DE2264125C3

DE2264125C3 - Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement und Schaltung zum Betrieb

Info

Publication number: DE2264125C3
Application number: DE2264125A
Authority: DE
Inventors: Hideo Musashino Tokyo Sunami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-29
Publication date: 1984-04-26
Also published as: JPS5318155B2; DE2264125B2; NL7217758A; JPS4874179A; US3852801A; DE2264125A1; NL163063B; NL163063C

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 Minoritäisträger verwendet; ist der verwendete Halbleiterkörper vom n-Leitungstyp, so sind die Ladungsträger Löcher, während bei einem Halbleiterkörper des p-Leitungjtyps 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 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 Halbleiter· bauelement 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-Obertragungsfähigkeit ist definiert durch das Verhältnis der Anzahl von aus einem Bereich unmittelbar unter einer Elektrode zu einem Bereich unmittelbar unter der nächsten Elektrode übertragenen Ladungsoder Minoritätsträger zu der Gesamtzahl von in dem Bereich unmittelbar unterhalb der besagten einen Elektrode vorhandenen Ladungsträger.) Beträgt nämlich die Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit beispielsweise η:τ 99%, so sinkt die Anzahl der über 100 Elektroden übertragenen Ladungsträge/· 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 Eleklrodenfläche 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 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 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 sich 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 Q max, d. h. nach der anfänglichen Ladungsträger-Übertragungsfähigkeit, ergibt, damit die durch das Bauelement übertragenen Ladungsträger an der Ausgangsklemme gemessen werden können.

Der Erfindung 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 a^s der Lehre des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1. Danach wird bei Auftreten von schwachen Eingangssignalen aus dem mit dem Halbleiterkörper über den gleichrichtenden Übergang verbundenen weiteren Bereich eine »Vor-Ladung« in den Bereich des Halbleiterkörpers unter derjenigen Ladungsübertragungselektrode 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.

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 Raumladungs- 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 SignalJadung zu ermitteln, die oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt,

F i g. 6 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 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,

Fig.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,

Fig. 11 ein Ausgangsmuster, wie es durch ein Bild-Übertragungssystem mit ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen zu übertragen ist,

Fig. 12 ein Muster in seiner Wiedergabe durch ein Bild-Übertragungssystem, das mit ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen nach dem Stand der Technik arbeitet, urd

Fig. 13 ein Muster in seiner Wiedergabe durch ein Bild-Ubertragungssystem, 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 Nachteile und Schwierigkeiten bei den herkömmlichen Bauelementen deutlicher aufzuzeigen.

Das ladungsgekoppelte 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 unter eine Ljoert.ragungselektrode 1 injiziert werden können. An Klemmen 8,9 und 10, die gemäß F i g. 1 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 (?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 Qn (mit Qn = Q/Q max, wobei Q die gespeicherte Ladung ist) und der Steuerspannung V", die gleich der an der Elektrode liegenden Spannung minus einer Flachbandspannung und der Äusiriusarbeit zwischen den Elektroden ist.

Das Diagramm nach Fig. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential Φ₅ und der Tiefe IVder unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildeten Verarmungszone, wobei die Donatorkonzentration des n-Halbleiterkörpers unter den Übertragungselektroden lO'Vcm³, lO'Vcm³ bzw. 10¹⁶/cm³ beträgt.

In dem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement des in Fig. I gezeigten Typs läßt sich unter der der Eingangselektrode benachbarten Übertragungselektrode 3 die Maximalladung Q max 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 Signalladung an der letzten Übertragungselektrode 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-Übertragungsleistung sinkt.

Prinzip der Erfindung

Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip ist der in dem Halbleiterkörper angeordnete Halbleiterbereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyns 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 übertragungseiektrode die in der Potentiaisenke 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 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 in Normalladungen ausgedrückt unter der Bedingung

0 < Qn S, 1

gewählt werden. In diesem Fall ist die gespeicherte Ladung Q die Summe der Signalladung Q_s und der Vor-Ladung Qb- Die Vor-Ladung läßt sich nach der Steuerspannung V bestimmen, die ihrerseits durch die an den Uberiraguiigselek'uOden liegende Spannung, die Dauer der Steuerspannungs-Zuführung, die Dotierungskonzentrationen des Halbleiterbereichs und des Halbleiterkörpers sowie der Lage des pn-Übergangs gesteuert wird.

