DE2264125A1

DE2264125A1 - Ladungsgekoppelte halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE2264125A1
Application number: DE2264125A
Authority: DE
Inventors: Yokichi Itoh; Yoshiaki Kamigaki; Hideo Sunami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-29
Publication date: 1973-07-19
Also published as: US3852801A; DE2264125C3; NL163063C; NL163063B; NL7217758A; JPS5318155B2; DE2264125B2; JPS4874179A

Description

Ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung (Priorität: 29. Dezember 1971, Japan, Nr. 1 656/72) Die Erfindung bezieht sich generell auf eine ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung und betrifft insbesondere eine solche Einrichtung, die mit Mitteln versehen ist, um Ladungsträger so zu inJizieren, daß die durch die Halbleitereinrichtung zu übertragenden Ladungsträger vorgespannt oder "aufgestockt" werden. Erfindungsgemäß wird die Ladungsträger-Ubertragungs fähigkeit merlich erhöht.
Ladungsgekoppelte Halble£tereinrichtungen finden seit einiger Zeit weitverbreitete Anwendung in Schieberegistern, Bildsich.teinrichtungen und dergleichen, weil sie einfach in ihrem Aufbau und leicht herzustellen sind. Ladungsgekoppelte MIS-Halbleitereinrichtungen nach dem Stand der Technik umfassen generell ein albleitersubstrat, eine auf einer Hauptfläche cv Substrats vorgesehene dünne Isolierschicht, eine Einrichtung zum Injizieren von Ladungsträgern iri das Substrat, mehrere auf der Isolierschicht ausgebildete Elektroden, die in Längsrichtung in einem bestimmten abstand voneinander entfernt angeordnet sind, um die injizierten Ladungsträger zu speichern und sie längs der Trennfläche zwischen dem Substrat und der Isolierschicht zu übertragen oder verschieben, ferner mit den Elektroden elektrisch verbundene Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes um di? Ladungsträger zu verschie'en, sowie eine &n cir.cn c rer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung vorgesehene Einrichtung zur Messung der durch den Halbleiter verschobenen Ladungsträger.
Als zu verschiebende oder Ubertragende Ladungsträger werden Minoritätsträger verwendet, weil der Halbleiter zur Erzeugung solcher Minoritätsträger geeignet ist. Handelt es sich bei dem verwendeten Halbleiter um den n-Typ, so werden als Ladungsträger Löcher verwendet, während bei einem Halbleiter des p-Typs Elektronen benützt werden.
Iw folgenden soll die Betriebsweise einer herkömmlichen ladungagekoppelten Halbleitereinrichtung des oben beschriebenen Typs kurz erläutert werden. Wird einer der Elektroden auf der Isolierschicht eine Gleichspannung zugeführt, so bildet sich in der Trennschicht zwischen Halbleitersubstrat und Isolierschicht zwischen der Elektrode und einem in dem Substrat gebildeten und als Gegenelektrode wirkenden Bereich eine Verarmungs oder Raumladungszone. Da die Verarmungs zone sich unmittelbar unterhalb der Elektrode bildet, an der die Gleichspannung liegt, entsteht eine Potentialsenke.
In diesem Zustand können Ladungsträger in das Halbleitersubstrat injiziert werden, indem an dem pn-übergang eine Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, die im Falle einer MOS-Halbleitereinrichtung einen Lawinen-Durchbruch verursacht, oder indem der pn-tYbergang beleuchtet wird. Die so freigesetzten Minoritätsträger sammeln sich in der Potentialsenke.
Sodann wird an der der ersten Elektrode der benachbarten nächsten Elektrode eine Gleichspannung angelegt, die höher ist als die an der ersten Elektrode liegende, so daß sich unmittelbar unter dieser zweiten Elektrode eine tiefere Potentialsenke bildet. Da den Minoritätsträgern das Bestreben innewohnt, sich in die tiefere Potentialsenke zu bewegen, werden sie in diese verschoben oder übertragen.
I;ach '>bertrayz r- der llinoritätstr -er in den bereich unmittelbar unterhalb der nächsten Elektrode wird die an der ersten Elektrode liegende Spannung abgeschaltet, während die an der zweiten Elektrode liegende Spannung auf den Pegel der vorherigen Spannung an der ersten Elektrode reduziert wird. Auf diese Weise lassen sich die Ladungs- oder Minoritätsträger von dem Bereich unmittelbar unterhalb einer Elektrode auf den Bereich unmittelbar unterhalb der nächsten Elektrode durch die ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung hindurch bis zur Ausgangsklemme übertragen.
