DE2525093A1

DE2525093A1 - Vorrichtung und verfahren zur ladungsregenerierung

Info

Publication number: DE2525093A1
Application number: DE19752525093
Authority: DE
Inventors: Jun James Albert Cooper
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-06-05
Filing date: 1975-06-05
Publication date: 1975-12-18
Also published as: NL7506450A; FR2274116B1; US3937985A; IT1036170B; JPS516483A; FR2274116A1

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 252 5093

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Vorrichtung und Verfahren 2ur Ladungsregenerierung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung zur Speicherung und seriellen Übertragung von Ladungsträgern, die in induzierten Potentialmulden längs eines Oberflächenteils eines Körpers lokalisiert sind, durch sequentielles Anlegen mehrerer unterschiedlicher Potentiale an aufeinanderfolgende Teile der Oberfläche, sowie zur Regenerierung logischer Bits.

Ein bei manchen praktischen Anwendungen von Ladungsübertragungsvorrichtungen verwendetes Element ist ein Ladungsregenerator. Der Regenerator wird verwendet, um Abweichungen von der korrekten Ladungsmenge in einem Ladungspaket zu reduzieren, das entweder

München: Kramer ■ Dr. Weser - FfIrSh— WiesBaaenyBrarnBact) ■ Dr. Bergen · Z.virner

eine logische Eins oder eine logische Null darstellt. Ohne Regenerierung neigen die Ladungsmenge in einem eine logische Eins repräsentierenden Paket und die Ladungsmenge in einem eine logische Null repräsentierenden Paket dazu, sich auszu-• gleichen, was eine Unterscheidung zwischen diesen beiden schwieriger macht und schließlich zu einem Informationsverlust führt.

Bei bekannten Methoden ist typischerweise eine Schwellenwert- oder Bezugsspannung in einem Ladungsregenerator verwendet worden. Ein solcher Regenerator ist von M. P. Tompsett in dem Artikel "A Simple Charge Regenerator for Use with Charge Transfer Devices and the Design of Functional Logic Arrays", der im IEEE Journal of Solid State Circuits, Juni 1972, Seite 2JJ, erschienen ist,erklärt. Bei dem beschriebenen Regenerator wird der Ladungsträgerfluß von einer Ladungsquelle durch eine Potentialbarriere gesteuert, dessen Höhe eine Punktion der zu regenerierenden Ladung ist. Eine Schwellenwert- oder Bezugsspannung wird an die Ladungsträgerquelle angelegt. Die Spannung wird auf eine Potentialhöhe eingestellt, die zwischen dem Wert der eine logische Eins repräsentierenden Potentialbarriere und dem Wert der eine logische Null repräsentierenden Potentialbarriere liegt. Deshalb fließt Ladung von der Quelle, wenn eine eine logische Null repräsentierende Potentialbarriere existiert, und es fließt keine Ladung, wenn eine eine logische Eins repräsentierende Potentialbarriere vorhanden ist.

Wenn sich der Gesamtübertragungs-Wirkungsgrad 50 % nähert, verringert sich die Trennung zwischen der eine logische Eins dar-

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stellenden Potentialhöhe und der eine logische Null darstellenden Potentialhöhe, und die Anforderungen an die Stabilität der Bezugsspannung werden groß. Die Bezugsspannung wird oft abgeleitet unter Verwendung eines auf dem Chip oder Plättchen befindlichen Spannungsreglers, der abhängig ist von den schwierig zu steuernden Schwellenwertspannungen von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate. Auch führt eine Regenerierung, wie sie in dem Artikel von Tompsett angegeben ist, zu einer Inversion der logischen Einsen und Nullen. Es wäre erwünscht, das Erfordernis für eine Schwellenwertspannung und deren zugeordneten Spannungsregler auszuschalten. Weiterhin wäre es wünschenswert, Information repräsentierende Ladungspakete ohne Inversion zu regenerieren.

Nach einem anderen Stand der Technik werden verschiedene arithmetische und logische Funktionen unter Verwendung von Ladungsübertragungsvorrichtungen ausgeführt. Beispielsweise beschreiben die US-PS 3 777 186 und der Artikel "Logic Array Using Charge Transfer Devices" von T. D. Mok und C. A. T. Salama, der in Electronics Letters, Band 8, Nr. 20, 5. Oktober 1972, Seite 495 erschienen ist, die Durchführung logischer Funktionen unter Verwendung von Ladungsübertragungsvorrichtungen. Die logischen Punktionen werden durch Verwendung paralleler und serieller Gatter erhalten, mit welchen Operationen durchgeführt werden, die einer Ladungsbegrenzung und Ladungssubtraktion ähnlich sind. Es ist jedoch weder angegeben noch nahegelegt, solche Methoden zur Ladungsregenerierung in Ladungsübertragungsvorrichtungen zu verwenden.

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Die aufgezeigten Probleme werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art, die gekennzeichnet ist durch eine Multipliziereinrichtung zur Multiplikation eines Ladungspaketes mit einem derartigen Multiplikationsfaktor, daß nach der Multiplikation die Differenz zwischen der Ladungsmenge in einem eine logische Eins repräsentierenden Ladungspaket und der Ladungsmenge in einem eine logische Null repräsentierenden Ladungspaket wenigstens ebenso groß ist wie die maximale Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde, eine Subtraktionseinrichtung zur Subtraktion einer festen Ladungsmenge vom multiplizierten Ladungspaket, die dazu ausreicht, die gesamte Ladung zu entfernen, wenn das Ladungspaket eine logische Null repräsentiert,

und eine Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der Ladungsmenge in dem Ladungspaket auf einen Maximalwert, der gleich der minimalen Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde ist.

