DE2520608C3 - Halbleiteranordnung zum Digitalisieren eines analogen elektrischen Eingangssignals - Google Patents
Halbleiteranordnung zum Digitalisieren eines analogen elektrischen EingangssignalsInfo
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Description
10
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1
bzw. des Anspruchs 2.
Bekannte Halbleiteranordnungen dieses Typs, die häufig als Analog-Digital-Wandler oder mit der
englischen Bezeichnung »analog-digital converter« (A. D. C.) bezeichnet werden, enthalten z. B. ein
Widerstandsnetzwerk mit in gegenseitigen Abständen liegenden Anzapfungspunkten, die mit Schaltungselementen,
wie z. B. Transistoren oder Dioden, verbunden werden können. Diese bekannten Anordnungen weisen
im allgemeinen eine sehr komplexe Struktur auf und können dadurch relativ sehr teuer sein. In vielen
Anwendungen, z. B. in der Autoindustrie, liegt oft Bedarf an Analog-Digital-Wandlern vor, die billiger als
die bekannten Anordnungen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß sie weniger komplexer aufgebaut ist als die bekannten Anordnungen und sich einfach herstellen
läßt.
Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß
eine Analog-Digital-Umwandlung auf sehr einfache Weise erhalten werden kann, indem ein analoges
Eingangssignal in eine Verschiebung einer in dem Halbleiterkörper gebildeten Inversionsschicht entlang
einer Anzahl im Halbleiterkörper vorhandener diskreter und in einiger Entfernung voneinander liegender
Gebiete uir gewandelt wird.
Zwei erfindungsgemäße Lösungen der genannten Aufgabe sind Gegenstände der Patentansprüche 1 und
2.
Die Inversionsschicht bildet eine Art Schiebekontakt, der, in Abhängigkeit von dem Eingangssignal, entlang
einer Anrahl von Oberflächengebieten verschoben werden kann und mit diesen Oberflächengebieten
jeweils eine elektrische Verbindung bildet
Die Halbleiteranordnungen nach der Erfindung weisen eine besonder; einfache Struktur auf, die
verhältnismäßig wenig Halbleitermaterial beansprucht, sich auf e'nfache Weise und mit Hilfe der allgemein
bekannten Halbleitertechnologien herstellen läßt und im allgemeinen billiger als bekannte Halbleiteranordnungen
zum Digitalisieren eines analogen Eingangssignals sein kann.
Zum Erhalten einer Inversionsschicht mit einer in einer zu der Reihe von Oberflächengebieten parallelen
Richtung steuerbaren Ausdehnung können verschiedene Techniken, entweder gesondert, oder miteinander
kombiniert, angewandt werden. Die Inversionsschicht
kann z. B. dadurch erhalten werden, daß der Leitfähigkeitstyp einer dünnen Oberflächenschicht unter der
Gate-Elektrode mit Hilfe von Ionenimplantation umgekehrt wird. Auch können vorteilhafterweise an oder in &5
der Nähe der Oberfläche des Halbleitergebietes Mittel vorhanden sein, mit deren Hilfe unter der Gate-Elektrode
und in der Längsrichtung der Reihe ein Gradient in der Schwellwertspannung erhalten wird. Derartige
Mittel können z.B. durch eine nictugleichmäßige
Oberflächenkonzentration in dem Halbleitergebiet oder durch eine Isolierschicht mit einer nicht gleichmäßigen
Dicke und/oder Dielektrizitätskonstante zwischen der Gate-Elektrode und der Oberfläche des Halbleiterkörpers
gebildet werden.
Die Gate-Elektrode kann zwei in der Nähe der Enden der Reihe liegende Anschlußkontakte enthalten, wodurch
über der Gate-Elektrode in einer zu der Reihe von Oberflächengebieten parallelen Richtung ein
Potentialgefälle erhalten werden kann. In dieser Ausführungsform werden durch das Anlegen der
analogen Signale an die Gate-Elektrode die Teile der Gate-Elektrode, deren Potential oberhalb bzw. unterhalb
der weiter konstanten Schwellwertspannung liegt, verschoben, wodurch ebenfalls eine vom Eingangssignal
gesteuerte Verschiebung (Ausdehnung oder Einschränkung) der Inversionsschicht unter der Gate-Elektrode
erhalten wird.
Es sei bemerkt, daß Halbleiteranortinungen mit einer
derartigen Gate-Elektrode an sich bekannt sind und z. B. in der deutschen Patentanmeldung P 24 01 533.6
vorgeschlagen sind. Die darin beschriebenen Halbiaiteranordnungen
bilden jedoch strahlungsempFindliche Anordnungen, bei denen die Gate-Elektrode zum
reihenmäßigen Auslesen einer Reihe photoempfindlicher Dioden mit Hilfe von Inversionskanälen dient die
mit Hilfe der Gate-Elektrode moduliert werden können. Dabei werden alle photoempfindlichen Zonen nacheinander
durch die induzierte Inversionsschicht für das Auslesen der in den Zonen in Form elektrischer Ladung
gespeicherten Information kontaktiert In einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung wird aber das
Eingangssignal in Form eines elektrischen Signals der Gate-Elektrode zugeführt und in eine Modulation der
Ausdehnung oder Länge der von der Gate-Elektrode induzierten Inversionsschicht umgewandelt
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3
hat u.a. den Vorteil, daß die Herstellung der Halbleiteranordnung besonders einfach wird.
Dadurch, daß der Gate-Elektrode ein analoges Eingangssignal zugeführt wird, können mit einer durch
das Eingangssignal bestimmten Anzahl von Zonen elektrische Verbindungen hergestellt werden, wobei
diese Zonen wieder entladen werden können. Diese Verbindungen mit Hilfe der sich verschiebenden
Inversionsschicht können nacheinander dadurch hergestellt werden, daß 2. B. der Gate-Elektrode noch eine
sägezahnförmige Spannung zugeführt wird. An dem elektrischen Anschluß kann dabei eine der Anzahl von
Zonen entsprechende Anzahl von Strom- oder Spannungsimpulsen detektiert werden, wobei diese Impulse
dann z. B. in einen Binärzähler eingefühlt werden können.
Bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 4 sind ZU5I) Aufladen der Zonen der Reihe keine
zusätzlichen gesperrten pn-Übergänge erforderlich. Dadurch, daß außeFdem die Zonen der Reihe völlig oder
wenigstens praktisch völlig unter der Gate Elektrode liegen, kann eine Halbleiteranordnung nach dieser
bevorzugten Ausführungsform eine besonders einfache und gedrängte StruHur aufweisen.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 weist u. a. den Vorteil auf, daß, ungeachtet der Größe
des analogen Eingangssignals, nur ein einziger elektri-
scher Anschluß zugleich eine »I« aufweist, während die übrigen Anschlüsse den »O«-Zustand aufweisen, wobei
die »1« sich in der Längsrichtung der Reihe von Zonen mit dem analogen Eingangssignal verschiebt. Die
Halbleiteranordnung nach dieser Ausgestaltung kann gegebenenfalls mit Hilfe von Hilfsspannungsquellen
derart eingestellt werden, daß die Inversionsschichten unter der ersten und der zweiten Gate-Elektrode, in
einer Richtung von der zweiten Reihe von Zonen zu der genannten weiteren Oberflächenzone gesehen, sich nur
über einen Abstand gleich etwa der Breite der Zonen oder den Abständen zwischen den Zonen der ersten und
der zweiten Reihe überlappen, wodurch jeweils nur eine direkte Verbindung von einer Zone der zweiten Reihe
über die Inversionsschicht unter der zweiten Gate-Elektrode, die zugehörige Zone der ersten Reihe und die
Inversionsschicht unter der ersten Gate-Elektrode zu der weiteren an ein Bezugspotential gelegten Oberflächenzone vOm 7wpitpn l.eilfähigkeitstyn möglich ist.
