespeicherten Ladungsträger um einen Schritt nach rechts in die Potentialmulden unterhalb der Elektroden 223 gezogen. Um eine vollständige Ladungsübertragung zu erzieler, müssen die angelegten Spannungen ausreichend groß gewählt werden, damit das Oberflächenpotential an den Oberseiten der Potentialschwellen in den tieferen Mulden zumindest so positiv wie das Oberflächenpotential an den unteren Teilen der flacheren Mulden ist. Eine vollständige Ladungsübertragung ist jedoch für den Betrieb nicht wesentlich; vielfach ist es sogar günstiger, wenn eine konstante Menge an Grundladungsträgern nicht übertragen wird, um Signalverzerrungen zu verringern.

Selbst wenn man versucht, mit vollständiger Ladungsübertragung zu arbeiten, wird ein gewisser Teil der beweglichen Ladung stets in den Potentialfallen, wie sie beispielsweise durch die Bezugsziffer 223a'wiedergegeben sind, eingeschlossen; diese treten unmittelbar links von den Elektroden mit der größeren angelegten

Spannung auf (Elektroden 224 in fig. 18). Dies stellt jedoch kein Problem dar und weist keinen schädlichen Einfluß auf die Signalqualität auf, sofern die Speicherkapazität der Potentialfallen verhältnismäßig gering gegenüber der Speicherkapazität der primären Speicherstellen unter den Elektroden gehalten wird. Diese eingeschlossene Ladung stellt kein Problem dar, weil bei jfdem Übertragungsvorgang die gleiche Ladungsmenge eingeschlossen wird. Diese eingeschlossenen Ladungsträger können in keiner Richtung übertragen werden, da die Fetentialschwellen, beispielsweise 233a' und 234a' unmiuelbar links und rechts davon vorhanden sind. Daher bleibt diese geringe Ladungsmenge nach einer ersten Übertragungsperiode konstant und besitzt keinen Einfluß auf die übertragenen beweglichen Ladungsträger.

Bei jeder Umkehrung der Taktphasen bewegen sich bei der Schaltung nach Fig. 18 in den Potentialmulden die gespeicherten beweglichen Ladungsträger in gleicher Weise um einen Schritt nach rechts, bis schiießiich ein Ladungspaket unter der letzten Elektrode 224 angelegt ist, das in der positiveren η *-Zone 231 gesammelt wird. Die η *-Zone 231 arbeitet analog wie der Kollektor eines Transistors, wobei sich die darin gesammelte Ladung als Strom manifestiert, der durch den der Elektrode 232 zugeordneten Stromkreis und durch geeignete Einrichtungen angezeigt werden kann.

(dealerweise sollten zur Maximierung der speicherbaren Ladungsmenge die Zonen 233, 234 so schmal wie möglich sein und unmittelbar unterhalb der vorderen Kante der zugeordneten Elektrode liegen. In der Praxis lassen sich jedoch unbegrenzt dünne Zonen ebensowenig herstellen wie sich eine absolute Genauigkeit bei der Übereinstimmung von Zonen gegenüber den Elektroden erreichen läßt. Die Zonen 233, 234 liegen daher etwas rechts von der vorderen Kante der zugeordneten Elektrode und weisen eine begrenzte Breite von nahezu der halben seitlichen Erstreckung der Elektroden auf.

Bei einer praktisch hergestellten ladungsgekoppelten Schaltung gemäß Fig. 17 betrug die seitliche Elektrodenabmessung etwa 20 μπι bei einem Abstand zwischen den Elektroden von etwa ΙΟμίτι. Der Abstand der Zonen 233. 234 von jer vorderen Kante der ieweils zugeordneten Elektrode lag bei etwa 5 μπι; die seitliche Erstreckung der Zonen 233, 234 betrug etwa 5 μπι. Ein lus zwei Halbbits entsprechend zwei Elektroden bestehendes Informationsbit erfordert daher eine gesamte seitliche Erstreckung von etwa 60 μπι.