Der grundsätzliche Aufbau und die Arbeitsweise einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung sind im einzelnen beispielsweise in dem Aufsatz von W.S Boyle und G.E. Smith "Charge Coupled Semi-Conductor Devices" sowie in dem Aufsatz von G.F. Amelio, M.F. Tompsett und G.E. Smith "Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept" in der Zeitschrift Bell System Technical Journal, Band 49, Nr. 4, April 1970, Seiten 587 bis 600 be.schrieben.
Bei den ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen des oben beschriebenen Typs ist es unvermeidlich, daß einige der Ladungs-oder Minoritätsträger aus dem Bereich unmittelbar unterhalb einer Elektrode in den Bereich unmittelbar unterhalb der nächsten Elektrode nicht übertragen werden, sondern in dem Bereich unter der ersten Elektrode zurückbleiben. Um den Vorteil ladungsgekoppelter Halbleitereinrichtungen voll auszunutzen, ist es selbstverständlich erwünscht, daß die Einrichtungen eine möglichst nahe an 100 , kommende Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit aufweisen. (Die Ladungsträgerttbertragungs fahigkeit is t definiert durch das Verhältnis der Anzahl von aus einem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode zu einem Bereich unmittelbar unter der nächsten Elektrode übertragenen Ladungs- oder Minoritätsträger zu der Gesamtzahl von in dem Bereich unmittelbar unterhalb der besagten einen Elektrode vorhandenen Ladungsträger.) Beträgt nämlich die Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit beispielsweise nur 99%.
so sinkt die Anzahl der silber 10 Elektroden übertragenen Ladungsträger auf einen Wert in der Größenordnung von 37 ,.
Dies bedeutet, daß die maximale Ladungsmenge Qmax, die sich in dem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode speichern und in den Bereich unmittelbar unter der nächsten Elektrode übertragen läßt, von der an der Elektrode anliegenden Spannung und der Elektrodenfläche abhängt. Die maximale Ladungsmenge Qmax kann in dem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode gespeichert werden, die sich in der Nähe der Eingangsklemme befindet; bei fortgesetzter Ladungsträger-Ubertragung nimmt jedoch die Anzahl an Ladungs- oder Minoritätsträgern, die in dem vorhergehenden Bereich zurückgeblieben sind, sowie an Ladungs- oder Minoritätsträgern, die neutralisiert worden ist, aus den oben angegebenen Gründen zu. Daher wird es äußerst schwierig, das Signal, das der durch die Einrichtung übertragenen Ladungs- oder Minoritätsträgermenge entspricht, vom Rauschen zu unterscheiden. Wird ferner die Anzahl von Elektroden erhöht, d.h. wird die Anzahl der Ladungs-oder Minoritätsträger reduziert, so vermindert sich die Übertragungsleistung, so daDdie Anzahl der an der Auvgangsklemme gesammelten Ladungsträger beträchtlich verringert ist.
Den ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen nach dem Stand der Technik wohnen die obigen Nachteile Inne. Daher ist bei diesen herkömmlichen Einrichtungen die Anzahl der verwendeten Elektroden auf einen Wert begrenzt, der beträchtlich kleiner ist als derjenige Wert, der sich aus der theoretischen Berechnung nach der Ladungsträger-Ubertragungsfähig keit auf der Grundlage der maximal speicherbaren Ladungsmenge Qmax, d.h. nach der anfänglichen Ladlmgsträger-Uber tragungsfähigkeit ergibt, damit die durch die Einrichtung übertragenen Ladungsträger an der Ausgangs klemme gemessen werden können.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Nachteile und Probleme, wie sie bei den ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen nach dem Stand der Technik auftreten, zu überwinden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neuartige ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung zu schaffen, bei der die Ladungs- oder Minoritätsträger, die in der folgenden Beschreibung als Signalladung bezeichnet werden und die längs der Oberfläche eines Halbleitersubstrats unter einer Vielzahl von im folgenden als "Ladungs-Ubertragungselektroden" bezeichneten Elektroden übertragen worden sind, als klares Ausgangssignal erfaßt und abgeleitet werden können.
Zur Aufgabe der Erfindung gehört es weiterhin, eine neuartige ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung mit hoher Ladungsträger-Ubertragungsleistung zu- schaffen, so daß sich die Dämpfung der Signalladung minimieren und die Zahl der verwendeten Ladungs-Übertragungselektroden auf einen Wert erhöhen läßt, der bisher mit den Halbleitereinrichtungen nach dem Stand der Technik nicht erreichbar war.