Die Zonen der zweiten Reihe können leitend mit den Eingangsleitungen z. B. eines Auslesespeichers verbunden sein, in dem das Ausgangssignal zu einer binären
Zahl verarbeitet wird, wobei jeweils nur eine Eingangsleitung zugleich adressiert wird.
Die Gate-Elektrode ist vorzugsweise aus einem geeigneten Widerstandsmaterial hergestellt, um die
Energieableitung infolge des über der Gate-Elektrode angelegten Potentialgefälles auf einen annehmbaren
niedrigen Pegel zu beschränken. Der Spannungsunterschied zwischen den Enden der Gate-Elektrode wird
u. a. durch die Gesamtlänge der Gate-Elektrode, die mit der Anzahl Zonen und der mit dieser Anzahl
korrelierten gewünschten Genauigkeit der Anordnung zusammenhängt, durch die Größe und die gegenseitigen
Abstände der Zonen bestimmt.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 6 weist u. a. den Vorteil auf, daß bei einem gegebenen
maximalen Spannungsunterschied zwischen den Enden der Gate-Elektrode eine günstige Potentialverteilung
über die Gate-Elektrode erhalten werden kann. Bei dieser Ausgestaltung kann ein verhältnismäßig großes
Potentialgefälle über denjenigen Teilen der Gate-Elelciroae erhaiien werden, die, auf die Oberfläche gesehen,
zwischen den Oberflächengebieten liegen, während das Potentialgefälle über den oberhalb der Oberflächengebiete liegenden Teilen der Gate-Elektrode nur verhältnismäßig klein sein kann. Dies kann insbesondere
vorteilhaft sein, wenn ein großes Diskriminierungsvermögen erforderlich ist und/oder wenn z. B. die
gegenseitigen Abstände der Oberflächengebiete nur klein sind.
Mit Vorteil kann die Gate-Elektrode durch eine auf
der Isolierschicht angebrachte Siliciumschicht gebildet werden. Eine derartige Schicht kann z. B. in Form einer
hochohmigen und meist polykristallinen Schicht angebracht werden, die zur Bildung der niederohmigen Teile
oberhalb der Oberflächengebiete örtlich mit Gebieten mit einer hohen Dotierungskonzentration versehen sein
kann.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in di:r
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung,
F i g. 2 einen Querschnitt durch diese Halbleiteranordnung längs der Linie II-II in F i g. 1,
F i g. 3 den Verlauf der von der in dieser Ausfühnmgsform verwendeten Spannungsquelle gelieferten säge-
zahnförmigen Spannung als Funktion der Zeit t.
Fig.4 das elektrische Ausgangssignal dieser Halbleiteranordnung als Funktion der Zeit I,
F i g. 5 den Verlauf des Potentials über der Gate-Elekr>
trode in der betreffenden Halbleiteranordnung,
Fig.6 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweiter
Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung,
Fig. 7 einen Querschnitt durch diese zweite Ausführungsform längs der Linie VII-VII in Fig. 6,
F i g. 8 einen Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach Fig. 6 längs der Linie VIII-VIII in Fig. 6,
F i g. 9 und 10 eine schematische Draufsicht auf einer Teil der Anordnung nach F i g. 6 beim Betrieb,
r. Fig. Il eine Draufsicht auf einen Teil einer dritter
Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung,
F i g. 12 einen Querschnitt durch die Anordnung nach
F i r. 11 längs der Linie XII-XII in Fi e. U.
in Fig. 13 ein Ausgangssignal als Funktion der Zeit ι
beim Betrieb der Anordnung nach Fig. I !,und
Fig. 14 eine weitere Abwandlung des an Hand dei
ersten Ausführungsform beschriebenen Analog-Digital-Wandlers.
r< Es sei bemerkt, daß die Figuren nur schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet sind.
F i g. 1 ist eine Draufsicht auf und F i g. 2 zeigt einer Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. I durch einer
Teil einet· Halbleiteranordnung nach der Erfindung zum )» Digitalisieren eines analogen elektrischen Eingangssi
gnals V„ das von einer Eingangsquelle oder Signalquelle
2 geliefert wird.
Die Halbleiteranordnung (auch als Analog-Digital-Wandler bezeichnet) enthält einen Halbleiterkörper 1
!' aus Silizium mit einem an die Oberfläche 3 grenzender
n-Ieitenden Halbleitergebiet 4. Zu diesem Halbleitergebiet 4 kann der ganze Halbleiterkörper 1 gehören. Das
Gebiet 4 kann der ganze Halbleiterkörper 1 sein. Das Gebiet 4 kann jedoch auch nur ein Teilgebiet des
4n Körpers 1 bilden und z. B. in Form einer n-leitenden
epitaktischen Schicht auf einem Substrat 5 aus p-leitendem Silizium angebracht sein.
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streifenförmige Gate-Elektrode 8 vorhanden, die gegen
-Ii das unterliegende Halbleitergebiet 4 durch eine
zwischenliegende Isolierschicht 9 isoliert ist. Die Schicht 9,die in Fig. 1 der Deutlichkeit halber nicht dargestellt
ist, wird durch eine Siliziumoxidschicht gebildet, aber kann naturgemäß auch aus anderen Materialien oder
aus mehreren Teilschichten verschiedener Materialien bestehen.
In dem η-leitenden Halbleitergebiiet ist eine Reihe
lokaler und auf Abstand voneinander liegender Oberflächengebiete 6 definiert die je wenigstens
teilweise unter der Gate-Elektrode 8 liegen und im vorliegenden Ausführungsbeispiel völlig unter der
Gate-Elektrode gelegen sind.
Außerdem sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe elektrische Verbindungen mit den genannten Oberflä
chengebieten 6 mittels einer Inversionsschicht herge
stellt werden können, die in Fig.2 durch die Löcher
darstellenden Kreuzchen 7 bezeichnet ist Zu diesen Mitteln gehört u.a. die Spannungsquelle 12, die
nachstehend noch näher beschrieben werden wird.
Die Inversionsschicht 7, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Induktion mit Hilfe der isolierten
Gate-Elektrode 8 in dem Halbleitergebiet 4 erhalten werden kann, weist in einer zu der Reihe von
Oberflächengebielcn 6 parallelen Richtung eine steuerbare
Ausdehnung auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bedeuiei dies, daß die l.iinge der Inversionsschicht
7, von dem linken Ende der Figuren zu dem rechten Ende gesehen, mit Hiifc der Gate-Elektrode 8 steuerbar
ist. Das Eingangssignal Ij. das von der Quelle 2 geliefert
wird, wird über einen Kontakt 10 der Gate-Elektrode 8 zugeführt, wodurch die Ausdehnung der Inversionsschicht
7 vom Eingangssignal Va gesteuert wird.
In dem η-leitenden llalbleitergebiet 4 ist eine
ρ leitende Oberflächenzone 13 vorhanden, die die mit
einem elektrischen Anschluß 14 versehen ist. Das Ausgangssignal kann dem Anschluß 14 entnommen
werden, der wenigstens zeitweilig mit mindestens einem der Oberflächengebiete 6 leitend verbunden ist.
Zur Bildung einer Inversionsschicht 7 mit einer steuerbaren Ausdehnung kann z. B. eine Isolierschicht 9
mit einem Gradienten in der Dicke und/oder einem C3ri»diC"iC" i" der E?!e!ek ί n.'iiÜ!skonc'ar!tp r»Hor Pin
Gradient in der Dotierungskonzentration im Halbleitergebiet 4 angewandt werden, wodurch ein Gradient in
der Schwellwertspannung erhalten wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält jedoch die
Gate-Elektrode 8 zwei in der Nähe der Enden der Reihe von Oberflächengebieten b liegende Anschlußkontakte
10 und 11. wodurch über der Gate-Elektrode 8 in einer
zu der Reihe von Oberflächengebieten 6 parallelen Richtung ein Potentialgefälle erhalten werden kann, zu
welchem Zweck die Anschlußkontakte 10 und 11 an den positiven bzw. negativen Pol der Spannungsquelle 12
ange 'hlossen sind.
