DE2500909A1 - Verfahren zum betrieb einer ladungsverschiebeanordnung nach dem charge-coupled-device-prinzip (bccd) - Google Patents
Verfahren zum betrieb einer ladungsverschiebeanordnung nach dem charge-coupled-device-prinzip (bccd)Info
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 11.1.1975
Berlin und München Wittelsbacherplatz
VPA 75 P 7004 BRD
Verfahren zum Betrieb einer Ladungsverschiebeanordnung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip (BCCD).
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Ladungsverschiebeanordnung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Solche
LadungsverSchiebeanordnungen sind bekannt. Beispielsweise
ist in der Veröffentlichung "The new concept for memory and imaging : charge coupling", Laurence Altman, Electronics,
Juni 21, 1971, Seiten 50 bis 58 eine SCCD-Ladungsverschiebeanordnung (Surface Charge Coupled Device) für den
Zweiphasen-Betrieb in einer Aluminium-Silicon-Gate-Technik beschrieben. Zur Änderung der Übertragungsrichtung ist
eine Änderung des Impulsprogrammes für die Taktleitungen
erforderlich. Dies bedeutet aber, daß jeweils jede zweite Aluminiumelektrode und jede zweite Siliziumelektrode mit
einer eigenen Ansteuerelektrode verbunden sein muß, und daß diese vier Leitungen von außen her zugänglich sein
müssen. Für den Fall, daß jeweils benachbarte Aluminium- und Siliziuinelektroden fest verbunden sind, läßt sich jedoch
eine Richtungsänderung nicht durchführen.
In »The Bell System Technical Journal», Vol. 54, Sept. 72,
No. 7, Seiten 1635 - 1640 ist eine BCCD-Ladungsverschiebeanordnung (Buried Channel Charge Coupled Device) beschrieben.
Bei einer solchen Anordnung ist unterhalb der Elektroden zwischen dem Halbleitersubstrat und der Isolierschicht
ein zu dem Substrat entgegendotierter Bereich angeordnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer BCCD-Ladungsverschiebeanordnung
609829/0 4-16
VPA 9/710/5002 vP/Htr
für den Zweiphasen-Betrieb anzugeben, mit dessen Hilfe eine Richtungsänderung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein wie eingangs bereits erwähntes Verfahren zum Betrieb einer Ladungsverschiebeanordnung
gelöst, das erfindungsgemäß durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale
gekennzeichnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Übertragungsrichtung lediglich durch die Änderung
einer Vorspannung umgekehrt werden kann.
Vorteilhafterweise läßt sich die Erfindung bei CCD-Speicherbausteinen
anwenden, bei denen von der Systemseite eine Verschiebung in beiden Richtungen gefordert
wird.
Weitere Bedeutung der Erfindung liegt in ihrer Anwendung bei CCD-Feldern, bei denen vorteilhafterweise mit Hilfe
der Erfindung statt zwei Übertragungsrichtungen vier Übertragungsrichtungen festgelegt werden können.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Beschreibung und der Figuren näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine bekannte SCCD-Anordnung für den Zweiphasen-Betrieb
.
Die Figur 2 zeigt die Potentialverteilung für die Anordnung nach der Figur 1.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine bekannte BCCD-Ladungsverschiebeanordnung.
Die Figuren 4 und 5 zeigen die Potentialverläufe für die VPA 9/710/5002 609 8 29/0416
Ladungsverschiebung in verschiedenen Richtungen für eine Anordnung nach der Figur 3·
Die bekannte SCCD-Ladungsverschiebeanordnung nach der Figur
1 nach dem Zweiphasen-Betrieb ist auf dem Halbleitersubstrat 1, beispielsweise auf einem p-Siliziumsubstrat 1 angeordnet.
Auf diesem Halbleitersubstrat 1 sind, in aus der Figur ersichtlichen Weise, innerhalb der elektrisch isolierenden
Schicht 2, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid besteht, die Elektroden 3» 31, 32 und 33 der ersten Ebene angeordnet.
Durch die zwischen den Elektroden 3 und dem Substrat 1 liegende Isolierschicht 2 sind diese Elektroden der ersten
Ebene von dem Halbleitersubstrat elektrisch isoliert. Auf der elektrisch isolierenden Schicht 2 sind in aus der Figur
1 ersichtlichen Weise oberhalb der Zwischenräume zwischen den Elektroden 3, 31, 32 und 33 der ersten Ebene die Elektroden
4, 41, 42 und 43 der zweiten Ebene aufgebracht. Diese Elektroden der zweiten Eben sind, in der aus der Figur ersichtlichen
Weise, durch die elektrisch isolierende Schicht
2 von den Elektroden 3 der ersten Ebene isoliert. Jeweils eine Elektrode der zweiten Ebene und eine Elektrode der
ersten Ebene sind, in aus der Figur 1 ersichtlichen Weise, elektrisch miteinander verbunden. Beispielsweise ist die
Elektrode 41 der zweiten Ebene mit der Elektrode 31 der ersten Ebene in dem Punkt 410 elektrisch verbunden. In der
entsprechenden Weise sind die Elektroden 42 und 32 in dem Punkt 420 und die Elektroden 43 und 33 in dem Punkt 430'
verbunden. Jeweils zwei miteinander verbundene Elektroden bilden eine Ladungsverschiebestufe.