Zur Lösung der obigen und weiteren Aufgaben wird erfindungsgemäß eine der Signalladung entsprechende "Vor-Ladung" automatisch der Raumladungs- oder Verarmungszone zugeführt, die in dem Bereich einer Halbleiterschicht unmittelbar unter einer Ladungsübertragungselektrode, an der ein Impuls oder eine Spannung liegt, gebildet ist. FSurz gesagt, besteht eines der wichtigen Merkmale der Erfindung darin, daß dann, wenn bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung an eine Ladungs-Ubertragungselektrode die in einer Potentialsenke gespeicherte Ladung kleiner ist als eine vorgegebene Normalladung, die Potentialsenke in Kontakt mit einem pn-tlbergang oder einer Ohmschen Verbindung gebracht wird, wobei der Ubergang bzw.
die Verbindung zwischen einer Malbleiterschicht und einer leitenden Schicht (beispielsweise einer Schicht aus einem Halbleiter, dessen Halbleiterpolarität von der der erstgenannten Halbleiterschicht verschieden ist, oder einer metallischen Schicht) besteht, so daß die "Vor-Ladung" automatisch in die ersteenannte LTalbleiterschicht unmittelbar unter den Ladungs-Übertragungselektrode injiziert wird.
wenn an dieser Elektrode der Ladungsilbertragungsimpuls liegt.
Erfindungsgemäß wird nicht nur die Dämpfung der Signalladung minimiert, sondern auch die Ladungs-Übertragungsleistung beträchtlich angehoben. Weiterhin kann das die Injektion der Vor-Ladung bewirkende Signal an die Signalladungs-Übertragungs elektrode angelegt werden. Dies bedeutet, daß der Signalladungs-Übertragungsimpuls als Signal für die Injektion der Vor-Ladung verwendet werden kann, so daß es nicht nötig ist, dieses Signal dem pn-Ubergang, an dem die Vor-Ladungsträger injiziert werden, in genauer zeitlicher Relation zu den an den Ladungs-Ubertragungselektroden liegenden Signalladungs-Ubertragungsimpulsen zuzuführen. Daher lassen sich erfindungsgemäße ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtungen in ihrem Aufbau besonders einfach und in ihren Abmessungen kompakt entwerfen.
Vorzugsweise umfaßt eine erfindungsgemäße ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung ein Halbleitersubstrat des p-Typs, eine auf einer Hauptfläche des Substrats ausgebildete Halbleiterschicht des n-Typs mit einer Dicke von 3,0 , eine auf dieser Halbleiterschicht aufgetragene SiO2-Schicht, sowie eine Vielzahl auf der letztgenannten Schicht vorgesehener Elektroden, die in vorgegebenem Abstand in Längsrichtung voneinander entfernt angeordnet sind. Wird die Anzahl der Ladungsträger, die längs der Trennfläche zwischen der n-Halbleiterschicht und der SiO2-Schicht übertragen werden sollen, kleiner als die Hälfte der Maximalladung, die sich in der n-Halbleiterschicht unmittelbar unter derjenigen Elektrode speichern läßt, an der eine Impulsspannung von -20 V liegt, so bildet die Kante der unmittelbar unter der Elektrode gebildeten Potentialsenke Kontakt mit dem p-Halbleitersubstrat, so daß eine Ladungsmenge, die gleich der Hälfte der maximal speicherbaren Ladungsmenge ist, aus dem pHalbleiterrIbstrrt injiziert werden I:ann. Sornit lcßt sich die Dämpfung der Ladung während der Ladungsübertragung und -Speicherung kompensieren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen erläutert; in den Zeichnungen zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik; Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Normalladung und dem Oberflächenpotential; Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential und der Tiefe der Raumladungs oder Verarmungszone; Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Signalladungs-Detektors, der mit einem Verstärker versehen ist, um von den durch die ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung des in Fig. 4 gezeigten typs übertragenen Signalladungen diejenige Signalladung zu ermitteln, die oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt; Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Halbleitereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 7 einen Schnitt durch einen Teil einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die eine Variante der Einrichtung nach Fig. 4 darstellt; Fig. 8 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungs form der Erfindung, die eine Variante der Halbleitereinrichtung des in Fig. 6 gezeigten Typs darstellt; Fig. 9 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung; Fig. 10 eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungs form der Erfindung die eine weitere Variante der Halbleitereinrichtung des in Fig. 6 gezeigten Typs darstellt; Fig. 11 ein Ausgangsmuster, wie es durch ein Bild-Ubertragungssystem mit oder ohne erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleitereinrich tungen zu übertragen ist, zur Erläuterung der neuartigen Merkmale und Vorteile; Fig. 12 ein Muster in seiner Wiedergabe durch ein Bild-Ubertragungssystem, das mit ladung gekoppelten Halbleitereinrichtungen nach dem Stand der Technik arbeitet; und Fig. 13 ein Muster in seiner Wiedergabe durch ein Bild-Ubertragungssystem, das mit erfindungsgemäsen ladungsgekoppelten Übertragungsein richtungen arbeitet.