Es gelang, diese Schaltung auf Na ι = tO¹⁷ Akzeptoren pro cm³, Na2= Ό¹⁴ Akzeptoren pro cm³, eine Elektrodenlänge von 25 μπι und einen Elektrodenabstand von 5 μπι zu reduzieren. Diese reduzierte Schaltung besaß einen Bandabstand von etwa — 2,5eV, wobei die Taktspannungen zwischen 0 und 10 Volt variierten. Die Schaltung arbeitete bei Frequenzen bis zu 6,5 MHz mit Verlusten aufgrund unvollständiger Ladungsübertragung mit weniger als 0,1% pro Übertragungsvorgang. Bei 17 MHz betrugen die Verluste etwa 2% pro Übertragungsvorgang. An dem unteren Ende des nutzbaren Frequenzbandes ergab sich für die Frequenzen mit einem Wert unterhalb von 1 KHz kein meßbarer Verlust

Fig.20 zeigt ein abgewandeltes und in gewisser Hinsicht zur Zeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweiphasigen ladungsgekoppelten Schaltung unter Verwendung ungleichförmiger Dotierstoffkonzentrationen an der Grenzfläche zwischen dem Speichermedium und der Isolierschicht Die zweiphasige ladungsgekoppelte Schaltung 250 gemäß Fig.20 entspricht im wesentlichen der Schaltung 220 gemäß Fig. 17, mit der Ausnahme,daß statt verhältnismäßig schmaler Zonen mit p-leitender Dotierung an den für die Potentialschwellen erforderlichen Stellen entsprechende Zonen 253s, 254a... 253n, 254/i, 255 mit η-leitender Dotierung vorgesehen sind.

Fig. 21 zeigt den Oberflächenpotentialverlauf der Schaltung nach Fig. 20, der durch eine gestrichelte

Linie 256 angedeutet ist. Dabei sind die an die Steuerleitungen 225, 226 angelegten Spannung positiv und von solcher OröDe, daß die an der Steuerleitung 225 liegende Spannung Ku kleiner als die an der Steuerleitung 226 liegende Spannung Va₂ ist. Ferner sind in analoger Weise wie bei der Schaltung nach Fig. 18 beide Taktspannungen ausreichend groß, um stets eine ausreichend tiefe Verarmung des Obejilächenbereichs an freien Ladungsträgern zu erzielen. Die Verarmungsbereichstiefe ist größer als die Eindringtiefe der Zonen 253, 254, 255. Hierdurch weruen aiie ionisierten Donatoren in den Zonen 253, 254, 255 freigelegt, so daß der Oberflächenpotentialverlauf demjenigen nach F i g. 8 ähnelt.

In Fig.22 ist ein Diagramm ähnlich wie in Fig. 19 dargestellt, wobei davon ausgegangen ist, daß keine beweglichen Ladungsträger in den Potentialmulden vorhanden sind. Der einzige wesentliche Unterschied zwischen den Kurven gemäß Fig. 19 und 22 liegt darin, daß die Kurven gemäß Fig.22 nach links verschoben sind, so daß der wirksame Kniepunkt A nunmehr auf einer niedrigeren Spannung liegt, beispielsweise bei etwa 1,5 Volt. Da dieser Kniepunkt die minimale zulässige Taktspannung für einen Betrieb im linearen Teil der unteren Kurve gemäß F i g. 22 begrenzt, ergibt sich aus einem Vergleich der F i g. 19 und 22 unmittelbar, daß die Schaltung nach Fig.20, 21 vorteilhaft mit geringeren Taktspannungen als die Schaltung nach Fig. 17,18 betrieben werden kann.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Schaltung nach Fig. 20 und 21 liegt darin, daß die n-Ieitenden Zonen so angeordnet sind, daß sie unterhalb eines Teils zweier benachbarter Elektroden liegen und rch, was sehr wichtig ist. vollständie über den SDaIt zwischen den beiden Elektroden erstrecken. Durch Einführen einer gesteuerten Menge positiver Oberflächenladungsträger in eine n-kanalige Schaltung im Bereich unterhalb der Elektrodenspalte lassen sich unerwünschte Potentialmulden zwischen den Elektroden und/oder Potentialschwellen vermeiden.

