DE2264125B2

DE2264125B2 - Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement und Schaltung zum Betrieb

Info

Publication number: DE2264125B2
Application number: DE2264125A
Authority: DE
Inventors: Yokichi Hachioji Itoh; Yoshiaki Kokubunji Kamigaki; Hideo Musashino Sunami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-29
Publication date: 1980-01-24
Also published as: JPS5318155B2; NL163063B; NL163063C; DE2264125A1; DE2264125C3; JPS4874179A; US3852801A; NL7217758A

Description

Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Derartige Halbleiterbauelemente finden weitverbreitete Anwendung in Schieberegistern, Bildsichtgeräten und dergleichen, weil sie einfach in ihrem Aufbau und leicht herzustellen sind. Als zu übertragende Ladungsträger werden dabei Minoritätsträger verwendet; ist der verwendete Halbleiterkörper vom n-Leitungs'yp, so yrd die Ladungsträger Löcher, während bei einem Halbleiterkörper des p-Leitungstyps mit Elektronen als Ladungsträger gearbeitet wird.

Der grundsätzliche Aufbau und die Arbeitsweise eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements sind im einzelnen beispielsweise in dem Aufsatz von W. S. Boyle und G. E. Smith »Charge Coupled Semiconductor Devices« sowie in dem Aufsatz von G. F. Amelio, M. F. Tomsett und G.E.Smith »Experimental Verification of the Charge Coupled Device

so Concept« in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, Band 49, Nr. 4, April 1970, Seiten 587 bis 600, beschrieben. Ein weiteres derartiges Halbleiterbauelement geht aus der deutschen Offenlegungsschrift 2107 110 hervor. Ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Gattung ist in »IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-6, Nr. 5, Oktober 1971, Seiten 314-322, offenbart.

Bei derartigen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen 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 Halbleiterbauelemente voll auszunutzen, ist es selbstverständlich erwünscht, daß die Bauelemente eine möglichst nahe an 100% kommende Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit aufweisen. (Die Ladungsträ-

ger-Übertragungsfähigkeit ist definiert durch das Verhältnis der Anzahl von aus einem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode zu einem Bereich unmittelbar unter der nächsten Elektrode übertragenen Ladungsorder Minoritätsträger zu der Gesamtzahl von in dem Bereich unmittelbar unterhalb der besagten einen Elektrode vorhandenen Ladungsträger.) Beträgt nämlich die Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit beispielsweise nur 9S4b, so sinkt die Anzahl der über 100 Elektroden übertragenen Ladungsträger auf einen Wert in der Größenordnung von 37%. Die maximale Ladungsmenge <?max, die sich in dem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode speichern und in den Bereich unmittelbar unter der nächsten Elektrode übertragen läßt, hängt von der an der Elektrode anliegenden Spannung und der Elektrodenfläche ab. Die maximale Ladungsmenge Q max kann in dem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode gespeichert werden, die sich in der Nähe der Eingangsklemme befindet; bei fortgesetzter Ladungsträger-Übertragung nimmt jedoch die Anzahl der Ladungs- oder fviinoriiätsträgern, die in dem vorhergehenden Bereich zurückgeblieben sind, sowie an Ladungs- oder Minoritätstr^gern, die neutralisiert worden ist, aus den oben angegebenen Gründen zu. Daher wird es äußerst schwierig, das Signal, das der durch das Bauelement übertragenen Ladungs- oder Minoritätsträgermenge entspricht, vom Rauschen zu unterscheiden. Wird ferner die Anzahl von Elektroden erhöht, d. h, wird die Anzahl der Ladungsoder Minoritätsträger reduziert, so vermindert sii_h die Übertragungsleistung, so daß die Anzahl der an der Ausgangsklemme gesammelten Ladungsträger beträchtlich verringert ist. Den ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen nach dem Stand der Technik wohnen die obigen Nachteile inne. Daher ist bei diesen herkömmlichen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen 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-Übertragungsfähigkeit auf der Grundlage der maximal speicherbaren Ladungsmenge <?max, d.h. nach der i.nfänglichen Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit, ergibt, damit die durch das Bauelement übertragenen Ladungsträger an der Ausgangsklemme gemessen werden können.

