DE2501934A1

DE2501934A1 - Halbleiter-speicheranordnung

Info

Publication number: DE2501934A1
Application number: DE19752501934
Authority: DE
Inventors: Darrell M Erb; John M Hartman
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-01-25
Filing date: 1975-01-18
Publication date: 1975-08-14
Also published as: GB1496081A; NL7500888A; US4093872A; NL172705C; DE2501934C2; JPS5238398B2; JPS50105392A; NL172705B

Description

Anmelderin; Stuttgart, den I7. Januar 1975

Hughes Aircraft Company ^{P 294} ^^G

Gentinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Californien

V.St.A.

Halbleiter-Speicheranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterspeicher— anordnung mit einer Halbleitersehicht, einer auf einer Oberfläche der Halbleitersehicht aufgebrachten dielektrischen Schicht und einer Anzahl in oder auf der dielektrischen Schicht derart angeordneten Elektroden, daß sie in Abhängigkeit von periodisch angelegten Spannungen die Ausbildung von Potentialtöpfen und das Speichern von Paketen elektrischer Ladungen in den Potentialtöpfen sowie die Übertragung der Pakete elektrischer Ladungen längs der Potentialtöpfe bewirken. Solchen ladungs-

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gekoppelten Speicheranordnungen finden insbesondere bei der Verarbeitung der Signale Verwendung, die von Infrarot-Fotoelementen geliefert werden.

Wenn ein Infrarotbild aufzunehmen ist, ist es üblich, ein Filter auf- dem inneren Foto- und Sperrschichteffekt beruhende Infrarot-Detektoren oder Infrarot-Fotoelemente in Form einer geordneten Gruppe anzuordnen, die ein oder mehrere Spalten solcher Fotoelemente umfaßt. Das Infrarotbild wird dann über die Detektorspalten so abgetastet, daß aufeinanderfolgende Detektoren einer bestimmten Spalte einen bestimmten Teil des Bildes nacheinander abtasten. Bei einer solchen Anordnung werden die von den Detektoren einer Spalte erzeugten Signale einer die Signale verschiebenden Einrichtung zugeführt, so daß die Signale, die von allen Detektoren dieser Spalte erzeugt werden, am Ausgang der Vorrichtung zur gleichen Zeit eintreffen. Auf diese Weise werden zufällige Änderungen im Ansprechverhalten der verschiedenen Detektoren durch eine Mittelung der angesammelten Ausgangssignale auf ein Minimum reduziert. Eine aus diskreten Komponenten aufgebaute Verzögerungsleitung für eine solche Signalverschiebung und Integration ist aus der US-PS 3 723 642 bekannt.

Ladungsgekoppelte Einrichtungen (charge coupled devices =*'CCD), von denen die E.rfindung ausgeht, sind aus der US-PS 3 651 34-9 bekannt. Wenn solche Anordnungen als

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Schieberegister eingerichtet sind, ist eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche eines Halbleiter-Speichermediums angeordnet und es ist eine Anzahl Elektroden innerhalb oder über dieser dielektrischen Schicht in einer Eeihe vorgesehen, so daß in Abhängigkeit . von Taktimpulsen,die den Elektroden periodisch zugeführt werden, eine Eeihe von Verarmungszonen oder.7 "Potentialtöpfen" entstehen. Diese Potentialtöpfe dienen zur Speicherung von Paketen elektrischer Ladungen, die in das Speichermedium durch einen ρ n-Übergang. injiziert werden. Die in Abhängigkeit von den angelegten Spannungen getakteten Elektroden übertragen diese Ladungspakete längs der Potentialtöpfe, also von einem Potentialtopf zum anderen.

Wenn von einer Anzahl Infrarot-Fotoelementen gelieferte Signale durch ein CCD-Schieberegister so behandelt werden sollen, daß ihre nacheinander erzeugten Ausgangs— signale am Ausgang des Schieberegisters gleichzeitig ankommen, so müssen die Ausgänge der nacheinander erregten Detektoren in aufeinanderfolgenden Stufen des CCD—Schieberegisters zugeführt werden. Von diesen Stufen besteht jede gewöhnlich aus einem Paar Potentialtöpfen und den zu ihrer Erzeugung dienenden,, getakteten Elektroden.

Die direkte Zufuhr der Avisgangs signale eines Infrarot— Fotoelementes zu einer bestimmten Stufe eines CCD-Schiebe registers bietet jedoch gewisse Probleme, die bisher

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die Anwendung eines CCD-Schieberegisters für diesen Zweck unmöglich machten.

Das erste Problem, das bei einer direkten Kopplung entsteht, besteht darin, daß von der nächst gelegenen Ladungsübertragungselektrode Spannungsspitzen in die Injektions-Sperrschicht rückgekoppelt werden, welche durch die an diese Elektrode angelegten Taktimpulse her- · vorgerufen werden. Der Grund für diese Rückkopplung in die Injektions-Sperrschicht besteht darin, daß die nächst gelegene Ladungsübertragungselektrode normalerweise die Injektions-Sperrschicht überlappt, um die Ladung steuern zu können, die von der Injektions-Sperrschicht in den mit dieser Elektrode verbundenen Potentialtopf übertragen werden soll. Die Überlappung erzeugt eine Kopplungskapazität, und es ist diese Kapazität, über welche die Spannungsspitzen in die Injektions-Sperrschicht rückgekoppelt werden. Wenn an diese Injektions-Sperrschicht unmittelbar ein Detektor angeschlossen ist, so erscheinen die rückgekoppelten Spannungsspitzen am Detektor und stören dessen Punktion.