Hinsichtlich der Funktionsweise stimmt die Schaltung nach F i g. 20,21 im wesentlichen mit der Schaltung nach Fig. 18 überein und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung. Gemeinsam für beide Schaltungen nach Fig. 18 und 20 ist das grundlegende Prinzip der Einführung mehrerer Bereiche unbeweglicher Ladungsträger von ausreichender Polung und Menge unterhalb der Ebene der Elektroden, um unter dem vorderen Teil jeder Elektrode eine Potentialschwelle gegen Ladungsübertragung in einer ungewünschten Richtung zu erzeugen. Dies bedeutet, daß die unbeweglichen Ladungsträger so angeordnet werden, daß in der Polentialmulde unterhalb jeder Elektrode eine Potentialschwelle erzeugt wird, welche gegenüber der Mitte der darüberliegenden Elektrode entgegengesetzt zur Ladungsübertragungsrichtung versetzt ist

Ein weiteres Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verarmung tiefreichender Oberflächenbereiche des Speichennediums, d.h. des

Infö-fnationskanals im Betrieb der ladungsgekoppelten Schaltung zu erzielen. Hierzu sind alle an die Ladungsküppelungselektroden angelegten Taktspannungen entsprechend groß und in der richtigen Polung gewählt. Mit einer tiefreichenden Verarmung vst der Zustand gemeint, in welchem eine ausreichende Spannung an die Schaltung angelegt ist, um eine dauernde Inversionsschicht von begrenzter Tiefe an der Oberfläche zu erzeugen, wenn genügend Zeil zum Erreichen eines ihermischen Gleichgewichts zur Verfugung steht. Dies ist gleichbedeutend damit, daß eine ausreichende Spannung angelegt wird, damit an der p-leitenden Oberfläche des Quasi-Fermi-Niveau für Löcher oberhalb des Leitungsbandes liegt bzw. damit an der n-leiienden Oberfläche das Quasi-Fermi-Niveau für ßs Elektronen unterhalb des Valenzbandes liegt. Die Tiefe des Verarmungsgebietes erstreckt sich bis herunter auf die Eindringtiefe der in dem Speichermedium vorgesehenen Oberflächenzonen.

u/itr vuiMcncfiu uufgcSiciitcu vjfüfiupniiZipicn üiiicf- 2ü

scheiden die erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Schaltungen grundsätzlich von den eingangs erwähnten Eimerkettenschaltungen. Ein weiterer Unterschied gegenüber den Eimerkettenschaltungen besteht darin, daß bei der ladungsgekoppelten Schaltung nach F i g. 20 und 21 das Dotierungsniveau der η-leitenden Zonen an der Oberfläche des Speichermediums in charakteristischer Weise um Größenordnungen niedrigerer als das Dotierungsniveau bei Eimerkettenschaltungen liegt. Beispielsweise werden bei einer Eimerkettenschaltung die η-leitenden Zonen bis zu einer Konzentration von etwa 10²¹ Ladungsträger pro cm³ dotiert, wohingegen bei der vorliegenden ladungsgekoppelten Schaltung ein derartiges Dotierungsniveau unmöglich in der Lage wäre, die n-Ieitenden Bereiche an freien Ladungsträgern bis zu einer verwendbaren Tiefe zu verarmen, was Voraussetzung für den Betrieb der vorliegenden Schaltung ist. Gemäß F i g. 22 weisen bei der vorliegenden ladungsgekoppelten Schaltung die n-leitenden Zonen Konzentrationen in der Größenordnung von 10¹⁷ Ladungsträger pro cm³ bei einer p-leitenden Grundladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von 5 χ 10¹⁴ Akzeptoren pro cm³ auf.