Der Ei-findung liegt die Aufgabe zugrunde, das ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß auch kleine Signale mit möglichst geringer Dämpfung übertragen und als klares Ausgangssignal erfaßt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus der Lehre des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1. Danach wird bei Auftreten von schwachen Eingangssignalen aus der mit dem Halbleiterkörper über den gleichrichtenden Übergang verbundenen weiteren Bereich eine »Vor-Ladung« in den Bereich des Halbleiterkörpers unter derjenigen Ladungsüberiragungselektrode injiziert, an der der Ladungsübertragungsimpuls auftritt. Infolge der somit höheren Gesamtladung wird — bezogen auf die verhältnismäßig kleinere Signalladung — die Dämpfung bei der Übertragung erheblich verringert, so daß es möglich ist, auch kleine Signale über eine große Anzahl von Ladungsübertragungselektroden hinweg zu befördern. b5

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert; in den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Normalladung und dem Oberflächenpotential,

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential und der Tiefe der Raumiadungs- oder Verarmungszone,

F i g. 4 einen Schnitt durch einen Teil eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.5 ein schematisches Schaltbild eines Signalladungs-Detektors, der mit einem Verstärker versehen ist, um von den durch das ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement des in F i g. 4 gezeigten Typs übertragenen Signalladungen diejenige Signalladung zu ermitteln, die oberhalb eines vorgegebenen Schw- .!enwertes liegt,

Fig.6 eine Draufsicht auf ein Haibi-iierbaueiemem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Teil eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das eine Variante des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4 darstellt,

F i g. 8 eine Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Variante des Halbleiterbauelements des in F i g. 6 gezeigten Typs darstellt,

F i g. 9 einen Schnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 10 eine Draufsicht auf ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine weitere Variante des Halbleiterbauelements des in F i g. 6 gezeigten Typs darstellt,

F i g. 11 ein Ausgangsmuster, wie °s durch ein Bild-Übertragungssystem mit ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen zu übertragen ist,

Fig. 12 ein Muster in seiner Wiedergabe durch ein Bild-Übertragungssystem, das mit ladungsgekoppelten H&.bleiterbauelementen nach dem Stand der Technik arbeitet, und

Fig. 13 ein Muster in seiner Wiedergabe durch ein Bild-Übertragungssystem, das mit erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen arbeitet.

Stand der Technik
F i g. 1 bis 3

Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung soll zunächst ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben werden, um die NachU'ile und Schwierigkeiten bei den herkömmlichen Bauelementen deutlicher aufzuzeigen.

Das ladungsgekippelte Halbleiterbauelement nach Fig. 1 arbeitet nach der Methode, bei der die Signalladung an einem pn-übergang injiziert wird. An einer Zone 7, deren Leitungstyp von dem Leitungstyp des Substrats verschieden ist, wird eine Eingangs-Gate-Elektrode 4 eine Spannung angelegt, so daß ein Kanal gebildet wird, durch den Ladungen unt;r eine Übertragungselektrode 1 injiziert werden können. An Klemmen 8,9 und 10, die gemäß F i g. I jeweils mit jeder dritten Übertragungselektrode 3 verbunden sind, liegen dreiphasig pulsierende Spannungen, gemäß denen die injizierten Ladungen unter den Übertragungselektroden 3 jeweils von dem Bereich unter einer Übertragungselektrode zu dem Bereich unter der nächsten

Übertragungselektrode übertragen werden. Die Elektroden 1 und 3 sind auf einer Isolierschicht 5 angeordnet.

Die unter den Übertragungselektroden 3 speicherbare und übertragbare Maximalladung Q max 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 Φ* das die Größe der Krümmung des Energiebandes an der Oberfläche des Halbleitersubstrats unter den Übertragungselektroden darstellt, der Normalladung Qs (mit Q\ = Q/Q max. wobei C? die gespeicherte Ladung ist) und der Steuerspannung V. die gleich der an der Elektrode liegenden Spannung minus einer Flachbandspannung und der Austrittsarbeit zwischen den Elektroden ist.