Wie außerdem aus den I·' i g. I und 2 ersichtlich ist. ist der Anschlußkontakt 10 mit einer Spannungsquelle 22
verbunden, die eine sägezahnförmige Spannung liefert. Dadurch können beim Zuführen des analogen Eingangssignals
zu der Gate-Elektrode 8 nacheinander elektrische Verbindungen zwischen der p-leitenden Oberflächenzone
13 und einer durch das analoge Signal V3 bestimmten Anzahl von Oberflächengebieten 6 hergestellt
werden. Dabei kann jeweils ein aus Löchern bestehender Strom von einer p-leitenden Zone 13 über
die p-leitende Inversionsschicht in diese Oberflächengebiete Hieben, weicner ;>trom ein elektrisches Ausgangssignal
erzeugt, das dem elektrischen Anschluß 14 der p-leitenden Zone 13 entnommen werden kann.
Die Oberflächengebiete 6. die gegebenenfalls auch aus induzierten Verarmungsgebieten bestehen können,
werden in diesem Falle durch p-leitende Halbleiterzonen 6 gebildet, die pn-Übergänge 16 mit dem
η-leitenden Halbleitergebiet 4 bilden. Die Anordnung enthält Mittel zum elektrischen Aufladen der Zonen 6.
wobei die pn-Übergänge 16 in der Sperrichtung vorgespannt werden.
Zu diesen Mitteln gehört u. a. die Gate-Elektrode 8,
die, wie bereits bemerkt wurde, völlig oberhalb der p-leitenden Zonen 6 liegt, wodurch die Zonen 6 mit
Hilfe der Gate-Elektrode 8 kapazitiv aufgeladen werden können. Die Zonen 6 können dann wieder über
die Inversionsschicht 7 leitend mit der p-leitenden Oberfiächenzone 13 verbunden und dabei entladen
werden, wodurch ein Entladungsstrom durch einen Widerstand 15 fließt der als ein Spannungsimpuls an
einer Klemme 18 detektiert und z. B. einem Binärzähler 19 zugeführt werden kann.
Die Gate-Elektrode 8 wird im hier beschriebenen Ausfühningsbesspiel durch eine auf der Oxidschicht 9
angebrachte Schicht aus polykristallinem Silizium gebildet Wie in Fig.2 angegeben ist weisen die
oberhalb der Zonen 6 liegenden Teile 20 der Gate-Elektrode einen verhältnismäßig niedrigen spezifischen
Widerstand auf, während die zwischen den Teilen 20 liegenden Teile 21 einen verhältnismäßig
huhen spezifischen Widerstand aufweisen. Diese hochohmigen Teile, die oberhalb der Oberflächenteile des
Halbleitergebietes 4 liegen, in dem die Inversionsschicht 7 induziert wird, ermöglichen eine günstige Verteilung
des PotentialgefällesüberdieGate-Elektrode.
In F i g. 5 ist das Potentialgefälle über der Gate-Elektrode
8 von dem Anschlußkontakt 11 am linken Ende der Gate-Elektrode bis zu dem Anschlußkontakt 10 am
rechten Ende derselben dargestellt, wobei der Spannungsunterschied zwischen den Anschlußkontakten 10
und 11, der von der Spannungsquelle 12 geliefert wird, mit V|2 bezeichnet ist. Die Spannungsgradienten treten
im wesentlichen an den Stellen der hochohmigen Teile 21 auf und können dadurch — bei gleichbleibendem V12
— grnßpr sein, als wenn die ganze Gate-Elektrode 8 einen gleichmäß'gen spezifischen Widerstand aufweisen
würde.
Es sei bemerkt, daß die niederohrnigen Teile 20 und die hochohmigen Teile 21 der Gate-Elektrode 8 —
gleich wie die Oxidschicht 9 — der Deutlichkeit halber in F i g. I nicht dargestellt sind.
Die Gate-Elektrode 8 ist über den p-leitenden Zonen 6 mit einer Verunreinigung zur Bildung der Teile 20 mit
einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand dotiert. Die hochdotierten niederohmigen Teile 20
der polykristallinen Siliziumschicht sind von einander durch die hochohmigen Teile 21 getrennt, die durch das
ursprüngliche niedrigdotierte polykristalline Halbleitermaterial gebildet sein können.
Zur Herstellung der hier beschriebenen Halbleiteranordnung können die allgemein bekannten Halbleitertechniken
angewendet werden. Die Dicke und der spezifische Widerstand des p-leitenden Substrats 5 sind
nicht kritisch und betragen etwa 250 μπι bzw. 0,5 bis
5 Ω · cm, während die Dicke und der spezifische Widerstand der η-leitenden epitaktischen Siliziumschicht
(die auch nicht kritisch sind) etwa 5 μιτι bzw.
1—5 Ω · cm betragen.
weisen Abmessungen von etwa 20 μΐη χ 15 μπι auf und
sind in gegenseitigen Abständen von etwa 15 μπι
angebracht.
Die Isolierschicht 9 aus Siliziumoxid weist eine Dicke von etwa 0,2 μιτι auf. Die Gate-Elektrode 8 wird durch
eine p-leitende polykristalline Schicht aus Silizium mit einer Dicke von etwa 0,2 μπι gebildet.
Die Größe des Potentialgefälles über der Gate-Elektrode 15. das von der Spannungsquelle 12 geliefert wird,
wird u. a. durch die gegenseitigen Abstände der Zonen 6 und/oder durch die Gesamtanzahl der Zonen 6
bestimmt. Wie gefunden wurde, können befriedigende Ergebnisse dadurch erzielt werden, daß V12 derart
gewählt wird, daß an den Steilen der hochohmigen Teile 21 der Gate-Elektrode 8 das Potentialgefälle etwa
50 V cm-'beträgt
Auch an Hand der F i g. 3 und 4 wird nan die Wirkungsweise der Halbleiteranordnung näher erläutert.
In F i g. 3 ist der Verlauf der Spannung Vm, die von
der Sägezahnspannungsquelle 22 geliefert wird, als Funktion der Zeit t dargestellt In Fig.4 ist das
Potential Vi8 an der Ausgangsklemme 18 als Funktion
der Zeit t dargestellt
Die Sägezahnspannungsquelle 22 ist wie schematisch in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist in Reihe mit der
analogen Signalquelle 2 angeordnet. Die Gate-Elektrode 8 kann weiter mit einer Spannungsquelle 23
verbunden sein, mit deren Hilfe die Gate-Elektrode 8 auf einen geeigneten Gleichspannungspegel eingestellt
werden kann. Wie weiter in den Fig. 1 und 2 angegeben ist, ist die epitaktische Schicht 4 über den schematisch
dargestellten Leiter 24 mit Erde verbunden.
Der Einfachheit halber sei zunächst angenommen, daß die von der Signalquelle 2 gelieferte analoge
Spannung V, gleich 0 V ist. Die Spannungsquelle 23 kann derart eingestellt werden, daß, wenn die von der
Sägezahnspannungsquelle 22 gelieferte Spannung 0 V beträgt (z.B. zu dem in Fig.3 mit to bezeichneten
Zeitpunkt), das Potential der Gate-Elektrode 8 an der Stelle des Kontakts 11 praktisch gleich der Schwellwertspannung
ist.
Wenn nun die Spannung V22 zwischen ro und t\
zunimmt (siehe Fig.3), werden infolge der kapazitiven
Kopplung zwischen der Gate-Elektrode 8 und den p-leitenden Zonen 6 die Potentiale der Zonen 6
ebenfalls zunehmen. Die pn-Übergänge 16 zwischen den p-leitenden Zonen 6 und dem geerdeten n-leitenden
Gebiet 4 werden dabei in der Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch Löcher aus den p-leitenden
Zonen 6 über die pn-Übergänge 16 in das n-leitende Gebiet 4 injiziert werden können. Diese Löcher können
als Minoritätsladungsträger in dem n-leitenden Gebiet rekombinieren oder, falls die Schicht 4 genügend dünn
ist, zu dem p-leitenden Substrat 5 hin diffundieren und
dort abgeführt werden. Zu diesem Zweck kann gegebenenfalls an das Substrat 5 eine negative
Vorspannung angelegt werden, um den pn-übergang zwischen dem Substrat 5 und der Schicht 4 in der
Sperrichtung vorzuspannen, wodurch eine befriedigende Ableitung injizierter Löcher aus der n-leitenden
Schicht 4 möglich ist.