StanTehnikF1ren 1 bis 3 Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des Erfindung soll zunächst eine ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung nach dem Stand der Technik; anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben werden, um din Nachteile und Schwierigketten bei den herkömmlichen Geräten wahrer aufzuzeigen, Die ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung nach Fig. 1 arbeitet nach der Methode, bei der die Signalladung an einem pn-übergang injiziert wird. An einer Zone 7, deren Polarität oder Typ von der Polarität bzw. dem Typ des Substrats sowie dem einer Eingangs-Gate-Elektrode 1 verschieden ist, wird eine Spannung angelegt, so daß ein Kanal gebildet wird, durch den Ladungen unter eine Ubertragungse).ektrode 1 injiziert werden können. An Klemmen 8, 9 und 10, die gemäß Fig. 1 jeweils mit jeder dritten Übertragungselektrode 3 verbunden sind, liegen dreiphasig pulsierende Spannungen, gemäß denen die injizierten Ladungen unter den übertragungselek troden 3 jeweils von dem Bereich unter einer Ubertragungs elektrode zu dem Bereich unter der nächsten Ubertragungs elektrode übertragen werden.
Die unter den Ubertragungselektroden 3 speicherbare und Ubertragbare Maximalladung Qmax hängt, wie oben erwähnt, von der Elektrodenfläche und der an den Elektroden liegenden Spannung ab.
Das Diagramm nach Fig. 2 veranschaulicht die Beziehungen zwischen dem Oberflächenpotential sw das die Größe der Krümmung des Energiebandes an der Oberfläche des Halbleitersubstrats unter den Übertragungselektroden darstellt, der normalisierten Ladung oder Normalladung QN (mit QN = Q/Qrnax, wobei Q die gespeicherte Ladung ist) und der Steuerspannung V', die gleich der an der Elektrode liegenden Spannung minus der Flachbandspannung und der Arbeitsfunktion zwischen den Elektroden ist.
Das Diagramm nach Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential ¢s und der Tiefe W der unter der Oberfläche deo Ivalbleiters einer larungsgekoppeiten Halbleitereinrichtung gebildeten Verarmungszone, wobei die Donatorkonzentration des n-Halbleiters unter den Ubertragungselektroden 1014/cm3, 1015/cm3 bzw. 1016/cm3 beträgt.
In der ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung des in Fig. 1 gezeigten Typs läßt sich unter der der Eingangs elektrode benachbarten Ubertragungselektrode 3 die Maximalladung Qmax speichern; beim Ladungsübertragungs-Vorgang nimmt jedoch diejenige Ladungsmenge, die neutralisiert wird und in dem Bereich unter der übertragungselektrode zurück bleibt zu, so daß die Menge der durch die Bereiche unter den Ubertragungselelctroden 3 übertragenen Ladungsträger beträchtlich reduziert wird. Infolgedessen wird es außerordentlcih schwierig, die Signalladung an der letzten Ubertragungselektrode oder an der Ausgangsklemme noch festzustellen. Wie oben erwähnt, ist es ferner nicht von Vorteil, die Anzahl der übertragungselektroden zu erhöhen, um zu vermeiden, daß die Ladungsträger-Ubertragungsletstung sinkt.
Prinzip der Erfindung Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip wird in dem Halbleitersubstrat bestimmter Polarität unter einer Ladungsübertragungselektrode nahe der dort vorhandenen Potentialsenke ein Halbleiterbereich entgegengesetzter Polarität oder eine Metallschicht vorgesehen, so daß die Majoritätsträger in diesem Halbleiterbereich bzw. dieser Metallschicht die zur Speicherung und Übertragung verwendbare Ladung bilden. Der genannte Halbleiterbereich entgegengesetzter Polarität (worunter auch die Tetallschicht verstanden werden soll) ist so ausgebildet, daß die Kante der Verarmungszone, die ihrerseits die Potentialsenke bildet, in Kontakt mit dem Halbleiterbereich gebracht werden kann, wenn bei anlegen einer voreebenen Spannung an die Ubertragungselektroäe aie in der Potentialsenle gespicherte Ladung kleiner wird als eine vorgegebene normalisierte Ladung oder Normalladung. Bei Anlegen der Spannung an die übertragungselektrode erreicht also die Verarmungszone dann, wenn die Ladung in der Potentialsenke kleiner ist als die vorgegebene Normalladung, den Halbleiterbereich entgegengesetzter Polarität, so daß die in dem Halbleiterbereich vorhandenen Majoritätsträger injiziert werden, bis die normalisierte Ladung in der Potentialsenke einen vorgegebenen Wert erreicht. Sodann wird die Verarmungszone von dem Halbleiterbereich getrennt, wodurch die Injektion von Majoritätsträgern untertrochen wird. Erfindungsgemäß läßt sich also eine der vorgegebenen Normalladung entsprechende einstellbare Vor-Ladung erzielen, selbst wenn in der Potentialsenke keine Signalladung vorhanden ist.
