DE2542698A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

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"Halbleiteranordnung"

Die Erfindimg bezielit sich auf eine Haiblei teranordnung, insbesondere eine ladungsgekoppelte Anordnung, mit einem Halbleiterkörper mit einer an eine Oberfläche grenzenden Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die eine derartige Dicke und eine derartige Dotierungskonzentration aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Schicht eine Erschöpfungsschicht unter Vermeidung eines Durchschlags erhalten werden kann, wobei Mittel zur Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung, Mittel zur örtlichen Einführung von Information in Form

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von aus Majoritätsladungsträgern bestehenden Ladungs— palceten in die Halbleitorschicht und Mittel zum Auslesen dieser Information anderswo in der Halbleiterschicht vorgesehen sind, und wobei an der Oberfläche der Halbleiterschicht ein Elektrodensystem mit einer Anzahl durch eine zwischenliegende Isolierschicht gegen, den Halbleiter« körper isolierter Elektroden zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschacht vorhanden ist, mit deren Hilfe die Ladung durch die Schicht in einer zu der Schicht parallelen Richtung zu den Auslesemitteln transportiert werden kann, wobei der Halbleitex-·- körper weiter eine Anzahl unter der Isolierschicht liegender und an die Halbleiterschicht grenzender Ober« flächenzonen vom zweiten dem genannten ersten Leitfähigkeitstyp entgegenges.ozten. Leitfähigkeitstyp enthält, die sich unter den Elektroden erstrecken.

Unter '!Majoritätsladungsträgern " sind dabei Ladungsträger von dem Typ zu verstehen, von dem in thermischem Gleichgewicht und beim Fehlen äxisserer elektrischer Felder die Konzentration grosser, z.B. hundertmal grosser, aid die Konzentration von Ladungsträgern vom anderen Typ, den sogenannten Minoritäts— ladungsträgern, ist.

Eine ladungsgekoppelte Anordnung der oben— beschz-iebenen Art unter scheid et sich insbesondere von

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den üblicheren ladungsgekoppelten Anordnungen, in denen der Ladungstransport im wesentlichen entlang dor Oberfläche der Halbloiterschicht stattfindet, darin, dass beim Transport von einem Ladungs spei cherrauin zu einem nächstfolgenden Ladungsspeicherraum wenigstens die letzten Fraktionen zu übertragender Ladung - die im wesentlichen die Geschwindigkeit des Ladungstranports bestimmen — im Inneren oder in der Masse der Halbleiterschicht übertragen werden können«

Ha IbI ei teranordnuii gen mit Massentransport

sind u.a_e in der deutschen Patentanmeldung P 22 52 148,8 und in den deutschen Patentanmeldungen P Zh 12 699»6, P 25 o4 088.4 und P Zh 14 753.3 der Anmelderin beschrieben.

Weiter ist in der niederländischen Offen-

legungsschrift 7 3O4 63k eine ladungsgekoppelte Anordnung mit Massentransport beschrieben, die als ein zweiphasiges System betrieben werden kann,, Dazu· sind unter den Elektroden eine Anzahl Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp angebracht, mit deren Hilfe beim Betrieb in den unter den betreffenden Elektroden liegenden Teilen der Halbleiterschicht ein asymmetrisches Potentialmuster erhalten werden kann» Dabei werden die Oberflächenzonen wenigstens teilweise erschöpft und stellen dadurch eine Menge elektrischer Ladung der gleichen Polarität wie άύ.α ?,u transportierenden Majoritätsladungsträger in Form nicht neutralisierter Ionen dar»

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Für eine befriedigende Wirkung kann es oft erwünscht sein, die Oberflachenzonen mit zusätzlichen Gliedern, z.B. einem elektrischen Anschluss, zur Ableitung von Ladungsträgern von dem dem der genannten Majoritätsladungsträger entgegengesetzten Typ zu versehen. Durch das Anbringen derartiger Anschlüsse kann die Verdrahtung auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers jedoch sehr komplex werden, insbesondere dadurch, dass in den meisten Fällen dabei eine Mehrschichtenverdrahtung erfordorlich ist. Die Vorteile, die im allgemeinen eine zweiphasige ladungsgekoppelte Anordnung bietet, werden dadurch wenigstens teilweise wieder eliminiert.

Dieser Nächteil kann ebenfalls bei anderen

als den hier beschriebenen zweiphasigen ladimgsgekoppelten Anordnungen auftrete-· wie u.a. noch aus der beiliegenden Figurbeschreibung hervorgehen wird.

Die vorliegende Erfindung bezweckt daher u.a. eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, in der die Oberflächenzonen nicht mit einem derartigen elektrischen Anschluss versehen sind und in der trotzdem unter üblichen Betriebsbedingungen eine befriedigende Ableitung von (erzeugten) Ladungsträgern von dem dem der Majoritätsladungsträgern entgegengesetzten Typ erhalten werden kann.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis

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zugrunde, dass elektrische Verbindungen ausser in Form von Kontakten auch in Form von an die Oberfläche grenzenden in dem HaIbIeXtGrIcOi-¹PGr induzierten Inversionsschichten erhalten werden können und dass, insbesondere in dem vorliegenden Fall, auf den sich die Erfindung bezieht, derartige induzierte Schichten unter üblichen Betriebsbedingungen mit Hilfe der gegen die Halbleiterschicht isolierten Elektroden erhalten werden können.

Daher ist eine Halbleiteranordnung mit einer ladungsgekoppelten Anordnung der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein weiteres Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, das sich parallel zu der Ilalbleiterschicht in dem Halbleiterkörper erstreckt und an die Ilalbleiterschicht grenzt und das mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, wobei sich die ElektiOden· bis oberhalb dieses weiteren Oberf lciohengebietes erstrecken, und dass mit Hilfe der im Betriebszustand an die Elektroden anzulegenden Spannungen kapazitiv elektrische Verbindungen in Form von an die Oberfläche grenzenden Inversions schichten zwischen dem Oberflächengebiet und den Oberflächenzonen induziert werden können.

Dadurch, dass in einer Halbleiteranordnung

nach der Erfindung die Oberflächenzonen nicht je für sich mit. en η cn rlol:tri : <r.-:-ii ^ii;;cl>3 v.r.;·· vcr-idinii ?,-,i <·ο1:μ bi'cn"·.¹^ :n >

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kann die auf* der Oberfläche anzubringende Verdrahtung verhältnismässig einfach gehalten werden, während trotzdem auf zweckmässige Weise die Ladungsträger aus den Oberflächenzonen über das genannte weitere Oberflächeiigebiet und über den mit diesem Gebiet verbundenen elek~ trischen Anschluss abgeführt werden können. Die Ladungsträger vom zweiten Typ können entlang der Oberfläche zu dem weiteren Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp unter dem Einfluss der r.ich oberhalb der Oberflächen- ' Zonen erstreckenden Elektroden fliessen, wie dies in Feldeffekttransistoren mit isolierten Gate-Elektroden der Pail ist, wobei das genannte weitere Oberflächengebiet die Drain-Zone bildet, die Oberfläclienzonen je cine Source-Zone, die Elektroden je die isolierte Gate-Elektrode bilden und der unterliegende Teil des Halbleiterkörpers oder der Halbleiterschicht das Kanalgebiet eines Transistors bildet»

Das Drain-Gebiet kann z.B. durch ein induziertes Invorsionsgobiet oder eine zusätzliche in der Halbleiterschicht angebrachte Zone gebildet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass" sich das weitere Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der Ladungstransportrichtung über wenigstens praktisch die ganze Länge der Halbleiterschicht

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entlang der Halbleiterschicht in dem Halbleiterkörper erstreckt und zu den genannten die Halbleiterschicht isolierenden Mitteln gehört.

Das zu den isolierenden Mitteln gehörige Oberflächengebiet kann durch eine inselisolierende Oberflächenzone gebildet werden, wie dies z.B. bei integrierten Schaltungen üblich ist, wobei der Halbleiterkörper durch ein Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp und eine darauf angebrachte epitaktische Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp mit darin der Halbleiterschicht in Form einer von der Isolierzone begrenzten Insel gebildet wird» Die Isolierzone kann dabei mit einem gesonderten Anschluss oder auch über das Substrat mit einem elektrischen Anschluss versehen sein.