Zu dem in F i g. 3 mit /2 bezeichneten Zeitpunkt nimmt
die Sägezahnspannung V22 wieder auf 0 V ab. Infolge der kapazitiven Kopplung zwischen der Gate-Elektrode
8 und den p-leitenden Zonen 6 wird das Potential in diesen Zonen ebenfalls abnehmen. Die pn-Übergänge
16 zwischen den p-leitenden Zonen 6 und der onJon C^hl^K« Λ ,
Qi^n0n ^l O
vorgespannt, wodurch die in den Zonen 6 vorhandene negative Ladung in Form ionisierter Akzeptoratome
nicht neutralisiert werden kann.
Zu dem Zeitpunkt Γ2 (siehe Fig.3) nimmt die
Sägezahnspannung Vj2 unterhalb 0 V ab, wodurch bei
der gegebenen Einstellung der Spannungsquelle 23 und bei einer analogen Signalspannung V3 = 0 V die
Inversionsschicht 7 induziert wird, wobei Löcher, die in F i g. 2 durch Kreuzchen dargestellt sind, zu der
Oberfläche 3 der n-leitenden Schicht 4 gezogen werden und dort im n-leitenden Gebiet eine dünne p-leitende
Schicht bilden.
Infolge des angelegten Spannungsabfalls über der Elektrode 8 mit Hilfe der Spannungsquelle 12 wird die
Inversionsschicht 7 zuerst in der Nähe des Kontakts 11 am linken Ende Ende der Gate-Elektrode gebildet und
nimmt dann ihre Länge von dem Kontakt 11 zu dem Kontakt 10 am rechten Ende der Gate-Elektrode zu.
Die Löcher, die für die wachsende Inversionsschicht 7 benötigt werden, werden aus der p-leitenden Zone 13
zugeführt, wodurch über den Widerstand 15 ein elektrischer Strom von Erde zu der Zone 13 fließt
Dieser Strom wird, sofern dies für das Anwachsen der Inversionsschicht 7 erforderlich ist, zwischen (j und fc
infolge der allmählich abnehmenden Spannung Vn
^ I 1 ^Λ ^l ^^ 1* ^W T^^* l*f*l f^ fa til ^^ fT
allmählich zunehmen, wodurch das Potential an der Ausklemme 18 ebenfalls allmählich abnehmen wird.
Zugleich werden durch die Inversionskanäle 7 die p-leitenden Zorisn 6, die elektrisch aufgeladen sind, mit
der p-leitenden Oberflächenzone 13 verbunden, und zwar derart, daß zunächst die am linken Ende der Reihe
in der Nähe des Kontakts 11 liegende Zone 6 mit der Zone 13 verbunden wird, dann die neben dieser Zone
liegende Zone, usw., bis schließlich die am rechten Ende der Reihe in der Nähe des Kontakts 10 liegende
p-leitende Zone 6 mit der Zone 13 verbunden wird. Dabei wird, jeweils wenn die Inversionsschicht 7 eine
p-leitende Zone 6 erreicht, diese Zone wenigstens größtenteils entladen, wobei eine Menge Löcher in
diese Zone fließt und die negative Ladung neutralisiert. Der damit einhergehende elektrische Strom äußert sich
als ein Spannungsimpuls an der Ausgangsklemme 18. In Fig. 4 ist zwischen /2 und /3 eine Anzahl dieser
Spannungsimpulse mit 25 bezeichnet.
Es sei bemerkt, daU in F i g. 4 der Deutlichkeit halber
nur fünf solcher Impulse dargestellt sind: naturgemäß kann eine gleiche Anzahl von Spannungsimpulsen wie
die Anzahl in dem Zeitintervall h— h entladener Zonen
detektiert werden.
Zu dem Zeitpunkt ti nimmt die Spannung V22 wieder
zu, wodurch die induzierten Inversionskanäle 7 unterbrochen werden. Dabei wechselt die Spannung V^ ihr
Vorzeichen und sinkt dann allmählich wieder auf 0 V (Erdpotential) ab, bis zum Zeitpunkt U ein neuer Zyklus
anfängt.
Um nun ein analoges Spannungssignal Va in ein
digitales Signal, z. B. eine binäre Zahl, umzuwandeln, kann auf folgende Weise verfahren werden. Die
Spannungsquelle 23 wird auf eine derartige Spannung eingestellt, daß bei V3 = 0 V während des ganzen
Zyklus der Sägezahnspannung K22 keine Inversionsschicht 7 gebildet wird, wobei jedoch zu dem Zeitpunkt,
zu dem V22 minimal ist, das Potential der Gate-Elektrode
an der Stelle des Kontakts 11 am linken Ende praktisch gleich der Schwellwertspannung ist. In dieser
Situation können die Zonen 6 während des Zyklus der Sägezahnspannung V22 zwar aufgeladen aber nicht
Falls jedoch ein analoges Spannungssignal V3 von der
Spannungsquelle 2 der Gate-Elektrode 8 zugeführt wird, kann von einem durch die analoge Spannung V1
bestimmten Zeitpunkt an wieder eine Inversion an der Oberfläche 3 auftreten. Dabei wird wieder eine
Inversionsschicht 7 induziert, die sich von dem Kontakt Π her zu dem Kontakt 10 über einen Abstand
ausbreitet, der durch die Größe des analogen Signals bestimmt wird, wodurch ebenfalls die Anzahl von Zonen
6, die von dem Kontakt 11 zu dem Kontakt 10 hin über die Inversionsschicht 7 nacheinander mit der Zone 13
verbunden und zugleich entladen werden, durch das analoge Signal V1 bestimmt wird.
In Fig.4 ist beispielsweise ebenfalls die Ausgangsspannung
Vie dargestellt, falls an die Gate-Elektrode 8
ein — negatives — analoges Spannungssignal ungleich 0 V angelegt wird. Zu dem mit h bezeichneten Zeitpunkt
wird die Sägezahnspannung V22 kleiner als 0 V, wie aus F i g. 3 ersichtlich ist. Infolge der Spannung V23, die von
der Quelle 23 geliefert wird, tritt jedoch unter der Gate-Elektrode noch keine Inversion des Leitfähigkeitstyps
auf. Wenn nun das analoge Signal gleich oder praktisch gleich 0 V ist, tritt während des ganzen
Sägezahnzyklus keine Inversion auf. Wenn jedoch das analoge Signal ungleich OV ist, kann von einem
bestimmten, zwischen fs und I? liegenden Zeitpunkt an
wieder eine Inversion unter dir Gate-Elektrode auftreten. Von diesem Zeitpunkt an, der in F i g. 4 mit h
bezeichnet ist, wird wieder ein elektrischer Strom durch den Widerstand 15 zum Aufbau der Inversionsschicnt 7
fließen. Die Anzahl von Zonen 6, die nacheinander durch diese Inversionsschicht 7 elektrisch verbunden
werden, wird durch das analoge Signal V3 bestimmt.
Falls von dem Anschlußkontakt 11 her drei Zonen kontaktiert werden, werden an der Ausgangsklemme 18
nacheinander drei Spannungsimpulse detektiert werden können, wie in Fig.4 dargestellt ist. Diese Spannungsimpulse können über ein Filter 27 in einen Binärzähler
19 eingeführt und in eine binäre Zahl umgewandelt oder auf andere Weise weiter verarbeitet werden. Das Filter
27, das nur schematisch dargestellt ist, kann ein Hochfrequenzfilter sein, das nur die durch Hochfrequenzsignale
gebildeten Impulse 25 durchläßt und die infolge der sich ausdehnenden oder sich einschränkenden
Inversionsschicht 7 aultretenden Störsignale zurückhält.
