DE2355715A1

DE2355715A1 - Ladungsverschiebeanordnung nach dem charge-coupled-device-prinzip

Info

Publication number: DE2355715A1
Application number: DE19732355715
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Goser; Dietrich Dr Widmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1973-11-07
Publication date: 1975-05-22
Also published as: JPS5081076A; GB1471427A; AT359561B; SE7413860L; NL7414426A; IT1025363B; FR2250202A1; SE402173B; CH587534A5; CA1048154A; FR2250202B1; ATA819674A; BE821949A; DE2355715B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, d. O '>■ NOV 1973

Berlin und München Witteisbacherplatz

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Ladungsversehiebeanprdnung nach dem Charge-Coupled-Deviee-Prinzip.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsverschiebeanordnung nach dem Charge-Goupled-Device-Prinzip nach dea Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Ladungsversehiebeanordnungen sind bekannt. Beispielsweise ist in der DOS 2 201 395 eine Ladungsverschiebeanordnung nach deia Charge-Coupled--Device-Prinzip beschrieben, bei der auf einem Halbleitersubstrat auf n-Siliziuis eine Isolierschicht aus. Siliziumdioxid aufgebracht ist. Auf dem Oxyd sind Aluminiumelektroden angeordnet. Durch Anlegen von drei unterschiedlichen Potentialen an diese Elektroden können unter den Elektroden befindliche Minoritätsladungsträger von einer Elektrode zuranderen verschoben werden. . ' »

Wie in der älteren Patentanmeldung P 22 40 277.3 beschrieben ist, besteht eine Eingangsstufe für eine Ladungsverschiebeanoränung im wesentlichen aus einem in dem η-leitenden Substrat angeordneten p-leitenden Gebiet und einer vor diesem Gebiet angeordneten Eingangselektrode; Beim Anlegen einer negativen Spannung an diese Elektrode werden von dem p-leitenden Gebiet Ladungsträger geliefert, die sich unterhalb der Eingangselektrode ansammeln.

Wie in der gleichen älteren Patentanmeldung beschrieben ist, besteht eine Ausgangsstufe zur Auswertung der über die Ladungsyer-

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Schiebeanordnung verschobenen Ladungen im wesentlichen aus eines in Sperrichtung -betriebenen pn-übergang. Treffen ankommende Ladungen auf diesen pn-übergang^ so fließt von dem p—leitenden Gebiet über einen mit diesem Gebiet verbundenen ¥iderstand und eine dazu in Reihe geschaltete Spannungsquelle ein meßbarer Strom zu dem Rückseitenkontakt des Halbleitersubstrats.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ladungsverschiebe— anordnung anzugeben, bei der die Eingangs stufe' und die Ausgangsstufe in der gleichen einfachen Weise wie die Verschiebestufe hergestellt werden können.

Diese Aufgabe' wird durch ein wie eingangs erwähntes Speicherelement gelöst, das durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen'erfindungsgemäßen Merkmale gekennzeichnet ist.

Ein wesentlicher Vorteil einer erfindungsgemäßen Ladungsverschiebeanordnung besteht darin, daß die aus dem Ladungstragerreservoir in der Eingangsstufe entnommenen Ladungsträger nach dem Durchlaufen der Ladung st er Schiebeanordnung in der Ausgangsstufe diesem Reservoir wieder zugeführt v/erden. Damit bleibt in erster Näherung die Ladungsmenge erhalten.

Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Ladungsverscbiebeanordnung besteht darin, daß sowohl in der Eingangsstufe als auch in der Ausgangsstufe keine entgegengesetzt zu dem Halbleitersubstrat dotierten Gebiete "benötigt werden. Damit läßt sich bei der Herstellung sowohl ein Maskierschritt als auch ein Hochtemperaturschritt vermeiden.

Vorteilhafterweise ergibt sich aus dem vereinfachten Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Ladungsverschiebeanordnungen die Möglichkeit einer wesentlich billigeren Herstellung

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ser Anordnungen gegenüber den Anordnungen des Standes der Technik.

Erfindungsgemäße Lädungsverschiebeanordnungen eignen sich insbesondere für komplexe Ladungsverschiebeanordnungen, wie sie in Sensoren von Festkörperkameras und in Speicherbausteinen Anwendung finden.

Weitere Erläuterung zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus den Figuren und der Beschreibung der Erfindung und deren Weiterbildungen hervor.

Die Pig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße LadungsverSchiebeanordnung.

Die Pig. 2 zeigt iu echeaatischer Darstellung eine Aufsicht auf die ladungsverscbiebeanordnung nach Fig. 1.