Das Überlappen der Injektions-Sperrschicht durch die erste Ladungsübertragunfjselektrode erzeugt ein weiteres Problem für die direkte Injektion in ein CCD* Es kann nämlich der Detektor nur während der EIN-Periode des Taktimpulses benutzt werden, der der ersten Ladungsübertragungsperiode

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zugeführt wird. Während dieser EIN-Periode werden Ladungen, die durch die Injektions-Sperrschicht injiziert werden, sofort von der Sperrschicht entfernt, so daß weitere Ladungen vom Detektor aufgenommen werden können. wahrend der AUS-Periode des Taktes kann jedoch der Detektor nicht benutzt werden, weil sich während dieser Seit die eintreffenden Ladungen an der Injektions-Sperrschicht ansammeln und deren Vorspannung auf einen unzulässigen Wert anheben. Dies gilt insbesondere für Detektoren, die für Vorspannungen empfindlich sind, wie es bei Infrarotitotoelementen der FaIl ist. Diese Detektoren haben bezüglich der Schwankungen von Vorspannungen, denen sie ausgesetzt sind, sehr begrenzte Toleranzen. Infolgedessen könnten solche Detektoren nicht ordnungsgemäß arbeiten, wenn es ihrer Vorspannung erlaubt wäre, auf die Pegel anzusteigen, die das Ergebnis einer Ladungsansammlung während der AUS—Periode des Taktes wäre. Wenn dann der Detektor auf ein Arbeiten nur während der EUT-Periode des Taktes beschränkt würde, würde seine Empfindlichkeit vermindert, denn er würde nur während des Bruchteiles der Zeit arbeiten, welcher der EIF-Periode des Taktes entspricht.

Es wäre auch möglich, in ein CCD ein Signal von einem Detektor über einen Koppelkondensator zu injizieren. Eine solche Lösung hat jedoch mindestens den einen Nachteil, daß ein Kondensator, dessen Kapazität ausreichend wäre, um die von manchen Detektoren gelieferten Signale

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sehr geringer Frequenz zu übertragen, eine für die Verwendung mit Halbleiteranordnungen übermäßige Größe aufweisen würde. Ein weiterer Grund dafür, daß ein Kondensator mit einer übermäßig großen Kapazität benötigt würde, besteht darin, daß sich während des Betriebes des CCD Ladungen ansammeln und die Spannung am Kondensator, sofern er nicht einen sehr großen Wert hat, ebenfalls die Vorspannung des Detektors auf einen unzulässig hohen Wert ■anheben würde.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Speicheranordnung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß eine direkte Injektion eines von einem IH-Detektor gelieferten Signales möglich ist, ohne daß die Funktion des Detektprs nachteilig beeinflußt wird. Damit hängt unmittelbar zusammen, daß eine Ausbildung der Halbleiter-Speicheranordnung angestrebt wird, bei der für einen angeschlossenen IH-Detektor keine·Schwankungen der Vorspannung auftreten, sei es durch die Ansammlung von Ladungen oder durch Spannungsstöße, die von den Taktimpulsen herrühren. Dabei soll auch gewährleistet sein, daß der Detektor während der gesamten Betriebszeit ein nutzbares Signal liefert.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß nahe wenigstens einem Potentialtopf eine Einrichtung zum Injizieren von Ladungen in die Halbleiterschicht

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und zwischen dieser Einrichtung und diesem wenigstens einem Potentialtopf eine Elektrodenanordnung vorhanden ist, derart, daß bei Inlegen einer stationären Vorspannung an die Elektrodenanordnung ein Potentialtopf unter der Elektrodenanordnung erzeugt und aufrechterhalten wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Elektx'odenanordnung einen der Einrichtung zum Injizieren von Ladungen zunächst liegenden Übertragungsabschnitt und einen dem wenigstens einem Potentialtopf zunächst liegenden Speieherabschnitt auf. Dabei ist der Potentialtopf unter der Elektrodenanordnung im Bereich des Speicherabschnittes tiefer als im Bereich des Übertragungsabschnittes.

Bei einer solchen Anordnung wirkt der Übertragungsabschnitt der Elektrodenanordnung als Übertragungselektrode zwischen der Injektions-Sperrschicht und der nächst gelegenen, getakteten Übertragungselektrode des CCD. Eine Rückkopplung von Spannungsspitzen ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung verhindert, weil nicht länger eine Notwendigkeit dafür besteht, daß die nächst gelegene, getaktete Übertragungselektrode die Injektions-Sperr- ._■ schicht überlappt. Ebenso ist ein Ansammeln von Ladungen und das Anwachsen einer Vorspannung verhindert, weil der Speicherteil der Elektrodenanordnung einen Potentialtopf

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erzeugt, der ein Reservoir "bildet, in das Ladungen von der Injektions-Sperrschicht auch dann fließen können, wenn die Taktspannung an der nächst gelegenen Übertragungselektrode im AUS-Zustand ist. Dieses Ladungs-Reservoir hält die Injektions-Sperrschicht frei von Ladungen und versetzt sie in die Lage, zusätzliche Ladungen anzunehmen, ohne daß die Arbeits-Vorspannung angehoben wird.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Halbleiter-Speicher-r anordnung nach der Erfindung, in welche die Ladung unmittelbar von einem IR-Detektor injiziert wird,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Speicheranordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Speicheranordnung nach Fig. 1,

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]?ig. 4- ein Diagramm zur Erläuterung der zur Ladungsübertragung dienenden Taktimpulse,

Pig. 5 und 6 zwei Diagramme, welche die Ladungsverteilung in der Speicheranordnung während der ersten "bzw. zweiten Hälfte des Taktzyklus veranschaulichen,

Fig. 7 eine Diagrammcharakteristik eines IR-Fotoelementes, zur Veranschaulichung des Arbeitsbereiches,

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine weitere Speicheranordnung nach der Erfindung,

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 durch die Speicheranordnung nach Fig. 8,

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie 10-10 durch die Speicheranordnung nach Fig. 8,

Fig; 11 eine Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Speicheranordnung nach der Erfindung, und

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 durch die Speicheranordnung nach Fig. 11.