Die Empfindlichkeit der Halbleiteranordnung kann u. a. mit Hilfe des Spannungsabfalles über der
Gate-Elektrode 8 eingestellt werden. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, in dem der Spannungsabfall
über der Gate-Elektrode 8 an den Stellen der hochohmigen Teile 21 zwischen den Zonen 6 etwa
50 V/cm beträgt und der Abstand zwischen den Zonen 6 etwa Ι5μιη ist, entsprechen die Spannungsimpulse 25
einer Zunahme von etwa /5 mV des analogen Eingangssignals V3.
An Hand der Fig.6 und 7 wird eine zweite
Ausführungsform einer Halbleiteranordnung zum Digitalisieren eines analogen elektrischen Signals nach der
Erfindung beschrieben.
Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper, der die gleiche Zusammensetzung wie der Halbleiterkörper
nach der vorhergehenden Ausführungsform aufweisen kann. In den Fig. 6 und 7 ist nur das n-leitende
Oberflächengebiet 31 dieses Körpers dargestellt.
An einer Oberfläche 30 ist eine durch Siliziumoxidschicht 35 gegen den Halbleiterkörper isolierte
O?.te-F!<?k*rr""iA 47 ^»""'t^r °!c **γεϊα Qotp-FipUtmiHp
bezeichnet) als eine streifenförmige Schicht aus polykristallinem Silicium vorhanden.
In dem η-leitenden Oberflächengebiet ist wieder eine Reihe p-leitender Oberflächenzonen 50 definiert. Mit
diesen Zonen können wieder elektrische Verbindungen mit Hilfe einer Inversionsschicht 51 (siehe Fig.9 und
10) mit einer in einer zu der Reihe von Zonen 50 praktisch parallelen Richtung steuerbaren Ausdehnung
gebildet werden. Zu diesem Zweck ist über der Gate-Elektrode 47, mit deren Hilfe die Inversionsschicht
51 in dem Halbleitergebiet 31 induziert werden kann, ein Spannungsabiall mittels der Spannungsquelle
49 angelegt, wodurch die Inversionsschicht 51, von dem linken Ende der Gate-Elektrode 47 her gesehen, in der
Längsrichtung der Reihe von Zonen 50 in Länge zu- oder abnehmen kann.
Das Eingangssignal Va wird der Gate-Elektrode 47
zugeführt, wodurch die Ausdehnung (Länge) der Inversionsschicht vom Eingangssignal Va gesteuert
wird.
Die Zonen 50, die, wie aus Fig.6 ersichtlich ist,
wenigstens teilweise unter der Gate-Elektrode 47 liegen, sind wenigstens zeitweilig mit elektrischen
Anschlüssen versehen, denen ein elektrisches AusgangssiETial
entnommen werden kann. Darauf wird nachste
hend noch näher eingegangen werden.
In dem Halbleitergfbiet 31 ist außerdem eine weitere
p-leitende Oberflächenzone 40 vorhanden, die mit Hilfe der Inversionsschicht 51 mit den Zonen 50 der Reihe
elektrioch verbunden werden kann.
An der Oberfläche 30 des Halbleiterkörp.rs Ist, wie u.a. aus Fig. 6 ersichtlich ist, eine zweite durch die
Isolierschicht 35 gegen Jas Halbleitergebiet 3i isolierte Gate-Elektrode 34 vorhanden. Die zweite Gate-Elektrode
34, die, gleich wie die erste Gate-Elektrode 47, als eine streifenförmige Schicht aus polykristallinem
Silicium angebracht ist, gehört zu den elektrischen Anschlüssen der Reihe von Oberflächenzonen 50 und
erstreckt sich, auf die Oberfläche 30 gesehen, neben und praktisch parallel zu der ersten Gate-Elektrode 47 auf
der Isolierschicht 35 und teilweise oberhalb der p-leitenden Oberflächenzonen 50.
In dem η-leitenden Halbleitergebiet 31 ist eine zweite
Reihe p-leitender Oberflächenzonen 32 vorhanden, die sich, auf die Oberfläche 30 gesehen, praktisch paraiiei zu
der Reihe von Zonen 50 erstreckt.
Die p-leitenden Zonen 32 erstrecken sich je bis unterhalb der zweiten Gate-Elektrode 34 und bilden je
einen Teil des elektrischen Anschlusses einer der p-leitenden Obeiflächenzonen 50 der ersten Reihe von
Zonen. Zu diesem Zweck sind Mittel, zu denen u. a. die Spannungsquelle 36 gehört, zur Herstellung elektrischer
Verbindungen zwischen den p-leitenden Zonen 50 der ersten Reihe und der zugehörigen p-leitenden Zone 32
der zweiten Reihe mit Hilfe einer Inversionsschicht 33 (siehe F i g. 9 und 10) vorgesehen.
Die p-leitende Inversionsschicht 33, die mit Hilfe der Gate-Elektrode 34 in dem Halbleitergebiet 31 induziert
werden kann, weist eine in einer zu der ersten und/oder der zweiten Reihe p-leitender Zonen parallelen
Richtung steuerbare Ausdehnung auf. Dabei ist die Ausdehnungsrichtung der Inversionsschicht 33 der
Ausdehnungsrichtung der Inversionsschicht 51 unter der ersten Gate-Elektrode 47 entgegengesetzt, u. a.
dadurch, daß über der Gat.--Elektrode ein Spannungsgradient mit Hilfe der Quelle 36 angelegt wird, der dem
Spannungsabfall über der ersten Gate-Elektrode 47 pntpppenpp<;pt7t kt Im variierenden Aiisfühmn?sheispiel
kann die Länge der Inversionsschicht 3? vom rechten Ende der Figur nach links zunehmen.
Das Eingangssignal V3 (oder V,„) wird außer der
ersten Gate-Elektrode 47 auch der zweiten Gate-Elektrode 34 zugeführt, wodurch auch die Ausdehnung der
unter der zweiten Gate-Elektrode 34 induzierten Inversionsschicht 33 vom analogen Eingangssignal V3
gesteuert wird.
Zwischen den p-leitenden Oberflächenzonen 32 sind Kanalunterbrecher angebracht, die im vorliegenden
Ausführungsbeispiel durch hochdotierte n-leitende Zonen 46 gebildet werden, wodurch örtlich zwischen
den p-leitenden Zonen 32 eine Inversion des Leitfähigkeitstyps und damit die Bildung elektrischer Verbindungen
zwischen den Zonen 32 der Reihe verhindert werden kann. Dadurch können die p-leitenden Zonen 32
der Reihe nach über die p-leitende Inversionsschicht 33, die zugehörigen p-leitenden Zonen 50 und die
Inversionsschicht 51 mit der p-leitenden Oberflächenzone 40 und dadurch mit der Spannungsquelle 41
elektrisch verbunden werden.
Wie weiter aus F i g. 6 hervorgeht, sind die Zonen 32
mit Anschlußkontakten 42 versehen, die elektrisch mit den nur schematisch dargestellten Eingangsleitungen 45
z. B. eines Lesespeichers (read-only memory) verbunden
sein können.
Die elektrischen Verbindungen zwischen den Eingangsieitungen
45 des Speichers 43 und den Kontakten 42 sollen sich dibei nicht auf ohmsche Verbindungen
beschränken, sondern können auf vielerlei Weise gebildet werden und z. B. je eine Verstärkerstufe zum
Verstärken der dem Speicher 43 zuzuführenden Signale enthalten. Eine derartige Verstärkerstufe kann z. B.
einen Flipflop enthalten, der ebenfalls in dem Halbleiterkörper integriert ist.
