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Halbleitervorrichtung Die Erfindung betrifft eine Ladungsiibertragungs-Halbleitervorrichtung,
beispielsweise eine ladungsgekoppelte Halbleitervorrichtung, eine Zellengruppenanordnmg
oder eine ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung mit verdecktem (buried) Kanal,
insbesondere eine Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung,die Eingangssignale
von Ladungsträgern mit hoher Geschwindigkeit überträgt.
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Es ist ein Verschiebungswiderstand vorgeschlagen worden, der folgende
Bestandteile enthält: einen. Halbleiterkörper, eine auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers.
angeordnete Isolierschicht, Einrichtungen zur Einleitung von Ladungsträgern in den
Halbleiterkörper, getrennt auf der Isolierschicht angeordnete Elektroden oder Anschlüsse
zur Speicherung der Ladungsträger und zur Übertragung derselben längs. der Oberfläche
des Körpers angrenzend an die Isoliersdhicht, Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen
Feldes an den Halbleiterkörper, die mit den Elektroden verbunden sind, und -Einrichtungen
zur Messung oder Erfassung übertragener Ladungsträger.
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Bei diesem Verschiebungswiderstand läuft der Ubertragungs- oder Leittmgsmechanismus
der Ladungsträger falgendermaßen ab: an eine Elektrode wird eine .Gleichspannung
angelegt, so daß in der Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzend an die Isolierschicht
unter der Elektrode ein Verarmungsbereich, d. h. eine Potentialsenke entsteht. Die
in den Halbleiterkörper eingeleiteten Minoritätsträger werden in der Potentialsenke
gespeichert. Unter einer anderen Elektrode bildet sich angrenzend an diese eine
tiefere Potentialsenke, wenn an diese eine Gleichspannung angelegt wird, die höher
ist als die an die erste Elektrode angelegte. Die in der "flachen" Potentialsenke
gespeicherten Minoritätsträger werden in die tiefere Potentialsenke verschoben,
d. h., die Minoritätsträger werden aus dem Teil des Halbleiterkörpers unter den
Elektroden in den Teil unter der angrenzenden Elektrode übertragen.
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Funktionsprinzip und grundsätzlicher Aufbau ladungsgekoppelter Halbleitervorrichtungen
sind in Boyle & Smith: "Charge Coupled Semiconductor Devices", The Bell System
Technical Journal, Band 49, Nr. 4, Seiten 587 bis 593 beschrieben.
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Bei ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtungen wird eine schnelle
Übertragung oder Leitung der Ladungsträger und dabei ein hoher Übertragungswirkungsgrad
gefordert. Die Ladungsträger bewegen sich sehr schnell, da sie unterhalb des Spaltes
zwischen den Elektroden stark beschleunigt werden, da zwischen den Potentialsenken,
d. h.
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in dem Teil des Halbleiterkörpers, der unterhalb des Spaltes zwischen
den Elektroden liegt, ein hoher Potentialgradient, d. h. ein äußeres Driftfeld für
die Ladungsträger vorliegt. Die Ladungsträger bewegen sich jedoch hauptsächlich
durch Diffusion, unterstützt durch ein selbstinduziertes elektrisches Feld, das
durch den Ladungsgradienten der Ladungsträger im Halbleiterkörper unterhalb der
Elektrode erzeugt wird. Daher bewegen sich die Ladungsträger infolge
des
starken Konzentrationsgradienten bei Beginn der Bewegung sehr schnell. Diese Bewegung
wird jedoch bei weiterer Bewegung verlangsamt, da der Konzentrationsgradient gering
wird. Diese Tatsache ist in "Carrier Transport in Charge Couples Devices", IEEE
International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, FAM 13.1,
1971 beschrieben.
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Danach ist bei herkömmlichen Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtungen
die Geschwindigkeit der Übertragung der Ladungsträger durch die Diffusionszeit der
Ladungsträger im Halbleiterkörper unterhalb der Elektrode begrenzt. Weiter ist bei
herkömmlichen Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtungen der Ubertragungswirkungsgrad
gering, da die Elektrodenlänge groß ist und die Arbeitsfrequenz der Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtungen
hoch ist.
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Zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Ladungsträger-Ubertragung ist
es zweckmäßig, die Ubertragungslänge und damit die Übertragungszeit der Ladungsträger
zu verkürzen, indem die Länge der Elektrode möglichst kurz gehalten wird. Bei kurzer
Elektrode erhöht sich jedoch das Signal/Rausch-Verhältnis, da die unter der Elektrode
speicherbare Ladungsträgermenge gering ist. Darüber hinaus ist die Fertigung kurzer
Elektroden schwierig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
anzugeben, die mit hohem Ubertragungs-oder Leitungswirkungsgrad und hoher Ladungsträger-Ubertragungsgeschwindigkeit
arbeitet, und zwar bei gleichen Elektrodenabmessungen wie bei herkömmlichen Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtungen.
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Die .#rfindungsgemäße Ladungsäbertragungs-Halbleitervorrichtung enthält
mehr als zwei Ladungsiibertragungs-Halbleiterlemente, die je mit Signal eingängen,
Einrichtungen zur Übertragung der Ladungsträger und Signalausgängen versehen sind.
Die erfindungsgemäße Ladungsübertragungs
-Halbleitervorrichtung
enthält ferner Einrichtungen zur Erzeugung von Eingangs signalen, eine Einrichtung
zur Aufteilung der Eingangssignale, die an die Eingangssignal-Erzeugungseinrichtung
und an die Signaleingänge angeschlossen ist, Einrichtungen zur Integration der von
den Ausgängen abgenommenen Signale, die an jeden Signalausgang angeschlossen sind,
und Einrichtungen zur Messung bzw. Erfassung der integrierten Signale, die an die
Integrationseinrichtungen angeschlossen sind.