Vorzugsweise bestehen die Elektroden der zweiten Ebene aus Aluminium und die Elektroden der ersten Ebene aus Silizium.
In der Figur 2 ist der Potentialverlauf für den Betrieb während der Ladungsverschiebung dargestellt. Dabei wird angenommen,
daß an den Anschlüssen 410 und 430 das Potential ILj und an den? Anschluß 420 das Potential U2 anliegt, wobei
Ug absolut größer als U1 ist, und daß an dem Substrat 1
VPA 9/710/5002 609829/0416
vorzugsweise Massepotential anliegt. Durch die wie oben
beschriebene feste Verbindung der Aluminiumelektroden der zweiten Ebene mit den Siliziumelektroden der ersten
Ebene ist die Übertragungsrichtung festgelegt. Die Ladung wird immer in den absolut tieferen Potentialsenken gespeichert.
Bei dem in der Figur 2 angegebenen Potentialverlauf würde also die zu verschiebende Ladung unter der
Elektrode 32 gespeichert sein. Die Richtung der Ladungsverschiebung ist durch den Pfeil 5 angegeben.
Wie in der Figur 3 dargestellt, unterscheidet sich eine bekannte BCCD-LadungsverSchiebeanordnung von der.oben beschriebenen
SCCD-Ladungsverschiebeanordnung durch einen unterhalb der Elektroden beider Ebenen und unterhalb der
elektrisch isolierenden Schicht 2 angeordneten Bereich Einzelheiten der Figur 3, die bereits im Zusammenhang mit
den anderen Figuren beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Der Bereich 6 besteht ebenfalls
wie das Substrat 1 aus Halbleitermaterial und ist entgegengesetzt zu dem Substrat 1 dotiert. Beispielsweise besteht
das Substrat 1 aus p-leitendem Silizium und die Schicht aus η-leitendem Silizium. Vorzugsweise ist das p-Silizium-Halbleitersubstiab
1 mit etwa N» = 10 1/cm und der in
diesem Substrat durch Diffusion erzeugte dotierte Halbleiterbereich 6 mit etwa ND = 10 1/cm dotiert. Die
Dicke des Bereiches 6 ist in der Figur 3 durch das Bezugszeichen 7 angegeben. Vorzugsweise beträgt sie etwa
0,5 /um bis 5 /um. Die Dicke der Schicht 2 zwischen den Elektroden der ersten Ebene und der Oberfläche des Bereiches
6 beträgt etwa 100 nm und die Dicke der Schicht 2 zwischen den Elektroden der zweiten Ebene und der Oberfläche
des Bereiches 6 etwa 300 nm.
Erfindungigemäß kann nun die Übertragungsrichtung bei
einer BCCD-Ladungsverschiebeanordnung dadurch geändert werden, daß die Potentialdifferenz U zwischen den Elektroden
und dem Halbleitersubstrat geändert wird. Dies ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. U ist dabei die Sperr-
VPA 9/710/5002 6 0 9 8 2 9/0416
Spannung zwischen den verschieden dotierten Gebieten 1 und
Ist diese Potentialdifferenz .
so ergibt sich die in der Figur 4 durch den Pfeil 51 darge
stellte ■Verschiebungsrichtung, und ist diese Potentialdifferenz
e % d2 (1 +
so ergibt sich die in der Figur 5 durch den Pfeil 52 dargestellte
Verschiebungsrichtung. Durch die Änderung der
Potentialdifferenz wird bestimmt, ob die Ladungsverschiebung
im vergrabenen Kanal (BCCD-Betrieb) oder an der Oberfläche (SCCD-Betrieb) verschoben wird. Im Falle der Figur 4, also für
d2 ο ♦ b
NA
liegen die Potentialmulden immer unterhalb der dickeren
Isolationsschicht. Dies bedeutet, daß diese immer unterhalb
der Elektroden der zweiten Ebene liegen. Für I tL· I <C IlL^ also
unterhalb der Elektrode 42, wie dies aus der Figur 4 auch er
sichtlich ist. Für den Fall der Figur 5, also für
liegen die Pofentialmulden immer unterhalb der dünneren
Isolationsschicht 2, also unterhalb der Elektroden der ersten
Ebene. Für JlLj}<C l'üg-jlisen diese Potentialmulden also unterhalb
der Elektrode 52, wie dies auch aus der Figur 5 ersich3.ich
ist. In den oben angegebenen Formeln bedeuten:
e Elektronenladung
Ntv Konzentration der Donatoren in der Schicht 6
NA Konzentration der Akzeptoren im Substrat
d Dicke der Schicht β
£.0 Dielektrizitätskonstante des Vakuums
27p* Dielektrizitätskonstante von Silizium
' 609829704 1S
VPA 9/710/500?