Die in den Fig. 1 bis 3 als Ausfuhrungsbexspxel dargestellte Halbleiter-Speicheranordnung weist ein

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Speichermedium in Form einer Halbleiterschicht oder eines Substrates I3 auf, das beispielsweise aus Silizium mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp, bei diesem Beispiel mit n-Leitfähigkeit, besteht und an einer Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht 15 bedeckt ist, die aus Siliziumdioxid bestehen kann. Auf und in der dielektrischen Schicht 15 befindet sich eine Anzahl getakteter Elektroden I Wie bekannt, können solche Elektroden in CCD-Anordnungen viele Formen annehmen. Bei dem in den Fig. 1 bis '5 dargestellten Beispiel besteht jede Elektrode 17 aus zwei getrennten Abschnitten, die elektrisch mitei^. ler verbunden sind, nämlich einem metallischen Ubertragungsabschnitt 17a, der auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht 15 liegt, und einem Speicherabschnitt 17b, der in die dielektrische Schicht 15 eingelassen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie kleine Abstände zwischen den Elektroden und gleichzeitig größere Toleranzen zuläßt. Bevorzugte Materialien für die zur Übertragung und Speicherung dienenden Abschnitte 17a und 17b der Elektroden, die im folgenden als "Übertragungselektrode" und "Speicherelektrode" bezeichnet werden, sind Aluminium bzw. polykristallines Silizium. Die Speicherelektroden 17b dienen dazu, durch in noch zu beschreibender Weise angelegte Taktspannungen unter ihnen liegende Potentialtöpfe hervorzurufen, in denen "Pakete" von Minoritätsträgern, also Löchern im Fall von n-Material, vorübergehend zu speichern. Die Funktion der: Übertragungselektroden 17a besteht im wesentlichen darin, einen

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!angerichteten S¹IuB von Minoritätsträgern zwischen den Potentialtöpfen zu unterdrücken.

Nahe dem einen Ende der Elektroden 17 "befindet sich eine Injektions-Sperrschicht 19» die gewöhnlich durch einen im Substrat durch Diffusion erzeugten Bereich 21 entgegengesetzter Leitfähigkeit, also von p-Leitfähigkeit bei dem dargestellten Ausführungsheispiel, gebildet wird. Durch die Sperrschicht 19 werden Ladungen mit Hilfe eines metallischen Kontaktes 23, der sich auf dem diffundierten Bereich 21 "befindet, von einer Signalquelle injiziert, die als IR-Detektor 25 in Form einer Fotozelle dargestellt ist, deren Äquivalent schaltbild eine Spannungsquelle mit einem parallel geschalteten Widerstand 29 umfaßt. Ein Beispiel für einen solchen IR-Detektor ist eine Indiumanimo id-Foto diode (In Sb Pv), deren Kennlinien in Fig. 7 dargestellt sind.

Die Betriebsspannungen für die Elektroden 17 werden von einer Zweiphasen-Taktimpulsquelle 30 (Fig. 5) geliefert. Die Elektroden sind abwechselnd mit einem der beiden Ausgänge 0,, und 0~ ä.er Takt impuls quelle verbunden. Fig. 4- veranschalicht die Taktspannungen 33 /und 35 an den Ausgängen 0^ und 0p der Taktimpulsquelle 30. Die Fig. 5 und 6 zeigen die Lage der Potentialtöpfe, die gebildet werden, wenn die Takt Spannungen an die Elektroden angelegt werden. Während der Zeit, während der

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die Taktspannung am Ausgang 0* "EIN", also auf einem Potential -V ist, während die Taktspannung am Ausgang 02 "AUS", also auf einem sehr viel positiveren Spannungspegel V ist, der jedoch nicht positiver ist als die Spannung· des flachen Bandes (flat band voltage), hat die Verarmungsζone die in Fig. 5 dargestellte Grenze 37· Es ist ersichtlich, daß die Verarmungszone unter derjenigen Speicherelektrode 17b am tiefsten ist, an die die Taktspannung vom Ausgang 0^, mit dem "£IN"-Pegel angelegt wird. Umgekehrt ist die Verarmungszone im Bereich 39a am flachsten, der sich unter derjenigen Übertragungselektrode 17a befindet, an welche die Taktspannung vom Ausgang 0p im "AUS"-Zustand angelegt wird. Die Zwischenzonen 39b und 39c bilden zwischen den äußeren Zonen 39a und 39<i einen stufenförmigen Übergang. Es kann gezeigt werden, daß bei dieser Gestalt der Verarmungszone die sich darin befindenden Minoritätsträger die Tendenz haben, zum tiefsten Abschnitt 39cL der Verarmungszone zu wandern und sich darin zu sammeln.

Während des nächsten Abschnittes des Taktzyklus, wenn die Potentiale an den Ausgängen 0^ und 0~ der Taktimpulsquelle 30 vertauscht werden, wird die Verarmungszone durch (ii.e in Fig. 6 dargestellte Grenze 37¹ definiert. Der wesentliche Unterschied gegenüber der in Fig. 5

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dargestellten Situation "besteht darin, daß die Potentialtöpfe 39d von der Speicherelektrode 17b» unter der sie ' sich vorher befanden, nach rechts zur nächsten Speicherelektrode gewandert sind. Es kann gezeigt werden, daß bei einer solchen Verschiebung jede Verarmungszone die Ladungen mitnimmt, die sie während des vorhergehenden Abschnittes des Taktzyklus enthalten hat. Stattdessen können die vorhandenen Beziehungen auch in der Weise ausgedrückt werden, daß die Potentialtöpfe 39d, die während des in JIg. 5 dargestellten Teiles des Taktzyklus bestanden, während des folgenden Teiles des Taktzyklus aufgehoben und durch die in Fig. 6 dargestellten Verarmungszonen 39d' ersetzt werden. In beiden Fällen ist das Ergebnis das gleiche. Die Ladung, die in einem Potentialtopf unter einer bestimmten Speicherelektrode 17b im Zeitintervall Tq gespeichert war, wird nach rechts verschoben, wie es die Fig. 5 und 6 zeigen, und in einem Potentialtopf unter der nächsten Speicherelektrode gehalten. Auf diese Weise wird ein Ladungspaket während jedes Taktzyklus einmal von einer Elektrode 17 zur unmittelbar rechts angrenzenden nächsten Elektrode verschoben.