Das Diagramm nach F i g. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential Φ, und der iieie VV der unter der Oberfläche des Haibieiterkörpers gebildeten Verarmungszone, wobei die Donatorkonzentration des n-llalbleiterkörpers unter den Übertragungselektroden IO^M/cm^J, lO'Vcm' bzw. 10"7cm^J beträgt.

In dem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement des in F i g. 1 gezeigten Typs läßt sich unter der der F.ingangselektrode benachbarten Übertragungselektrodc 3 die Maximalladung Qmax speichern; beim Ladungsübertragungs-Vorgang nimmt jedoch diejenige Ladungsmenge, die neutralisiert wird und in dem Bereich unter der Übertragungselektrode zurückbleibt, zu. so daß die Menge der durch die Bereiche unter den Übertragungselektroden 3 übertragenen Ladungsträger beträchtlich reduziert wird. Infolgedessen wird es außerordentlich schwierig, die Signailadung an der letzten Übertragungselektrode oder an der Ausgangsklemme noch festzu: teilen. Wie oben erwähnt, ist es ferner nicht von Vorteil, die Anzahl der Übertragungselektrodcn zu erhöhen, um zu vermeiden, daß die Ladungsträger-Übertragungsleistung <iiikt.

Prinzip der Erfindung

Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip ist der in dem Halbleiterkörper angeordnete Halbleiterbereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps oder die mit dem Halbleiterkörper einen gleichrichtenden Übergang bildende Metallschicht so ausgebildet, daß die Kante der Verarmungszone, die ihrerseits die Potentialsenke bildet, in Kontakt mit dem Halbleiterbereich bzw. der Metallschicht gebracht werden kann, wenn bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung an die Übertragungsekktrode die in der Potentialsenke gespeicherte Ladung kleiner wird als eine vorgegebene 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 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bzw. die Metallschicht, so daß die in dem Halbleiterbereich bzw. der Metallschicht vorhandenen Majoritätsträger injiziert werden, bis die Normalladung in der Potentialsenke einen vorgegebenen Wert erreicht. Sodann wird die Verarmungszone von dem Halbleiterbereich bzw. der Metallschicht getrennt, wodurch die Injektion von Majoritätsträgern unterbrochen wird. Es läßt sich also eine der vorgegebenen Normalladung entsprechende einstellbare Vorladung 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 Übertragungslei stung 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 in Normalladungen ausgedrückt unter der Bedingung

0<<?„<l

gewählt werden. In diesem Fall ist die gespeicherte Ladung Q die Summe der Signalladung Q_t und der Vor-Ladung Q^ Die Vor-Ladung läßt sich nach der Steuerspannung V bestimmen, die ihrerseits durch die Ii an den Übertragungselektroden liegende Spannung, die Dauer der Steuerspanniings-Zuführung, die Dotierungskonzentrationen des Halbleiterbereichs und des Halbleiterkörpers sowie der Lage des pn-Übergangs gesteuert wird.

I. Ausführungsbeispiel
F i g. 4 und 5

Bei dem in F i g. 4 im Schnitt gezeigten Ausführungsbeispie! eines erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten HaIbIe-terbauelements ist in einem Halbleiterkörper β eines Leitfähigkeitstyps, der Übertragungselektroden 3 zur Ladungsspeicherung und -übertragung trägt, ein HaIbIe..-erbereich 11 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet. Nach den heutigen Halbleiter.echni-

JO ken ist es leicht, ein Halbleiterbauelement des in F i g. 4 gezeigten Typs zu fabrizieren, indem auf einem Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps eine Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp epitaxial aufgewachsen wird. In dem vorliegenden

J5 Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 6 durch ein solches epitaxiales Aufwachsen auf dem Substrat IJ 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 Übertragungsimpulse liegen, eine