Bei einPT· weiteren praktischen Ausführungs-

form, bei der die Halbleiterschicht z.B. durch Umdotierung eines Oberflächenteils eines Halbleit erkörpers vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit Hilfe von Ionenimplantation erhalten wird, kann das zu den Isoliermitteln gehörige Oberflächengebiet durch einen an die Halbleiterschicht grenzenden nicht umdotierten Teil des Halbleiterkörpers gebildet werden·

Eine besondere Art Halbleiteranordnungen

nach dor Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich, auf die Oberfläche gesehen, die Oberflächenzonen quer

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über praktisch die ganze Breite der Halbleiterschicht in dem Halbleiterkörper erstrecken und unter dem Rand der oberliegenden Elektrode auf der von der benachbarten Elektrode, zu der der Ladungstransport stattfindet, abgekehrten. Seite gelegen sind. Die Oberflächenzonen dienen dabei zur Erzeugung eines asymmetrischen Potentialverlaufs in der Halbleiterschicht unter den Elektroden, wobei unter den Oberflächenzonen eine Potentialsperre infolge in den Oberflächenzonen gespeicherter elektrischer Ladung in Form ionisierter Aktivatoren derselben Polarität wie die zu transportierenden Majoritätsladungsträger gebildet wird. Die in oder nahe bei den Oberflächenzonen erzeugten Ladungsträger vom entgegengesetzten Leitfähigkeit styp können entlang der Oberfläche der Halbleiterschicht z.B. zu der Isolierzone an der Seitenfläche der Halbleiterschicht geführt werden, ohne dass die Wirkung der Anordnung beeinträchtigt wird.

■Vorteilhafterweise können sich, auf die Oberfläche gesehen, die Oberflächenzonen bis zu dem genannten Rand der oberliegenden Elektrode unter den betreffenden Elektroden erstrecken. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist" dadurch gekennzeichnet, dass, auf die Oberfläche gesehen, die Oberflächenzonen aus dem genanuton Rand der oberliegendcn Elektroden hervorragen unü sich

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oberhalb der zwischen den Elektroden liegenden Teile der Halbleiterschicht erstrecken. Die elektrische Ladung - mit derselben Polarität wie die Majoritfitsladungsträger -, die beim Betrieb in Form nicht neutralisierter Ionen in den zwischen den Elektroden liegenden Teilen der Oberflächenzonen vorhanden ist, verhindert, dass in der Halbleiterschicht zwischen den Elektroden Potentialmulden gebildet werden. Derartige Poteiitialmulden, die insbesondere bei verhältnisuiär.sig groscen gegenseitigen Abständen der Elektx-oden auftreten können, haben im allgemeinen, zur Folge, dass ein Teil der zu transportiex'enden Ladungsträger zurückbleibt, wodurch bei einer gegebenen Frequenz der an die Elektroden anzulegenden Takt spannungen der Beförderungsgrad beeinträchtigt v;ird.

In den bisher beschriebenen Ausführun.gs-

formen einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung dienen die Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp zum Erhalten eines asymmetrischen Potentialverlaufs in der Halbleiterschicht unter den Elektroden, wodurch die Anordnung als ein zweiphasiger. System betrieben werden kann. Eine weitere wichtige Art Halblcitex'anordmmg nach der Erfindung mit einer ladungsgekoppelten Anordnung, in der die Ladungsträger wenigstens im wesentlichen über das Innere der Halbleitcrschicht befördert werden können, irrt dadurch gekcaraze:".ebnet, da fs die Hp Ibloit orpnhiclit

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in einer Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt, die an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzt, wobei, auf die Oberflache gesehen, die Halbleiterschicht an einer sich parallel zu der LadLingstransportrichtung erstreckenden Längsseite von angrenzenden Teilen der Oberflächenschicht durch die mit einem elektrischen Anschluss versehene Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp getrennt wird, und wobei die OberflUchenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp an der gegenüberliegenden Längsseite der Halbleiterschicht an die Halbleiterschicht grenzen und sich von der Halbleiterschicht her in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung in der Oberflächenschicht erstrecken und eine Anzahl zwischenliegender schichtförmiger Gebiete der Oberflächenschiclit definieren^ die durch die OberfIficlionzonen gegeneinander isoliert werden können und dio zu den Mitteln zur ortliehen Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehenden Ladungspaketen in die Halbleiterschicht und/oder zu den Mitteln zum Auslesen dieser Ladung gehören, und wobei oberhalb jedes der schichtförmigen Gebiete eine zu den die Halbleiterschicht isolierenden Mitteln gehörige Elektrode vorhanden 1st, mit deren Hilfe in dem unterliegenden schichtförmigen Gebiet eine Erschöpfungszone gebildet werden kann, die sich über die ganze Dicke der Oberflächenschicht erstreckt.

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Die vorliegende Art Halbleiteranordnung nach der Erfindung enthält daher eine Anzahl paralleler Eingänge oder Ausgänge, die voneinander durch die OberfISchenzonen getrennt werden. Auch in diesem Falle brauchen die Oberflächonzonen nicht mit gesonderten elektrischen Anschlüssen versehen zu werden, sondern können auf die bereits beschriebene Weise mit Hilfe der an die Elektroden anzulegenden Spannungen mit der genannten Isolierzone verbunden und über die Isolierzcne an eine geeignete Vorspannung angelegt werden.

Es ei bemerkt, dass der Ausdruck "Auslesen" dabei in sehr weitem Sinne aufzufassen ist, so dass dieser Ausdrück nicht nur die eigentliche Detektion der Ladungspakete, sondern auch andere infonnationsverarbeitendn Schritte, wie z.I3„ eine zeitweilige Speicherung der Ladungspakete, einschliesst.

Eine besondere weitere Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung, bei der die Oberflächenzonen zum Erhalten einer Anzahl paralleler Eingänge und/oder Ausgänge dienen, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper weiter eine Anzahl nebeneinander liegender ladungsgekoppelter Anordnungen mit Halbleiterschichten enthält, die durch die genannten schichtfb'rmigen Gebiete vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet werden und eine derartige Dicke und Dotierungs-

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konzentration aufweisen, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Gebiete eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei die Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthaltende Mittel zur Isolierung jedes schichtförmigen Gebietes gegen seine Umgebung vorhanden sind, und wobei an der Oberfläche des Körpers ein weiteres Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in den schichtförmigen Gebieten vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Ladungspakote durch die schichtförmigen Gebiete in einer Richtung- praktisch quer zu der genannten einen Ladungstransportrichtung transportiert werden können. Die nebeneinander liegenden ladungsgekoppelten Anordnungen können in einer praktischen Ausführungsform z.B. eine zweidimensionale Bildanfnahmevorrichtuiig oder Bilddetejrtorvorrichtung (image sensor) bilden, wobei zunächst ein zweidimensionales Bild- oder Strahlungsmuster in eine dem Muster entsprechende Ladungs\rerteilung in den schichtförmigen Gebieten umgewandelt wird. Diese Ladungsverteilung besteht z.B. aus in einer"Matrix angeordneten Ladungspaketen, deren Grosse ein Mass für die örtliche Intensität des Strahlungsmusters ist. Nach der Aufnahme des Strahlungsmusters können die gebildeten Ladungspakete der Matrix der Reihe nach in die genannte eine Halbleiterschicht eingeschoben und dann weitertransportiert werden«

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Wenn die Halbloiterschicht wieder leer (erschöpft) ist, kann eine nächste Reihe von Ladungspaketen der Matrix in die Halbleiterschicht eingeschoben werden,

Eine derartige zweidimensioiiale BiIfaufnahmevorrichtung¹ nach der Erfindung kann eine besonders einfache Struktur besitzen, indem die Isolierzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die die Spalten der Matrixdefinieren, nicht je für sich mit einem elektrischen Anschluss verschon zu werden brauchen.