Außerdem dient die oben beschriebene Vor-Ladung dazu, die Dämpfung der übertragenen Signalladung zu verhindern. Dies bedeutet, daß die Signalladung bei genügend großer übertragungsleistung festgestellt werden kann, selbst wenn eine kleine Signalladung bei der übertragung so stark gedämpft wird, daß sie schwer festzustellen ist.
Die Größe der Vor-Ladung kann willkürlich nach der Größe der Signalladung unter der Bedingung 0 # ON # 1 gewählt werden. In diesen Fall ist die gespeicherte Ladung die Summe der Signalladung Q5 und der Vor-Ladung Qb Die Vor-Ladung läßt sich nach der Steuerspannung V' bestimmen, die ihrerseits durch die an den Ubertragungselektroden liegende Spannung, die Dauer der Steuerspannungs-Zuführung, die Dichte, mit der die Halbleiterbereiche der einen oder der anderen Polarität mit Störstoffen dotiert sind, sowie die Positionen der in den Halbleiterbereichen gebildeten pn-übergänge gesteuert wird.
1. Ausführungsform; Figuren 4 und 5 Bei der in Figur. 4 im Schnitt gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung ist ein Halbleiterbereich oder Substrat 11 einer Polarität unter einem Halbleiterbereich 6 der entgegengesetzten Polarität gebildet, der seinerseits unter übertragungselektroden 3 zur Ladungsspeicherung und -übertragung geformt ist. I;ach den heutigen Haltleitertechniken ist es leicht, eine Halbleitereinrichtung des in Fige 4 gezeigten Typs zu fabrizieren, indem auf einem Halbleitersubstrat einer Polarität eine Halbleiterschicht entgegengesetzter Polarität epitaxial aufgeaæchsen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterbereich 6 durch ein solches epitaxiales Aufwachsen auf dem Substrat 11 gebildet.
Eine Diffusionszone 7, in die die Signalladung injiziert wird, sowie die weiteren Elektroden 4, 1 und 3 lassen sich nach herkömmlichen Halbleiter-Herstellverfahren erzeugen.
1. Betriebsmodus Gemäß einem ersten Betriebsmodus wird dann, wenn an den Elektroden die Ubertragungsimpulse liegen, eine kleine Vor-Ladung der Oberfläche des Halbleiters unter den übertragungselektroden zugeführt, um die dort vorhandenen Fangstellen zu eliminieren und die Dämpfung der Signalladung während der übertragung zu kompensieren. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das Substrat oder der Halbleiterbereich 6 eine Dicke von 3,0 ß und eine Störstoffdichte des n-Donators von 1015/cm3 die Steuerspannung V' (vergleiche Fig. 2) betragt etwa~10 Volt. Um die Ladungs-Ubertragung durchzuführen, werden an die Elektroden Übertragungsimpulse mit einer Spannung, die eines höher ist als die Steuerspannung V', angelegt. ist die Signalladung nicht injiziert so ist die I;ormnlladunx jt (vergleiche Fig. 2) fast null, so daß das Oberflächenpotential des Halbleiterbereichs unter den Elektroden etwa -8 Volt beträgt und die Verarmungszone eine Tiefe von etwa 3 g hat und dadurch den Halbleiterbereich 11 erreicht, der eine hohe p-Akzeptor-Dicht aufweist (vergleiche Fig. 3). Die positiven Ladungen (Löcher), die dann durch die Verarmungszone der Oberfläche des Halbleiterbereichs 6 zugeführt werden, beseitigen die darauf vorhandenen Fangstellen und werden gespeichert, so daß die Dämpfung der übertragenen Signalladung kompensiert wird. Daher tritt keine Auagangsladung auf, wenn nicht die Signalladung injiziert wird und an den übertraguigselektroden die Impulsspannung von über -10 Volt liegt. Wird eine kleine Signalladung mit der Vor-Ladung übertragen, so wird an der Ausgangsklemme nur die Signalladung gemessen. Die Ladungsträger-Ubertragungsleistung läßt sich also selbst dann stark erhöhen, wenn eine verhältnismänig niedrige Übertragungs-Impulsspannung anliegt.