Die Ausführungsbeispiele nach F i g. 17,18, 20 und 21 können im Quasi-Einphasenbetrieb arbeiten, wobei jede zweite Elektrode auf einem festen Potential gehalten wird und die anderen Elektroden mit einer einzigen Taktleitung gesteuert werden, so daß das Oberflächenpotential unter den letzteren Elektroden abwechselnd das unter den ersteren Elektroden erzeugte Oberflächenpotential über- und unterschreitet Die Ladungskopplungselektroden der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele brauchen nicht notwendigerweise alle die gleichen Abmessungen aufweisen, ebensowenig wie es bei den einphasigen Ausführungsbeispielen erforderlich ist, die Elektrodenspalte mit Abmessungen etwa gleich denjenigen der Elektroden zu versehen. Es sollte lediglich angestrebt werden, daß alle Speicherstellen etwa die gleiche Ladungsspeicherkapazität aufweisen.

Ferner können bei d;n Ausführungsbeispielen ni.ch Fig. 17, 18,20 und 21 die ungleichförmigen Konzentrationen an unbeweglichen Ladungsträgern ebensogut durch seitlich abgestufte Verteilungen von Akzeptoren erzeugt werden, welche unbewegliche negative Ladungsträger in die Schaltung einfügen, h diesem Fall muß die Akzeptorkonzentrntion entgegengesetzt zur gewünschten Ladungsübertragungsrichtiing zunehs'nen. Wie schon erwähnt, können für die beschriebenen ladungsgekoppelten Schaltungen mit n-Ieitendem Übei tragungskanal auch komplementäre Schaltungen mit p-leitendem Obertragungskanal vorgesehen werden, wobei dann der Halbleiterkörper des Speichermediums aufgrund der Verwendung von Löchern als bewegliche

Ü Ladungsträger verhältnismäßig leicht η-leitend dotiert ist. Ferner müßte bei der komplementären Ausbildung der Schaltungen gemäß F i g. 18 oder 20 die ungleic! förmige Dotierstoffkonzentration längs des Kanals mittels Akzeptoren in einer nach rechts steigenden Konzentra-

·: . . „.„_j„_ n:. .>~.i. j»i;n_ri_Sr. 7_ηη»_η noa oll

lliyil L[£bUgt ITbIUVII. Wlb JlllllV ui'iit.i».ii ^uiibii *»».w| «u ■ der Eingangs- und Ausgangsstufe wären ρ+ -leitend auszubilden.

Zur Herstellung der beschriebenen Ausführungsoeispiele mit einer ungleichförmigen Verteilung von Unbeweglichen Ladungsträgern in der Isolierschicht können bekannte Verfahren angewandt werden. In Betracht kommen beispielsweise die unmittelbare Ionenimplantation in die Isolierschicht sowie die Implantierung geeigneter Ionen, wie beispielsweise Kalium- oder Natriumionen, in die Halbleiter-Isolierschicht-Grenzfläche. Bei diesem letztgenannten Verfahren bewirken die Ionen Bandverschiebungen im Halbleiter-Speichermedium, ohne daß die Ionen wie üblich als Dotterstoffe wirken.

Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können lineare Abstufungen oder Näherungen der asymmetrischen Potentialmulden durch stärker dotierte Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern überlagert werden, um örtlich größere Potentialschwellen als allein durch die lineare Abstufung zu bilden. Hierdurch läßt sich beispielsweise eine größere Menge an übertragbaren beweglichen Ladungsträgern in einer bestimmten Potentialmulde speichern, ohne daß die Gefahr einer der Ladungsüberragungsrichtung entgegengesetzten Ladungsübertragung über 610 durch lineare Abstufung erzielbaren Potentialschwellen hinwegbesteht.

Das vorstehend erläuterte Grundprinzip einer ungleichförmigen Verteilung unbeweglicher Ladungsträger läßt sich auch auf ladungsgekoppelte Schaltungen mit einem von der Oberfläche des Speichermediums in dessen Inneres verlegten bzw. »vergrabenen« Übertragungskanals anwenden. Dabei werden die linear abgestuften Zonen an unbeweglichen Ladungsträgern oder die abgestuften Näherungen hiervon bis zu einer ausreichenden Tiefe ausgebildet, um eine ähnliche Wirkung auf den »vergrabenen Obertragungskanal« auszuüben wie in der vorstehend beschriebenen Weise auf den an der Oberfläche des Speichermediums vorhandenen Obertragungskanal.