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Bei dieser Ladungsübertragimgs-Halbleitervorrichtung werden die Eingangssignale
aufeinander folgend geteilt und den Eingängen zugeführt. Die geteilten und den Eingängen
zugeführten Signale werden in jedem Eadungsübertragungs-Halbleiterelement durch
die Ladungsträger-Ubertragungseinrichtungen übertragen und erreichen die Ausgänge.
Die von den Ausgängen abgegriffenen Signale werden aufeinander folgend durcidie
Integrationseinrichtungen integriert.
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Die integrierten Signale werden durch den Detektor erfaßt.
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Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. la eine Draufsicht
bzw. einen Schnitt einer herkömmlichen und 1 b ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung;
Fig. 2 ein Beispiel einer Gruppe dreiphasiger Schiebeimpulse, die den Elektroden
der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung der Fig. la und 1b zugeführt werden;
Fig. 3 den Schnitt eines Teils der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung der
Fig. la und 1b zur Erläuterung der Funktion der Halbleitervorrichtung; Fig. 4 in
einem Diagramm die Frequenzkennlinien der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung
der Fig. la und Ib; Fig. 5 den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung;
Fig.
6 ein Beispiel für die Signale, die der Halbleitervorrichtung der Fig. 5 zugeführt,
in dieser übertragen und von dieser abgegriffen werden, zur Erläuterung der Funktion
der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 7 Ansichten konkreter Ausführungsbeispiele
der erfindungs-und 8 gemäßen Vorrichtung; Fig. 9 ein typisches Beispiel für Gruppen
von dreiphasigen Schiebeimpulsen, die den Elektroden der Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
der Fig. 8 zugeführt werden; Fig. 10 die Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung; Fig. 11 ein Beispiel der bei der Halbleitervorrichtung
der Fig.
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10 verwendeten Eingangs-Steuerimpulse und Tastimpulse; Fig. 12 die
Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 13 ein Beispiel der bei der Vorrichtung der Fig. 12 verwendeten Eingangs-Steuerimpulse
und Tastimpulse sowie ein Beispiel einer Gruppe dreiphasiger Schiebeimpulse, die
den Elektroden der Vorrichtung der Fig. 12 zugeführt werden; Fig. 14 die Draufsicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 15 ein
Beispiel der bei der Vorrichtung der Fig. 14 verwendeten Eingangs-Steuerimpulse,
Eingangs-Tastimpulse und Ausgangs-Tastimpulse sowie ein Beispiel einer Gruppe dreiphasiger
Schiebeimpulse, die den Elektroden der Ladungs-Ubertragungs-Halbleitervorrichtung
der Fig. 14 zugeführt werden; und Fig. 16 die Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäß en Halbleitervorrichtung.
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Die herkömmliche ladungsgekoppelte Halbleitervorrichtung der Fig.
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1a und Ib enthält einen Halbleiterkörper 1, eine auf der Oberfläche
des Hableiterkörpers 1 angeordnete Isolierschicht 2, Einrichtungen zur Einführung
von Ladungsträgern in den Halbleiterkörper 1, Elektroden 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c,
, 5a, 5b, 4c, die getrennt auf der Isolierschicht 2 angeordnet sind und zur Einführung
der Ladungsträger und zur Übertragung derselben längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers
1 angrenzend an die Isolierschicht 2 dienen, eine Eingangs-Tastelektrode 6 zur Lenkung
der eingeleiteten Ladungsträger zur Elektrode 3a, die auf der Isolierschicht 2 auf
einem dem Zwischenraum zwischen der Einführungseinrichtung und der Elektrode 3a
entsprechenden Teil der Isolierschicht 2 angeordnet ist, mit den Elektroden 3a,
4a , 5a, 3b, 4b, , 5b, bzw. 3c, 4c, , 5c verbundene Einrichtungen 7, 8 und 9 zur
Zufuhr impulsförmiger Gleichspannungen zur Übertragung der Ladungsträger zum Halbleiterkörper
1, Einrichtungen zur Erfassung der übertragenen Ladungsträger, und eine Ausgangs-Tastelektrode
10 zur Zufuhr der übertragenen Ladungsträger zum Detektor, der auf einem einem Teil
zwischen dem Detektor und der Elektrode 5c entsprechenden Teil der Isolierschicht
2 angeordnet ist.
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Die Einrichtung zur Einleitung der Ladungsträger als Signal enthält
einen Halbleiterbereich 11, dessen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt dem des Halbleiterkörpers
1 ist, eine über eine Elektrode 12 und einen Widerstand 13 an den Halbleiterbereich
11 angeschlossene elektrische Quelle oder Spannungsquelle 14, mittels der dem Halbleiterbereich
11 eine Vorspannung zugeführt wird, und einen über einen Koppelkondensator 15 an
die Elektrode 12 angeschlossenen Signalgenerator 16. Das Eingangssignal kann auch
durch die Eingangs-Tast- oder Steuerelektrode 6 gesteuert werden. Das heißt, wenn
ein Xinsl an einem Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers 1 zwischen dem Halbleiterbereich
11 und dem Bereich unterhalb der Elektrode 3a durch Anlegen einer Spannung an die
Eingangs-
Steuerelektrode 6 gebildet wird, durch den die Ladungsträger
leicht hindurchtreten, so wird das Eingangssignal unterhalb der Elektrode 3a in
den Halbleiterkörper 1 eingeleitet. Besteht kein Kanal, d. h., wird an die Eingangs-Steuerelektrode
6 keine Spannung angelegt, so wird das Eingangssignal nicht unterhalb der Elektrode
3a in den Halbleiterkörper 1 eingeleitet.
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Die Einrichtung zur Messung oder Erfassung der übertragenen Ladungsträger
enthält einen Halbleiterbereich 17, dessen Leitfähigkeitstyp dem des Halbleiterkörpers
1 entgegengesetzt ist, eine über einen Widerstand 19 und eine Elektrode 18 an den
Halbleiterbereich 17 angeschlossene Spannungsquelle 20, und Klemmen 21 und 22, die
zwischen die Elektrode 18 und den Widerstand 19 bzw. zwischen den Widerstand 19
und die Spannungsquelle 20 geschaltet sind.