Ein Ladungspaket von einer Ladungsübertragungsvorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch regeneriert, daß arithmetische Operationen an der Ladung in dem Paket ausgeführt werden. Die Ladung wird zunächst derart multipliziert, daß die Differenz zwischen der Ladungsmenge in einem eine logische Eins repräsentierenden Ladungspaket und der Ladungsmenge in einem eine logische Null repräsentierenden Ladungspaket ebenso groß ist wie die Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde der Ladungsübertragungsvorrichtung. Man kann erkennen, daß der Multiplikationsfaktor von den Ladungsübertragungs-

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Unvollkommenheiten der LadungsUbertragungseinrichtung abhängt. Dann wird eine feste Ladungsmenge vom multiplizierten Ladungspaket subtrahiert. Die feste Menge reicht aus, um die gesamte Ladung zu entfernen, wenn das Ladungspaket eine logische Null repräsentiert. Dann wird die restliche Ladungsmenge in einem eine logische Eins repräsentierenden Paket auf einen Maximalwert begrenzt, der gleich der Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde der LadungsUbertragungseinrichtung ist.

Wenn der Multiplikationsfaktor und die zu subtrahierende Menge für einen gegebenen Übertragungswirkungsgrad einmal bestimmt sind, können sie auch für irgendeinen verbesserten Übertragungswirkungsgrad verwendet werden. Wenn sich der Übertragungswirkungsgrad verbessert, neigt die Ladungsmenge in einem eine logische Null repräsentierenden Paket zur Abnahme. Deshalb bleibt die feste abgezogene Menge ausreichend, um die gesamte Ladung zu entfernen. Wenn sich der Übertragungswirkungsgrad verbessert, neigt die Ladungsmenge in einem eine logische Eins repräsentierenden Paket zu einer Vergrößerung. Da die Differenz zwischen der eine logische Eins und der eine logische Null repräsentierenden Ladungsmenge zu einer Vergrößerung neigt, bleibt der Multiplikationsfaktor angemessen.

Die arithmetischen Operationen werden ausgeführt unter Verwendung einer genau gesteuerten geometrischen Anordnung von Übertragungselektroden in Zusammenwirkung mit Dotierstoffzonen. Als Folge davon, daß man für die Unterscheidung zwischen einer logischen Eins und einer logischen Null nicht auf Spannungswerte sondern auf eine

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Geometrie aufbaut, Ist der Regenerator relativ unempfindlich gegenüber einer Prozeßänderung, welche solche Parameter wie Schwellenwertspannung und Substratdotierung beeinflußt.

Zum Multiplizieren werden die Ladungspalcete in einer Ladungsübertragungseinrichtung verwendet, um eine Potentialbarriere zwischen einer Ladungsquelle und einer Ladungsspeicherzone unter einer Verstarkungselektrode zu errichten. Ein Spannungsimpuls mit größerer Amplitude als der Potentialbarriere entsprechend wird an die Ladungsquelle angelegt, und die Ladungsspeicherzone wird mit Ladungsträgern gefüllt. Wenn der Spannungsimpuls von der Ladungsquelle weggenommen wird, ist der Potentialwert der Ladungsquelle kleiner als der Wert der Potentialbarriere. Ladungsträger auf einem Potentialwert, der größer als die Potentialbarriere ist, fließen von der Ladungsspeicherzone zurück zur Ladungsquelle.

Genauer gesagt stellt eine Fühler-Dotierstoffzone im Ladungsflußweg der Ladungsübertragungsvorrichtung die Ladungsmenge in einem Ladungspaket fest und errichtet ein Oberflächenpotential. Eine Steuerelektrode stellt einen Kontakt zur Fühler-Dotierstoffzone her und erstreckt sich über eine Isolierschicht zu der Zone zwischen der Ladungsquelle und der Ladungsspeicherzone. Wenn ein Ladungspaket in die Fühler-Dotierstoffzone eintritt, erscheint somit eine der Größe des Ladungspaketes proportionale Spannung am Steuergatter, um die Potentialbarriere quer zum Ladungsflußweg zwischen Ladungsquelle und der Ladungsspeicherzone zu bilden. Die Ladungsmenge, die unter dem verstärkenden Gatter in einer ver-

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stärkenden Potentialmulde gespeichert ist, wird durch die Höhe der Potentialbarriere in Verbindung mit der Kapazität des verstärkenden Gatters variiert. Das Verhältnis zwischen der Kapazität des verstärkenden Gatters und der Kapazität der Fühler-Diffusionszone bestimmt den Betrag der Verstärkung des Ladungspaketes.

Der an die Ladungsquelle angelegte Spannungsimpuls ist von kürzerer Zeitdauer als die Zeitlänge, in welcher ein Ladungspaket in der Fühler-Dotierstoffzone bleibt, so daß die Potentialbarriere langer bestehen bleibt, als die Ladungsquelle Ladung liefert. Wenn die Potentialbarriere noch vorhanden und der Spannungsimpuls nicht an die Ladungsquelle gelegt ist, kann demzufolge die überschüssige Ladung in der Potentialmulde unter dem verstärkenden Gatter zur Ladungsquelle zurückfließen. Dadurch bleibt der Potentialwert der Ladung in der Verstärkungspotential mulde derselbe wie der Potentialwert der Potentialbarriere. Zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors und deshalb der Ladungsmenge unter dem verstärkenden Gatter kann die Kapazität des verstärkenden Gatters vergrößert werden.

Zum Subtrahieren wird die verstärkte Ladung in der verstärkenden Potentialmulde verschoben und aufgeteilt auf einen abzweigenden Subtraktions-Ladungsflußweg und einen Hauptladungsflußweg. Im Subtraktionsweg befindet sich eine Subtraktionselektrode mit einer darunterliegenden Subtraktions-Potentialmulde. Die Ladungsspeicherkapazität der Mulde ist gleich der zu subtrahierenden

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Menge. Wie erwähnt ist dies die eine logische Null repräsentierende Ladungsmenge. Jegliche Ladung, die nicht in den Subtraktionspfad gelangen kann, gelangt in den Hauptladungsflußweg.