Nach der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, die dazu dient, durch den eindiffundierten p-Bereich 21 injizierte Ladungen auf die erste der getakteten Elektroden zu übertragen. Diese Einrichtung umfaßt eine Eingangs-Elektrodenanordnung 4-1 mit einem Übertragungsabschnitt Ά-3

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und einem Speieherabschnitt 45, deren Funktionen den Funktionen der Übertragungs- und Speicherelektroden 17a bzw. 17b entsprechen. Um eine Kontinuität des Kanals zu erzielen, durch den Minoritätsträger vom eindiffundierten Bereich 21 zur era !.en Elektrode T/ fließen, überlappt der Übertragungsabschnitt 43 der Eingangs-Elektrodenanordnung sowohl den eindiffundierten Bereich ΖΛ als auch den Speicherabschnitt 45 der Eingangs-Slektrodenanordnung. Aus dem gleichen Grund ist eine Überlappung zwischen dem Speicherabschnitt 45 und der ersten getakteten Übertragungselektrode 17a vorhanden. Der Ladungsfluß ist auf den Kanal durch einen η-dotierten Stoppbereich 50 begrenzt.

Die Eingangs-Elektrodenanordnung 41 ist an eine Quelle eines konstanten Potentials angelegt, wodurch eine gleichförmige, unveränderliche Verarmungszone 49 aufrechterhalten wird, welche den diffundierten Bereich 21 mit dem ersten Abschnitt 39a der Verarmungszone verbindet, welche durch die Linie 37 begrenzt ist. So zeigt ein Vergleich der Fig. 5 und 6, daß die Verarmungszonen 49a und 49b unter dem diffundierten Bereich 21 und dem Übertragungsabschnitt 43 der Eingangs-Elektrodenanordnung bzw. dem Speicherabschnitt 45 dieser Elektrodenanordnung unverändert bleiben, während die Verarmungszonen unter den getakteten Elektroden I7 abwechseln oder wandern. Als Ergebnis

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werden Sp annung s sehwankungen von der Eingang s-Elektrodenanordnung 41 ferngehalten, die infolgedessen als ein Schirm wirkt, der zwischen der ersten getakteten Elektrode 17 und dem diffundierten Bereich 21 angeordnet ist und eine Rückkopplung von Spannungsschwankungen von der ersten Elektrode über den diffundierten Bereich 21 auf den IR-Detektor 25 verhindert.

Die Gestalt der Verarmungszone unter der Eingangs-Elektrοden anordnung 41 gewährleistet, daß ein Eingangs-Potentialtopf 49b zwischen der Injektions-Sperrschicht 19 und der ersten getakteten Elektrode.17 aufrechterhalten wird, so daß Minoritätstrager kontinuierlich aus der Sperrschicht 19 in den Potentialtopf 49b fließen können, selbst wenn die Takt spannung an der ersten Elektrode 1? einen solchen kontinuierlichen Ladungsfluß verhindern wiprde.

Der IR-Detektor 25 erhält, um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten, eine Vorspannung Y-p-g , die gleich der Spannung an der Oberfläche unter dem Übertragungsabschnitt 4-der Eingangs-Elektrodenanordnung 41 ist. Wenn also der eine Anschluß des IR-Detektors 25 mit dem diffundierten p-Bereich 21 und der andere Anschluß mit einer Quelle eines Potentials Vn-g» das dem Oberflächenpotential unter dem diffundierten Bereich gleich ist, verbunden ist, so ist ersichtlich, daß die Vorspannung am IR-Detektor selbst gleich Null ist.

.Λ

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Der Vorteil, der sich aus dem Einhalten der richtigen Vorspannung am IR-Detektor ergibt, wird anhand Fig. 7 besser verständlich, welche das Detektorrauschen V und den Diodenstrom I-, in Abhängigkeit von der Vorspannung am Detektor zeigt. Die Kurve des Detektorrauschens V zeigt, daß das Deteorrauschen bei einer Zunahme der Vorspannung stark ansteigt und daß eine definierte Grenze besteht, über die die Vorspannung nicht hinausgehen sollte. Für gegenwärtig erhältliche Fotoelemente wurde festgestellt, daß annehmbare Schwankungen der Detektorvorspannung in der Größenordnung von 50 mV liegen. Dieser ufert kann durch Anwendung der Erfindung leicht eingehalten werden.

Nachdem"anhand der Fig. 1 bis 6 beschrieben worden ist, in welcher Weise Ladungen in die Halbleiteranordnung injiziert und mittels der getakteten Elektroden an ihrer Oberfläche schrittweise entlang bewegt werden können, soll als nächstes unter Bezugnahme auf diese Figuren der Vollständigkeit wegen eine geeignete Anordnung zum Auslesen dieser Ladungen beschrieben werden. Diese Anordnung umfaßt zwei Mosfets 51 und 53» die in dem gleich Halbleitersubstrat 13 vom η-Typ gebildet worden sind, der auch das CCD- enthält. Der erste Mosfet 51 enthält eine p-Source-Zone 35> und eine p-Drain 57j welche Zone durch eine Gate-Zone 59 aus polykristallinem Silizium überbrückt werden, die in die dielektrische Schicht 15

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eingebettet und dadurch vom Substrat 13 getrennt ist· Ebenso besteht der zweite Moseft 53 aus p-Source und p-Drain-Zonen 61 und 63, die von einer aus polykristallinem Silizium bestehenden Gate-Zone 65 überbrückt werden, die auf einem dünnen Abschnitt.der dielektrischen Schicht 15 aufliegt. Die Drain-Zonen der Mosfets 51 und 53 sind über Kontakte 67 und 69 mit einer Quelle für eine Drainspaxmung V-^ verbunden. Die Gate-Zone 65 des Mosfet 53 erstreckt sich bis über die Source-Zone 55 des ersten Mosfet 51 und ist an der Stelle 71 mit dieser verbunden. Dadurch spricht der zweite Mosfet 53 auf den ersten Mosfet 51 an. Die Verbindungen zum zweiten Mosfet 53 werden durch einen Kontakt 73 vervollständigt, der die Source-Zone 61 über einen Lastwiderstand 74- mit Masse verbindet, an dem im Punkt 75 das Ausgangssignal Y ,._ des GCD erscheint. Zum Auskoppeln der Ladungen von der letzten getakteten Elektroden 17b in die Source-Zone des ersten Mosfet 5I dient eine Ausgangselektrode 77, die im wesentlichen ebenso ausgebildet ist wie der Ubertragungsabschnitt 4-3 der Eingangs-Elektrodenanordnung und sowohl die Source-Zone 55 des Mosfet 51 als auch die letzte Elektrode 17b überlappt.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Ausgangs- Anordnung wird verständlich, wenn das Fortschreiten der Ladungspakete durch die Ausgangs-Anordnung während aufeinanderfolgender Perioden der Taktspannungen 33 und 35