Figur 5 zeigt eine Schaltung einer Detektoreinrichtung, die eine oberhalb eines Schwellenwertes liegende Ladungsmenge als Ausgangssignal ermittelt. Die an der Oberfläche des Halbleiterbereichs 6 übertragene Ladung wird durch einen in Sperr-Richtung vorgespannten Fn-Ubergang 13 abgeleitet und einem Verstärker 14 zugeführt, der gleichzeitig als Dlskriminator arbeitet. Das verstärkte Signal liegt an einer Gatterstufe 16, bei der es sich tun eine herköt:imliche Diodenschaltung handeln kann, so daß sich ein nur das Eingangssignal darstellendes Signal ableiten läßt. Die an dem pn-Übergang 13 abgeleitete Ausgangsspannung VI kann dadurch diskriminiert werden, daß die aus einer variablen Gleichspannungsquelle 15 zugeführte Spannung VR geändert wird.
Die Ausgangsspannung Vo ist gegeben durch Vo = -A (V1 VR) für V1> VI Vo = O für VI C wobei A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 14 ist.
Zusammenfassend kannzeichnet sich der erste Betriebsmodus dadurch, daß sich die Vor-Ladung durch die übertragungsim pulse injizieren läßt.
2. Betriebamodus In einem zweiten Betriebsmodus wird unmittelbar vor Beginn der Ladungsübertragung bei Injizieren der Signalladung sämtlichen übertragungselektroden einmal eine Spannung zugeführt, die höher ist als die Spannung der Ladungsübertragungsimpulse, um an der Oberfläche des Halbleiterbereichs 6 unmittelbar unter den Ubertragungselektroden eine geeignete Ladungsmenge zu speichern; sodann wird die Eingangs-Signalladung injiziert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Steuerspannung von etwa -20 Volt einmal an alle übertragungselektroden unmittelbar vor Injizieren der Signalladung angelegt. Damit ist, wie aus Figur 2 und 3 ersichtlich unter jeder Ubertragungselektrode 3 die Normalladung QN gleich der Hälfte der unter den übertragungselektrodm 3 speicherbaren Maximalladung gespeichert.
Wird nun eine Signalladung, die in ihrer Größe der Hälfte der maximal speicherbaren Ladung entspricht, injiziert, ohne eine Uberladung hervorzurufen, so läßt sich die Ladungsträger-Übertragungsleistung wegen der Anwesenheit der vorher injizierten Normalladung von 0,5 merklich erhöhen.
Die vorher injizierte Ladungsmenge (gerechnet in QN) läßt sich innerhalb des Bereiches O C QI; S 1 dadurch willkürzlich auswählen, daß die Spannung, die unmittelbar vor Injizieren der Signalladung sämtlichen Ubertragungselektroden gleichzeitig zugeführt wird, verändert wird. An dem Halbleiterbereich oder -Substrat 11 liegt eine Spannung, bei der die Minoritätsträger an dem pn-UberganU zwischen den Halbleiterbereichen 6 und 11 aus dem bereich 11 in den Bereich 6 injiziert werden können; normalerweise ist das Substrat 11 erdet.
2. usfUhrungsform; Figur 6 Bei der in Fig. 6 gezeigten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Halbleiterbereich 11, dessen Halbleiter-Polarität von der des Halbleiterbereichs 6 verschieden ist, auf der Oberfläche des Bereichs 6 parallel zu einer Gruppe von übertragungselektroden 3 geformt und mit einer metallischen Elektrode 12 versehen, die in Ohm'schem Kontakt mit dem Halbleiterbereich 11 steht. Wie bei dem oben beschriebenem ersten Ausführungsbeispiel kann an der Oberfläche des Halbleiterberichs 6 unter den übertragungs elektroden 3 Ladung gespeichert werden, wenn die Verarmungszone in dem Halbleiterbereich 6 unter den übertragungselektroden den Halbleiterbereich 11 erreicht. Die Halbleitereinrichtung gemäß dieser zweiten Ausführungsform kann ebenfalls in den oben beschriebenen ersten und zweiten Betriebsmodi arbeiten.
3. AusfUhrgsform; Figur 7 Die in Figur 7 dargestellte dritte Ausführungsform der Erfindung ist im wesentlichen in ihrem Aufbau der ersten Ausfuhrungsform nach Fig. 4 mit der Ausnahme ähnlich, daß sich ein oder mehrere Vorsprünge 13' des Halbleiterbereichs oder -Substratsli an den übertragungselektroden entgegengesetzten Stellen in den Halbleiterbereich 6 erstrecken. Wird nun die Spannung an die übertragungseiektrode 3 angelegt und ist an der Oberfläche des Halbleiterbereichs 6 unter der Ubertragungselektrode 3 eine Ladung gespeichert, die kleiner ist als der vorgegebene Wert, so wird die Verarmungszone so ausgedehnt, daß Ladungen bis zu einer vorgegebenen Menge injiziert und gespeichert werden.
4. Ausihungsform; Figur 8 Die in Fig. 8 gezeigte vierte Auführungsforii der erfindungs gemäßen Halbleitereinrichtung ist in ihrem Aufbau im wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fg. 6 mit der Ausnahme ähnlich, daß sich von dem Halbleiterbereich 11 mindestens ein Vorsprung 13" in den Halbleiterbereich 6, dessen Halbleiter-Polarität von der des Bereichs 11 verschieden ist, erstreckt. Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 8 ist ähnlich der der zweiten Ausführungsform nach Fig. 6.