Erfindungsgemäß kann somit die Übertragimgsrichtung durch
einfaches Anlegen einer Vorspannung entweder an alle
Elektroden oder an das Halbleiter substrat 1 geändert werden.
Die vorliegende Erfindung läßt sich für alle Anwendungen
benutzten, bei denen eine Änderung der Übertragungsrichtung
benötigt wird. Dies ist z.B. bei einem First-in-Last-out-Speicherregister
der Fäll. Die Information wird z.B. im
BCCD-Betrieb in das Register eingeschoben und kam dann; nach
Anlegen einer Vorspannung im SCCD-Betrieb mit genau der gleichen Taktfolge ausgelesen werden. Dabei bedeutet BCCD-Betrieb
> daß absolute Potentialmulden unter den Elektroden
4, 41, 42 ^ 43 der zweiten Ebene mit der dickeren Isolierschicht
zwischen den jeweiligen Elektroden und der Schicht
6 und SCCD-Betrieb, daß absolute Potentialmulden unter den
Elektroden 3» 31» 32* 33 der ersten Ebene mit der dünneren
Isolierschicht zwischen diesen Elektroden und der Schicht vorhanden sind, an denen jeweils die Ladung gespeichert
wird.
Die Erfindung läßt sich außerdem bei zweidimensionalen
Matrizen angeben, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung
von CH. Sequin, Two-Dimensional Charge-Transfer Arrays, IEEE Journal of SSC, Vol. SC-9» No. 3, June 1974,
5. 134 - 142 beschrieben sind. Dabei handelt es sich bei
diesen zweidimensionalen Matrizen um zweidimensionale Felder,
bei denen die Information in zwei Richtungen verschoben
werden kann. Werden dabei BCCD-Schaltungen verwendet und
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben, so kann
die Ladung nicht nur in zwei Richtungen, sondern vorteilhafterweise
auch durch den einfachen Zusatzschritt einer
anderen Substratvorspannung in vier Richtungen verschoben
werden.
2 Patentansprüche
5 Figuren
5 Figuren
VPA 9/710/5002
609 8 2 9/0 41
Claims (2)
- Patentansprüche1y Verfahren zum Betrieb einer Ladungsverschiebeanordnung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip für den Zweiphasen-Betrieb, bei der auf einem Substrat aus Halbleitermaterial eine Isolierschicht so vorgesehen ist, daß in ihr befindliche Elektroden der ersten Ebene von dem Halbleitersubstrat elektrisch isoliert sind und daß oberhalb der Zwischenräume zwischen den Elektroden der ersten Ebene auf der Isolierschicht angeordnete Elektroden der zweiten Ebene von den Elektroden der ersten Ebene elektrisch isoliert sind, bei der jeweils eine Elektrode der zweiten Ebene mit jeweils einer ihr benachbarten Elektrode der ersten Ebene elektrisch verbunden ist, und bei der unterhalb der Elektroden und unterhalb der elektrisch isolierenden Schicht ein zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzt dotierter Bereich vorgesehen ist, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zur Änderung der Übertragungsrichtung an sämtliche Elektroden (3, 31, 32, 33) der ersten Eben« und an sämtliche Elektroden (4, 41, 42, 43) der zweiten Ebene eine Vorspannung U angelegt wird, wobei diese Vorspannung so bemessen ist, daß die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden und dem Halbleitersubstrat (1) in Abhängigkeit von dem vorangehenden Zustand entweder größer oder kleiner ist alseND d2 (1 + Jo ) .na
- 2. Verfahren zum Betrieb einer Ladungsverschiebeanordnung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip für den Zweiphasen-Betrieb, bei der auf einem Substrat aus Halbleitermaterial •In· Isolierschicht so vorgesehen ist, daß in ihr befindliche Elektroden der ersten Ebene von dem Halbleitersubstrat elektrisch isoliert sind und daß oberhalb der Zwischenräume zwischen den «Elektroden der ersten Ebene auf der Isolierschicht angeordnete Elektroden der zweitenVPA 9/710/5002 609829/0416Ebene von den Elektroden der ersten Ebene elektrisch isoliert sind, bei der jeweils eine Elektrode der zweiten Ebene mit jeweils einer ihr benachbarten Elektrode der ersten Ebene elektrisch verbunden ist, und bei der unterhalb der Elektroden und unterhalb der elektrisch isolierenden Schicht ein zu dem Halbleitermaterial entgegengesetzt dotierter Bereich vorgesehen ist, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zur Änderung der Richtung der Ladungsverschiebung eine Vorspannung an das Halbleitersubstrat (1) angelegt wird, wobei diese Vorspannung so bemessen ist, daß die Potentialdifferenz den Elektroden (3, 31, 32, 33, 4, 41, 42, 43) beider Ebenen und dem Halbleitersubstrat (1) in Abhängigkeit von dem vorangehenden Zustand größer oder kleiner ist alseNp d2p d2 (1 + J2VPA 9/710/5002609829/041 6Leerseife
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