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betrachtet wird. Während des "EIN"-Zustandes des Signals am Ausgang 0^ sammelt sich ein Ladun^spaket unter der vorletzten Speicherelektrode 17b. Der erste Mosfet 51 ist dann !eilend, weil seine Gate-Zone 59_} die ebenfalls an den Ausgang 0~ der Taktimpulsquelle 30 angeschlossen ist, die Spannung mit "EIN" -Potential erhält.

Als .Ergebnis fließen Elektronen von der ν^-,-,-Spannungsquelle durch den Mosfet 51 zu dessen Source-Zone 55 und bewirken, daß sich die Source-Sperrschicht ^cj6 auf eine negative Spannung V = "V-nj, - V. auflädt, wobei V, die Mosfet-Schwellenspannung ist, die die Rückwirkung der Gate-Vorspannung berücksichtigt.

Die Spannung V_o~ , die der Ausgangselektrode 77 zugeführt wird, ist so gewählt, daß das Oberflächenpotential untex" der Ausgangselektrode zwischen dem Potential an der Source-Sperrschicht 56 und dem Oberflächenpotential unter der nächst gelegenen Speicherelektrode 17b ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß Minoritätsträger (Löcher) vom Potentialtopf 39d unter der letzten Speicherelektrode 17b zu der Sperrschicht fließen, wenn die Spannung am Ausgang 0^ der Taktimpulsquelle den positiveren Wert annimmt. Gleichzeitig macht die Ausgangselektrode 77 eine kapazitive Kopplung zwischen der letzten getakteten Speicherelektrode 17b und der Sperrschicht unnötig und verhindert die Übertragung unerwünschter

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SpannungsSchwankungen auf diese Sperrschicht. Auf diese Weise erfüllt die Ausgangselektrode 77 <lie gleiche Funktion und arbeitet in der gleichen Weise wie der Übertragungsabschnitt 4-3 der Singangs-Elektrodenanordnung. · ·

Am Ende des Zeitabschnittes Tq gemäß Fig. 4 besteht ein Spannungsunterschied zwischen der letzten Speicher-Elektrode 17b und der Sperrschicht 56, der für einen Fluß von Löchern in Richtung auf diese Sperrschicht ' günstig ist, und es steht an dieser Sperrschicht eine Anzahl Elektronen für eine Kombination mit einer entsprechenden Anzahl von Löchern zur Verfügung. Diese Kombination findet während des nächsten Abschnittes des Taktzyklus statt, also dem in Fig. A- gezeigten Abschnitt T^, wenn das Taktsignal am Ausgang 0^ auf das "EIH"-Potential übergeht und unter der letzten Speicherelektrode 17b einen Potentialtopf 39cl erzeugt. Als Ergebnis wird das Ladungspaket, das in einem Potentialtppf 39cL unter der vorletzten Speicher-Elektrode 17b während des vorausgegangenen Zeitabschnittes Tq vorhanden war, auf die letzte Speicherelektrode übertragen, die der Ausgangselektrode 77 benachbart ist. Im gleichen Zeitabschnitt Τ,ρ während dem das Ladungspaket im letzten Potentialtopf 39cL ankommt, nimmt die Spannung 35 am Ausgang 0₂ das "AUS"-Potential an und beendet damit den Elektronenfluß durch den Mosfet 5^· Während dieses Zeitabschnittes dauert das Ausfließen des Ladungspaketes, das in den letzten Potentialtopf 39<1 gebx'acht worden ist,

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durch den Bereich unter der Ausgaiif-..elektrode 77 zum Bereich der Sperrschicht 56 an, wo ui.e Ladung durch die dort vorhandenen Elektronen ausgeglichen wird. Dieser Ladungsausgleich hat zum Ergebnis, daß die Sperrschichtspannung V um einen Betrag A V = Q/C ansteigt, wenn Q die Signalladung und G die Knotenkapazität der pn-Sperrschicht 56 ist.

Der Spannungsanstieg AV wird der Gate-Zone 65 des Mosfet 53 zugeführt und bewirkt eine entsprechende Änderung in dessen Source-Drain-Strom. Die Änderung des Source-Drain-Stromes bewirkt eiih entsprechende Änderung der Spannung V am Ausgangswiderstand 7^. Diese Spannungsänderung bildet das Ausgangssignal der Halbleiteranordnung 11.

Wenn während des nächsten Zeitabschnittes T₀ die Taktspannung 35 vom Ausgang 0~ ⁱⁿ ^en "EIF"-Zustand zurückkehrt, wird die Ausgangs-Sperrschicht 56 in den Ausgangszustand zurückversetzt, also mit Elektronen geladen, bevor das nächste Ladungspaket während des gleichen Zeitabschnittes einürifft. Demgemäß wird durch die Zweiphasen-Taktanordnung nach den Fig. 1 bis 6 während jeder Taktperiode, die aus der Summe zweier Zeitabschnitte Tq und T^ in Fig. 4 besteht, einmal ein Ladungspaket von einer Speicherelektrode 17b zu der nach rechts folgenden, nächsten Speiseelektrode bewegt und einmal ein Ladungspaket von der letzten Speicherelektrode

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auf die Ausgangs-Sperrschicht 56 verschoben.