5. Ausfühninsform; Figur9 Die in Fig. 9 gezeigte Halbleitereinrichtung ist in ihrem Aufbau im wesentlichen der ersten Ausführungsform nach Fig. 4 mit der Ausnahme ähnlich, daß in dem Halbleiterberich 6 mindestens ein oder auch mehrere in Abstand voneinander angeordnete Halbleiterbereiche 11 geformt sind, deren Halbleiterpolarität von der des Bereichs 6 verschieden ist.
Die Arbeitsweise ist in wesentlichen der der ersten Ausführungsform ähnlich.
6. Ausführungsform; Figur 10 Die in Figur 10 gezeigte sechste Ausführungsform der Brfindung ist in ihrem Aufbau der dritten Ausführungsform nach Fig. 7 in wesentlichen ähnlich mit der Ausnahme, daß an der Oberfläche des Halbleiterbereichs 6 mindestens ein oder auch mehrere Halbleiterbereiche 11 geformt sind, deren Halbleiter-Polarität von der des Bereichs 6 verschieden ist.
Die Arbeitsweise ist der des dritten Ausführungsbeispiels ähnlich.
In Fig. 7 und 8 und in Fig. 9 und 10 ist jeweils nur ein Vorsprung 13', 13" bz. nur ein Halbleiterbereich 11 gezeigt; wie erwähnt, können jedoch eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Halbleiterbereichen jeweils in geeignetem Abstand voneinander je nach der gewünschten Ladungsübertragungs-Leistung und Übertragungs-Elektrodenzahl vorgesehen sein. Die orlffleg-ende Erfindung beschrån!t sich auch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele; vielmehr lassen sich die verschiedensten Varianten und Abänderungen innerhalb des Bereichs der Erfindung vornehmen.
Eines der wesentlichsten Merkmale der vorliegenden Erfindungen läßt sich folgendermaßen zusammenfassen: Die Verarmungszone, die in einem Halbleiterbereich einer Polarität gebildet ist, wird ausgedehnt, wenn den übertragungselektroden eine vorgegebene Spannung zugeführt wird, so daß die Verarmungszone mit einem Halbleiterbereich der anderen Polarität in Berührung kommt.
Musterübertragung; Figuren 11 bis 13 Im folgenden soll ein Muster-Übertragungsystem geschrieben werden, das mit erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen arbeitet. Das in Figur 11 gezeigte Ausgangsmuster (ORIGINAL PATTERN) ist in bekannter Weise in eine große Anzahl von Bildelementen oder Elementarflächen unterteilt. Die schwarzen Bildelemente werden jeweils von einer binärcodierten "1" dargestellt, während die weißen Bildelemente jeweils durch eine 0" dargestellt sind. Gemäß Fig. 11 sind 60 ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtungen mit jeweils 240 Übertragungselektroden in 60 Reihen angeordnet. Die von den Reihen von ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen abgeleiteten Ausgangssignale werden jeweils 60 Reihen ähnlicher Einrichtungen zugeführt, um das Ausgangsmuster zu reproduzieren, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist. Fig. 12 zeigt ein Muster in einer Wiedergabe von einem Muster-übertragungssystem, das nicht die erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen verwendet, sondern bei dem die 240 ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen eine Ladungsträger-Übertragungaleistung #0 = 97 5 für einrnalige Ubertragung der Maximalladung QM haben. Wie man sieht, ist das reproduzierte Muster verschwommen oder unscharf. Bei den Muster-Wiedergabesystem nach Fig. 13 haben die erfindunggemäßen ladungsgel;opnelten Halbleitereinrichtungen eine Ladungsübertragungs-Leistung, die gleich der der Einrichtung nach Fig. 12 ist, wobei unter jeder Übertragungselektrode vorher eine Ladung gespeichert ist, die die Hälfte der Maximalladung QM beträgt, und wobei die injizierte und übertragene Signalladung ebenfalls gleich der Hälfte der Maximalladung Q14 ist. Wie man sieht, ist das reproduzierte tester gemäß Fig. 13 dem Ausgangsmuster nach Fig. 11 aufgrund der Eigenschaften der vorliegenden Erfindung in jeder Hinsicht im wesentlichen ähnlich.
Bei den obigen AusführungsbeisPielen der Erfindung werden dreiphasig geschaltete Ladungsübertragungselektroden verwendet; die Erfindung läßt sich jedoch auch bei ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen anwenden, die mit einer Vielzahl von zwei- oder vierphasig geschalteten Ladungs-Übertragungselektroden versehen sind und bei denen die Ladungen ähnlich wie die Eimer einer Löschkolonne weitergegeben werden. Zum Aufbau der obigen ladungsgekoppelten Ilalbleitereinrichtungen wird auf die Artikel "Charge-Coupled Digital Circuits" in IEEE ISSCC, Digest of Technical Papers, 1971, Seiten 162 bis 163, sowie "Integrated tOS and Bipolar Analog Delay Line using Bucket-Brigade Canacitor Storage" in IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, 1970, Seiten 74 bis 75, hingewiesen.