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Diese Einrichtungen zur Einleitung und Erfassung der Ladungsträger
sind ähnlich den Einrichtungen, die an die Source und die Drain eines Metalloxid-Halbleitertransistors
angeschlossen sind, dessen Gate an Masse liegt.
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Die Polaritäten der Spannungsquellen 14j 20 und 23 (Fig. 1b) sind
so gewählt, daß der Halbleiterkörper 1 p-leitend ist. Ist der Halbleiterkörper 1-
n-leitend, so müssen die Polaritäten der Spannungsquellen 14, 20 und 23 (Fig. 1b)
umgekehrt werden.
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Die Bewegung derBewegungderLadungen in dieser ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung
wird im folgenden anhand Fig. 2 und Fig. 3 erläutert.
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Fig. 2 zeigt eine Gruppe dreiphasiger Schiebeimpulse und Fig. 3 einen
Teil-Längsschnitt der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung der Fig. 1a und Ib
mit den wesentlichen Teilen in vergrößertem Maßstab.
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Der Eingangs-Steuerelektrode 6 der Halbleitervorrichtung der Fig.
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la und 1b werden die Impulse Pi der Fig. 2 zugeführt.Die Gruppe dreiphasiger
Schiebeimpulse ~1 02 und ~3 wird durch die Einrichtungen 7, 8 bzw. 9 erzeugt. Die
Schiebeimpulse ~1 02 und haben ähnliche Spannungsverläufe und sind gegeneinander
um t/3 in einer Bitperiode t phasenverschoben.
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Fig. 3 zeigt den Zustand der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung,
in den die Ladungsträger eingeleitet und den Elektroden 3a, 4a, 23a, , 5a, 3b, 4b,
23b , 5b, und 3c, 4c, 23c ....., 5c die Schiebeimpulse ~1 02 bzw. ~3 durch die Sinrichtungen
7, 8 bzw. 9 zugeführt werden.
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Den Elektroden 3a, 4a, 23a ......, , 5a wird eine Spannung V1 zugeführt,
so daß im Halbleiterkörper 1 unterhalb der genannten Elektroden die eingeleiteten
Ladungsträger gespeichert werden. Darauf wird den Elektroden 3b, 4b, 23b, , 5b eine
Spannung V2 zugeführt, so daß unter diesen Elektroden Spannungssenken 25 entstehen,
deren Tiefe größer ist als die der Spannzlgssenken 24 unterhalb der Elektroden 3a,
4a, 23a, , 5a. Durch Anlegen der Spannung V2 werden die gespeicherten Ladungsträger
27 in die Potentialsenken 25 übertragen. Darauf wird den Elektroden 3c, 4c, 23c
, 5c eine Spannung V3 zugeführt, so daß unterhalb dieser Elektroden Potentialsenken
26 entstehen, deren Tiefe größer ist als die der Potentialsenken 25. Durch Anlegen
der Spannung V3 werden die Ladungsträger 27 aus den Potentialsenken 25 in die Potentialsenken
25 geleitet. Die Ladungsträger bewegen sich hauptsächlich durch Diffusion, unterstützt
durch ein selbstinduziertes elektrisches Feld, das durch den Ladungsgradienten der
Ladungsträger im Bereich unterhalb der Elektroden entsteht, d. h. in den Potentialsenken.
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Da ein Potentialgradient, d. h. ein Driftfeld für die Ladungsträger
27 zwischen den Potentialsenken 24 und 25 sowie 25 und 26 besteht, d. h. in den
Teilen des Halbleiterkörpers 1 unterhalb der Zwischenräume zwischen den Elektroden
3a, 4a, 23a, , 5a und 3b, 4b,
23b, , 5b sowie Db, 4b, 23b , 5b
und 3c, 4c, 23c ....
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5c, werden die Ladungsträger 27 in diesen Bereichen beschleunigt.
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Bei der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung wird jedoch die Bewegung
der Ladungsträger mit fortschreitender Bewegung verlangsamt, da der Konzentrationsgradient
der Ladungsträger klein wird.
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Daher wird bei der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung die Ubertragungs-
oder Leitungsgeschwindigkeit der Ladungsträger durch die Diffusionszeit der Ladungsträger
im Halbleiterkörper unterhalb der Elektroden verringert.
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Definiert man den Ubertragungswirkungsgrad Q als das Verhältnis zwischen
den unterhalb einer Elektrode gespeicherten Ladungsträgern zu den Ladungsträgern;
die längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers übertragen werden, so gilt annähernd:
Darin sind L die Elektrodenlänge in Richtung der Übertragung der Ladungsträger,
/u die Beweglichkeit der Ladungsträger, t die Ubertragungszeii: und V die an die
Elektroden angelegte Spannung. Für die relativen Verluste t an ladungsträgern ergibt
sich damit E= 1 -Aus diesen Glei#chungen ergeben sich rechnerisch die in Fig. 4
gezeigten Kurven für den Ubertragungswirkungsgrad 7 und die relativen Verluste E
in Abhängigkeit von der Frequenz der den Elektroden zugeführten Schiebeimpulse bei
verschiedenen Längen der Schiebeelektroden. Gemäß Fig. 4 verringert sich der Ubertragungswirkungsgrad
mit wachsender Schiebeelektrodenlänge und steigender Frequenz der ladungsgekoppelten
Halbleitervorrichtung.
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Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung
vermieden.
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Das Grundprinzip der Erfindung wird anhand der Fig. 5 und 6 näher
erläutert.
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Fig. 5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäSen Halbleitervorrichtung.