Der Lesespeicher, der in F i g. 6 nur schematisch durch das Blockdiagramm 43 dargestellt ist, kann das
über die Zonen 32 und die Kontakte 42 zugeführte elektrische Signal z. B. in eine binäre Zahl umwandeln,
die den Ausgangsleitungen 44 entnommen werden kann.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Halbleiteranordnung
nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in den Fig.9 und 10 in Draufsicht ein Teil der
Anordnung dargestellt, welcher Teil die p-leitenden Zonen 50 und die "-leitende Zone 40 enthält. Außerdem
sind in diesen Figuren die Inversionsschichten 33 und 51 für verschiedene Größen des zugeführten ai.dlogen
Eingangssignals dargestellt Die Gate-Elektroden 34 und 47 oberhalb der Inversionsschichten 33 und 51 sind
der Deutlichkeit halber in diesen Figuren, gleich wie die isolierende Oxidschicht 35, nicht dargestellt
Es wird angenommen, daß die Spannungsgradienten über den Gate-Elektroden 34 und 47, die praktisch
entgegengesetzte Richtung aufweisen, praktisch die gleiche Größe haben.
Das analoge Eingangssignal Kn, das von der
Eingangssignalquelle geliefert wird, kann ein Gleichspannungssignal sein, das über ein Potentiometer 52
(F i g. 6) angelegt wird, dessen Mittelanzapfung an Erde
gelegt ist und das weiter über die Spannungsquellen 37 und 53 elektrisch mit den Gate-Elektroden 34 und 47
verbunden ist Dadurch wird der Gate-Elektrode 47 ein
analoges Signal V, = 1ZiVjn und der Gate-Elektrode 34
ein analoges Signal — V, = —' h Vm zugeführt. Falls V-,„
eine Wechselspannung ist, kann statt eines Potentiometers 51 ein Transformator verwendet werden, dessen
Ausgangsklemmen mit den Gate-Elektroden 34 und 47 verbunden sind.
Die Spannungsquelle 37 wird derart eingestellt, daß bei einem Eingangssignal V1n = 0 (oder V, = 0) das
Potential der Gate-Elektrode 34 an der Stelle des Anschlußkontaktes 38 praktisch gleich der Schwellwertspannung
ist, so daß in dem halbleiterkörper unter dieser Gate-Elektrode gerade keine oder höchstens eine
Inversionsschicht 33 in der Nähe des Anschlußkontaktes 38 induziert wird, der, wie in Fig. 10 dargestellt ist,
keine Verbindung mit den Zonen 32,4, B, C usw. bildet. Es sei bemerkt, daß in den F i g. 9 und 10 die p-leitenden
Zonen 32, gleich wie die p-leitenden Zonen 50, um sie voneinander zu unterscheiden, mit 32/4, 325 usw. bzw.
mit 50/},50ß,50Cbezeichnet sind.
Zu gleicher Zeit wird das Potential der Gate-Elektrode 47 in der Nähe des Anschlußkontaktes 48 mittels der
Spannungsquelle 53 (siehe Fig.6) ebenfalls auf die
Schwellwertspannung eingestellt, infolge des Spannungsabfalls,
der mit Hilfe der Spannungsquelle 49 über der Gate-Elektrode 47 angelegt ist, wird dabei im
Halbleiterkörper eine p-leitende Inversionsschicht 51 (siehe Fig. 10) induziert, die sich unter praktisch der
ganzen Gate-Elektrode 47 erstreckt und alle Zonen 50 unter dieser Gate-Elektrode mit mit der p-leitenden
Zone 40 verbindet. Dadurch, daß die Zonen 32 nicht mi» den Zonen 50 über die Inversionsschicht 33 elektrisch
verbunden sind, ist keine der Zonen 32 mit der zusätzlichen Zone 40 verbunden, wodurch auch keine
der Eingangsieitungen 45 des Lesespeichers 43 adressiert oder selektiert werden kann.
Wenn nun über das Potentiometer 52 ein Eingangssignal zugeführt w ird, wobei der Gate-Elektrode 34 das
analoge Signal - V1 und der Gate-Elektrode 47 das
analoge Signal 4 Va zugeführt wird, »ird die Ausdehnung
oder Länge der Inversionsschicht 51 unter der Gate-Elektrode 47 abnehmen, wodurch der Rand 55 der
Inversionsschicht 51 sich nach links verschiebt. Dadurch werden die Zonen 5QA, 50ß, 5OC (abhängig von der
Größe des zugeführten Signals) keine elektrischen Verbindungen mehr mit der p-leitenden Zone 50 bilden
(siehe F i g. 9).
Zugleich wird die Inversionsschicht 33 unter der Gate-Elektrode 34 in ihrer Länge zunehmen, wodurch
der Rand 54 der Inversionsschicht 33 sich ebenfalls nach links verschiebt. Dabei sei bemerkt, daß die Inversionsschicht
33 tatsächlich aus einer Anzahl durch die Kanalunterbrecher 46 voneinander getrennter Teilschichten
aufgebaut ist, so daß unter dem Ausdruck »in Länge zu- oder abnehmen« auch eine Längenänderung
in einer ununterbrochenen Reihe gesonderter Teilinversionsschichten
33 zu verstehen ist.
Dadurch, daß die Gradienten über den Gate-Elektroden
einander praktisch gleich sind, gleich wie die zugeführten analogen Signale, werden die Ränder 54
und 55 der Inversionsschichten 33 bzw. 51 sich über praktisch gleich große Abstände nach links verschieben.
In Fig. 9 ist die Situation dargestellt, in der durch die
Inversionsschicht 33 nur elektrische Verbindungen zwischen den p-leitenden Zonen 32A B. C und O
einerseits und den p-leitenden Zonen 5OA B, C und D andererseits hergestellt werden. Zugleich sind nur
zwischen den p-leitenden Zonen 50O, F. G und H der
angegebenen Zonen einerseits und der p-leitenden Zone 40 andererseits mit Hilfe der Inversionsschicht 51
elektrische Verbindungen dargestellt.
Daher ist die Zone 32D der dargestellten Zonen 32 in
der in F i g. 9 gezeigten Situation die einzige Zone 32,
die elektrisch mit der p-leitenden Oberflächenzone 40 und dadurch mit der Spannungsquelle 41 verbunden ist,
wodurch die über den Kontakt 42 elektrisch mit der Zone 32D verbundene Eingangsleitung 45 des Lesespeichers
43 selektiert wird.
Auf diese Weise kann die von der Spannungsquelle 41 gelieferte Spannung in Abhängigkeit von dem analogen
Eingangssignal V)n (V1) sich entlang der Zonen 32
verschieben, wobei eine der Eingangsleitungen 45 des Lesespeichers 43 adressiert wird. Bei zunehmendem
Eingangssignal werden nacheinander die Zonen 32Λ B
C, D usw. elektrisch mit der Quelle 41 verbunden werden können, wodurch am Ausgang eine Zunehmende
binäre Zahl ausgelesen werden kann.
Die Anzahl Zonen 32 und/oder 50 damit die Anzahl Eingangsleitungen des Lesespeichers 43 wird u. a. durch
die erforderliche Genauigkeit bestimmt. Eine Genauigkeit von etwa 1% bei einer bestimmten Größe des
Eingangssignals V,„ erfordert ein binäres Ausgangssi·
gnal von sieben Bits. Dies entspricht etwa Reihen vor 128 Zonen 32 bzw. 50. Eine derartige Anordnung kanr
noch durch die bekannten Halblcitertechnikcn aul einfache Weise hergestellt werden.
In den Fig. 11 und 12 ist in Draufsicht bzw. in
Querschnitt ein Teil einer weiteren Ausführungsforrr einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung darge
stellt. Diese Halbleiteranordnung, deren entsprechende
Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie die Halbleiteranordnung nach dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel bezeichnet sind, ist eine Abwandlung des
ersten Ausführungsbeispiels und enthält wieder eine Gate-Elektrode 8, die durch die isolierende Oxidschicht
9 gegen das η-leitende Halbleitergebiet 4 isoliert ist. In dem η-leitenden Gebiet 4 ist eine Reihe von
Oberflächengebieten 6 definiert, die durch je eine p-leitende Oberflächenzone gebildet werden und mit
Hilfe einer eine steuerbare Ausdehnung aufweisenden Inversionsschicht mit der p-leitenden Oberflächenzone
13 elektrisch verbunden werden können. Die Zone 13 ist mit einem Anschluß 14 versehen, der über den
Widerstand 15 mit Erde verbunden ist. Der Anschluß 14 ist weiter mit einer Ausgangsklemme 18 zur Entnahme
eines elektrischen Ausgangssignals versehen.