Die Ladung im Hauptladungsflußweg wird zu einer begrenzenden Elektrode übertragen, die eine Potential-Ladungsspeichermulde aufweist. Überflüssige Ladung der in der Potentialmulde gespeicherten Menge wird längs eines Überschußladungsweges zu einer Ladungsableitung übertragen. Die Ladungsspeicherkapazität der Potentialmulde ist gleich der Ladungsmenge, die zur Darstellung einer logischen Eins benötigt wird. Wenn das Ladungspaket eine logische Null darstellt, kann die gespeicherte Ladungsmenge natürlich kleiner als die Kapazität der Potentialmulde sein. Die Ladung in der Potentialmulde wird dann auf den Ausgang des Ladungsregenerators übertragen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Regeneratoranordnungj

Fig. 2 bis 5 Schnittansichten von Teilen der in Fig. 1 dargestellten Ladungsregenerator-Anordnungj

Fig. 6 bis 8 Wellenformen der an den Regenerator angelegten Spannungen;

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf den Aufbau einer Anordnung zur Einführung einer "fetten Null"; und

Fig. 10 und 11 Schnittansichten von Teilen der in Fig. 9 dargestellten Anordnung.

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FIg. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Regenerator entsprechend einer erfindungsgemäßen AusfUhrungsform. Die Ausführungsform ist dargestellt als zweiphasige ladungsgekoppelte Vorrichtung mit abgestuftem Oxid zum Erhalt einer Richtungsvorgabe. Zu regenerierende Ladungspakete werden von einer üblichen Ladungsubertragungsvorrichtung 1 empfangen, und regenerierte Ladungspakete werden auf eine andere übliche Ladungsübertragungsvorrichtung 2 gegeben.

In Ladungsübertragungsvorrichtungen (für die nach dem im englischsprachigen Raum verwendeten Ausdruck charge transfer devices auch der Abkürzungsausdruck CTD gebräuchlich ist) wird digitale Information dargestellt durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Ladungsträgerpaketen, die in künstlich induzierten Potentialmulden, die gewöhnlich an eine Grenzfläche mit einem darüberliegenden Mater! al angrenzen, lokalisiert und. elektrostatisch mit diesen gekoppelt sind. Die Potentialmulden werden vorteilhafterweise gebildet und gesteuert durch Anlegen von Spannungen an Feldplattenelektroden derart, wie sie gewöhnlich bei den Metall-Isolator-Halbleiter-(MIS, von metal-insulator-semiconductor) Technologien verwendet werden. Da die MIS-Technik fest etabliert und wohl bekannt Ist, wird es für unnötig gehalten, Herstellungsverfahren für die unten offenbarten Anordnungen detailliert zu beschreiben.

Die ausführliche Arbeitsweise des Regenerators ist leichter verständlich, wenn man Fig. 1 zusammen mit Querschnittsansichten

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des Regenerators betrachtet. Die Fig. 2 bis 5 zeigen Querschnittsansichten längs entsprechend bezifferter Schnittlinien in Pig. I.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Regeneratoranordnung 10 längs der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1. Die Vorrichtung 10 umfaßt eine isolierende Schicht 12 ungleichmäßiger Dicke, die auf einem η-leitenden Halbleitersubstrat 11 aufgebracht ist. Typischerweise besteht die Schicht 12 aus Siliciumdioxid und das Substrat

aus η-leitendem Silicium mit Phosphor-Dotierstoffen in einer Kon-IS 7>
zentration von etwa 10 ^J pro cm .

über der Schicht 12 liegen Ladungsübertragungs-Feldplattenelektroden 21 und 22. Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt jede Elektrode einen ersten Teil, der über einer relativ dicken Zone der isolierenden Schicht 12 liegt, sowie einen zweiten Teil, der über einer relativ dünnen Zone der isolierenden Schicht 12 liegt. Die Elektroden 21 und 22 sind mit einer üblicherweise zugeordneten (nicht dargestellten) Zeitsteuerungsschaltung verbunden, um von dieser Treibimpulse 02 bzw. 01 zu empfangen. Ladungspakete werden längs eines Ladungsflußweges übertragen, der sich im Substrat 11 unterhalb der Elektroden 21 und 22 befindet. Typischerwaise handelt es sich bei diesem Weg um eine Fortsetzung des Ladungsflußweges der Ladungsübertragungsvorrichtung 1.

Eine in Fig. 2 gezeigte Fühler-Dotierstoffzone 24 ist eine im Substrat 11 angeordnete p-leitende Zone. Typischerweise enthält die

i8 Zone 24 Bor-Dotierstoffe in einer Konzentration von etwa 10 pro enr. Eine Ladungsübertragungs-Feldplattenelektrode 23 liegt über

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einem relativ dicken Teil der Schicht 12 und ist zwischen der Elektrode 22 und der Fühler-Dotierstoffzone 24 angeordnet. Eine Steuerfeld-Plattenelektrode 25 auf der Schicht 12 stellt durch eine öffnung in der Schicht 12 oberhalb der Zone 24 einen Kontakt zur Fühler-Dotierstoffzone 24 her. Über einem relativ dünnen Bereich der Schicht 12 und in Nachbarschaft zur Dotierstoffzone befindet sich eine Ladungsübertragungs-Feldplattenelektrode 26. Neben der Elektrode 26 ist eine p-leitende Dotierstoffzone 27 im Substrat 11 gebildet. Über der Schicht 12 und oberhalb der Dotierstoffzone 27 liegt eine Ladungsableitungselektrode 28, welche durch eine öffnung in der Schicht 12 einen Kontakt mit der Dotierstoffzone 27 herstellt. Die Feldplattenelektrode 23 ist mit dem Treibimpuls 02 und die Feldplattenelektroden 26 und 28 sind mit dem Treibimpuls 01 verbunden.

In Fig. 1 stellen durchgezogene Linienmuster 21, 22, 25, 25, und 28 Elektroden dar, die durch dieselben Bezugsziffern, die in Fig. 2 verwendet sind, gekennzeichnet sind. Durchbrochene Linienmuster 24 und 27 stellen Dotierstoffzonen dar, die durch dieselben Bezugsziffern, wie sie in Fig. 2 verwendet sind, gekennzeichnet sind. Treibimpulsleitungen sind in gleicher Weise entsprechend gekennzeichnet.