Sie enthält vier ladungsgekoppelte Halbleiterelemente mit je einem Halbleiterkörper,
einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordneten Isolierschicht, einer
Signal-Eingangseinrichtung 28, Einrichtungen 29 zur Übertragung der Ladungsträger
und Signal-Ausgangseinrichtungen 30, die ähnlich denen der ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung
der Fig. 1a und 1b sind, mit Ausnahme der Schaltungen zur Einleitung und Erfassung
der Ladungsträger, d. h. der Widerstände 13 und 19, der Spannungsquellen 14 und
20, des Kondensators 15, des Signalgenerators 16 und der Klemmen 21 und 22. Ferner
ist ein Eingangssignalgenerator 31, eine Einrichtung 32 zur Verteilung und Aufteilung
der Eingangssignale, die an den Eingangssignalgenerator 31 und an die Signal-Eingangseinrichtungen
28 in jedem ladungsgekoppelten Halbleiterelement, Einrichtungen 33 zur Integration
der von den Signal-Ausgangseinrichtungen 30 der ladungsgekoppelten Halbleiterelemente
abgegriffenen Signale, die an jede Signal-Ausgangseinrichtung 30 angeschlossen sind,
und Einrichtungen 34 zur Messung bzw. Erfassung der integrierten Signale vorgesehen,
die an die Integrationseinrichtung 33 angeschlossen sind.
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Die in Fig. 6(A) gezeigten Eingangssignale a, b, c, d, e, f, g, h,
i, j, k, ....., deren Zeitintervall je Bit t beträgt, werden aufeinander folgend
geteilt und aufeinander folgend den Signaleingangen 28-1, 28-2, 28-3 und 28-4 zugeführt.
Dem Signaleingang 28-1 werden die Signale a, e, i, .... (Fig.6(B)) zugeführt, d.
h. jedes vierte Bitsignal. Entsprechend werden den Signaleingängen 28-2, 28-3 und
28-4 die Signale b, f, j, .... bzw. c, g, k, .,... bzw. d, h, ....
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der Fig. 6(C), 6(D) bzw. 6(E) zugeführt. Diese verteilten und eingeführten
Eingangssignale werden in dem Halbleiterkörper durch die Übertragungseinrchtungen
29-1, 29-2, 29-3 und 29-4 den Signalausgängen 30-1, 30-2, 30-3 bzw. 30-4 zugeführt.
Die an den Signalausgängen abgegriffenen Signale werden aufeinander folgend durch
die Integrationseinrichtung 33 integriert. Die integrierten Signale werden durch
den Detektor 34 erfaßt, so daß die Ausgangssignale a, b, c, d, e, f, g, h, i, j,
k, ...... gemessen werden.
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Statt der Impulssignale können auch kontinuierliche Signale verwendet
werden, beispielsweise Stimn- und Bildsignale.
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Der Zeitintervall T dr Signale in einer ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung
ist viermal so groß wie der Zeitintervall t der Eingangssignale. Mit anderen Worten,
die Arbeitsfrequenz bei der Übertragung der Eingangssignale in jedem ladungsgekoppelten
Halbleiterelement beträgt ein Viertel der Arbeitsfrequenz einer ladungsgekoppelten
Halbleitervorrichtung, bei der die gesamten Eingangs signale a, b, c, d, e, f, g,
h, i, j, k, ..... übertragen werden. Das heißt, beträgt die Arbeitsfrequenz bei
der Übertragung der Eingangssignale durch nur eine ladungsgekoppelte Halbleitervorrichtung
F, so beträgt die Arbeitsfrequenz bei der Übertragung der Eingangssignale bei Verwendung
von vier ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtungen F/4.
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Der Ubertragungswirkungsgrad der Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
der Fig. 5 wird anhand Fig. 4 mit dee einer ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung
verglichen, die nur ein Element enthält.
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Beträgt die Länge L der Elektroden eines ladungsgekoppelten Halbleiterelements
in Leitungsrichtung der Ladungsträger beispielsweise 101u und werden die Ladungsträger
bei einer Halbleitervorrichtung mit nur einem ladungsgekoppelten Halbleiterelement
mit einer Arbeitsfrequenz von 10 #tHz übertragen, so beträgt der Wirkungsgrad etwa
99,9 %. Bei der Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
der
Fig. 5 beträgt der flbertragungswirkungsgrad bei gleicher Elektrodenlänge L von
10 /u etwa 99,975 #, weil die Arbeitsfrequenz nun bei 2,5 lCHz liegt. Das heißt,
bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung der Fig. 5 wird der Wirkungsgrad
auch dann verbessert, wenn Elektroden mit den gleichen Abmessungen wie bei der bekannten
ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung verwendet werden.
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Die Halbleitervorrichtung der Fig. 5 enthält zwar vier ladungsgekoppelte
Halbleiterelemente. Es können jedoch allgemein mehr als zwei Halbleiterelemente
verwendet werden. Enthält beispielsweise eine Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
zehn Reihen ladungsgekoppelter Halbleiterelemente, so ist die obere Grenzfrequenz
um eine Größenordnung größer als die einer Halbleitervorrichtung mit nur einem ladungsgekoppelten
Halbleiterelement.
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Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung,
bei dem zwei ladungsgekoppelte Halbleiterelemente verwendet werden. Den Elementen
werden Eingangs signale mit der Zeitperiode t zugeführt.
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Die vom Signalgenerator 31 erzeugten Eingangssignale werden in jeder
Zeitperiode t geteilt und die geteilten Signale werden über den Verteiler 35 den
Eingängen 36-1 und 36-2 zugeführt. Die geteilten Eingangssignale werden von den
Eingängen 36-1 und 36-2 den übertragenden Teilen der ladungsgekoppelten Halbleiterelemente
zugeführt, indem an die Eingangs-Steuerelektroden 37-1 und 37-2 eine Impulsspannung
mit der Zeitperiode t zugeführt wird, und durch die Ubertragungseinrich tungen 38-1
und 38-2 übertragen, so daß sie schließlich die Ausgänge 40-1 und 40-2 erreichen,
wobei an die Ausgangs-Steuerelektroden 40-1 und 40-2 eine Impulsspannung mit der
Zeitperiode t angelegt wird.