In der Fig. 1 ist das Substrat aus Halbleitermaterial mit 1 bezeichnet. Yorzugsweise besteht dieses Substrat aus n-Ieitendem Silizium. Auf dem Substrat 1 ist die elektrisch isolierende Schicht 2, die vorzugsweise aus SiO₂ besteht, aufgebracht. Auf dieser Schicht 2 sind die Elektroden 30 bis 39» die vorzugsweise aus Aluminium bestehen und durch Spalte voneinander getrennt sind, aufgebracht. Dabei stellen erfindungsgemäß die Elektroden 30 und 31 die Elektroden der Eingangsstufe 5, die Elektroden 32 bis 36 die Elektroden der Ladungsversehiebestufe und die Elektroden 37, 38 und 39 die Elektroden der Ausgangsstufe 7 dar. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Elektrode 30 der Eingangsstufe 5 mit der Elektrode 39 der Ausgangsstufe 7 elektrisch verbunden.

Im folgenden soll nun kurz die Funktion einer erfindungsgemäßen Ladungswschiebeanordnung nach dem Charge-Coupled-Device-

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Prinzip /beschrieben werden. In an sich bekannter Weise werden, wie dies/ auch'in der Patentanmeldung P 22 40 277.3 und in der DOS 2 201 395 beschrieben ist, Ladungen, die sich unter den Elektroden 32 bis 36 der Ladungsverschiebestufe 6 befinden, durch Anlegen von drei -verschieden großen Spannungen, TJ1 , und U3 an diese Elektroden,verschoben.

Erfindungsgemäß enthält die Eingangsstufe 5 eine Inversionsschicht als Ladungsträgerreservoir. Diese Inversionsschicht wird in einer MOS-Xapazität aufgebaut; die genau wie die Ladungsverschiebeelemente der Ladungsverschiebestufe 6 aus der isolierenden Schicht 2 und aus·:"'der Metallelektrode 30 hergestellt ist. Zum Aufbau der Inversionsschicht wird an die Elektrode 30 eine Spannung U angelegt, deren Potential etwa

dem Potential der Taktspannung U2 entspricht. Damit ist der Spa imun£sunterschied zwischen der Spannung TJ _ und der Spannung U3, die zunächst an der ersten Elektrode 32 der Ladungsverschiebestufe 6 anliegen möge, groß genug, daß Ladungsträger von der Inversionsschicht unter die erste Elektrode 32 der Ladungsverschiebestufe 6 gelangen können. Zu diesem Zweck muß noch an die Elektrode 31 eine Spannung TJ angelegt werden, damit auch unter dieser Elektrode eine Inversionsschicht aufgebaut wird, und damit die unterhalb der Eingangselektrode befindlichen Ladungsträger zur Elektrode 32 fließen können.

Die Zeit, die nach dem Anlegen der Spannung TJ_ an die Eingangs-

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elektrode 30 zum Aufbau der Inversionsschicht unter dieser Elektrode notwendig ist, wird durch die Zeitkonstante für die thermische Generation der Ladungsträger bestimmt. Da im Betrieb laufend Ladungsträger aus dieser Inversionsschicht entnommen werden, wird bei einer Inversionsschicht mit kleiner Fläche diese thermische Generation nicht ausreichen, um die Ladungsmenge in der Inversionsschicht laufend aufzufüllen.

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Aus diesem Grunde werden erfindungsgemäß die Ladungsträger, die nach der Ladungsverschiebung in der Ausgangsstufe 7 eintreffen, wieder an eine weitere Inversionsschicht, die mit der Inversionsschicht in der Eingangsstufe in Verbindung steht, abgegeben. Die weitere Inversionsschicht ist unterhalb der Ausgangselektrode 39 der Ausgangsstufe 7 angeordnet. Diese Elektrode.steht elektrisch leitend in Verbindung mit der Eingangselektrode 30 der Eingangsstufe 5.

Beim Verlassen der Ladungsverschiebestufe 6 werden die Ladungsträger in der Ausgangsstufe 7 zunächst unter die Elektrode 37 gebracht, an der das Potential ü_ anliegt. Durch die Kapazitätsänderung infolge der unter dieser Elektrode 37 eintreffenden Ladungen tritt an der Elektrode eine aeßbare Spannungsänderung

f\ U auf. Im nächsten Takt werden die Ladungsträger dann von den Elektrode 37 zu der oben bereits erwähnten Inversionsschicht weitergeschoben. Zu diesem Zweck wird an die Elektrode 38 ein

Potential U angelegt, das unter dieser Elektrode eine Invera

sionsschicht erzeugt, die die Verschiebung der Ladungen unter die Ausgangselektrode 39 erlaubt.

Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Ladungsverschiebeanordnung wird erreicht, daß praktisch ein geschlossener Kreislauf für die beweglichen Ladungsträger vorhanden ist. Fur die Ladungsträger, die durch Verlust verlorengehen und beispielsweise an das Substrat abgegeben werden? gehen für die Ladungsmenge im Reservoir verloren. Da dies jedoch nur ein kleiner Teil ist, kann diese Ladungsmenge durch thermische Generation nachgeliefert werden. ·

Bei einem Baustein mit mehreren- Ladungsverschiebeschaltungen kann das aus den Eingangs- bzw. Ausgangselektroden 30 bzw. 39 bestehende Ladungsträgerreservoir als eine Inversionsschicht ausgelegt werden, die am Rand des Chips verläuft und für alle

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Schaltungen gemeinsam ist.

Erfindungsgemäße Eingangsstufen und Ausgangsstufen können . nicht nur in Yerbindung mit Ladung s Verschiebeanordnung en für Dreiphasen-Betrieb Terwendung finden, sondern auch in Verbindung mit Ladungsverschiebeschaltungen mit Zweiphasen- oder Einphasen-Betrieb. In diesem Pail i.st die Ladungsversehiebestufe 6 der Pig. 1 durch eine Ladungsverschiebeschaltung mit Zweiphasen-Betrieb oder Einphasen-Betrieb zu ersetzen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Eingangs elektrode von der Ausgangselektrode elektrisch getrennt. Dabei ist die Eingangselektrode eine großflächige Elektrode unter der durch Anlegen einer Spannung eine als Ladungsträgerreservoir dienende Inversionsschicht in dem Substrat erzeugt werden kann. Die Ausgangselektrode ist als Schottky-Kontakt ausgebildet. Beispielsweise besteht die Ausgangselektrode bei einem Substrat aus n-Siliziura aus Aluminium.

10 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Ladungsverschiebeanordnung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip mit einem Substrat aus Halbleitermaterial, einer darauf "befindlichen elektrisch isolierenden Schicht und mit darauf aufgebrachten, durch Spalte voneinander getrennten Elektroden, wobei in der Eingangsstufe eine Eingangselektrode und in; der Ausgangsstufe eine Ausgangselektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangselektrode eine großflächige Elektrode ist und daß durch Anlegen einer Spannung an die Eingangselektrode (30) unter dieser eine als Ladungsträgerreservoir dienende Inversionsschicht in dem Substrat (1) erzeugbar ist.

Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Ausgangselektrode als Schottky-Kontakt ausgebildet ist.

Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet , daß das Substrat (1) aus n-Silizium und die Ausgangselektrode aus Aluminium besteht.

Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet ,daß die Eingangselektrode (30) mit der Ausgangselektrode (39) eleftrisch in Verbindung steht.

Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 4» dadurch ge *■ kennzeichnet ,.daß das Substrat aus n-Silizium oder p-Silizium besteht.

Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet ,daß die elektrisch isolierende Schicht (2) aus SiO₂ besteht.

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7. Laäungsverschiebeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekenn zeichnet , daß die Elektroden (30 bis 39) aus Aluminium, Chrom, Wolfram oder Molybdän bestehen.

8. Laäungsverschiebeanordnung nach einem :;d er Ansprüche 4 bis

7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Eingangselektrode (30) der Eingangsstufe (5) und der ersten Elektrode (32) der Ladungsverschiebestufe (6) eine Gateelektrode (31) vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Abgabe von Ladungsträgern aus dem Ladungsträgerreservoir unterhalb der Elektrode (30) an die Elektrode (32) steuerbar ist.

9. Ladungsverschiebeanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß in der.Ausgangsstufe (7) eine Elektrode (37) vorgesehen ist, wobei an dieser Elektrode ein festes Potential U νanliegt, das

beim Eintreffen von Ladungen unter der Elektrode meßbar änderbar ist.

10. Ladungsverschiebeanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der letzten Elektrode (36) der Ladungsverschiebestufe (6) und der Ausgangselektrode (39) der Ausgangsstufe (7) eine Elektrode (38) vorgesehen ist, mit deren Hilfe durch Anlegen einer Spannung an diese Elektrode die Abgabe von Ladungsträgern an die unterhalb der Ausgangselektrode (39) befindliche Inversionsschicht steuerbar ist.

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