Eine wichtige weitere bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeit stj^p und die zwischen den Oberflächenzonen liegenden schichtformigen Gebiete sich, auf die Oberfläche gesellen, von der gonnmiten einen Halbleiterschicht in der Oberf Lüchen schicht bis zu eil), em weiteren schicbtföriiiigen Gebiet der Oberflächenschicht erstrocken, das einen Teil einer v/eiteren ladungsgekoppelten An-Ordnung bildet und eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke des weiteren Gebietes eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei Mittel zur Isolierung dos weiteren Gebietes gegen seine Umgebung vorgesehen rind, und uol)o:L an dor Oberfläche des; Körpers oin drittes

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Elektrodensystem zur Erzeugung elektrischer Felder in dem weiteren schichtförmigen Gebiet vorhanden ist, mit deren Hilfe die Ladungspakete durch das weitere schicht-· förmige Gebiet in einer zu dor genannten einen Ladung:.-transportrichtung praktisch parallelen Richtung transportiert werden können, und wobei über jedem der schichtfb'rmigen Gebiete und neben dem weiteren schichtförmigen Gebiet eine zu den das weitere Gebiet isolierenden Mitteln gehörige Elektrode vorhanden ist, mit deren Hilfe in -den unter liegenden schichtförmigen Gebieten Erschöpfungszonen gebildet werden könnem, die sich über die ganze Dicke der schichtförmigen Gebiete erstrecken« Die Ladungspakete können in dieser Ausführungsform parallel in die Matrix eingeführt und ebenfalls parallel aus der Matrix abgeführt werden, uio aus der be i liegenden Figurbeschreibung noch hervorgehen wird. Eine derartige Anordnimg· lässt sich vorteilhaft z.B. als Bildspeichel* und/oder als Verzögerungsleitung verwenden*

Die Erfindung kann, wie klar sein wird, besonders vorteilhaft" sein in Halbleiteranordnungen der beschriebenen Art, in denen der Halbleiterkörper z.B₀ eine auf einem isolierenden Substrat angebrachte Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält, wobei sich die Isolierzonen entweder über die ganze Dicke der Ober-f lachenschiclit odor ti bor nur einem Teil dieser Dicke erstrecken,

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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein Ilalbleitersubstrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp und eine darauf angewachsene an die Oberfläche grenzende epitaktische Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp mit darin der Halbleiterschicht enthält, wobei die Halbleiterschicht durch einen inselförmigen Teil der epitaktischen Schicht gebildet wird, und wobei die Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeit ßtyp sich von dar Oberfläche her nur über einen Teil der Dicke der epitaktischen Schicht in der epitaktischen Schicht erstreclcen.

Es sei bemerkt, dass Halbleiteranordnungen der obenbeschriebeiien Art mit Inseln isolierenden Isolierzonen in Form von OberfiSchenzonen, die sich nur über einen Teil der Dicke der epitaktischen Schicht erstrecken, besondere Vorteile im Vergleich zu Anordnungen mit üblicheren Isolierzonen bieten, die sich von der Oberfläche bis in das Substrat erstreclcen und über das Substrat vorgespannt werden können. Dadurch, dass die Isolierzonen in den obenbeschriebenen Ausführungsformen elektrisch nicht mit dem Substrat verbunden sind, können an die Isolierzonen andere Spannungen als an das Substrat angelegt werden, was für die Wirkung der Anordnung oft erwünscht ist, während trotzdem keine zusätzlichen

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Kontakte an den Isolierzonen angebracht zu werden brauchen.0

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet _t dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe im Betriebszustand an die Elektroden Taktspannungen angelegt werden, wobei wenigstens zeitweilig örtlich an der Oberfläche in den zwischen den Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp und dem weiteren Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitt?typ liegenden Teilen vom ersten Leitfähigkeitstyp der Halbleiterschicht Inversion des Loitfähigkeitstyps. auftreten kann.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den. Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig, 1 eine Draufsicht auf eine ladungsgekoppelt e Anordnung nach der Erfindung,

Fig„ 2 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig, 1 längs der Linie H-II,

Fig» 2a die an die Anordnung anzulegenden Takt s pannungen,

Fig. 3 einen Querschnitt durch dieselbe Anordnung längs der Linie III-III in Fig, 1,

Fig, h eine Draufsicht auf eine weitere Anordnung nach der¹ Erfindung,

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Fig. ha. die ,an die in Fig. h dargestellte Anordnung anzulegenden Takt spannungen,

Fig. ^b ein Blockschaltbild der in Fig. k dargestellten Anordnung,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Anordnung nach Figo h längs der Linie V-V,

Fig. 6 einen Schnitt durch dieselbe Anordnung längs der Linie VI-VI,

Figo 7 einen Schnitt durch dieselbe Anordniuig längs der Linie VII-VII,

Fig. 8 einen ähnlichen Querschnitt wie Fig. 5 durch eine γ/eitere Anordnung nach der Erfindung, und

Fig. 9 einen ähnlichen Schnitt wie in Fig. 2 durch einen Teil einer noch weiteren Anordnung nach der Kr£indung.

Es sei bemerkt, dass die Figuren schematisch und nicht masstäblich gezeichnet sind.

Die Halbleiteranordnung nach den Fig. 1 bis 3 enthält eine ladungsgekoppelte Anordnung von dem Typ, der in der Literatur oft als "Bulk CCD" bezeichnet wird, ■well der Ladungstransport nicht, wie bei üblicheren Anordnungen, entlang der Oberfläche, sondern wenigstens im wesentlichen im Volumen des Halbleiterkox-pers stattfindet. Dazu enthält die Anordnung einen Halbleiter- ];ö-,:-pcv i i-iit einer· im die Obc,:'f 3 Γ rl in ,? rrrmror-.lrn

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n-leit.enden Halbleiterschicht 3» deren Dicke und Dotierungskonzentration derart niedrig gewählt sind, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Schicht eine Erschopfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden lcanrio Im vorliegenden Aus — fUhrungsbeispiel wird die Schicht 3 durch eine Siliziumschicht mit einer Dicke von etwa 5/uJn und einer Dotierungs-

1 h 3

konzentration von etwa 5t 10 Atomen/cm gebildet» Natürlich können statt Silizium auch andere geeignete Halbleitermaterialien verwendet werden.

Um die zu transportierenden Ladungsträger innerhalb der Halbleiterschicht 3 zu halten, sind Mittel' vorgesehen, mit deren Hilfe die Schicht 3 ~ wenigstens beim Botrieb - gegen ihre Umgebung isoliert wird β Zu diesen Mitteln gehören u.a. der beim Betrieb in der Sperrichtung vorzuspannende pn~Uebergang h, mit dessen Hilfe die. Schicht 3 an der der Oberfläche Z gegenüberliegenden Hauptflache isoliert werden kann, und die Isolierzonen 5» mit deren Hilfe die Schicht 3 an den Seitenflächen isoliert werden kann. Durch Anwendung einer derartigen isolierten, vorhHltnisi'i'tsnig dünnen und hochohmigon Halbleiterschicht 3 kann dex* Ladungstransport statt an der Oberfläche 2 im Inneren des Halbleiterkörpers 1 stattfinden.

D.io Information enthaltend on

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können örtlich durch Erzeugung unter dem Einfluss von Absorption einfallender Strahlung in die Schicht 3 eingeführt werden. Im vorliegenden Ausführungsboispiel kann aber Information in Form von aus Elektronen bestehenden Ladungspaketen über den Eingangskontakt 6 und die hochdotierte n~leitende Kontaktzone 7 in die Halbleiterschicht 3 eingeführt werden» Die Grosso dieser Pakete kann ein Mass für die Grosse eines elektrischen Eingangssignals sein, das dem Eingangskontakt 6 zugeführt werden kann» Die Ladung kann mit Hilfe von Auslesemitteln ausgelesen werden, die in den Figuren nur schematisch durch den Ausgangskontakt 8 und die Kontaktzone 9 dargestellt werden.