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Die durch die beiden ladungsgekoppelten Halbleiterelemente übertragenen
Signale werden durch die Integrationseinrichtung 41 integriert,
die
synchron zum Verteiler 35 arbeitet. Die integrierten Signale werden mittels des
Detektors 42 gemessen.
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Als Verteiler 35 und Integrationseinrichtung 41 können Schalteinrichtungen
mit MOS-Transistoren verwendet werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung
ist in Fig. 8 gezeigt. Dieses enthält wie das der Fig.
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7 zwei ladungsgekoppelte Halbleiterelemente. Der Signalgenerator 31
und der Signaldetektor 42 sind an die Eingänge 36-1 und 36-2 bzw. an die Ausgänge
40-1 und 40-2 angeschlossen. Die Eingangssignale werden also direkt den Eingängen
36-1 und 36-2 zugeführt. An Die Eingangs-Steuerelektroden 37-1 und 37-2 sind Verteiler
43-1 bzw.
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43-2 angeschlossen. Die Verteiler 43-1 und 45-2 erzeugen Impulse,
deren Zeitperiode 2t beträgt und die um t gegeneinander phasenverschoben sind (Impulse
Pi-1 und Pi-2 in Fig. 8). Durch die Verteiler 43-1 und 43-2 werden die Eingangssignale
in jeder Zeitperiode t abwechselnd in die Ubertragungsteile der ladungsgekoppelten
Halbleiterelemente eingeführt. Die eingeführten Eingangssignale werden durch die
Übertragungseinrichturgen 38-1 und 38-2 übertragen und erreichen abwechselnd in
jeder Zeitperiode t die Signalausgänge 40-1 und 40-2 über die Ausgangs-Steuerelektroden
39-1 und 39-2, denen durch die Integrationseinrichtungen 44-1 und 44-2 synchron
zu den Verteilern die Impulse Po-1 bzw. Po-2 der Fig. 8 zugeführt werden. Die abwechselnd
an den Signalausgängen einlaufenden Signale werden durch den Detektor 42 gemessen.
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Die Integrationseinrichtungen 44-1 und 44-2 können weggelassen werden,
da die Eingangssignale mit der Zeitperiode 2t in den übertragenden Teilen des ladungsgekoppelten
Halbleiterelements übertragen werden. In diesem Fall wird den Ausgangselektroden
39-1 und 39-2 nur eine Gleichspannung zugeführt.
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Ein typisches Beispiel von Gruppen dreiphasiger Schiebeimpulse zur
Ubertragung der Signale durch die übertragenden Teile der Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
der Fig. 8 ist in Fig. 9 gezeigt.
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Fig. 9 zeigt im einzelnen Eingangs-Steuerimpulse, durch die Verteiler
43-1 und 43-2 erzeugte Impulse Pi-1 und Pi-2, die den Eingangs-Steuerelektroden
37-1 bzw. 37-2 zugeführt werden, Gruppen dreiphasiger Schiebeimpulse ~2-1 #2-1 und
~3-1, die für die Ubertragungs einrichtung 38-1 verwendet werden, und Gruppen dreiphasiger
Schiebeimpulse ~1-2 ~2-2 und 0)-2, die für die Übertragungseinrichtung 58-2 verwendet
werden.
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Sämtliche von dem Verteiler 43-1 und der Übertragungseinrichtung 38-1
erzeugten Impulse-sollten gegenüber den vom Verteiler 43-2 und der Übertragungseinrichtung
38-2 erzeugten Impulsen um eine Zeitperiode t Shasenverschoben sein, da die Eingangssignale
abwechselnd während jeder Zeitperiode t in die ladungsgekoppelten Halbleiterelerente
eingeführt und durch die übertragenden Ueile desselben übertragen werden.
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Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung. Dieses enthält gemeinsam für die Eingangs-Steuerelektroden
46-1, 46-2, 46-3 , 46-n eine Signaleingangseinrichtung 45 und gemeinsam für die
übertragenden Teile der Übertragungseinrichtungen 48-1, 48-2, 48-3, ........, ,
48-n eine Signal-Ausgangseinrichtung 47. Die Vorrichtung enthält n ladungsgekoppelte
Halbleiterelemente. Den Eingangs-Steuerelektroden 46-1, 46-2, 46-3 , 46-n werden
Tastimpulse zugeführt, deren Zeitperiode nt beträgt und die jeweils gegenüber den
der benachbarten Steuerelektrode zugeführten Impulsen um eine Zeitperiode t verschoben
sind, die durch die Verteiler 49-1, 49-2, 49-3 ......... bzw. 49-n erzeugt werden.
Fig. 11 zeigt Eingangs-Steuerimpulse und Steuer- oder Tastimpulse Pi-1, Pi-2, Pi-3,...
Pi-n, die von den Verteilern 49-1, 49-2, 49-3, .... 49-n erzeugt und den Eingangs-Steuerelektroden
46-1, 46-2, 46-3, ... bzw. 46-n zugeführt werden.
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Gemäß Fig. 11 ist die Zeitperiode der Eingangs-Steuerimpulse gleich
t und die Zeitperiode jedes der Tastimpulse Pi-1, Pi-2, #i-3Pi-3,.......
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Pi-n gleich nt, und die Tastimpulse Pi-1, Pi-2, Pi-3, , Pi-n sind
um eine Periode t gegeneinander phasenverschoben.
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Werden dem Signaleingang 45 die vom Signalgenerator 31 erzeugten
Eingangssignale zugeführt, so wird zuerst das dem Eingang 45 zugeführte Eingangssignal
zum Übertragungsteil des ersten ladungsgekop pelten Halbleiterelements geführt,
wenn der Steuerimpuls nur der Steuer-Eingangselektrode 46-1 zugeführt wird. Darauf
wird das Eingangssignal zum übertragenden Teil des zweiten ladungsgekoppelten Halbleiterelement
geleitet, da der Steuerimpuls nur der Eingangs-Steuerlektrode 46-2 zugeführt wird.