Erläuternde Wellenformen der Spannungen, die an die Elektroden dieser Zweiphasen-Ausführungsform des Regenerators angelegt werden, sind in den Fig. 6 bis 8 dargestellt. Die Treibimpulse 01 und 02 sind beide Rechteckwellen, die um l80° gegeneinander

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phasenverschoben sind und zwischen -V2 Volt und -Vj5 Volt variieren. Ein Treibimpuls 03 ist ein periodischer Rechteckimpuls, der von -Vj5 Volt auf -Vl Volt ansteigt, wenn 01 auf -V2 ansteigt, und der auf -Vj5 geht, bevor 01 auf -Vj5 geht. Die Spannungen Vl, V2 und V3 sind als positive Zahlen gewählt; und VJ ist größer als V2, welches seinerseits größer als Vl ist. Typische. Werte für die Spannungen sind Vl= 2 Volt, V2= 8 Volt und V3= 16 Volt.

Im Betrieb werden Ladungspakete der Reihe nach unter den Feldplattenelektroden 21, 22 und 23 zur Fühler-Dotierstoffzone 24 übertragen. Der Fluß der Ladungspakete von der Dotierstoffzone zur Dotierstoffzone 27 wird durch die Feldplattenelektrode 26 gesteuert. Ladungsträger verlassen die Fühler-Dotierstoffzone 24, wenn deren Potentialwert über die durch die Feldplattenelektrode 26 vorgesehene Potentialbarriere hinausgeht. In gleicher Weise bleiben Ladungsträger mit einem Potentialwert, der unterhalb der unter der Elektrode 26 liegenden Potentialbarriere ist, in der Fühler-Dotierstoff zone 24. Die Fühler-Do.tierstoffzone 24 kann als "geeicht" betrachtet werden, wenn Ladungsträger die gesamte Ladungsspeicherkapazität der Zone 24 auf einen Potentialwert aufgefüllt haben, der unterhalb der niedrigsten Potentialbarriere liegt, die durch die Feldplattenelektrode 26 vorgesehen ist. Dies tritt typischerweise nach wenigen Ladungsübertragungszyklen auf. D.h., daß dieselbe Anzahl Ladungsträger, die nachfolgend in die Dotierstoffzone 24 gelangt, diese Zone 24 verläßt. Das heißt auch, daß die Oberflächenpotential-Änderung der Zone 24 und damit das Potential der Steuerelektrode 25 den in die Zone 24 eintreten-

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den Ladungspaketen proportional ist. Ferner ist die Änderungsperiode des Oberflächenpotentials dieselbe wie die Periode der Treibimpulse 01 und02.

Zweck der Elektrode 28 und der Dotierstoffzone 27 ist es, eine Ladungsableitung für Ladungsträger von der FUhler-Dotierstoffzone 24 verfügbar zu machen. Da die Elektrode 28 keine Barriere für den Ladungsfluß zu schaffen braucht, kann sie anstatt mit dem Treibimpuls 01 alternativ mit einem festen negativen Potential -V3 verbunden werden. Wenn die Elektrode 28 mit dem Treibimpuls 01 verbunden bleibt, kann eine durchgehende Metallisierung zur Bildung der Elektroden 26 und 28 verwendet werden.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Schnittlinie 3 - 3 in Fig. 1. Eine p-leitende Dotierstoffzone 32 ist im Substrat 11 gebildet, und eine Elektrode 31 liegt über der Schicht 12 und kontaktiert die Dotierstoffzone 32 durch eine öffnung in der Schicht 12. Ein Treibimpuls 03 ist mit der Elektrode 31 verbunden. Über einem relativ dicken Bereich der Schicht 12 und in einer Linie mit der Elektrode 31 angeordnet liegen der Reihe nach eine Steuerelektrode 25* eine Blockierelektrode 33 und eine Verstärkungselektrode 3^· Die Blockierele^trode 33 ist mit dem Treibimpuls 02 verbunden, und die Verstärkungselektrode 34 ist an -V3 angeschlossen.

Wenn sich der Treibimpuls 03 auf dem Potentialwert -Vl befindet, fließen Ladungsträger von der Zone 32 zu einer induzierten Potentialmulde unter der Verstärkungselektrode 34 und der Blockier-

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elektrode 33 aus. Es ist vorteilhaft, die Blockierelektrode 33 klein zu machen, so daß die Größe der Verstärkungselektrode 34 im wesentlichen die Größe der induzierten Potentialmulde und deshalb die Menge der "verstärkten Ladung" bestimmt. Wenn der Impuls mit dem Potentialwert -Vl zu Ende geht, liegt an beiden Elektroden 31 und 34 ein Potential von -Vj5 an, und Ladung beginnt von unterhalb der Verstärkungselektrode 34 zur Dotierstoffzone zurückzufließen. Diesen Ladungsrückfluß begrenzt die Steuerelektrode 25 zwischen der Verstärkungselektrode 34 und der Dotierstoffzone 32.

Eine Potentialbarriere unter der Steuerelektrode 25 wird durch das Oberflächenpotential eingestellt, das in der Fühler-Dotierstoff zone 24 erzeugt 1st. Die Größe des Oberflächenpotentials hängt ab von der in der Zone 24 gespeicherten Ladung von der Ladungsübertragungsvorrichtung 1 und von der Kapazität der Zone 24. Ladungspakete in der Fühler-Dotierstoffzone 24, die eine logische Eins repräsentieren, bilden eine höhere Potentialbarriere als eine logische Null repräsentierende Ladungspakete. Da sich die Potentialbarriere unter der Steuerelektrode 25 mit derselben Frequenz ändert wie die Treibimpulse 01 und 02, welche die Ladungsübertragung von der Ladungsübertragungsvorrichtung 1 steuern, bleibt die Potentialbarriere langer als die Zeitdauer des -Vl-Potentialwertes des an die Quellenelektrode 31 angelegten Treibimpulses 03 bestehen. Demgemäß erreicht der Potentialwert der unter der Verstärkungselektrode 34 gespeieherten Ladungsträger denselben Wert wie die Potentialbarriere unter der Steuerelektrode

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25· Ladungsträger können anfangs die Potentialbarriere passieren, da der -Vl-Potentialwert des an die Quellenelektrode 31 angelegten Treibimpulses 03 größer als der Spitzenwert der Potentialbarriere unter der Steuerelektrode 25 ist.