Was bisher im einzelnen beschrieben worden ist, ist die direkte Injektion eii s Signals in Form einer elektrischen Ladung in ein CCD von einer einzigen Signalquelle. Der größte Vorteil der Erfindung, welche die unmittelbare Injektion eines Signals in die Speicheranordnung ohne nachteilige Wirkungen ermöglicht, zeigt sich, wenn die Signale einer größeren Anzahl von Signalquellen in aufeinanderfolgende Stufen eines CCD-Schieberegisters eingegeben werden müssen. Der Grund hierfür liegt dnrin, daß die direkte Injektion von einer Vielzahl Signalquellen in das Schieberegister eine entsprechende Anzahl Kopplungsverstärker erspart,-die sonst benötigt wurden. Eine solche Anwendung der Erfindung ist in den Fig. 8 bis 10 veranschaulicht. Diese Figuren zeigen zwei Stufen 93 eines CCD-Schieberegisters 95 zusammen mit einem zu jeder Stufe benachbart angeordneten IR-Detektor 91· Auf einem η-leitenden Substrat 96 befindet sich eine dielektrische Schicht 9$j auf und in der eine Anzahl Elektroden 97 in einer Reihe angeordnet ist. Jede Stufe 93 des Schieberegisters umfaßt vier solcher Elektroden. Jede Elektrode 97 besteht aus ■ einer metallischen Ubertragungselektrode 97& und einer eingelassenen Elektrode 97b aus polykristallinem Silizium.

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In einer noch zu "beschreibenden Weise sind "beide Abschnitte 97a und 97b jeder Elektrode 97 mit der gleichen Taktspannung verbunden. Mehr im einzelnen wird eine Taktspannung mit einer Phase 0^, wie sie in Fig. 4- gezeigt ist, den ersten und dritten Ubertragungselektroden 97a jeder CCD-3tufe 93' mittels eines Leiterstreifens 99 zugeführt, der sich in Längsrichtung des CCD 95 erstreckt und der einteilig mit diesen Übertragungselektroden ausgebildet ist. Kontaktstellen 101 verbinden die ersten und dritten Übertragungselekt.; =den 97a mit den ihnen zugeordneten ersten und dritten Speicherelektroden 97b, die unter und unmittelbar rechts von ihnen angeordnet sind. Diese Verbindung ist in Fig. durch die Linien 101 angedeutet.

Eine Taktspannung der Phase 0~ , Ue sie ebenfalls Fig. 4 zeigt, wird den zweiten und vierten Elektroden 97 jeder Stufe 93 des CCD -Schieberegisters mit iiilfe eines zweiten Leiterstreifens 103 zugeführt, der sich im wesentlichen parallel zum ersten Leitersüreifen 99 erstreckt. Der Leiterstreifen 103 für das Signal der Phase 0~ ist mit den zweiten und vierten Speicherelektroden 97b über Kontakte 105 verbunden, die in den Fig. 8 und 9 sichtbar sind. Die zweiten und vierten Übertrag* rrigselektroden empfangen die Taktspannung der Phase 0p über Kontakte 107, welche sie mit den zwei Lon und vierten Sp eicherei ekt ro den 9'7b verbinden. Es ist ersichtlich, daß die aufeinanderfolgenden Elektroden 97 mit Taktspannungen entgegengesetzter Phase 0^ bzw. 0p gespeist werden.

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Es versteht sich, daß wie im Fall des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1 "bis 6 das in den Fig. 8 "bis dargestellte, Zweiphasen-CCD nur eine von vielen möglichen Anordnungen ist, bei denen die Erfindung angewendet werden kann, und nur als konkretes Anschauungsbeispiel für die Art und Weise dient, wie die Erfindung angewendet werden kann.

In Längsrichtung des CCD verläuft ein Kanalbegrenzungsberi-Lch 109. Bei einem Substrat vom n-Iyp wird der Kanalbegrenzungsbereich von einem (n + ) -dotierten Streifen gebildet und dient dazu, die mittels der Elektroden 97 transportierten Ladungspakete axu den Bereich zu beschränken, der von dem Kanalbegrenzungsbereich begrenzt wird. Ein Einlaß in jede CCD-Stufe 93 wird durch eine Öffnung in dem Kanalbegrenzungsbereich 109 gebildet. Diese Öffnung wird durch Fortsätze 115 begrenzt, die einen Kanal 116 zwischen einem der Detektoren 91 und der CCD-Stufe 93 definieren, die dessen Ausgangssignal empfangen soll. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß die erste Übertragungselektrode 97a jeder CCD-Stufe nicht nur dazu dient, Ladung von der vorhergehenden CCD-Stufe 93 auf die eigene Stufe zu übertragen, sondern auch von dem Eingangskanal 116 zur ersten Speicherelektrode 97b ihrer Stufe-r Ebenso dient die erste Speicherelektrode 97b jeder Stufe 93 nicht nur zur Speicherung aufeinanderfolgender Ladungspakete, die ihr von der vorhergehenden CCD-Stufe 93 zugeführt werden,

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sondern auch zur ersten Speicherung der Ladung, die in ihre Stufe von dem zugeordneten IR-Detektor 91 injiziert wirdo Um diese zweite Funktion erfüllen zu können, haben die ersten Uhertragungs- und Speicherelektroden97a bzw. 97b jeder CCD-Stufe 93 eine von den anderen Elektroden abweichende Form. Die erste Ühertragungselektrode 97a ist L-förmig und so angeordnet, daß sich ihr Fußbalken 113 über den Eingangskanal 116 erstreckt. Die erste Speicherelektrode 97b ist so lang ausgebildet, daß sie bis unter den Fußbalken 113 der ersten Ühertragungselektrode 97a reicht.