Das n-te Eingangssignal wird dem übertragenden Teil des n-ten ladungsgekoppelten
Halbleiterelements zugeführt, da nur der Eingangs-Steuerelektrode 46-n der Steuerimpuls
zugeführt wird. Die den übertragenden Teilen zugeführten Signale werden durch die
Ubertragungseinrichtungen 48-1, 48-2, 48-3 ....., 48-n übertragen und erreichen
nacheinander den Signalausgang 47 und werden aufeinander folgend durch den Detektor
50 erfaßt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 wird eine n-teilige Einrich--
tung zur Erzeugung einer Gruppe dreiphasiger Schiebeimpulse verwendet. Daher wird
die Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung kompliziert.
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Fig. 12 zeigt eine Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung, bei
der dieser Nachteil vermieden ist.
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Bei dieser Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung wird nur eine
Gruppe dreiphasiger Impulse verwendet. Das heißt, die Eingangssignale werden den
übertragenden Teilen der Ladungsübertragungs-Halb leitervorrichtung zugeführt, indem
Steuerimpulse angelegt werden, deren Zeitperiode dreimal so groß ist wie die Periode
t der Eingangs-Steuerimpulse. Sie werden durch die übertragenden Teile übertragen,
indem
Schiebeimpulse angelegt werden, deren Phasendifferenz das Dreifache der Zeitperiode
t der Eingangs-Steuerimpulse beträgt (Fig. 13).
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Die dreiphasigen Schiebeimpulse #1 werden jeder der ersten Elektroden
der drei Elektroden des ersten ladungsgekoppelten Halbleiterelements zugeführt,
nämlich den Elektroden 51a, 52a, , ferner jeder der dritten Elektroden der drei
Elektroden des zweiten ladungsgekoppelten Halbleiterelements, d. h. den Elektroden
61c, ...., 63c sowie jeder der zweiten Elektroden der drei Elektroden des dritten
ladungsgekoppelten Halbleiterelenpnts, d. h. den Elektroden 71b,...
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..., 73b. Die dreiphasigen Schiebeimpulse #2 werden jeder der zweiten
Elektroden der drei Elektroden des ersten ladungsgekoppelten Halbleiterelements
zugeführt, d. h., den Elektroden 51b, 52b52b,......, ferner jeder der ersten Elektroden
der drei Elektroden des zweiten ladungsgekoppelten Halbleiterelements, d. h. den
Elektroden 61a, 62a, , sowie jeder der dritten Elektroden der drei Elektroden des
dritten ladungsgekoppelten Halbleiterelements, d. h. den Elektroden 71 c, , 73c.
Die dreiphasigen Schiebeimpulse ~3 werden jeder der dritten Elektroden der drei
Elektroden des ersten ladungsgekoppelten Halbleiterelements, d. h. den Elektroden
51c, 52c, ...., 53c zugeführt, ferner jeder der zarten Elektroden der drei Elektroden
des zweiten ladungsgekoppelten Halbleiterelements, d. h. den Elektroden 61b, 62b,
, 63b und jeder der ersten Elektroden der drei Elektroden des dritten ladungsgekoppelten
Halbleiterelements, d. h.
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den Elektroden 71a, 72a, 73a.
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Die vom Signalgenerator 31 erzeugten und von den Eingangs-Steuerimpulsen
getragenen Eingangssignale werden den Signaleingängen 54-1, 54-2 und 54-3 sowie
aufeinander folgend zu den Ubertragungsteilen des ersten, zweiten und dritten ladungsgekoppelten
Halbleiterelements übertragen, indem die Impulse Pi-1, #i-2 und Pi-3 (Fig. 13) angelegt
werden, die durch die Verteiler 55-1, 55-2 und 55-3 erzeugt werden.
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Sie gelangen zu den Eingangs-Steuerelektroden 56-1, 56-2 bzw. 56-3.
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Die zugeführten und verteilten Eingangssignale werden durch die dreiphasigen
Schiebeimpulse #1' ~2 und ~3, , die durch die Einrichtungen 57, 58 und 59 zur Erzeugung
impulsförmiger Gleichspannungen erzeugt werden, zu den letzten Elektroden 53c, 63c
bzw. 73c übertragen. Die übertragenen Signale werden über die Ausgangs-Steuerelek
troden 64-1, 64-2 bzw. 64-3 aufeinander folgend dem Detektor 50 zugeführt.
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Bei der Halbleitervorrichtung der Fig. 12 können statt der dreiphasigen
auch andere Schiebeimpulse verwendet werden, beispielsweise zweiphasige Schiebeimpulse.
In diesem Fall sollte die Phasendifferenz zwischen den zweiphasigen Impulsen zur
Vereinfachung der Erzeugung impulsförmiger Gleichspannungen ein ganzzahliges Vielfaches
einer Zeitperiode der Eingangssignale betragen. Allgemein gilt für m-phasige Schiebeimpulse,
daß jede Phasendifferenz zwischen den mphasigen Impulsen ein ganzzahliges Vielfaches
der Zeitperiode der Eingangssignale betragen sollte. Ist die Zeitperiode der Eingangssignale
gleich t und die Phasendifferenz zwischen den m-phasigen Schiebeimpulsen gleich
nt/m, so sollte zur Vereinfachung der Erzeugung impulsförmiger Gleichspannungen
die Bedingung n = lm (1=1, 2, 3,...) eingehalten werden.Dabei sind die Gruppen der
m-phasigen Schiebeimpulse 1.