Auf der Oberflache 2 der Halb!oiterschicht 3 ist ein Elektrodensystem zur Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht 3 vorhanden, mit deren Hilfe die Ladung durch die Schicht in einer zu der Schicht parallelen Richtung zu den Auslesemitteln (8, 9) transportiert werden kann* Das Elektrodensystem enthalt eine Anzahl Elektroden, die abwechselnd mit 10 und 11 bezeichnet sind. Zwischen den Elektroden 10 und 11 und der Oberfläche 2 der Körpers 1 ist eine Isolierschicht 12 aus Siliziumoxid vorhanden. Statt aus Siliziumoxid kann die Schicht 12 auch aus anderen Materialien, wie z.B« iriliniii.nnitrid oder Alumir>:lumo3r.5.d, oder ans Kombinationen

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verschiedener Materialien bestehen»

Es sei bemerkt, dass die Oxidschicht 12 der Einfachheit halber nicht in der Draufsicht nach Fig. Ί dargestellt ist.

Der Halbleiterkörper 1 enthält weiter eine Anzahl unter der isolierenden Oxidschicht 12 liegender p—leitender Oberf lächenfsonen 131 die sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel völlig unter den Elektroden (1O, 11) erstrecken und in Fig. 1 mit Kreuz-Strich-Linien angegeben sind»

Ausser den p-rleitenden Zonen 12 enthält der Körper 1 ein weiteres an die Schicht 3 grenzendes p-leitendes Oberflächengebiet, das in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel durch die zu den genannten isolierenden Mitteln gehörr"en p~leitenden Isolierzonen 5 gebildet wird, aber das in anderen Ausführungsformen, bei denen z.B. die Isolierzone 5 aus Isoliermatericil besteht, auch durch eine zusätzliche in der Halbleiterschicht 3 angebrachte Oberflächenzone gebildet werden kann»

Das p-leitende Oberf lachen'- oder Isoliergebiet 5 erstreckt sich, auf die Oberfläche 2 gesehen, pi-aktisch parallel zu der Ladungstransportrichtung neben der Halbleiterschicht 3 in dem Halbleiterkörper 1, Das Gebiet 5 ist mit einem elektrischen Anschluss versehen,

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der den Ansclilusskontakt \h enthält, der über das Kontaktfenstbr 15» das in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angegeben ist, mit dem Gebiet 5 kontaktiert ist. Zu dem elektrischen Anschluss gehört weiter z.B. der schematisch in Fig, 2 angegebene Zuführungsdraht 16»

Uebor den elektrischen Anschluss (1^, 16) kann an die Isolierzone oder das Oberflächengebiet 5 ' eine geeignete Spannung angelegt werden, wobei der pn-Uebergang 17 zwischen der Isolierzone 5 und der Halbleiterschicht 3 in der Sperrichtung vorgespannt wird.

Vie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, erstrecken sich die Elektroden 10, 11 bis oberhalb des weiteren Oberflächengebietes oder der Isolierzone 5» Dadurch können die p~leitenden Oberflachenzonen 13 wenigstens zeitweilig mit dem p_Tleitenden Oborfl'ichengobiet 15 13XiU damit mit der mit dem Zuführungsdraht 16 verbundenen Spannungsquelle über elektrische Verbindungen verbunden werden, die mit Hilfe der. im Betriebszustand an die Elektroden TO anzulegenden Takt spannungen zwischen den Oberflächenzonen 13 und dem Oberflächengcbiet oder der Isolierzone 5 durch Induktion gebildet werden können. Dazu sind Mittel vorgesehen, die u.a, die schematisch dargestellte TaktSpannungsquelle 18 enthalten, mit deren Hilfe im Betriebszustand Taktspannungen an die ' Elektroden 10, 11 angelegt werden können, wodurch

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wenigstens zeitweilig an der Oberfläche 2 in den zwischen den Oberflächenzonen 13 und der Isolierzone 5 liegenden n-leitendon Teilen 19 (Fig. 3) der Halbleiterschicht 3 Inversion des Leitfähigkeitstyps auftreten kann, Ueber in den Oberflächengebieten 19 gebildete p-leitende Inversionskanäle können dann Löcher aus den Oberflächenzonen 13 zu der Isolier zone 5 geführt werden, wie in einem Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, bei dem die Oberflächenzonen 13 je eine Source-Zone, die Elektroden 10, 11 je eine Gate-Elektrode und die Isolierzone 5 die Drain-Zone eines derartigen Transistors bilden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel er- , strecken sich die p-leitenden Oberflächenzonen 13» auf die Oberfläche 2 gGs^pHen, qtxer über nahezu die ganze Breite der Halbleiterschicht 3 in dem Halbleiterkörper 1· Wie ausserdem aus den Fig, 1 und 2 ersichtlich ist, sind die Oberflächenzonen 13 asymmetrisch zu den oberliegenden Elektx'oden angeordnet, in der Weise, dass die Zonen 13 unter dem Rand der oberliegenden Elektroden auf der von den benachbarten Elektroden, zu denen der Ladungstransport stattfindet, abgekehrten Seite gelegen sindβ Im vorliegenden Falle, in dem der Ladungstransport nach rechts stattfindet, befinden sich die p~leitenden Oberflächenzonen 13 daher unter dem linken Rand der

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Elektroden (1O, 11). Infolge dieser eingebauten Asymmetrie kann beim Betrieb unter den Elektroden ein asymmetrischer Potentialverlauf erhalten werden, wodurch die Anordnung als ein Zweiphasensystem mit nur .zwei Taktleitungen, die in Fig. 2 schematisch mit den Linien 20 und 21 angegeben sind, betrieben werden kann. Die Elektroden, die mit der Taktleitung 20 verbunden sind, sind mit 11 bezeichnet.

Die Halbleiterschicht 3 kann aus einem durch Ionenimplantation umdotierten Teil eines p-leitenden Körpers 1 bestehen. In einer besonderen Ausführungsform enthält der Körper 1 aber ein p-leitendes Substrat 22, auf dem durch epitaktisches Anwachsen eine n-leitende Schicht angebracht ist, wobei die Halbleiterschicht 3 durch einen inselförmigen Teil der epitaktischen Schicht gebildet wird· Die D" ke und die Dotierungskonzentration der epitaktischen Schicht und daher ebenfalls der Halbleiterschicht 3 betragen etwa 5/um bzw, 5 · 10 Atome/cm ,

Die Dotierungskonzentration des Substrats beträgt etwa 10 Akzeptoren/cm , Die Dicke des Substrats ist nicht kritisch und kann mindestens so gross gewählt werden wie es z.B. mit Rücksicht auf die mechanische Festigkeit der Anordnung erwünscht ist.

Die Halbleiterschicht 3 wird in der epitaktischen Schicht inseif örniig von der Isolierzone 5

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umgeben, die durch. Diffusion einer geeigneten Akzeptorverunreinigung oder durch Ionenimplantation in der epitaktisehen Schicht angebracht ist. Die Isolierzone 5» die sich gegebenenfalls auch bis zu dem Substrat 22 in der epitaktischen Schicht erstrecken kann und in diesem Falle nicht mit einem gesonderten Kontakt versehen zu werden braucht, erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur bis zu einer Tiefe von et\\^ra 2/um von der Oberfläche 2 her in der epitaktischen Schicht. Die Insolisolierung unter der Zone 5 kann mit Hilfe eines elektrischen Feldes dadurch vervollständigt werden, dass über den Anschluss (i*l·, 16) eitie genügend grosso Spannung in der Sperrichtung über dem pn-Uebergang 17 angelegt wird, so dass der zwischen der Zone 5 und dem Substrat 22 liegende Teil der epitaktischen Schicht völlig erschöpft wird» Die an die Zone 5 und an das Substrat 22 anzulegenden Spannungen können in dieser Ausfülirungsform weiter innerhalb vei-hältnismässig weiter Grenzen in bezug aufeinander geändert und so gewählt werden wie es mit Rücksicht auf eine günstige Wirkung der Anordnung erwünscht ist«

Die p-leitendon Oberflächenzonen 13 erstrecken sich gleichfalls bis zu einer Tiefe von etwa 1 ,um von der Oberfläche 2 her in der epitaktischen Schicht und können gleich wie die Isolierzone 5, z.B,

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durch Ionenimplantation erhalten werden» Die Dotierungskonzentration der OberfläOhonzonen 13 beträgt z.B.