Claims

Patentanstrüche

1. Ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung, umfassend eine Halbleiterschicht, eine auf einer Hauptoberfläche der Halbleiterschicht gebildete Isolierschicht, eine Vielzahl von auf der Oberfläche der Isolierschicht gebildeten metallischen Ladungs-Übertragungselektroden, eine Einrichtung zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterschicht, wobei an den metallischen Elektroden der Reihe nach Impuls felder angelegt erden, um die injizierten Ladungsträger längs der Trennfläche zwischen der Halbleiterschicht und der Isolierschicht zu übertragen, sowie eine Einrichtung zur ermittlung der übertragenen Ladungstrager, e e k e n n z e i c h n e t durch eine lcitenle Schicht (11), die mit der Halbleiterschicht (6) einen pn-Übergang bildet, so daß dann, wenn die Ladung, die in einer in der Ilalbleitcrschicht bei Anlegen der Spannung an die Ladung Ubertragungselektroden (3) gebildeten Potentialsenke gespeichert ist, kleiner ist als eine vorgegebene Normalladung, die Kante der in der Potentialsenke gebildeten Verarmungs- oder Raumladungszone bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung an die Iaadungs-Ubertragungselektroden im Kontakt mit dem pn-Ubergang tritt.

2. - Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine Binrichtunrr, die dazu dient, ein Signal vorgegebener Spannung zusätzlich zu der erstgenannten vorgegebenen Spannung an Cie metallischen vlektroden (3) anzulegen, um in die Raumladunzone eine Vor-Ladung zu injizieren.

3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halbleiterschicht (6) aus einem p- oder n-Halbleiter besteht, während die leitende Schicht (11) aus einem n-bzw. p Halbleiter besteht.

4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die leitende Schicht (11), die mit der Halbleiterschicht (6) den pn-übergang bildet. eine metallische schicht (12) umfaßt.

5. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die leitende Schicht (11), die mit der Halbleiterschicht (6) den pn-Überg&ng bildet, geerdet ist.

6. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung (14) zur Ermittlung der übertragenen Ladungsträger nur die über einen Schtzellenwert liegenden Ladungsträger ermittelt.

7. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die leitende Schicht (11), die mit der iialbleiterschicht (6) den pn-Ubergang bildet, unter der Halbleiterschicht ausgebildet ist.

8. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sich von der leitenden Schicht (11) mindestens ein oder auch mehrere Vorsprünge (13', 13") an den Ladungs-Übertragungselektroden (3) entsprechenden Stellen in die Halbleiterschicht (6) erstrecken.

9. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in der halbleiterschicht (6) unter den Ladungs-Übertragungselektroden (3) jedoch in Abstand von diesen mindestens ein oder auch mehrere voneinander getrennte leitende Bereiche (11) ausgebildet sind.

10. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die leitende Schicht (11) parallel zu der Gruppe von Ladungs-Übertragungselektroden (3) verläuft.