1. Ausführungsbeispiel
F i g. 4 und 5

Bei dem in F i g. 4 im Schnitt gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements ist in einem Halbleiterkörper 6 eines Leitfähigkeitstyps, der Übertragungselektroden 3 zur Ladungsspeicherung und -übertragung trägt, ein Halbleiterbereich 11 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet. Nach den heutigen Halbleitertechniken ist es leicht, ein Halbleiterbauelement des in Fig.4 gezeigten Typs zu fabrizieren, indem auf einem Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps eine HaIbleiierschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp epitaxial aufgewachsen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 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 iJbertragungsimpulse liegen, eine 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 μίτι und eine n-Siörsioffdichie von lO'-Vcm'; die Steuerspannung V"(vergleiche F i g. 2) beträgt etwa — 10 Volt. Um die Ladungsübertragung durchzuführen, werden an die Elektroden Übertragungsimpulse mit einer Spannung, 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 μίτι hat und dadurch den Halbieiterbereich 11 erreicht, der eine hohe p-Akzeptor-Dichte aufweist (vergleiche Fig.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 —10 Volt liegt. Wird eine kleine Signalladung mit der Vor-Ladung übertragen, so wird an der Ausgangsklemme nur die Signalladung gemessen. Die Ladungsträger-Übertragungsleistung läßt sich also selbst dann stark erhöhen, wenn eine verhältnismäßig niedrige Übertragungs-Impulsspannung anliegt.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer Detektoreinrichtung, die eine oberhalb eines Schwellenwertes liegende Ladungsmenge als Ausgangssignal ermittelt. 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 Diodenschaltung handeln kann, so daß sich ein nur das Eingangssignal darstellendes Signal ableiten läßt. Die an dem pn-Übergang 13 abgeleitete Ausgangsspannung V/ kann dadurch diskriminiert werden, daß die aus einer variablen Gleichspannungsquelle 15 zugeführte Spannung V« geändert wird. Die Ausgangsspannung Vo ist gegeben durch

Vo A(V,- V_R) für Vi> V_R

Vo = O für V,< V«

wobei A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 14 ist.

Zusammenfassend kennzeichnet sich der erste Betriebsmodus dadurch, daß sich die Vor-Ladung durch die Übertraguntsimpulse injizieren läßt.

2. Betriebsmodus

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 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 Qn 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 03 merklich erhöhen. Die vorher injizierte Ladungsmenge (gerechnet in Qn) läßt sich innerhalb des Bereiches

0 < <?jv < 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 es Halbleiterkörper 6 aus dem Halbleiterbereich 11 in den Halbleiterkörper 6 injiziert werden können; normalerweise ist der Halbleiterbereich 11 geerdet.

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 Halbleiterkörpers 6 verschieden ist, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 parallel zu einer Gruppe von Übertragungselektroden 3 geformt und mit einer metallischen Elektrode !2 versehen, die in Ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterbereich 11 steht. Wie bei dem oben beschriebenem ersten Ausführungsbeispiel kann an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 unter den Übertragungselektroden 3 Ladung gespeichert werden, wenn die Verarmungszone in dem Halbleiterkörper 6 unter den Übertragungselektroden den Halbleiterbereich 11 erreicht. Das Halbleiterbauelement gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel kann ebenfalls in den oben beschriebenen ersten und zweiten Betriebsmodi arbeiten.

3. Ausführungsbeispiel

Fig.7

Das in Fig. 7 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im wesentlichen in seinem Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 mit der Ausnahme ähnlich, daß sich ein oder mehrere Vorsprünge 13' des Haibleiterbereichs 11 an den Übertragungselektroden entgegengesetzten Stellen in den Halbleiterkörper 6 erstrecken. Wird nun die Spannung an die Übertragungselektrode 3 angelegt und ist an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 unter der Übertragungselektrode 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. 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 Fig.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 F i g. 8 ist ähnlich der des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 6.

5. Ausführungsbeisniel

Fig. 9

Das in Fig.9 gezeigte Halbleiterbauelement ist in seinem Aufbau im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig.4 mit der Ausnahme ähnlich, daß in dem Halbleiterkörper 6 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 Fig. 10 gezeigte sechste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in seinem Aufbau dem dritten Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 Fi g. 7 und 8 und in Fig. 9 und IO ist jeweils nur ein Vorsprung 13', 13" bzw. 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-Elektrodenanzahl vorgesehen sein.

Musterübertragung

tr: *. ii u:.. ι ο

1 Ig. 11 UlS I *J

Im folgenden soll ein Muster-Übertragungssystem geschrieben werden, das mit erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen arbeitet. Das in Fig. 11 gezeigte Ausgangsmuster 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 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 ladungsgekoppclten Halbleiterbauelemente verwendet, sondern bei dem die 240 ladungsgekoppelten Halbleiterbauelemente eine Ladungsträger-Übertragungsleistung r/o = 97% für einmalige Übertragung der Maximalladung Qu 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 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 Qm ist. Wie man sieht, ist das reproduzierte Muster gemäß Fig. 13 dem Ausgangsmuster nach Fig. 11 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 Halbleiterbauelementen anwenden, die mit einer Vielzahl von zwei- oder vierphasig geschalteieii Ladungs-Übertragungselektroden versehen sind, die nach dem Eimer-Ketien-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 über 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 (U) 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 Ladungsübertragungselektroden (3) die Verarmungszone unter dieser Elektrode den Rand des gleichrichtenden Übergangs berührt, wenn die in dieser Verarmungszone gespeicherte Ladungsträgermenge kleiner als ein vorbestimmter 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 Ladungsübertragungselektroden (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 (Fig. 5).

6. Ladungsgekoppelies Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) mit gegenüber dem Halbleiterkörper (6) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp seitlich neben mindestens einer Ladungsübertragungselektrode (3) an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist(Fi g. 6,8 10).

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

8. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (11) 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.