Zur Unterdrückung elektrischer Störsignale, die in das Ausgangssignal infolge der Ausdehnung oder
Einschränkung der Inversionsschicht eingeführt werden, ist auf der isolierschicht 9 eine weitere Gate-Elektrode 60 angebracht, deren Struktur praktisch gleich der
der Gate-Elektrode 8 oberhalb der p-leitenden Zonen 6 ist
In dem Halbleitergebiet 4 ist eine weitere p-leitende
Oberflächenzone 61 vorhanden, die ebenfalls mit einem elektrischen Anschluß 62 versehen ist. der über einen
Widerstand 63, dessen Größe praktisch gleich der des Widerstandes 15 ist, elektrisch mit Erde verbunden ist.
Der Anschluß 62 ist weiter mit einer Anschlußklemme 64 versehen, der elektrische Signale entnommen werden
können.
Wie außerdem aus F i g. 11 ersichtlich ist, ist das
rechte Ende bzw. das linke Ende der Gate-Elektrode 60
leitend über die schematisch dargestellten Leiter 65 mit dem rechten Ende bzw. dem linken Ende der
Gate-Elektrode 8 verbunden. In dem Halbleitergebiet 4 wird dadurch zugleich mit der p-leilenden Inversionsschicht 7 unter der Gate-Elektrode 8 eine zweite
Inversionsschicht 66 unter der Gate-Elektrode 60 induziert. Die Länge der Inversionsschicht 66 wird, von
dem linken Ende der Gate-Elektrode 60 zu dem rechten Ende der Gate-Elektrode 60 gesehen, auf praktisch
gleiche Weise wie die Inversionsschicht 7 in Abhängigkeit von der Signalquelle 2 und/oder der Sägezahnspannungsquelle 22 moduliert. Die mit der Modulation der
Inversionsschichten 7 und 66 einhergehenden elektrischen Ströme durch die Widerstände 15 und 63 sind
daher praktisch einander gleich.
In Fig. 13 ist die Differenzspannung | Vn- VM | als
Funktion der Zeit I dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist der Spannungsunterschied zwischen
den Ausgangsklemmen 18 und 64 praktisch nur die SpannuKgsimpulse 25 auf, die durch das Entladen der
p-leitenden Zonen 6 herbeigeführt werden, während die Störsignale infolge der Modulation der Inversionsschicht 7 praktisch völlig ausgeglichen werden. Das
Ausgangssignal | Vu - V641 kann nun unmittelbar z. B. in
den Binärzähler 19 eingeführt werden, wobei das Filter 27, das in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet
wurde, überflüssig ist.
Fig. 14 zeigt eine weitere Abwandlung des an Band
des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Analog-Digital Wandlers. Die Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich insbesondere darin von der Anordnung nach dem ersten
Ausführungsbeispiel, daß die Oberflächengebiete, entlang deren sich die Inversionsschicht 7 verschiebt, nicht
durch nleitende Oberflächenzone 6. sondern durch
induzierte Gebiete 70 gebildet werden. Zu diesem
Zweck sind auf der isolierenden Oxidschicht 9 Elektroden 71 angebracht, die leitend miteinander
verbunden sein können. Indem an die Elektroden 71
eine negative Spannung angelegt wird, werden die
durch gestrichelte Linien dargestellten tiefen Verarmungsgebiete 70 gebildet Diese induzierten Gebiete 70
können dann mit Hilfe der p-leitenden Inversionsschicht 7 nacheinander mit der p-Ieitenden Zone 13 auf gleiche
ίο Weise wie die p-leitenden Oberflächenzonen 6 im ersten
Ausführungsbeispiel verbunden werden. Die Anzahl Gebiete 70, die mit der Zone 13 verbunden wird (wobei
in den Gebieten 70 die Inversionsschichten 73 gebildet werden) und die dieser Anzahl entsprechende Anzahl
der Ausgangsklemme 18 entnehmbarer Spannungsimpulse sind dann wieder ein Maß für das analoge
Spannungssignal, das über die Quelle 2 der Gus-Elektrode 8 zugeführt wird.
Es sei bemerkt daß die induzierten Gebiete 70 und die
ja Elektroden 71 — die durch die isolierende Oxidschicht
72 gegen die Gate-Elektrode 8 isoliert sind — sich, auf die Oberfläche gesehen, im wesentlichen neben der
Gate-Elektrode 8 erstrecken können, während, im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, die mit
Hilfe der Gate-Elektrode 8 aufzuladenden p-leitenden Zonen 6 im wesentlichen nicht unter der Gate-Elektrode liegen sollen. Die Gebiete 70 brauchen sich nur derart
weit unter die Gate-Elektrode 8 zu erstrecken, daß mit Hilfe der Inversionsschichten 7 elektrische Verbindun
gen zwischen der p-leitenden Zone 13 und den
induzierten Gebieten 70 hergestellt werden können.
Es dürfte einleuchten, daß sich die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsformen beschränkt,
sondern daß im Rahmen der Erfindung für den
So können z. B. die Leitfähigkeitstypen in den beschriebenen Ausführungsbeispielen umgekehrt werden, wobei gleichfalls die Polaritäten der angelegten
Spannungen oder Spannungsunterschiede umgekehrt
werden müssen.
Auch können statt der hier genannten Materialien andere Materialien Anwendung finden. So können z. B.
die Gate-Elektrode 8 im ersten Ausführungsbeispiel und/oder die Gate-Elektroden 34 und 47 im zweiten
Ausführungsbeispiel statt aus polykristallinem Silizium auch aus einem geeigneten Metall, z. B. Aluminium oder
Bleioxid, hergestellt sein.
Statt der hochdotierten Zonen 46 im zweiten Ausführungsbeispiel können auch andere Kanalunter
brechungsmittel, wie z. B. eine örtliche Verdickung der
Isolierschicht 35, angewendet werden.
Im ersten und im dritten Ausführungsbeispiel kann statt der Spannungsquelle 22, die eine dreieckförmige
Spannung liefert, eine Spannungsquelle verwendet
werden, die z. B. eine wirkliche Sägezahnspannung oder
eine reine Wechselspannung liefert. In diesen Ausführungsbeispielen können vorteilhafterweise die Eingangsquelle 2 und/oder die Sägezahnspannungsquelle
22 statt mit dem Kontakt 10 am rechten Ende der
Gate«Elektrode 8 mit dem Kontakt 11 am linken Ende
der Gate-Elektrode 8 elektrisch verbunden werden.
Weiter können die Gate-Elektroden statt einer streifenförmigen und rechteckigen Konfiguration auch
andere Geometrien aufweisen. So kann insbesondere
vorteilhafterweise eine kammartige Konfiguration für
die Gate-Elektroden verwendet werden, welche Konfiguration einen Basisteil in Form einer Widerstandsschicht, über der der Spannungsgradient angelegt
werden kann, und hervorragende Teile oder Finger aufweist, die dann aus einem niederohmigen Material
bestehen können und unterhalb deren sich die zu kontaktierenden Oberflächengebiete befinden.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 können die
Eingangsleitungen 45 des Auslesespeichers 43 weiter elektrisch mit Schaltvorrichtungen, z. B. einem Schalter,
verbunden sein, mit deren Hilfe die Leitungen 45 zeitweilig an ein Bezugspotential, z. B. Erde, angelegt
werden können, wodurch der Speicher 43 gelöscht oder zurückgesetzt werden kann und/oder wodurch das
Erscheinen Undefinierter Information an den Ausgän-
gen 44 vermieden werden kann. Eine derartige Schaltvorrichtung kann z. B. eine Anzahl MOST-Schalter
mit gesonderten Source-(oder Drain-)Zonen, die mit je einer Eingangsleitung 45 kontaktiert sein können, und
mit einer gemeinsamen Gate-Elektrode und einer gemeinsam geerdeten Drain-(oder Source-)Zone, enthalten.