Um einen Rückfluß der unter der Verstärkungselektrode 34 gespeicherten Ladungsträger zu verhindern, wenn die Potentialbarriere unter der Steuerelektrode 25 reduziert ist, ist die Blockierelektrode 33 zwischen der Steuerelektrode 25 und der Verstärkungselektrode 34 angeordnet. Da die Blockierelektrode 33 ^mit dem Treibimpuls 02 verbunden ist, erzeugt sie eine Potentialbarriere gegenüber dem Fluß der unter der Elektrode J>h gespeicherten Ladung bis die Ladung unter eine nachfolgende Elektrode übertragen ist. Als Alternative kann ein zusätzlicher Treibimpuls verwendet werden, so daß Ladung von unterhalb der Elektrode 34 übertragen werden kann, bevor die Potentialbarriere unter der Steuerelektrode 25 reduziert wird.

Die Verstärkungselektrode 34 ist mit der Spannung -V3 verbunden, die zusammen mit der Kapazität der Verstärkungselektrode y\ die Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde unterhalb der Verstärkungselektrode 34 bestimmt. Die Größe der Potentialmulde und die Höhe der Potentialbarriere unter der Steuerelektrode 25 bestimmen die Menge der gespeicherten Ladung. Das Verhältnis der unter der Verstärkungselektrode 34 gespeicherten Ladung zu der in der Fühler-Dotierstoffzone 24 gespeicherten Ladung ist proportional zum Verhältnis der Kapazität der Verstärkungselektrode 34 zur Kapazität der Fühlerdiffusion 24. Das Verhältnis ist ein

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Verstärkungsfaktor für die Ladungspakete von der Ladungsubertragungsvorrichtung 1. Bei der Wahl der Größe des Verstärkungsfaktors werden die LadungsUbertragungs-Unvollkommenheiten der Ladungsubertragungsvorrichtung 1 in Betracht gezogen. Nach der Verstärkung sollte die Ladungsdifferenz zwischen logische Einsen und Nullen repräsentierenden Paketen wenigstens gleich der Ladung in einer vollen Potentialmulde sein. Deshalb ist eine umso größere Verstärkung erforderlich, je dichter sich die logische Einsen oder Nullen repräsentierenden Ladungspakete hinsichtlich ihrer Größe kommen.

In Ladungsflußrichtung folgt auf die Verstärkungselektrode 34 eine über der Schicht 12 liegende Elektrode 35. Sie ist mit dem Treibimpuls 01 verbunden und bewirkt eine Aufteilung des Ladungsträgerflusses von unterhalb der Verstärkungselektrode 34 auf zwei Wegen. Ein Weg ist der in Fig. 3 gezeigte Hauptladungsflußweg. Der andere ist ein Subtraktionsweg, der in Fig. 4 dargestellt ist, welche einen Querschnitt längs der Schnittlinie 4-4 in Fig. 1 ist. In den Fig. 1, 3 und 4 kann man sehen, daß die Elektrode 35 einen ersten Teil, der über einem relativ dicken Bereich der Schicht 12 gebildet ist, und einen zweiten Teil aufweist, der über einem relativ dünnen Bereich der Schicht 12 gebildet ist.

Der Subtraktionsweg der Fig. 4 entfernt eine Ladungsmenge gleich einer logischen Null von derjenigen Ladung, welche in den Bereich unter der Elektrode 35 fließt. Im Subtraktionsweg befindet sich

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neben der Elektrode 35 eine (Jbertragungselektrode 4l mit einem ersten und einem zweiten Teil, die über einem relativ dicken bzw. einem relativ dünnen Bereich der Schicht 12 gebildet sind. Ferner befinden sich längs des Subtraktionsweges der Reihe nach eine über einem relativ dicken Bereich der Schicht liegende Elektrode 42 und eine Ableitungselektrode 43, die auf der Schicht 12 gebildet ist und durch eine öffnung in der Schicht 12 eine p-leitende Dotierstoffzone 44 im Substrat 11 kontaktiert. Die Elektrode 41 ist mit dem Treibimpuls 02 verbunden. Die Elektroden 42 und 4j5 sind beide mit 01 verbunden.

Im Betrieb induziert die Elektrode 41 eine Potentialmulde mit einer Ladungsspeicherkapazität gleich der Menge, die von den unter der Elektrode 35 gespeicherten Ladungsträgern zu subtrahieren ist. Ladung von unterhalb der Elektrode 41 wird zur Dotierstoffzone 44 übertragen, wenn eine Potentialbarriere unter der Elektrode 42 reduziert ist. Die Dotierstoffzone 44 ist Teil einer Ladungsableitungsanordnung, die auch die Elektrode 43 einschließt. Bei den Elektroden 42 und 43 kann es sich um eine durchgehende Metallisierung handeln, da sie beide mit dem Treibimpuls 01 verbunden sind. Alternativ dazu kann die Ableitelektrode 43 getrennt bleiben und mit dem festen Potentialwert -Vj5 verDunden sein. Das feststehende Potential kann anstelle des Treibimpulses 01 verwendet werden, da die Elektrode 43 keine Potentialbarriere variabler Höhe zu erzeugen braucht.