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Die Eingangs-Steuerelektroden 56-1, 56-2 und 56-3 der. Xalbleitervorrichtung
der Fig. 12 sind jedoch nicht immer notwendig und können weggelassen werden, weil
die Eingangssignale dem übertragenden Teil jedes ladungsgekoppelten Halbleiterelements
nur dann zugeführt werden, wenn der Impuls der dreiphasigen Schiebeimpulse jeder
der ersten Elektroden 51a, 61a und 71a der Halbleiterelemente zugeführt wird.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird nur ein Eingangssignal
der Eingangssignale mit der Zeitperiode t-dem übertragenden Teil des ladungsgekoppelten
Halbleiterelements zugeführt, indem and ie erste Elektrode des übertragenden Teils
ein Impuls angelegt wird. Mit anderen Worten, die Phasendifferenz zwischen den dem
übertragenden Teil eines. ladungsgekoppelten Halbleiterelements zugeführten Impulsen
und den dem übertragenden Teil des ladungsgekoppelten Halbleiterelements angrenzend
an das erste zugeführten Impuls ist gleich der Zeitperiode der Eingangssignale Fig.
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung,
bei der die gewünschte Zahl der Eingangssignale einem ladungsgekoppelten Halbleiterelement
zugeführt wird, während an die übertragenden Teile der ladungsgekoppelten Halbleiterelemente
ein Impuls angelegt wird.
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Die Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung der Fig. 14 enthält
einen Halbleiterkörper, eine. auf dem Halbleiterkörper angeordnete Isolierschicht,
k Reihen von Elektroden 80a, 80b, 80c, 81a, 81b, 81 c, , 82a, 82b, 82c; 83a, 83b,
83c, 84a, 84b, 84c 85a, 85b, 85c; 86a, 86b, 86c, 87a, 87b, 87c, , 88a, 88b, 88c;
..........; ;und 89a, 89b, 89c, 90a, 90b, 90c, ........., , 91a, 91b, 91c, die auf
der Isolierschicht angeordnet sind, einen auf der Isolierschicht angeordneten Signaleingang
92, auf der Isolierschicht zwischen dem Eingang 92 und jeder Reihe von Elektroden
angeordnete Eingangs-Steuerelektroden 93-1, 93-2, 93-3 , 93-k, 93-k, angrenzend
an jede Elektrode der Elektrodenreihen angeordnete Elektroden 94-1, 94-2, 94-3,
, 94-k, einen auf der Isolierschicht angeordneten Signalausgang 95, auf der Isolierschicht
zwischen dem Ausgang 95 und jeder angrenzend an jede Elektrode der Elektrodenreihen
angeordneten Elektrode 94 angeordnete Ausgangs-Steuerelektroden 96-1, 96-2, 96-3
......, 96-k und einen Signaldetektor SO.
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Den ersten Elektroden 80a, 81a, , 82a, 83a, 84a, , 85a, 86a, 87a ,
88a , 89a, ........., 89a, 90a, ......, , 91a der Dreier- Dreiergruppen von Elektroden
in jeder Reihe von Elektroden wird einer der dreiphasigen Schiebeimpulse, nämlich
der Schiebeimpuls #1 zugeführt, der durch eine Einrichtung 97 zur Erzeugung impulsförmiger
Gleichspannungen erzeugt wird. Den zweiten Elektroden 80b, 81b, , 82b, 83b, 84b
, 85b, 86b, 87b , 88b , 89b, ........, 88b,........, 89b, 90b, .........., , 91b
der drei Elektroden in jeder Reihe von Elektroden wird einer der dreiphasigen Schiebeimpulse,
nämlich der Schiebeimpuls ~2 zugeführt, der von einer Einrichtung 98 zur Erzeugung
impulsförmiger Gleichspannungen erzeugt wird. Den dritten Elektroden 80c, 81c, ....,82c,
82c,83c, ......, 85c, 84c, , 85c, 86c, 87c, , 88c , 89c, 90c , 91c der drei Elektroden
in jeder Reihe von Elektroden wird einer der dreiphasigen Schiebeimpulse, nämlich
der Schiebeimpuls zugeführt, der von einer Einrichtung 99 zur Erzeugung impulsförmiger
Gleichspannungen erzeugt wird.
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Den Eingangs-Steuerelektroden 93-1, 93-2, 93-3, , 93-k werden von
Verteilern 100-1, 100-2, 100-3, , bzw. 100-k erzeugte Impulse zugeführt. Den Ausgangs-Steuerelektroden
96-1, 96-2, 96-3, ..., 96-k werden von den Integrationseinrichtungen 101-1, 101-2,
101-3 , bzw. 101-k erzeugte Impulse zugeführt.
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Fig. 15 zeigt die zeitlichen Beziehungen zwischen den Eingangs-Steuerimpulsen,
den den Eingangs-Steuerelektroden 100-1, 100-2, 100 3, ...., bzw. 100-k zugeführten
ImpulsaiPi-1, Pi-2, Pi-3, ....-, Pi-k, den dreiphasigen Schiebeimpulsen ~1 ~2 und
~3 und den den Ausgangs-Steuerelektroden 96-1, 96-2, 96-3, , 96-k zugeführten Impuls#Po-1,
Po-2, Po-3, , Po-k.
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Gemäß Fig. 15 werden k Teile von Eingangssignalen den ladungsgekoppelten
Halbleiterelementen zugeführt, während einer der dreiphasigen Schiebeimpulse, nämlich
der Schiebeimpuls ~1 den ersten Elektroden der Dreiergruppen der Reihen von Elektroden
zugeführt wird. Sie
werden zu den Ausgängen übertragen, indem der
Reihe von Elektroden dreiphasige Schiebeimpulse zugeführt werden. Die übertragenen
Signale werden unterhalb der Elektroden 94-1, 94-2, 94-3, , 94-k aufeinander folgend
gespeichert, indem die von dem Gleichspannungsgenerator 102 erzeugte Gleichspannung
angelegt wird. Die gespeicherten Signale werden über den Signalausgang 95 dem Detektor
50 zugeführt, indem die Impulse Po-1, Po-2, Po3- ........., , Po-k den Ausgangs-Steuerelektroden
96-1, 96-2, 96-3, 96-k zugeführt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 14 kann den Elektroden 94-1,
94-2, 94-3, .....~>, 94-c statt der Gleichspannung einer der dreiphasigen Schiebeimpulse,
nämlich der Schiebeimpuls ~1 zugeführt werden.