1 f\ T
etwa 5 · 10 Atome/ein .

Beim Betrieb wird das Substi'at 22 an ein Bezugspotential, z.B. Erde, über den elektrischen Anschluss 23 angelegt, während an die Halblexterschicht 3 über z.B. den Aus gang skontakt 8 eine Spannung von etwa 20 V angelegt wird; bei diesen Spannungen kann, womi an die Elektroden 10, 11 ebenfalls Erdpotential angelegt wird, wenigstens praktisch die ganze Halblexterschicht erschöpft werden, wobei ausser den zu den infoi'matioiibildenden Ladungspaketen gehörigen Elektronen praktisch keine weiteren beweglichen Ladungsträger in der HaIbleitcrschicht 3 vorhanden sind. Die Information in Form von Elektronen ι kann über den Ein^angskontakt (6, 7) der Anordnung zugeführt v/erden. Die Ladungspakete können durch die Schicht 3 zu dem Ausgang 8 transportiert werden, indem an die Elektroden 10, 11 die in Fig. 2a dargestellten Taktspannungen V^₀ bzw» V₁₁ angelegt werden. Die Takt spannung V^₀, die an die Elektroden 10 angelegt wird, und die Taktspannung ^vi-t » ^di-^{e a}n die Elektroden 11 angelegt wird, v/eisen, wie in Fig. 2a angegeben ist, entgegengesetzte Phasen auf. Die positive Periode jeder Taktspanmmg beträgt etwa 10 V und die negative Periode etwa 0 V. VHhreiid dor positiven Periode werden unter

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PUM.77^9. 1O.9»75.

den Elektroden Ladungsspeichergebiete gebildet, die Potentialraulden bestehen, in denen Elektronen Zh gespeichert werden können. Eine derartige Potentialmulde 2j ist in Fig. 2 schematisch mit gestrichelten Linien angegeben*

Die Potentialmulden 25 werden auf der linken Seite - daher auf der der Ladungstransportrichtung entgegengesetzten Seite - von einer Potentialspcrre 26 begrenzt. Diese Potentialspeirren 26, die mit Hilfe nicht neutralisierter elektrischer· Ladung in Form negativer Ionen in den p-loitenden OberfläOhenzonen 13 erhalten werden können, verhindern, dass die Elektronen 24 nach links fliessen, und erteilen damit dem System eine Transportrichtung.

Während der ncgativexi Periode der Taktspannange: werden die Elektronen Zk zu einem nächstfolgenden Ladungsspeicherraum unter der benachbarten Elektrode 10 befördert. Zugleich kann bei den gegebenen Spannungen und bei einer Dicke von etwa 1000 A der Oxidschicht in den n-lei'tenden Oberflächenteilen 19 (siehe Fig. 3) Inversion des Leitfähigkeitstyps auftreten, wobei wenigstens beim Vorhandensein einer genügenden Anzahl Löcher in den Oberflächenteilen 19 zwischen den p-leitenden Oberflächeiizonen 13 und der Isolierzone 5 eine p~leitende Inversionsschicht gebildet v/i rd ·

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PHN.77^9* :^.' " 10.9.75.

In Fig, 3 sind scheraatisch mit Krouzchen 27, die Löcher darstellen, derartige Inversionskanäle angedeutet. Diese InversionskanHle können wenigstens im wesentlichen nur mit Löchern aufgebaut werden, die von den p~leitenden Oberflächenzonen 13 herrühren«. Abgesehen von dem Anfang beim Inbetriebsetzen der Anordnung können die Zonen 13 auch weiter beim Betrieb infolge z.B. thermischer Erzeugung oder infolge von Erzeugung von Ladungsträgern bei Absorption von Strahlung genügender Energie Löcher liefern,

¥ährend der negativen Periode der Taktspannungen treten in den unter den betreffenden Elektroden liegenden Zonen 13 Ladungsverschiebungen auf, wobei an der Oberfläche dieser Zonen Anhäufung von Löchern auftritt, v/ährend die angrenzenden n—leitenden Teile 19 erschöpft werden. Beim Vorhandensein einer genügenden Anzahl Löcher in einer Öberflächenzone 13 kann der Oberflächenpotentialunterschied entlang der Oberfläche 2 zwischen dieser Zone 13 und dem angrenzenden Oberflächenteil 19 derart gross sein, dass Löcher aus dieser Zone 13 zu dem Oberflächenteil 19 void dann in die p-loitende :isolierzone fliessen, über die sie abgeführt werden können. Dieser Ladungstransport, der zur Folge hat, dass das Potential, insbesondere das Oberflächenpotential, in der betreffenden Zone 13 abnimmt, kami sich fortsetzen, bis der genannte

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·. . · 10.9.75.

Oberf lächenpotentialunterschied zwischen der Zone 13 und dem angrenzenden Oberfläcbenteil 19 einen Mindestwert erreicht hat, der durch die Schwellvj-ertspannung unter den Elektroden 10, 11 bestimmt wird.

Auf diese Veise können sowohl Löcher beim Inbetriebsetzen der Anordnung als auch weiter beim Betrieb die erzeugten Löcher aus den p-leitendeii Ober~ flächenzonen 13 entlang der Oberfläche 2 zu der p~loitenden Isolierzone 5 abgeführt werden. Eine derartige Ableitung erzeugter Ladungsträger ist möglich, indem na.ch der Erfindung die Elektroden 10, 11 die zwischen den Oberflächenzonen 13 und der Isolierzone 5 liegenden Teile 19 der Halbleiterschicht 3 überlappen und die Takt spannungen an den Elektroden 10, 11 derart gewählt sind, dass v.'cnigstens zeitweilig an der Grenzfläche zwischen den η-leitenden Oberflächenteilen 19 und der Oxidschicht 12 Inversion des Leitfähigkeitstyps auftreten kann. Die Anordnung enthält daher gleichsam eine Anzahl interner Feldeffekttransistoren, deren Gate-Elektroden durch die Elektroden 10, 11 deren Source-Zonen durch die p-leitenden Oberflächen.zonen 13 und deren Kanalgebiete durch die η-leitenden Oberflächenteile 19 der Halbleiterschicht 3 gebildet werden, wobei die p-leitende Isolierzone 5 eine allen Transistoren gemeinsame Drain-Zone bildet,

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HIN. 77^9. 10,9.75.

Fig, 9 zeigt einen ähnlichen Schnitt wie

Fig* 2 durch, eine zweite Ausführungsforni einer Halbleiteranordnung nach dor Erfindung. Diese Anordnung ist praktisch mit der Halbleiteranordnung identisch, die an Hand des ersten Ausführungsbeispiols beschrieben ist, und entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet» Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel sind die p~ le it enden Oberf Uichenzonen 13 nicht, wie irn vorhergehenden Ausfuhrungsbeinpicl, völlig unter den Elektroden 10, 11 befindlich, sondern ragen, auf die Oberfläche 2 geschon, aus dom Rand der oberliegenden Elektroden auf der den benachbarten Elektx'oden, zu denen der Ladungstransport stattfindet, abliegenden Seite hervor und erstrecken sich oberhalb der Teile dor HaIbloitei'schicht 3» die zwischen den Elektroden 10, 11 liegen. Beim Betrieb, wobei die gleichen Spannungen wie im vorhergehenden Ausfuhrungsbeispiel angelegt werden können, worden die Potentialspcrren 26 nicht nur unter den Elektroden 10, 11, sondern auch in denjenigen Teilen der Halbleiterschicht 3 gebildet, die, auf die Ober~ fläche gciiebon, zwischen den Elektroden 10, 11 liegen. Dadurch kann verhindert werden, dass an den Stellen dieser Teile Potentialmulden infolge der Räume 28 zwischen den Elektroden (interelectrode gape) gebildet ν«: T-(T r-n ,. Di er ο τ>"τ\ηρ. Γί8 Iro^ner) nnpbrirondrre a-'s teoh-no? <.;:.-