Um sicher zu sein, daß die Potentialmulde unter der Elektrode

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voll 1st, wird die Ladung von unterhalb der Feldplattenelektrode 35 vorteilhafterweise vorübergehend daran gehindert, in den in Pig· 3 gezeigten Hauptladungsflußweg vorzudringen. Zu diesem Zweck ist eine Umlenk-Feldplattenelektrode 36 neben der Elektrode 35 angeordnet und liegt über einem relativ dicken Bereich der Schicht 12. Die Feldplattenelektrode J>6 ist mit dem Treibimpuls 03 verbunden und induziert eine darunterliegende Potentialbarriere, um eine Ladungsübertragung zum Ausgang des Regenerators hin zu verhindern, während die Potentialmulde unter der Feldplattenelektrode 4l aufgefüllt wird. Es sei folgendes bemerkt: Da die Elektrode lediglich dazu dient, diese leichte Verzögerung beim öffnen des Ladungsweges zum Ausgang des Regenerators zu erzeugen, können andere Alternativen wie eine andere geometrische Anordnung der Elektroden verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Subtraktion stattfindet.

Es wird nun der Ladungsflußweg in Fig. 3 weiterverfolgt. Wenn der -Vl-Potentialwert des Treibimpulses 03 aufhört, fließt Ladung an der Elektrode 36 vorbei zu einer Begrenzerelektrode 37· Diese ist mit dem Treibimpuls 02 verbunden und teilt den Fluß der Ladungsträger in zwei Wege auf. Ein Weg ist eine Fortsetzung des Ladungsflußweges in Fig. 3. Der andere Weg dient überschüssiger Ladung, verläuft längs der Schnittlinie 5-5 der Fig. 1 und ist in Fig. dargestellt. Ladung, die in den Bereich unter der Elektrode 37 eintritt und einen Überschuß gegenüber der für die Darstellung einer logischen Eins erforderlichen Menge bedeutet, fließt in den Weg für überschüssige Ladung. Die zur Darstellung einer logi-

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sehen Eins erforderliche Ladungsmenge wird längs des Ladungsweges der Fig. 3 übertragen.

Die Aufteilung des Ladungsflusses auf die beiden Wege wird durch die Form der Elektrode 37 in Verbindung mit dem geeigneten Anlegen von Spannungen bewirkt. Aus den Fig. 1, 3 und 5 kann man sehen, daß die Elektrode 37 einen ersten, auf einem relativ dicken Bereich der Schicht 12 gebildeten Teil, einen zweiten, auf einem relativ dünnen Bereich der Schicht 12 gebildeten Teil, und, lediglich im Weg für überflüssige Ladung, einen dritten, auf einem relativ dicken Bereicn der Schicht 12 gebildeten Teil aufweist. Insbesondere aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der zweite Teil der Elektrode 37 eine zentrale Potentialmulde erzeugen kann, welche Ladung zu speichern vermag. Neben der Begrenzerelektrode 37 befindet sich im Weg für überschüssige Ladung eine p-leitende Dotierstoffzone 51, die im Substrat 11 gebildet ist. Auf der Schicht 12 ist eine Ableitelektrode 52 gebildet, welche die Dotierstoff zone 51 durch eine öffnung in der Schicht 12 kontaktiert. Die Elektrode 52 ist mit dem Treibimpuls 02 verbunden. Da die Elektroden 37 und 52 beide mit dem Treibimpuls 02 verbunden sind, fließt die gesamte in den Bereich unterhalb der Elektrode 37 eintretende Ladung in die Dotierstoffzone 51 unter der Elektrode 52, ausgenommen diejenige Ladung, welche unter dem zentralen Teil der Elektrode 37 gespeichert ist. Bei den Elektroden 37 und 52 kann es sich um eine durchgehende Metallisierung handeln, da sie beide mit dem Treibimpuls 02 verbunden sind. Alternativ dazu kann die Elektrode 37 getrennt bleiben und mit dem festen Potentialwert -V"3 verbunden sein.

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Neben dem zweiten Teil der Begrenzerelektrode befindet sich in dem in Fig. 3 gezeigten Hauptladungsflußweg eine abgestufte Elektrode 38. Diese ist mit dem Treibimpuls 01 verbunden und weist einen ersten, auf einem relativ dicken Bereich der Schicht 12 gebildeten Teil und einen zweiten, auf einem relativ dünnen Bereich der Schicht 12 gebildeten Teil auf. Da die Begrenzerelektrode 37 als eine einfach abgestufte Elektrode ohne eine zentrale Potentialmulde längs des Hauptladungsweges der Fig. 3 erscheint, tritt eine Ladungsübertragung von unterhalb der Elektrode 37 nach unterhalb der Elektrode 38 auf, wenn der Treibimpuls 01 eine Potentialmulde unter der Elektrode 38 induziert, die tiefer als die Potentialmulde ist, die unter der Elektrode 37 durch den Treibimpuls 02 induziert ist. Die übertragene Ladungsmenge ist diejenige Menge, welche gespeichert war in der Potentialmulde unter dem zweiten Teil der Elektrode 37* die auf dem relativ dünnen Teil der Schicht 12 gebildet ist.

Wie es auch bei der Fig. 2 der Fall ist, ist Fig. 1 entsprechend den Fig. 3, 4 und. 5 mit Bezugsnummern versehen. In Fig. 1 stellen durchgezogene Linien-Muster 31, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 41, 42, 43 und 52 Elektroden dar. Gebrochene Linien-Muster 32, 44 und 5I stellen Dotierstoffzonen dar. Treibimpulsleitungen und die Spannung V3 sind in gMcher Weise entsprechend gekennzeichnet.

Die Größe der Potentialraulde unter dem zweiten Teil der Elektrode ist vorteilhafterweise ebenso groß, wie die kleinste Potentialmulde in der nachfolgenden LadungsUbertragungsvorrichtung 2. Wenn die Potentialmulde größer ist, kann zuviel Ladung in die Ladungsüber-

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tragungsvorrichtung 2 eingebracht werden. Eine Abänderung in den Potentialmuldenabmaßen in Ladungsübertragungsvorrichtungen kann aufgrund von Herstellungsänderung bewirkt werden. Wenn beispielsweise eine nachfolgende Ladungsübertragungsvorrichtung zur Richtwirkung abgestuftes Oxid verwendet, bestimmt die Ausrichtung zwischen der Oxidstufe und der abgestuften Elektrode die Größe der Speicherpotentialmulde in der Ladungsübertragungsvorrichtung.