Weiter sind in demselben Ausführungsbeispiel die Zonen 50 nicht unter allen Umständen notwendig,
ίο sondern können in gewissen Fällen, z. B. wenn die
Gate-Elektroden 47 und 34 einander teilweise überlappen, weggelassen werden.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Halbleiteranordnung zum Digitalisieren eines analogen elektrischen Eingangssignals, mit einem r>
Halbleiterkörper (1, Fig.2; 4, Fig. 14), der ein an
eine Oberfläche dieses Körpers grenzende Halbleitergebiet (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleitergebiet eine Reihe lokaler, auf Abstand '°
voneinander liegender Oberflächengebiete (6; 70) definiert ist, daß auf der Oberfläche eine durch eine
Isolierschicht (9) gegen das darunterliegende Halbleitergebiet isolierte Gate-Elektrode (8) vorhanden
ist, die mit zwei in der Nähe der Enden der Reihe liegenden Anschlußkontakten (10, 11) versehen ist,
wodurch über der Gate-Elektrode in einer zu der Reihe von Oberflächengebieten parallelen Richtung
ein Potentialgefälle erhalten werden kann und im Halbleitergebiet eine Inversionsschicht (7) des
zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer zu der Reihe von Oberflächengebieten parallelen Richtung
steuerbaren Ausdehnung erzeugt werden kann und daß im Halbleitergebiet eine weitere Zone (13) vom
/.weiten Leitfähigkeitstyp vorhanden ist, die mittels
der Inversionsschicht mit den Oberflächengebieten der Reihe verbunden werden kann, wobei Mittel (8;
71) vorhanden sind, um die Oberflächengebiete elektrisch aufzuladen und Mittel (2), um das analoge
Eingangssignal (Va) der Gate-Elektrode zuzuführen, wodurch, üichdem die Oberflächengebiete aufgeladen sind, eine Inversionsschicht gebildet werden
kann, deren Ausdehnung durch die Größe des Eingangssignals bestimmt wird und durch diese
Inversionsschicht Oberflächengebiete mit der weiteren Zone verbunden und entladen werden können,
wobei die Entladungsströme ein digitales Ausgangssignal bilden, das der weiteren Zone entnommen
werden kapn.
2. Halbleiteranordnung zum Digitalisieren eines analogen elektrischen Eingangssignals, mit einem
Halbleiterkörper (Fig.6, 7), der ein an eine Oberfläche des Körpers grenzendes Halbleitergebiet (31) vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleitergebiet eine Reihe lokaler, auf Abstand voneinander
liegenden Oberflächengebiete (32) vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorhanden ist, die je mit einem
elektrischen Anschluß (42) versehen sind, daß auf der Oberfläche eine durch eine Isolierschicht (35) gegen
das darunterliegende Halbleitergebiet isolierte Gate-Elektrode (34) vorhanden ist, die mit zwei in
der Nähe der Enden der Reihe liegenden Anschlußkontakten (38, 39) versehen ist, wodurch über der
Gate-Elektrode in einer zu der Reihe von Oberflächengebieten parallelen Richtung ein Potentialgefälle erhalten werden kann und im Halbleitergebiet
eine Inversionsschicht (33) des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer zu der Reihe von Oberflächengebieten parallelen Richtung steuerbaren Ausdehnung M
erzeugt werden kann und daß im Halbleitergebiet eine weitere Zone (40) vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorhanden ist, die mit Hilfe der genannten
Inversionsschicht mit den Oberflächengebieten der Reihe elektrisch verbunden werden kann, wobei h5
Mittel (52) vorhanden sind, mit deren Hilfe das analoge Eingangssignal der Gate-Elektrode zugeführt werden kann, wodurch die Ausdehnung der
genannten Inversionsschicht vom Eingangssignal gesteuert wird, wobei durch die Größe des
Eingangssignals das Oberflächengebiet oder die Oberflächengebiete der Reihe bestimmt wird bzw.
werden, die mittels der Inversionsschicht mit der weiteren Zone verbunden wird bzw. werden,
wodurch den genannten Anschlüssen der Oberflächengebiete ein Signal entnommen werden kann,
das ein digitales Ausgangssignal bildet.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Oberflächengebiete (6) der Reihe durch Zonen vom zweiten
Leitfähigkeitstyp gebildet werden, und daß Mittel zum elektrischen Aufladen der Oberflächenzonen (6)
der Reihe vorhanden sind, wobei die pn-Obergänge (16) zwischen den Oberflächenzonen der Reihe und
dem Halbleitergebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp in der Sperrichtung vorgespannt werden.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche gesehen, die
Zonen (50) der Reihe wenigstens praktisch völlig unter der Gate-Elektrode (47) liegen und mit Hilfe
der Gate-Elektrode (47) kapazitiv aufgeladen werden können.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche (30) eine
zweite durch die Isolierschicht (35) gegen das Halbleitergebiet (31) isolierte Gate-Elektrode (34)
vorhanden ist, die zu den elektrischen Anschlüssen der Reihe von Oberflächenzonen (50) gehört und die
sich, auf die Oberfläche (30) gesehen, neben und praktisch parallel zu der zuerst genannten Gate-Elektrode (47) über die Isolierschicht (35) erstreckt
und oberhalb eines Teiles jeder der Zonen (50) der Reihe liegt, wobei in dem Halbleitergebiet (31) vom
ersten Leitfähigkeitstyp eine zweite, sich praktisch parallel zu der zuerst genannten Reihe von Zonen
(50) erstreckende Reihe von Oberflächenzonen (32) vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorhanden sind, die
sich je bis unterhalb der zweiten Gate-Elektrode (34) erstrecken und je einen Teil des elektrischen
Anschlusses einer der Oberflächenzonen (50 der ersten Reihe von Zonen bilden, wobei Mittel
vorgesehen sind, mit deren Hilfe elektrische Verbindungen zwischen den Zonen (50) der ersten
Reihe und einer zugehörigen Zone (32) der zweiten Reihe über eine Inversionsschicht (33) mit einer in
einer zu der ersten und der zweiten Reihe von Zonen praktisch parallelen Richtung steuerbaren Ausdehnung hergestellt werden, welche Inversionsschicht
(33) mit Hilfe der zweiten Gate-Elektrode (34) in
dem Halbleitergebiet (31) induziert werden kann und deren Ausdehnungsrichtung der der Inversionsschicht (51) unter der zuerst genannten Gate-Elektrode (47) praktisch entgegengesetzt ist, wobei das
Eingangssignal ebenfalls der zweiten Gate-Elektrode (34) zugeführt wird, wodurch ebenfalls die
Ausdehnung der unter der zweiten Gate-Elektrode
(34) induzierten Inversionsschicht (33) von dem Eingangssignal gesteuert wird, und wobei zwischen
den Zonen der zweiten Reihe Känälüntefbrechef
vorhanden sind, wodurch örtlich zwischen diesen Zonen verhindert werden kann.
6. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
oberhalb der Oberflächengebiete (6, F i g. 2) der Reihe liegenden Teile (20) der Gate-Elektrode einen
verhältnismäßig niedrigen Widerstand und die
zwischen den Oberflächengebieten liegenden Teile (21) der Gate-Elektrode einen verhältnismäßig
hohen Widerstand aufweisen.
7. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gate-Elektrode durch eine auf der Isolierschicht angebrachte Siliciumschicht gebildet ist
Applications Claiming Priority (1)
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| NL7406728A NL7406728A (nl) | 1974-05-20 | 1974-05-20 | Halfgeleiderinrichting voor het digitaliseren van een elektrisch analoog signaal. |
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