-5 kleine Vor-Ladung der Oberfläche des Halbleiterkörpers 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 der Halbleiterkörper 6 eine Dicke von 3 0 μΐη und eine n-Störstoffdichte von lO'Vcm³: die Steuerspannung V (vergleiche F i g. 2) beträgt etwa - 10 Volt. Um die Ladungsübertragung durchzuführen, werden an die Elektroden Übertragungsimpulse mit einer Span nung, die etwas höher ist als die Steuerspannung V, angelegt Ist die Signalladung nicht injiziert, so ist die Normalladung Qn (vergleiche F i g. 2) fast Null, so daß das Oberflächenpotential des Halbleiterkörpers unter den Elektroden etwa — 8 Volt beträgt und die Verarmungszone eine Tiefe von ewa 3 μπι hat und dadurch den Halbleiterbereich 11 erreicht, der eine hohe p-Akzeptor-Dichte aufweist (vergleiche F i g. 3). Die positiven Ladungen (Löcher), die dann durch die Verarmungszone der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 zugeführt werden, beseitigen die darauf vorhandenen Fangstellen und werden gespeichert, so daß die Dämpfung der übertragenen Signalladung kompensiert wird- Es tritt keine Ausgangsladung auf, wenn nicht die

Signalladung injiziert wird und an den Übertragungselektroden die Impulsspannung von über -IO Volt liegt. Wird eine kleine .Signalladung mit der Vor-Ladung übertragen, so wird an der Ausgangsklemme nur die .Signalladung gemessen. Die Ladungsträger-Übertra· gungsleistung läßt sich also selbst dann stark erhöhen, wenn eine verhältnismäßig niedrige Übertragungs-ImpulsSj» ;nnung anliegt.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer Detektoreinrichtung, die eine oberhalb eines Schwellenwertes liegende to Ladungsmenge als Ausgangssignal ermitteit. Die an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 übertragene Ladung wird durch einen in Sperr-Richtung vorgespannten pn-übergang 13 abgeleitet und einem Verstärker 14 zugeführt, der gleichzeitig als Diskriminator arbeitet. Das verstärkte Signal liegt an einer Gatterstufe 16. bei der es sich um eine herkömmliche Diodenschaltiing handeln kann, so daß sich ein nur das Eingangssigna!

1 .t >-·- » rtl lr> nc I i-i t tiiinil nUlnilnn 1 H fl ( ΓΛίο or» r\ c\ »-»λ

2. Ausführungsbeispiel Fig.6

Bei dem in F-" i g. 6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Hableiterbereich 11, dessen Leitfähigkeitstyp von der des Halbleiterkörper 6 verschieden ist, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 parallel zu einer Gruppe von Übertragungselektroden 3 geformt und mit einer metallischen Elektrode 12 versehen, die in Ohmschem Kontakt mit dem I lalblcitcrbereich IJ steht Wie bei dem oben beschriebenem ersten Ausführiingsbcispiel kann an der Oberfläche des Halbleiterkörper 6 unter ilen Übertragungsclcktroden 3 Ladung gespeichert werden, wenn die Verarmungszone in dem Halbleiterkörper 6 unter den Übertragungselektrodcn den Halbleiterbereich 11 erreicht. Das Halbleiterbauelement gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel kann

pr.-Übergang 13 abgeleitete Ausgangsspannung V/kann dadurch diskriminiert werden, daß die aus einer variablen Gleichspannungsquelle 15 zugeführte Spannung Vh geändert wird. Die Ausgangsspannung V'< > ist gegeben durch

Vn = -A(Vi- V_R) für V,> V_R "

Vo = 0 für V,< V_R

wobei A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 14 ist.

Zusammenfassend kennzeichnet sich der erste Betriebsmodus dadurch, daß sich die Vor-Ladung durch die I lbe^r :ragungsimpulse injizieren läßt.

2. Betriebsmodus

In einem zweiten Betriebsmodus wird unmittelbar vor Beginn der Ladungsübertragung bei Injizieren der J5 Signalladung sämtlichen Übertragungselektroden einmal eine Spannung zugeführt, die höher ist als die Spannung der Ladungsübertragungsimpulse. um an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 unmittelbar unter den Übertragungselektroden 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 F i g. 2 und 3 ersichtlich, unter jeder Übertragungselektrode 3 die Normalladung Qs gleich der Hälfte der unter den Übertragungselektroden 3 speicherbaren Maximalladung gespeichert.