Bekanntlich ist es bei manchen Ladungsübertragungsvorrichtungen vorteilhaft, eine logische Null anstatt durch keine Ladung durch eine kleine Ladungsmenge darzustellen. Eine solche logische Null ist "fette Null" genannt worden und kam in diesem Regenerator verwendet werden. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der fetten Null besteht darin, die Größe der Potentialmulde unter der subtrahierenden Elektrode 41 einzustellen, so daß die subtrahierte Menge kleiner ist als die eine logische Null repräsentierende Ladung nach der Multiplikation. Ein Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß eine Änderung des Ubertragungs-Wirkungsgrades der Ladungsübertragungsvorrichtung 1 die Größe des Ladungspaketes einer logischen Null nach der Multiplikation ändert und erforderlich macht, daß eine unterschiedliche Menge subtrahiert wird, um eine fette Null derselben Größe aufrecht zu erhalten. Eine Änderung der zu substrahierenden Menge stellt eine unerwünschte Verkomplizierung dar.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung einer fetten Null ist die Verwendung einer zusätzlichen Schaltungsanordnung, deren schematische Draufsicht in Pig. 9 gezeigt ist. Die Ladung für die fette Null wird in Schaltung der Fig. 1 bei der Elektrode 37 eingeführt.

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Die Elektrode 37 erscheint auch in Fig. 9. Fig. 10 ist ein Querschnitt längs der Schnittlinie 8-8 der Fig. 9*und Fig. 11 stellt eine Schnittansicht längs der Schnittlinie 9-9 der Fig. 9 dar.

Re Die Schaltung kann im selben Material wie die generatorsehaltung gebildet werden und umfaßt, wie es in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, ein Substrat 11 und eine darüberliegende isolierende Schicht 12,

Wie die Fig. 10 zeigt, ist eine p-leitende Dotierstoffzone 78 im Substrat 11 angeordnet. Eine Quellenelektrode 71 liegt über der Schicht 12 und kontaktiert die Dotierstoffzone 78 durch eine Öffnung in der Schicht 12 hindurch. Längs des in Fig. 10 gezeigten Ladungsweges befindet sich im Anschluß an die Elektrode 78 und über der Schicht 12 eine LadungsUbertragungselektrode 72, eine Ladungsspeicherelektrode 73* eine Ladungsteilerelektrode 7^ und eine Fett-Null-Elektrode 75. Die Elektroden72 und 73 haben je erste und zweite Teile auf relativ dicken bzw. dünnen Bereichen der Schicht 12. Die Elektroden74 und 75 sind auf relativ dünnen Bereichen der Schicht 12 gebildet. Die Elektrode 75 ist neben der Begrenzerelektrode 37 der Fig. 1 angeordnet. Die Elektroden 71 und 7^ sind mit dem Treibimpuls 03 verbunden; die Elektrode 72 ist mit dem Treibimpuls 02 und die Elektroden 73 und 75 sin3 mit dem Treibimpuls 01 verbunden.

Es wird nun Fig. 11 betrachtet. Die Fett-Null-Schaltung schließt weiter eine Ubertragungselektrode 76 ein, die neben der Elektrode 73 angeordnet ist und über einem relativ dicken Bereich der Schicht 12 liegt. Eine p-leitende Dotierstoffzone 79 ist im Substrat 11 neben der Übertragungselektrode 76 gebildet· Eine Ab-

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leitelektrode 77 liegt über der Schicht 12 und kontaktiert durch eine Kontaktöffnung in der Schicht 12 hindurch eine Dotierstoffzone 79· Die Elektroden 76 und 77 sind mit dem Treibimpuls 02 verbunden.

Fig. 9 ist entsprechend den Pig. 10 und 11 mit Bezugsziffern versehen. In Fig. 9 stellen durchgehende Linienmuster 71* 72, 73, "Jh, 75* 76 und 77 Elektroden dar. Gebrochene Linienmuster 78 und 79 repräsentieren Dotierstoffzonen. Treibimpulsleitungen sind gleicherweise entsprechend beziffert.

Im Betrieb teilt die in Fig. 9 gezeigte Schaltungsanordnung eine unter den Elektroden 73* 7^ und 75 gespeicherte Ladungsmenge auf. Auf diese Weise wird die für eine fette Null erwünschte Ladungsmenge unter der Elektrode 75 für die fette Null gespeichert. Ladungsträger werden durch die die Dotierstoffzone 78 kontaktierende Quellenelektrode 71 erzeugt. Eine unter der Übertragungselektrode 72 induzierte Potentialmulde hat eine Ladungsspeicherkapazität, die vorteilhafterweise gleich der minimalen Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde der Ladungsübertragungsvorrichtung 2 ist. Diese Ladungsmenge wird von der Dotierstoffzone 78 zur Übertragungselektrode 73 übertragen. Die Ladung breitet sich sowohl unter dem zweiten Teil der Übertragungselektrode 73 als auch der Elektroden 74 und 75 aus. Dies kommt daher, daß die Elektroden 74, 75 und.der zweite Teil der Elektrode 73 alle unter sich induzierte Potentialwalle derselben Tiefe aufweisen.

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Wenn der Potentialwert -Vl vom Treibimpuls 03 aufhört, wird eine Potentialbarriere unter der Teilerelektrode 7^ gebildet, und die unter der Elektrode 73 gespeicherte Ladung wird von der unter der Elektrode 75 gespeicherten Ladung abgeteilt. Das Verhältnis der Fläche des zweiten Teils der Elektrode 73 zur Fläche der Elektrode 75 ist derart, daß die gewünschte Ladungsmenge für eine fette Null unter der Elektrode 75 gespeichert wird. Diese Menge wird dann zur Begrenzerelektrode 37 übertragen. Die unter der Elektrode 73 gespeicherte Ladungsmenge wird längs eines in Fig. 11 gezeigten Ladungsübertragungsweges zu einer Ladungsableitanordnung übertragen. Die Elektrode 76 induziert eine darunterliegende Potentialbarriere, welche den Ladungsträgerfluß von unterhalb der Elektrode 73 ^zu^ Dotierstoffzone 79 regelt. Wie bei den vorherigen Ladungsableitungsanordnungen können die Elektroden 76 und 77 vereint sein, oder die Elektrode 77 kann alternativ dazu mit einem festen Potentialwert verbunden sein.