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PHN. 10.9.75«

sehen Gründen nicht unendlich klein gemacht werden. Ihr Einfluss auf die Wirkung der Anordnung (Beförderungs» grad) lcaj.ua jedoch erheblich dui.'ch Einbau einer Menge negativer Ladung zwischen den Elektroden herabgesetzt werden. Im vorliegenden Falle wird diese negative Ladung dadurch erhalten, dass die p-leitenden Zonen 13 wenigstens teilweise ionisiert werden. In dem Falle, in dem sich die Oborflächenzonen 13 nur bis unterhalb der R Ruin β 28 zwischen clesx Elektroden erstrocken, kann die Ableitung von Löchern aus den p-leitenden Zonon 13 auf die bereits an Hand des vorhergehenden AusfUhrungsbei~ spiels beschriebene Weise wahrend der negativen Periode der an die oberliegonden Elektroden angelegten Taktspannungen erfolgen» In dein Falle, in dem sich aber die Zonen 13 über die ganzen Räume 28 zwischen den Elektroden bis je unterhalb der vorhergehenden Elektrode erstrecken, wie in Fig. 9 mit; gestrichelten Linien angegeben ist, kann der Transport von Löchern gerade wahrend der nega~ . tiven Periode der an diese vorhergehenden Elektroden angelegten Taktspannungen stattfinden (siehe Fig, 2a) und somit wenn unter den vorhex-geheiiden Elektroden jeweils eine Inversionsschicht induziert werden kann. Der Ladungstransport von Löchern aus den p-leitenden Zonen 13 kann dabei auf besonders günstige Weise dadurch erfolgen, dass zugleich axe Taktspemmmg-on an den andere)

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PHN,774". 10.9.75ο

Elektroden iuid damit das Potential der Zonen 13» die kapazitiv am stärksten mit diesen anderen Elektroden gekoppelt sind, ihre Höchstwerte erreichen·

Nun wird an Hand der Fig. 4 bis 7 ^ein
Ausführungsbeispiel einer anderen Art Halbleiteranordnung nach der Erfindung in Form einer ladtmgsgekoppelten Anordnung beschrieben, in der der Ladungstransport
wenigstens im wesentlichen über das Volumen des Halbleiter" körpers 41 erfolgt.

Der Deutlichkeit halber ist in Fig. ^b ein elektrisches Blockschaltbild der in den Fig. 4 bis 7 gezeigten Anordnung dargestellt. Die Anordnung enthält zwei ladungsgekoppelte Anordnungen 42 und 43 und eine Anzahl zwischenliegond er ladungsgekoppelter Anordnungen 6^1; die Ladungötx'anspox'trichtungen sind mit clcn Pfeilen angedeutet. Elektrische Information, schematisch mit dem Pfeil 66 angegeben, kann z.B. am Eingang des Schieberegisters 43 in dieses Register eingeschoben v/erden« Aus dem Register 43 kann, diese Information dann parallel in die Register 64 eingeschoben werden» Die Schieberegister 64, deren Ladungstransportrichtung 65 praktisch quer zu der Ladungstransportrichtung 65 der Register 42, 43 steht, dienen dazu, die eingeführte Information wieder in das Schieberegister 42 einzuführen, an dessen Eingang 67 die Information dann ausgelesen werden kann«

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Pi-IN₀ 7749« 10.9.75.

Mit Hilfe einer derartigen Anordnung können elektrische Eingangssignale verzögert werden.

Die ladungsgekoppelten Anordnungen 42 und 43» deren Ladungstransportrichtungen praktisch zueinander parallel sind, enthalten je eine Halbleitei'schicht 44 bzw_o 45 einer geeigneten Konfiguration in bezug auf z,B, die Dicke und die Dotierungskonzentration,, Oberhalb der Halbleiterschichten 44 und 45 sind Elektroden 46a, b und c, bzw, 47a, b und c zum Anlegen elektrischer Felder in den Halbleiterschicliten 44, 45 vorhanden, mit deren Hilfe eingeführte Infox*roation in Form elektrischer Ladung durch die Halbleiterschichten transportiert werden kann. Die Elektroden 46 und 47 sind, wie die Elektroden in den vorhergehenden Ausführungsboispielen, durch eine unterliegende isolierende Schicht 48 atis Siliciumoxid von dem Halbleitermaterial getrennt»

Die. Halbleiterschichten 44 und 45 liegen in einer an die Oberfläche 49 grenzenden n-leitendeii Oberflächenschicht 50 des Halbleiterkörpers 41,

Auf die Oberfläche 49 gesehen, werden die n-leitenden Halbleiterschichten 44, 45 an je einer der sich parallel zu der Ladungstransportrichtung erstreckenden Längsseiten von angrenzenden Teilen der n-leitenden Oberflächenschicht durch eine p-leitende Isolierzone getrennt« Diese Isolierzonen sind, wie in den Fi£. 5 und

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ΙΉΝ.7749. 10.9.75.

scheraatisch dargestellt ist, mit einem elektrischen Anschluss 52 versehen. Ueber den pn-Uebergangen 53 zwischen den p-leitenden Isolierzonen 51 und der n-leitenden Oberflächenschicht 50 kann mit Hilfe einer über den Anschluss 52 an die Zonen 51 anzuschliessenden Spannimgsquelle eine Spannung in der Sperrichtung von genügender Grosse angelegt werden, damit über die ganze Dicke der Oberflächenschicht 50 unter den Zonen 51 ein Er schöpf urigsgebiet zur Isolierung der Schichten 44, 45 gebildet wird.

An den den Isolierzonen 51 gegenüber

liegenden Längsseiten jeder der Halbleiterschichten 44» grenzen p—leitende Oberflächenzonen 54 an die n-leitenden Halbleiterschiehten 44, 45, Auf die Oberfläche 49 gesehen, erstrecken sich die p-leitenden Oberflächenzonen 54 von den Halbleiterschichten 44, 45 her in einer Richtung praktisch quer zu den Ladungstransportrichtungen der ladungsgekoppelten Anordnungen 42, 43 in der n-leitenden Oberflächenschicht 50, wie u.a_e aus der Draufsicht nach Fig. 4 hervorgeht.

Die p-leitenden Zonen 54 definieren eine Anzahl zwisclienliegender η-leitender schichtförrniger Gebiete 55» die gegeneinander durch die p-leitenden Zonen 54 isoliert werden können, indem an die Zonen eine geeignete Spannung angelegt wird, die noch näher auseinandergesetzt werden wird,

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19» 10.9.75.

2542699

Ueber die η-leitenden Zwischongebiete 55 können aus Elektronen bestehende Ladungspakete in die Halbleiterschichten 44, 45 der ladungsgekoppelten Anordnungen 42, 43 eingeführt und/oder daraus abgeführt werden» Die Gebiete 55 sind daher als eine Anzahl paralleler Eingänge und/oder Ausgänge der Anordnungen 42, zu betrachten, die durch die p-leitende Isolierzone 54 voneinander getrennt sind.

Oberhalb jedes der Gebiete 55 befindet sich eine Elektrode 56, die, auf die Oberfläche gesehen, neben der Halblöiterschicht kh liegt rind die au den die Schicht 44 isolierenden Mitteln gehört. Mit Hilfe der Elektrode 56 können zur Isolierung der Halbleiterschicht 44 in dem unterliegenden Teil 57 (siehe Fig. 6) der n-loitenden Gebiete Erschöpfimg&Konen induziert werden, die sich über die ganze Dicke der n-leitenden Gebiete erstrecken. Auf gleiche Weise kann die Halbleiterschicht 45 mit Hilfe der Elektrode 58 isoliert werden, die, auf die Oberfläche 59 gesehen, ebenfalls oberhalb der η-leitenden Gebiete 55 j aber nftben der Halbleiterschicht 45 liegt und die zu den genannten die Halbleiterschicht 45 isolierenden Mitteln gehört.