Von jedem Detektor 91 wird Ladung in den benachbarten Eingangskanal 116 durch eine Ihjektions-Sperrschicht injiziert, die von einem diffundierten Bereich 120 gebildet wird, wie es auch bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 der Fall ist. Eine elektrische Verbindung zwischen der Sperrschicht des IR-Detektors 91 zu dem diffundierten Bereich 120 wird durch einen aufgebrachten Metallstreifen 121 hergestellt. Die erfindungsgemäße direkte Kopplung erfolgt durch eine Eingangs-Elektrodenanordnung, die wiederum einen Übertragungsabschnitt 117a und einen Speicherabschnitt 117b umfaßt. Der Speicherabschnitt 117b besteht wiederum aus einer eingelassenen Elektrode aus polykristallinem Silizium, während sich der Speicherabschnitt 117a an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 98 befindet und bei dem gleichen Metallisierungsschritt hergestellt werden kann, bei dem

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die anderen sich an der Oberfläche befindenden Elektroden 97a gebildet werden. Auch hier überlapp·; wieder der Übertragungsabschnitt 117a sowohl die Injektions-Sperrschicht 119 als auch den Speicherabschnitt 117b.

Die Übertragungsabschnitte 117a und die Speicherabschnitte 117b der Eingangs-Elektrodenanordnungen können ge von einem gemeinsamen Leiterstreifen gebildet werden, der sich in Längsrichtung des CCD-Schieberegisters 95 erstreckt und dem eine konstante Vorspannung V_or, bzw. V_QfT1 zugeführt wird. ■ Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach den Pig. 8 bis 10 die Übertragungs- und Speicherabschnitte 117a und 117b nichi. miteinander verbunden sind, so daß die ihnen zugeführten Vorspannungen individuell eingestellt werden können. Wenn eine individuelle Einstellung nicht erforderlich isL, können die Übertragungsund Speicherabschnitte 117a und 117b in der in E¹Ig. 5 dargestellten Weise an eine gemeinsame Vorspannungsquelle angeschlossen sein.

Im Betrieb werden Ladungspakete von den IR-Detektoren 91 in die zugeordneten CCD-Stufen 93 in der gleichen V/eise injiziert, wie es anhand der Fig. 1 bis 6 beschrieben worden ist. Sobald solch ein Ladungspaket den Potentialtopf unter der ersten Speicherelektrode 97b in der CCD-Stufe erreicht, was einmal während jedes Zeitabschnittes Tq der Fall ist, gelangt das Ladungspaket in den Hauptstrom des

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Ladungsflusses in dem Schieberegister und wird schrittweise durch aufeinanderfolgende Stufen nach rechts befördert, und zwar mit einer Geschwindigkeit von einer Stufe während zwei Taktperioden. Durch Synchronisieren der Taktfrequenz zu der Frequenz, mit der ein Bild durch aufeinanderfolgende Detektoren 91 abgetastet wird, erreichen alle von den Detektoren erzeugten Ladungen zur gleichen Zeit die letzte CCD-Stufe 93. Um die zunehmend größer werdenden Ladungspake-unterzubringen, die gespeichert werden müssen, werden die aufeinanderfolgenden CCD-Stufen 93 fortlaufend größer gemacht, was in Pig. 8 durch die Zunahme der Breite des durch den Kanalbegrenzungsbereich. 119 begrenzten Kanals in den drei in Fig. 8 gezeigten Stufen veranschaulicht ist.

Es ist ersichtlich, daß der grundsätzliche Aufbau und die Arbeitsweise des in den Fig. 10 bis 12 dargestellten CCD die gleichen sind wie bei dem CCD nach den Fig. 1 bis 6, abgesehen von der Weise, wie die Ladungen injiziert werden. Demnach kann der Ausgangskreis zum Auslösen von Ladungen aus dem CCD nach den Fig. 8 bis 10 genau der gleiche sein, wie er in den Fig. 1 bis 6 dargestellt ist.

Die Anwendung der Erfindung bei einem CCD-Dreiphasen-Schieberegister ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt.

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Abgesehen von der Anordnung zur Ladungsinjektion hat das in den Fig. 11 und 12 dargestellte CCD einen üblichen Aufbau. Seine Elemente umfassen eine Anzahl Elektroden .13-5» die in drei Gruppen 135a, 135h und 135c unterteilt sind, die durch Takt spannungen der Phasen 0^, 0₂ und 0-, erregt werden· Die Art und Weise, in der Ladungen in einem CCD-Schieberegister mit einem dreiphasig erregten Satz-von Elektroden verschoben werden, ist bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Eine Beschreibung findet sich in einem Aufsatz "The New Concept for Memory and . Imaging: Charge Coupling" in "Electronics", 21. Juni 1971, Seiten 50 - 59· Ein eindiffuniderter (n +)-Bereich bildet eine Eanalbegrenzung 137j die den Kanal umgibt, längs dem die Ladungspakete fließen sollen. Der von der-Kanalbegrenzung 137 definierte Bereich des Substrats ist unter jeder 0.,-Elektrode 135c jeder CCD-Stufe 130 mit einem Einlaß 139 versehen, der einen Pfad für die von einer Injektions-Sperrschicht I5I kommende Ladung bildet« Die Injektions-Sperrschicht 141 ist neben der 0, -Elektrode 155c angeordnet und erhält Signale über einen Kontakt 14-2. Ein Fortsatz 14-3 jeder 0^ -Elektrode 135c erstreckt sich in den Ladungseinlaß 139 in Richtung auf die Injektions-Sperrschicht 14-1.

Der Injektions-Sperrschicht 14-1 benachbart und diese teilweise überlappend ist ein Übertragungsabschnitt 14-5 einer Eingangs-Elektrodenanordnung angebracht, deren Speicherabschnitt 14-7 sich zwischen dem iJbertragungsabschnitt und

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der 0,-Elektrode 135c befindet.