35

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (26)

Patentansprüche:

1. Ladungsübertragungsvorrichtung mit einem halbleitenden oder isolierenden Ladungsspeichermedium, das einen Bereich zum Einbringen einer steuerbaren Menge von Ladungsträgern eines vorgegebenen Leitungstyps in das Ladungsspeichermedium sowie einen Bereich zum Abtasten der Ladungsträger aufweist, wobei auf dem Ladungsspeichermedium eine Isolierschicht und auf dieser eine Anzahl von Elektroden angebracht sind und wobei während eines Speicherintervalls der Ladungsübertragungsvorrichtung eine asymmetrische Potentialmulde unter jeder Elektrode gebildet wird, i; dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der asymmetrischen Potentialmulden eine seitlich ungleichförmige Verteilung (23aa, 24aa) einer ausreichenden Menge an unbeweglichen Ladungsträgern unterhalb längs der Elektroden (23a, 24a) vorgeseher» ist.

2. Ladungsübertragungsvorrichtung nach An- »pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unbeweglichen Ladungsträger in hintereinander liegenden Bereichen (z. B. 23aa. 24aa; 47a. 47aa, 47b, 47 bb; 71, 72, 73) angeordnet sind, wovon jeder Bereich eine in einer bestimmten Richtung zunehmende Ladungs-Irägerkonzentration aufweist und unterhalb zumindest eines Teils einer zugeordneten Elektrode (z. B. 23a; 45a; 23t/; 45d) und/oder zumindest eines Teils des Elektrodenspalts zwischen zwei benachbarten Elektroden /erläuft (F i g. 1 bis 6 und 9 bis 13).

3. Ladungsübertrrgungs\-rrichtung nach An- »pruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der unbeweglichen Ladungsträger entgegengesetzt tu der Polarität der zu übertragenen, beweglichen Ladungsträger ist und daß die Ladungsträgerkonlentration in jedem der Bereiche in der Übertragungsrichtung der beweglichen Ladungsträger zuiiimml. -to

4. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Antpruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Polarität der unbeweglichen Ladungsträger gleich der Polürilät der zu übertragenden beweglichen Ladungsträger ist und daß die Ladungsträgerkonzentration in jedem der Bereiche in einer Richtung entgegengeietzt zu der Übertragungsrichtung der beweglichen Ladungsträger ansteigt.

5. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Antpruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Bereiche (29) eine Dotierstoff/one (z. B. 28; 43) mit einem solchen Konzentrationsprofil vorgesehen Ist. daß bei Anlegen einer Ί abspannung an die Elektroden (z. B. 23a; 45; 23d) in dem Speichermedium (z.B. 21; 41) ein elektrisches Feld längs des Übertragungskanals in einer die Übertragung der beweglichen Ladungsträger steigernden Richtung erzeugt wird.

6. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Antpruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffe zumindest teilweise in der Isolierschicht (42) angeordnet sind (F i g. 3,6,9,11,12,13).

7. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der Dotierstoffe der Polarität des Speichermediums (z. B. 21) entgegengesetzt ist

8. Ladungsübertfagungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Elektroden angelegte Taktspannung so bemessen ist, daß die Oberfläche des Speichermediums bis zu einer zumindest der Eindringtiefe der Dotierstofte in das Speichermedium entsprechenden Tiefe an beweglichen Ladungsträgern verarmt.

9. Ladungsübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen zwei benachbarten Elektroden (z. B. 45a, 45b; 23a, 23b) im wesentlichen g'eich der seitlichen Länge jeder Elektrode ist und daß jeweils ein Bereich (z. B. 47a, 47b) unterhalb jeder Elektrode (45a, 45b) und jeweils ein Bereich (47aa, 47hb) unterhalb jedes Elektrodenspalts angeordnet ist (F i g. 3 bis 5).

10. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine einphasige Taktspannung mit periodischem Wechseln zwischen einem größeren und einem kleineren Spannungswert vorgesehen ist.

11. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Spannungswert so bemessen ist, daß das dadurch erzeugte Oberflächenpotential größer ist als das durch die ungleichförmige Ladungsträgerverteilung unterhalb der Elektrodenspalte erzeugte Oberflächenpotential.