Es versteht sich, daß der Regenerator in gleicher Weise auf andere als die beschriebene Ladungsübertragungsvorrichtung anwendbar ist. Beispielsweise können ladungsgekoppelte Vorrichtungen mit anderer Phasenzahl als zwei diesen Regenerator verwenden, wie es Eimerbrigadenvorrichtungen können. Des weiteren kann in einem Zweiphasensystem die Richtwirkung durch andere Mittel als das abgestufte Oxid erreicht werden. Beispielsweise sind eine Gleichstromvorspannung oder eine Dotierstoffzone unter einem Teil einer Elektrode alternative Mittel zum Erhalt einer Asymmetrie, um die gewünschte Richtwirkung zu schaffen.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

ZWIRNER - HIRSCH 2 52 5093

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

Patentansprüche

1Λ Halbleitervorrichtung zur Speicherung und seriellen Übertragung von Ladungsträgern, die in induzierte Potentialmulden längs eines Oberflächenteils eines Körpers lokalisiert sind, durch sequentielles Anlegen mehrerer unterschiedlicher Potentiale an aufeinanderfolgende Teile der Oberfläche, sowie zur Regenerierung logischer Bits, gekennzeichnet durch eine Multipliziereinrichtung (24, 25, 27, 31, 32, 34) zur Multiplikation eines Ladungspaketes mit einem derartigen Multiplikationsfaktor, daß nach der Multiplikation die Differenz zwischen der Ladungsmenge in einem eine logische Eins repräsentierenden Ladungspaket und der Ladungsmenge in einem eine logische Null repräsentierenden Ladungspaket wenigstens ebenso groß ist wie die maximale Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde, eine Subtraktionseinrichtung (35, 41, 44) zur Subtraktion einer festen Ladungsmenge vom multiplizierten Ladungspaket, die dazu ausreicht, die gesamte Ladung zu entfernen, wenn das Ladungspaket eine logische Null repräsentiert, und eine Begrenzungseinrichtung (37, 38, 51, 52) zur Begrenzung der Ladungsmenge in dem Ladungspaket auf einen Maximalwert, der gleich der minimalen Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde ist.

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München: Kramer ■ Dr. Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multipliziereinrichtung

eine Detektoreinrichtung (24) zum Feststellen der Ladungsträger in dem Ladungspaket umfaßt,

sowie eine Potentialerzeugungseinrichtung (25) zur Erzeugung eines Potentialwertes, der proportional ist zur Anzahl der Ladungsträger in dem Ladungspaket,

eine Einrichtung (32) zur Schaffung einer Ladungsträgerquelle, eine Einrichtung (3^) zur Schaffung einer Ladungsspeieherzone, einer Ladungsspeieherkapazität, die wenigstens ebenso groß wie das Ladungspaket ist,

eine Einrichtung (25, Zj) zum Induzieren einer Potentialbarriere, die proportional ist zum Potentialwert im Ladungsflußweg zwischen der Ladungsquelle und der Ladungsspdcherzone, und eine Fülleinrichtung(-V3, 34) zum Auffüllen der Ladungsspeieherzone auf einen Potentialwert, der gleich der Potentialbarriere ist.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fülleinrichtung zum Auffüllen der Ladungsspeieherzone eine Einrichtung (03, 31) umfaßt zum Anlegen eines Potentialwertes, der größer als die Potentialbarriere ist, an die Ladungsträgerquelle,

sowie eine Einrichtung (03, 31, 32, 25, 33, 34) zum Auffüllen der Ladungsspeieherzone auf den an die Ladungsträgerquelle angelegten Potentialwert,
eine Reduziereinrichtung .(03* 31) zum Reduzieren des an die

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Ladungsträgerquelle angelegten Potentialwertes auf einen Wert unterhalb der Potentialbarriere,

und eine Reduziereinrichtung (-V3, 34, 03, 31) zur Reduzierung des Potentialwertes der Ladungsträger in der Ladungsspeicherzone auf den Potentialwert der Potentialbarriere.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionseinrichtung

eine Füllvorrichtung (41) umfaßt zum Auffüllen einer Ladungsspeicherzone einer Ladungsspeicherkapazität, die gleich der zu subtrahierenden Menge ist, mit Ladung von dem multiplizierten Ladungspaket,

sowie eine Einrichtung (37) zum Zurückhalten des Restes des multiplizierten Ladungspaketes.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung

eine Füllvorrichtung (57) umfaßt zum Auffüllen einer Ladungsspeicherzone mit einer Ladungsspeicherkapazität, die gleich der minimalen Ladungsspeicherkapazität einer Potentialmulde der Ladungsspeichereinrichtung ist mit Ladungsträgern des Ladungspaketes,

sowie eine Einrichtung (51, 52) zum Entfernen der restlichen Ladungsträger in dem Ladungspaket und

eine Einrichtung (31) zum Zurückhalten der in der Ladungsspeicherzone gespeicherten Ladungsträger.

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6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (71ι 78) zur Erzeugung eines Ladungspaketes, das hinsichtlich seiner Größe gleich dem eine logische Eins repräsentierendem Paket ist,

eine Teilungseinrichtung (7^* 75* 76) zum Aufteilen des Ladungspaketes in Teile derart, daß einer der Teile verglichen mit der eine logische Eins repräsentierenden Ladungsmenge eine kleine Ladungsmenge darstellt,

und eine Addiereinrichtung (37) zum Addieren der kleinen Ladungsmenge zu dem zu regenerierenden Ladungspaket nach der Subtraktion der festen Ladungsmenge.

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