Wird nun eine Signalladung, die in ihrer Größe der Hälfte der maximal speicherbaren Ladung entspricht, injiziert, ohne eine Überladung hervorzurufen, so läßt sich die Ladungsträger-Übertragungsleistung wegen der Anwesenheit der vorher injizierten Normalladung von O^ merklich erhöhen. Die vorher injizierte Ladungsmenge (gerechnet in Qn) läßt sich innerhalb des Bereiches

0 < Qn S 1

dadurch willkürlich auswählen, daß die Spannung, die unmittelbar vor injizieren der Signalladung sämtlichen Übertragungselektroden gleichzeitig zugeführt wird, verändert wird. An dem Halbleiterbereich 11 liegt eine Spannung, bei der Majoritätsträger an dem pn-Übergang zwischen dem Halbleiterbereich 11 und dem Halbleiterkörper 6 aus dem Halbleiterbereich 11 in den Halbleiterkörper 6 injiziert werden können; normalerweise ist der Halbleiterbereich 11 geerdet.

Betriebsmodi arbeiten.

3. Ausführungsbeispiel
F i g. 7

Das in F i g. 7 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im wesentlichen in seinem Aufbau dem ersten Aiisführungsbeispiel nach F i g. 4 mit der Ausnahme ähnlich, daß sich ein oder mehrere Vorsprünge 13' des Halbleiterbereichs 11 an den Übertragungselektroden entgegengesetzten Stellen in den Halbleiterkörper 6 erstrecken. Wird nun die Spannung an die Übertragungseleklrodc 3 angelegt und ist an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 unter der 1 Jbcrtragungselektrode 3 eine Ladung gespeichert, die kleiner ist als der .orgegebenc Wert, so wird die Verarmungszone so ausgedehnt, daß Ladungen bis zu einer vorgegebenen Menge injiziert und gespeichert werden.

4 Ausführungsbeispiel
Fig.8

Das in F i g. 8 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist in seinem Aufbau im wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 mit der Ausnahme ähnlich, daß sich von dem Halbleiterbereich 11 mindestens ein Vorsprung 13" in den Halbleiterkörper 6 erstreckt. Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig.8 ist ähnlich der des zweiten Ausführungsbeispiels nach F i g. 6.

5. Ausführungsbeispiel

Fig.9

Das in Fig.9 gezeigte Halbleiterbauelement ist in seinem Aufbau im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 mit der Ausnahme ähnlich, daß in dem Halbleiterkörper6 mindestens ein oder auch mehrere in Abstand voneinander angeordnete Halbleiterbereiche 11 geformt sind, deren Leitfähigkeitstyp von der des Halbleiterkörpers 6 verschieden ist Die Arbeitsweise ist im wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.

6. Ausführungsbeispiel

Fig. 10

Das in F i g. 10 gezeigte sechste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in seinem Aufbau dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 im wesentlichen ähnlich mit der Ausnahme, daß an der Oberfläche des

Halbleiterkörpers 6 mindestens ein oder auch mehrere Halbleiterbereiche 11 geformt sind, deren Leitfähigkeitstyp 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" bzw. nur ein Halbleiterbereich 11 gezeigt; wie erwähnt, können jedoch eine Vielzahl von Vorsprängen bzw. Halbleiterbereichen jeweils in geeignetem Abstand voneinander je nach der gewünschten Ladungsübertragungs-Leistung und Übertragungs-niektrodenanzahl vorgesehen sein.