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Statt der Elektroden 94-1, 94-2, 94-D, , 94-k können Halbleiterbereiche
verwendet werden, deren Leitfähigkeitstyp dem des Halbleiterkörpers entgegengesetzt
ist.
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Bei dem in Fig. 16 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel werden drei
Ladungsübertragungs-HalUeitervorrichtungen der Fig. 14 verwendet. Da bei der Ladungsübertragungs-Hableitervorrichtung
der Fig. 14 die Eingangssignale den Halbleiterelementen zugeführt werden, während
nur einer der dreiphasigen Schiebeimpulse, nämlich der Schiebeimpuls ~1, angelegt
wird,könnn die Eingangssignale den ladungsgekoppelten Halbleiterelementen zugeführt
werden, während andere Impulse der dreiphasigen Scbiebeimpulse zugeführt werden,
nämlich die Schiebeimpulse ~2 oder ~3. Mit anderen Worten, wenn k Reihen ladungsgekoppelter
Halbleiterelemente gemäß Fig. 14 einen Block bilden, ist die Anzahl der verwendbaren
Blöcke in einer Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung gleich der Anzahl der
Phasen der Schiebeimpulse. Das heißt, wenn die Eingangssignale durch dreiphasige
Schiebeimpulse übertragen werden, kann die Anzahl der Blöcke gleich drei sein.
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In Fig. 16 hat jeder der Blöcke 102-1, 102-2 und 102-3 die gleiche
Anordnung der Elemente wie die Vorrichtung der Fig. 14. Die von Einrichtungen 97,
98 und 99 zur Erzeugung impulsförmiger Gleichspannungen erzeugten dreiphasigen Schiebeimpulse
#1' ~2 bzw.
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werden gemäß Fig. 16 zugeführt.
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Die vom Signalgenerator 31 erzeugten Eingangssignale werden dem Block
102-1 zugeführt, während die Impulse ~1 der dreiphasigen Schiebeimpulse anliegen.
Während die Impulse ~2 anliegen, werden die Eingangssignale dem Block 102-2 und
während die Schiebeimpulse 03 anliegen dem Block 102-3 zugeführt. Die zugeführten
Signale werden wie bei der Vorrichtung dettig. 14 durch die dreiphasigen Schiebeimpulse
durch die Blöcke 102-1, 102-2 und 102-3 übertragen und aufeinander folgend vom Detektor
50 erfaßt.
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Dieser Aufbau mit k Reihen ladungsgekoppelter Halbleiterelemente als
ein Block ist auch bei den anderen in den Fig. 7, 8 10 und 11 gezeigten Ausführungsbeispielen
anwendbar.
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Bei diesem Aufbau arbeitet die Ladungsübertragungs-Halbleitervorrichtung
mit niedriger Frequenz. Das heißt, ist die Anzahl der Phasen der Schiebeimpulse
gleich m und die Anzahl der ladungsgekoppelten Halbleiterelemente gleich k, so ist
die Zeitperiode der Schiebeimpulse gleich mkt. Damit wird die Arbeitsfrequenz der
Eingangssignale 1 /mm.
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Bei den obigen Erläuterungen der Erfindung wurden als Meßeinrichtungen
oder Detektoren für die übertragenen Ladungen Drains mit pn-Ubergängen verwendet.Stattdessen
können auch andere Detektoren verwendet werden, beispielsweise Regenerations-1#S-Transistoren
mi#ühldiffusion (sensing diffusion) nach Tompsett: "-A Simple Charge Regenerator
for use with Charge Transfer Devices and the Design of vunctional Logic Arrays,"
IEEE Journal of Solid State Circuits, Band SC-7, Nr. 3, Seiten 237 bis 242 und Verstärker
mit
schwimmenden Gate nach Wen und Salsbury: "Analysis and Design
of Single-State Floating Gate Amplifier", ISSCC Dig. Tech. Papers, Seiten 154 bis
155 (Februar 1973).
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Bei Regenerations-NOS-Transistoren befindet sich der FUhidiffusionsbereich
an der Oberfläche des Halbleiterkörpers. Sein Leitfähigkeitstyp ist entgegengesetzt
dem des Halbleiterkörpers. Er ist mit dem Gate des MOST verbunden und dient zur
Erfassung variabler Oberflächenpotentiale bei variabler Ladungsübertragung.
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Bei Verstärkern mit schwimmendem Gate befindet sich zwischen der Elektrode
für die impulsförmigen Gleichspannungen una dem Halbleiterkörper im Isolator eine
weitere Elektrode, die als Diffusionsfühler dient.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zur Messung der Ladungsübertragung
sämtliche genannten Meßeinrichtungen verwendbar.
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Statt der ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen können für die
erfindungsgemäße Ladungsübertragungs-Halbl eitervorrichtung auch zu Gruppen verbundene
Zellen (bucket brigade), wie sie in IEEE International Solid-State Circuits Donference
1971, Digest of Technical Papers, FAM 6.5 "Integrated MOS and Bipolar Analog Delay
Lines using Bucket Brigade Oapacitor Storage" beschrieben sind, oder ladungsgekoppelte
Haibleitervorrichtungen mit verdecktem Kanal verwendet werden, wie sie in The Bells
System Technical Journal, September 1972, Seiten 1635 bis 1640, ~Buried Channel
Charge Coupled Device" beschrieben sind. Ferner können statt der dreiphasigen auch
zwei- oder vierphasige Schiebeimpulse verwendet werden.
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Patentansprüche