Die η-leitenden Gebiete 55 bilden im vorliegenden Ausführungsbeispiel je einen Teil einer Anzahl nebeneinander liegender para]leler ladungogtikoppolter

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PIiN. 7 ^r<h 9. 10.9.75.

Anordnungen 64 (siohe Pig« 4a), mit Halbleiterschichten, die durch die Gebiete 55 gebildet werden« Die Gebiete 55 •weisen dazu eine Dicke und eine Dotierungskonzentration auf,.die derart gering sind, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Gebiete eine Erschöpfungszone unter Vermeidung eines Durchschlags erhalten werden kann. In einer besonderen Ausführungsform können die Gebiete 55 die gleiche Dicke und Dotierungskonzentration wie die Haibleitorschichten 44 und 45 aufweisen.

Die Gebiete 55 können weiter gegen die

Umgebung mit Hilfe von Mitteln isoliert werden, zu denen ausser u.a₀ der auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorhandenen Isolierschicht 48 ebenfalls die p-leitenden Oberflächenzonen Jjh gehören₀

Es sei bemerkt, dass die durch die Gebiete zu transportierenden Ladungsträger, wie in den Halbleiterschichten 44, 45, wenigstens im wesentlichen über die Hasse der Gebiete 55 von einem Speicherraum zu einem nächstfolgenden Speicherraum verschoben werden können, Auf der Oberfläche des Halbleiterkörper ist ein weiteres Elektrodensystem mit den Elektroden 60 zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in den Gebieten 55 vor-· handen, mit deren Hilfe die Ladungspakete durch die Gebiete 55 in einer Richtung praktisch quer zu der

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Pi«:. 77^9. 10,9.75.

Ladungstx'ansportrichtung dor Anordnungen 42, 43 transportiert v/erden können. Zu diesem Elektrodensystem können weiter auch die "bereits genannten und zu den die Halbleiter schicht en 44, 45 isolierenden Mitteln gehörigen Elektroden 56 und 58 gerechnet werden.

Der Halbleiterkörper 41, der die gleiche

Zusammensetzung wie der Halbleiterkörper 1 in den vorhergehenden Au s führung sb ei s pi el en aufweisen kanu., enthält ein Substrat 61 aus p-leitendcm Silizium mit einem spezifischen Widerstand von z.B. 20 bis 5° n.cni und mit einer Dicke von etwa 250 /um. Die Oberflächenschicht wird durch eine η-leitende Siliziumschicht gebildet, die epitaktisch auf dem Substrat 61 niedergeschlagen ist. Die Dicke der epitaktischen Schicht" beträgt" bei einem besonderen Ausführungsbeicpiel etwa 5/T-Im und

14 /3 die Dotierungskonzentration etwa 10 Atome/cm .

Die Halbleiterschichten 44, 45 der ladungsgekoppelten Anordnungen oder Schieberegister 42, 43 werden durch inselförmige Teile der epitaktischen Schicht 5"O gebildet, die an einer Längsseite von der p-leltenden Isolierzone 51 und an der anderen Längsseite von elektrischen Feldern begrenzt werden, die mit Hilfe der Elektroden 56 und 58 in der epitaktischen Schicht erzeugt werden können» Die schichtförmigen Gebiete werden ebenfalls durch inselförmige Teile der epitaktisel ion

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PHN.77^9. 10.9.75.

Schicht 50 gebildet. Die Inselisolierung jedes der Gebiete 55 wird wenigstens im wesentlichen durch die p-leitenden Oberflächenzonen 54 gebildet, die sich von der Oberfläche 49 fies Körpers her nur über einen Teil der Dicke der epitaktischen Oberflächenschicht 50 in dieser Schicht erstrecken. Die Isolierung kann weiter dadurch vervollständigt werden, dass über dem pn-Uebergaiig 62 zwischen der n-leitendon epitaktischen Schicht 50 und den p~leitenden Oberflächenzonen 54 eine derartige Sperrspannung angelegt wird, dass in dem n-leitend en Gebiet 63 unter den Oberfliichenzonen $h ein Erschöpfungsgebiet gebildet wird, das sich von dem pn-Uebergang bis zu oder nahezu bis zu dem Substrat 61 erstreckt. Dazu sind die Elektroden 46, 47 der ladungsgekoppelton Anordnungen 42, h'J derart angebracht, dass die p-leitenden Isolierzonen 54 andererseits sich beide bis unterhalb der Elektroden 4.7 erstrecken. Die Zonen 54 können elektrisch dadurch vorgespannt werden, dass diese Zonen 5'+ auf gleiche Weise wie die p-leitendeii Zonen 13 i"i ersten Ausführungsbeispiel beim Betrieb zeitweilig elektrisch mit der in der Sperrichtung vorgespannten Isolierzone verbunden werden. Beim Betrieb können dazu an die Elektroden 46, hj der Anordnungen 42, 43 Taktspannungen angelegt wex-den, dio in Pig, 4a dargestellt sind» Die Schieberegister 42, 43 können als

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PHN,7749, 10.9.75.

Dreiphasensysteme betrieben werden, wobei die Taktspannung V z.B. an die Elektroden 46a und/oder 47a,

et

die Taktspannung V, an die Elektroden 46b und/oder 47b und die Taktspannung V_n an die Elektroden 46c, 47c angelegt werden.

Die TaktSpannungen V , V, und V sind derart gewählt, dass bei den gegebenen Dotierungskonzentrationen, der gegebenen Oxiddicke und der gegebenen Sperrspannung über dem pn-Uebergang zwischen dem Substrat 61 und der epitaktischen Schicht 50 im Inneren der Schichten 44, 45 -Pοtentla!minima für die zu transportierenden Elektronen auftreten, wodurch der Ladungstransport im wesentlichen wenigstens wieder im Inneren dos Halbleiterkörpers stattfindet. Das Minimum Vo wenigstens der Takt spannung V , die an die Elektroden 46a vnCt/oJor 47a angelegt wird, ist derart gewählt, dass - bei der gegebenen Dotierungskonzentration in der epitaktischen Schicht 50 und der gegebenen Dicke der Oxidschicht 48 - bei der Spannung V_ an den Elektroden 64a und 47a unter diesen Elektroden (unter denen sich dann keine.informationsbildenden Ladungsträger befinden) Inversion des Leitfähigkeitstyps auftritt oder wenigstens --beim Vorhandensein von Minoritätsladungsträgern - auftreten kann lind Löcher aus den p-leitenden Iso3.ierzon.cn 54 entlang der Oberfläche der cpitaktJ.Echcn Schicht "50 unter den Elektroden

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PHN, 77*19. 10.9.75.

46a, hja. zu der p-leitenden Isolierzone 51 geführt und über den Anschluss 52 abgeführt werden können»

Auf diese ¥eise können die Isolierzonen 5^» ohne dass sie mit zusätzlichen Kontakten und Anschlü&sen versehen sind, dennoch beim Inbetx'iebsetzen der Anordnung elektrisch vorgespannt und beim Betrieb auf einem Spannungspegel gehalten werden, bei dem die epitaktische Schicht 50 unter den p-leitenden Zonen $k völlig erschöpft ist, wodurch eine gute Isolierung wischen den Gebieten 55 der epitaktischen Schicht 50 erhalten wird.

Die dazu benötigte Amplitude der Taktspannung V und

insbesondere die Grosse von V„ hängt von einer Anzahl von Parametern, wie der Dicke der Oxidschicht hQ, der Dotierungskonzentration in der opitaktischen Schicht 50, den Dicken der epitn" ischen Schicht 50 und der p-leiteiiden Zonen 5^ und dem Potential des Substrats 61, ab und kann vom Fachmann auf einfache Weise derart gewählt werden, dass eine befriedigende Wirkung der Anordnung erzielt wird,

Fig. 8 zeigt einen dem Querschnitt nach Fig. 5 ähnlichen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung, die eine Abwandlung der Anordnung ist, die an Hand des vorhergehenden Ausführungsbeispiels beschrieben ist, und sich von dieser Anordnung darin tintcrr<■·!*<?^ dot _t dass statt eines Sub«txvits 61 aus

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PHN. 77*19. ■ · .10.9.75.