Musterübertragung
F i g. 11 bis IJ

Im folgenden soll ein Muster-Übertragungssystem geschrieben werden, das mit erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen arbeitet. Das in F i g. 11 gezeigte Ausgangsmuster ist in ücKuimici" ttciSc "im eine gi'üuc Ail/.uMi V(JIi Biiueit'NtcMiten oder Elementarflächen unterteilt. Die schwarzen Bildelementc werden jeweils von einer binärcodierten »I« dargestellt, während die weißen Bildelementc jeweils durch eine »0« dargestellt sind. Gemäß F i g. 11 sind 60 ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente mit jeweils m = 240 Übertragungselektroden in 60 Reihen angeordnet. Die von den Reihen von ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen abgeleiteten Ausgangssignale werden jeweils 60 Reihen ähnlicher Bauelemente 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 Halbleiterbauelemente verwendet, sondern bei dem die 240 ladungsgekoppelten Halbleiterbauelemente eine Ladungsträger-Übertragungsleistung Ij₀ = 97% für einmalige Übertragung der Maximalladung Qm haben. Wie man sieht, ist das reproduzierte Muster verschwommen oder unscharf. Bei dem Muster-Wiedergabesystem nach Fig. 13 haben die erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelemente eine Ladungsübertragungs-Leistung, die gleich der des Bauelements nach Fig. 12 ist, wobei unter jeder Überira gungselektrode vorher eine Ladung gespeichert ist. die die Hälfte der Maximalladung (,^beträgt, und wobei die injizierte und übertragene Signalladung ebenfalls gleich der Hälfte der Maximalladung Qm ist. Wie man sieht, i t das reproduzierte Muster gemäß Fig. 13 dem Ausgangsmusier nach F i g. i i in jeder Hinsicht im wesentlichen ähnlich.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden dreiphasig geschaltete Ladungsiibcrtragungselektroden verwendet; die Erfindung läßt sich jedoch auch bei ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen anwenden, die mit einer Vielzahl von zwei- oder vierphasig geschalteten Ladungs-Übertragiingselektroden versehen sind, die nach dem Eimer-Ketten-Prinzip arbeiten.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, einer auf einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers gebildeten Isolierschicht, einer Vielzahl von auf der Oberfläche der Isolierschicht längs einer Reihe angeordneten Ladungs-Übertragungselektroden, einer Einrichtung zum Injizieren von Ladungsträgern in den Halbleiterkörper, einer Einrichtung zum Anlegen von Spannungen an die Elektroden derart, daß im Halbleiterkörper unter den Elektroden Verarmungszonen erzeugt und die injizierten Ladungsträger längs der Trennfläche zwischen dem Halbleiterkörper und der Isolierschicht übertragen werden, einer mit dem Halbleiterkörper verbundenen Einrichtung zur Ermittlung der übertragenen Ladungsträger und mit einem weiteren mit dem Halbleiterkörper fiber einen gleichrichtenden Übergang — gegebenenfalls einen PN-Übergang — verbundenen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Halbleiterkörper (6) über einen gleichrichtenden Übergang verbundene Bereich ein Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp oder eine mit dem Halbleiterkörper (6) einen gleichrichtenden Übergang bildende Metallschicht ist, der bzw. die derart angeordnet ist, daß bei Anlegen einer vorbestimmten Spannung an mindestens eine der Ladungsübr.nragungselektroden (3) die Verarmungszone unter dieser Elektrode den Rand des gleichrichtenden Übergang» berührt, wenn die in dieser Verarmungszone gesoeicherte Ladungsträgermenge kleiner als ein voioestimmter Normalwert ist.

2. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp unterhalb mindestens einer Ladungsübertragungselektrode (3) angeordnet ist (F i g. 4,5,7,9).

3. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp unter sämtlichen Ladungsübertragungselektrorien (3) verläuft (F i g. 4.5,7).

4. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aus einem oder mehreren voneinander getrennten, in den Halbleiterkörper (6) eingebetteten Teilen besteht (F ig. 9).

5. Schaltung zum Betrieb eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp geerdet ist (F ig. 5).

6. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp seitlich neben mindestens einer Ladungsübertragungselektrode (3) an der Oberfläche des I lalbleiterkörpers (6) angeordnet ist (F i g. 6,8 10).

7. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eine Metallelektrode (12) in ohmschen Kontakt angeordnet ist (F i g. 6,8,10).

8. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (!1) mit gegenüber dem HaIbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp längs sämtlichen Ladungsübertragungselektroden (3) verläuft (F i g. 6,8).

9. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp einen auf eine der Ladungsübertragungselektroden (3) zu vorspringenden Teil (13', 13") aufweist (F i g. 7,8).

10. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zur Ermittlung der übertragenen Ladungsträger so ausgebildet ist, daß sie ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Ladungsträgermenge einen Schwellenwert überschreitet.