Die gewünschten Vorspannungen werden den Ubertxagungs- und Speicherabschnitten 145 bzw. 14-7 der Eingangs-Elektrodenanordnung über Leiter streif en 149 und. I5I zugeführt, die auch dazu dienen, ihre Potentiale den Eingangs-Elektrodeiianordnungen folgender CCD-Stufen 133 in der gleichen Weise zuzuführen, wie es anhand Fig. 8 erläutert wurde. Die Elektrodenabschnitte 145 und 147 bilden die erfindungsgemäße Eingangs-Elektrodenanordnung, die der Eingangs-Elektrodenanordnung 41 nach den Fig. 1 bis 6 entspricht. Gewisse Unterschiede ergeben sich jedoch bei einer Betrachtung der Fig. 12. So sind bei dem dargestellten CCD-Dreiphasen-Schieberegister die Übertragungs- und Speicherabschnitte 145 und 147 in der gleichen Ebene und elektrisch voneinander getrennt angeordnet. Diese Art des Aufbaues ergibt sich von selbst bei CCD-Dreiphasen-Schieberegistern, bei denen sich, wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt, alle Übertragungs- und Speicherelektroden 135 in der gleichen Ebene' befinden, so daß alle diese Elektroden, einschließlich der Eingangs-Elektrodenanordnung 146, durch die gleiche Metallisationsschicht gebildet werden können.

Die Art und Weise, mit der Ladung vorübergehend, unter dem Speicherabschnitt 147 cL©¹* Eingangs-Elektrodenanordnung. gespeichert wird, ist am besten anhand der

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in Pig. 12 dargestellten Grenze 153 der Verarmungszone erkennbar. Die Grenze, die sich unterhalb der Elektroden von der Injektions-Sperrschicht 141 bis zur 0^-Elektrode 135c erstreckt, hat drei Bereiche 153a, 153b und 153c, deren allgemeiner Verlauf dem entsprechenden Profil 49a, 49b, 39a in Hg. 5 entspricht. Demgemäß ist die Verarmungszone 153a unter der Injektions-Sperrschicht 140 durch das Potential am Übertragungsabschnitt 145 äer Eingangs-Elektrodenanordnung bis in die Nähe des Randes des Speicherabschnittes 147 verlängert, unter dem die Verarmungszone 153b beträchtlich tiefer ist. Wenn die Taktspannung mit der Phase 0^ an die Elektrode 135c angelegt wird, dann wird die Verarmungszone unter dieser Elektrode flacher als die Verarmungszone 153b unter dem Speicherabschnitt 147, so daß unter dem Speicherabschnitt 147 ein Potentialtopf entsteht, in dem eine von der Injektions-Sperrschicht 141 kommende Ladungsmenge 155 gespeichert werden kann. Die Speicherung wird fortgesetzt, bis das 0^-Spannungssignal den "EI1T"-Pegel annimmt, wodurch die Verarmungszone 153c bis unter die Verarmungszone unter dem Speicherabschnitt 147 absinkt, so daß die in dem Potentialtopf 153 gespeicherte Ladung in den B reich unter der 0^-Elektrode 135c verschoben werden kann.

Die Potentiale an den beiden Abschnitten 145 und 147 der Eingangs-Elektrodenanordnung sind konstant, jedoch kann das Potential an dem Speicherabschnitt 147 auf einen höheren Wert eingestellt werden als an dem Übertragungsabyohnitt 145, so daß unter dem Speicherabschnitt eine tiefere Verarmungszone gebildet wird_s wie es für die Ladungsinjektion erforderlich ist,

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Claims

Patentansprüche

Halbleiter-Speicheranordnung, mit einer Halbleiterschicht, einer auf eine Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebrachten dielektrischen Schicht und einer Anzahl in oder auf der dielektrischen Schicht derart angeordneten Elektroden, daß sie in Abhängig von periodisch angelegten Spannungen die Ausbildung von Potentialtöpfen und das Speichern von Paketen elektrischer Ladungen in den Potentialtopfen sowie die Übertragung der Pakete elektrischer Ladungen längs der Potentialtöpfe bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß nahe wenigstens einem Potentialtopf (')) einer Einrichtung (19» 21) zum Injizieren von Ladungen in die Halbleiterschicht (13) und zwischen dieser Einrichtung und diesem wenigstens einen Potentialtopf eine Elektrodenanordnung (4-1) vorhanden ist, derart, daß bei Anlagen einer stationären Vorspannung an die Elektrodenanordnung (4-1) ein Potentialtopf (4-9) unter der Elektrodenanordnung erzeugt und aufrechterhalten wird.

2. Halbleiter-Speicijeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19 j 21) zum Injizieren von Ladungen einen pn-übergang (19) umfaßt.

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BAD ORIGINAL

Halbleiter-Speicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (41) einen der Einrichtung (19? 21). zum Injizieren von Ladungen zunächst liegenden Übertragungsabschnitt (43) und einen dem wenigstens einen Potentialtopf (39) zunächst liegenden Speicherabschnitt (45) aufweist und daß der Potentialtopf (49) unter der Elektrodenanordnung (41) im Bereich des Speicherabschnittes (45) tiefer ist als im Bereich des Übertragungsabschnittes

4. Halbleiter-Speicheranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsabschnitt (43) und der Speicherabschnitt (45) der Elektrodenanordnung (41) auf dem gleichen elektrischen Potential liegen und der Speicherabschnitt (45) naher zur Oberfläche der Halbleiterschicht (13) angeordnet ist als der Übertragungsabschnitt (43)·.

5. Halbleiter-Speicheranordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsabschnitt (145) von dem Speicherabschnitt (147) der Elektrodenanordnung elektrisch getrennt ist und an beide Abschnitte ■".""". getrennte, voneinander unabhängige stationäre Vor- : . spannungen angelegt sind.

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6. Halbleiter-Speicheranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5? dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsabschnitt (43) auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht (15) angeordnet und der Speicherabschnitt (4-5) in die dielektrische Schicht (15) eingebettet ist.

7. Halbleiter-Speicheranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere, je eine Elektrodenanordnung umfassende Einrichtung zum Injizieren von Ladungen aufweist und sowohl die Übertragun^sabschnitte als auch die 3peichera"bschnitte von Je einem gemeinsamen Leiterstreifen (117a» 117b) gebildet werden.

8. Verwendung einer Halbleiter-Speicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche al^ ladungsgekoppeltes Schieberegister zur Verarbeitung der von IE-D.-'tektoren (25) den Elektrodenanordnungen (4-1) ζugeführten Signalen.

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