12. Ladungsübertragungsvorricluung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Spannungswert so bemessen ist, daß das dadurch erzeugte Oberflächenpotential kleiner ist als das durch die ungicichförmige Ladungsträgerverteilung unterhalb der Elektrodenspalte erzeugte Oberflächenpotential.

13. I.adungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Bereich (71, 72, 73) im wesentlichen unterhalb einer zugeordneten Elektrode (z. B. 23d) und unterhalb des Zwischenraums zwischen der zugeordneten Elektrode und der nächstfolgenden Elektrode verläuft (F ig. 6).

14. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche des Speichermediums (121) im wesentlichen unterhalb der Elektrodenspalte verhältnismäßig stark dotierte Zonen (123^ vom gleichen Leitungstyp wie das Speichermedium vorgesehen sind(F ig. U).

15. Ladungsübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche ? bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bereich (z. B. \23d) einen linear abgestuften Konzentrationsverlauf besitzt (Fig. II).

16. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bereich zwei unterschiedliche lonenkonzentrationsabschnitte umfaßt, in denen jeweilig die lonenkonzentration im wesentlichen gleichförmig ist, und daß in dem — in Ladungsübertragungsrichtung gesehen — vorderen Abschnitt die lonenkonzentration größer als in dem anderen Abschnitt ist.

17. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Isolierschicht (82; 92) eine gleichförmige Verteilung unbeweglicher Ladungsträger sowie irr dem Speichermedium (81; 91) längs des Übertragungskanals mehrere Dotierstoffzonen (z.B. 8ld; 9\d) vorgesehen sind (F i g. 7,8).

18. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der

Isolierschicht (102; 112) eine gleichförmige (Fig.9) oder ungleichförmige (Fig. 10) Verteilung unbeweglicher Ladungsträger vorgesehen ist und daß jede Elektrode (z. B. \03d) einen ungleichförmigen Abstand von der Isolierschicht besitzt.

19. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (152) mehrere periodisch wiederkehrende Abschnitte unterschiedlicher Dicke aufweist, daß die ungleichfö, mige Verteilung unbeweglicher Ladungsträger längs der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht (152) und dem Speichermedium (151) angeordnet ist und daß die Isolierschicht (152) zumindest teilweise mit einer Metallschicht (153) überdeckt ist (F i g. 13).

20. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der dickere Abschnitt der Isolierschicht (152) zumindest die dreifache Dickenabmessung des dünneren Isolierschichtabschnitts aufweist.

21. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (z. B. SId; 9\d; 233a; 253a) asymmetrisch bezüglich der Elektroden (z. B. 23d; 223a) angeordnet sind (Fig. 7,8,17,20).

22. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone (z. B. 233a) vollständig unter einer zugeordneten Elektrode (z. B. 223a) angeordnet ist, derart, daß das geometrische Zentrum gegenüber dem geometrischen Zentrum einer zugeordneten, darüberliegenden Elektrode versetzt ist (F i g. 17).

23. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch ein p-Ieitendes Speichermedium (221) und p-Ieitende Zonen, wobei die Dotierstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper des Speichermediums (z.B. 121) etwa 5x10¹⁴ Akzeptoren pro cm³ und die Dotierstoffkonzentration in den stärker dotierten Zonen (z. B. i23d)etwa 10¹⁷ Akzeptoren pro cm¹ beträgt.

24. Lddungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone (z. B. 253a,) lediglich unter einem Teil einer zugeordneten darüberliegenden Elektrode (z. B. 223a) einem Teil einer dazu benachbarten Elektrode (z. B. 224a) und dem Spalt zwischen diesen benachbarten Elektroden verlauf t (F i g. 20).

25. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 24. gekennzeichnet durch ein p-leisendes Speichermedium (221) und η-leitende Zonen, wobei die η-leitenden Zonen bis zu einer Konzentration von etwa 10" Donatoren procm³dotiert sind.

26. t,adungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitenden Zonen (z. B. 253a) eine Eindringtiefe bis etwa 2 χ 10"' cm besitzen.