ρ-leitendem Silizium ein Trägerkörper 71 aus einem Isoliermaterial verwendet wird₀ Der Trägerkörper 71 kann z«B_o aus einem Spinel oder aus Saphir bestehen; die n—leitende Oberflächenschicht kann in Form einer epitaktischen Schicht auf einem derartigen Körper angewachsen sein. Es sei bemerkt, dass die Oberflächenschicht 50, sowie weitere Einzelteile mit den gleichen Bezugsziffern wie die entsprechenden Teile in Pig, 5 hezeichnet sind.

Wie aus Figo 8 ersichtlich ist, erstrecken sich die p-leitenden Isolierzonen 51 und die Zonen $h über die ganze Dicke der epitaktischen Schicht 50 bis zu dem Trägerkörper 71 ο Die Isoliersonen 51 können wieder mit Hilfe der nur schematasch dargestellten elektrischen Anschlüsse 52 elektrisch vorgespannt werden. Die p-leitenden Isolierzonen Jjh, die nicht mit derartigen Anschlüssen versehen sind, können auf gleiche Weise wie die Zonen $h im vorhergehenden Ausführungsbeispiel derart vorgespannt werden, dass die pn-Uebergänge 62 zwischen den Zonen $k und der n-leitenden Schicht 50 durch Feldeffektwirkung mit Hilfe der Elektroden 46» ^7 gesperrt werden»

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung nicht auf die obenbeschriebenen Ausführungßbeispiele boschrftelct, sondern dass im Rahmen der Erfindung für

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PHN.77^9.

-JuFachmann noch viele Abwandlungen möglich sind.

So können z.B« die Leitfähigkeitstypen

verschiedener. Gebiete . in den beschriebenen Ausführungsbeispielen umgekehrt werden, wobei natürlich auch die Polaritäten der angelegten Spannungen umgekehrt v/erden sollen.

Weiter kann vorteilhafterweise an der Stelle der Oberfleiche des Halbleiterkörpers, an der entlang Ladungctxvigcr aus den Oberflächonzoncn abgeführt v/erden, die Schvellwertspannung auf einen geeigneten Wert eingestellt worden, z.B. dadurch, dass an der betreffenden Stelle die Dotierungskonzentration niedriger als in angrenzenden Teilen der Halbleiterschicht geviühlt wird»

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE t

   / 1o\ Halbleiteranordnung, insbesondere ladungsgekoxipelto Anordnung, mit einem Halbleiterkörper mit einer an eine Oberfläche grenzenden Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die eine derartige Dicke und eine derartige Dotierung aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Schacht eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei Mittel ztir Isolierung der Halbleiterschicht cegen die Umgebung, Mittel zur örtlichen Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehenden Ladungspaketen in die Halbleiterschicht sowie Mittel zum Auslesen dieser Information anderswo in der Halbleiterschicht vorgesehen sind, wobei an der Oberfläche der Halbleiterschicht ein Elektrodensystem mit einer Anzahl durch

   . eine zwischenliegende Isolierschicht gegen den Halbleiterkörper isolierter Elektroden zur ka.pazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht vorhanden ist, mit deren Hilfe die Ladung dtirch die Schicht in einer zu dei Schicht parallelen Richtung zu den Auslesemitteln transportiert werden kann, wobei der Halbleiterkörper weiter eine Anzahl unter der Isolierschicht liegender und an die Halb!eiterschicht grenzender

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   77^9.

   10.9.75.

   - Ί3 -

   OberflKchenzonen vom zweiten dem genannten ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeit enthält, die sich wenigstens teilweise unter den Elektroden erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein weiteres Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, das sich parallel zu der Schicht in dem Halbleiterkörper erstreckt, an die Halbleiterschicht grenzt und mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, wobei sich die Elektroden bis oberhalb dieses weiteren Oberflächengebietes erstrecken, wodurch mit Hilfe -der im Betriebszustand an die Elektroden anzulegenden Spannungen elektrische Verbindungen zwischen dem Oberflächengebiet und den Oberflächenzonen hergestellt werden können.

   2» Halbleiteranordnung nach Anspruch i, dadurch

   gekennzeichnet, dass sich das weitere Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der Ladungstransportrichtung über wenigstens praktisch die ganze Länge der Schicht entlang der Halbleiterschicht in dem Halbleiterkörper erstreckt und zu den genannten die Halbleiterschicht isolierenden Mitteln gehört. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass sich , auf die Oberfläche gesehen, die Oberflächenzonen quer über praktisch die /Tan:':!) Dr-tvlto dor Hi:1b 7 oi tor schicht in den H?.i.?>l«it erlcörpcr

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   2642698

   PHN.7749, 10.9.75.

   erstrecken und unter dem Rand der oberliegenden Elektroden auf der von den benachbarten Elektroden, zu denen der Ladxmgstransport stattfindet, abgekehrten Seite gelee;on sindö

   4, Halbleiteranordnung nach Anspruch 3» dadurch

   gekennzeichnet, dass, auf die Oberfläche gesehen, die Oberflächenzonen aus dem genannten Rand der oberliegenden Elektroden hervorragen und sich oberhalb der zwischen den Elektroden liegenden Teile der Halbleiterschicht erstreckende

   5· Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch

   gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht in einer Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt, die an die Oberfläche des HalbleiterkbVrpers grenzt, ■wobei die Halbleiter - "-nicht, auf die Oberfläche gesehen, an einer sich parallel zu der Ladungstransportrichtung erstreckenden Längsseite von angrenzenden Teilen der Oberflächenschicht durch die mit einem elektrischen Anschluss versehene Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeit styp getrennt wird, wobei die Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp an der gegenüberliegenden Längsseite der Halbleiterschicht an die Halbleiterschicht grenzen und sich von der Halbleiterschicht her in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung in der Oberflächenschicht erstrecken und eino Anzahl

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   ΡΗΐί. 77·>9. 10.9.75.

   zwischenliegender schichtförmiger Gebiete der Oberf lächens chi clit definieren, die durch die Oberflächenzonen gegeneinander isoliert werden können und zu den Mitteln zur örtlichen. Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehenden Ladungspaketen in die Halbleiterschicht gehören, wobei oberhalb jedes der schichtförmigen Gebiete eine zu den die Halbleiterschicht isolierenden Mitteln gehörige Elektrode vorhanden, ist, mit deren Hilfe in dem unterliegenden schichtförmigen Gebiet die Erschöpfungszone gebildet woi-don kann, die sich über die ganze Dicke der Ober~ flächenschiclit erstreckte

   60 Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch

   gekennzeichnet, dass die Ilulbleiterschient in einer an die Oberfläche de Halbleiterkörpers grenzenden Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt und, auf die Oberfläche gesehen, an einer sich parallel zu der Ladungstransportrichtung erstreckenden Längsseite von angrenzenden Teilen der Oberflächenschicht durch die mit einem elektrischen Anschluss versehene Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp getrennt vird, wobei die Oberflächenzonen vorn zweiten Leitfähigkeitstyp an der gegenüberliegenden Längsseite der Halbleiterschicht an die Halbleiterschicht grenzen und sich von der' Halbleiterschient her in einer IMcht-Luis praktisch

   609817/0780

   , 7'? h9 10.9.75ο

   quer zu der Ladungstransportrichtimg in der Oberflächenschicht erstrecken und eine Anzahl zwischenliegender schichtförmiger Gebiete der Oberf lachen schicht definieren, die durch die Oberflächenzonen elektrisch gegeneinander isoliert werden können und zu den Mitteln zum Auslesen der in die Halbleiterschicht eingeführten Ladungspaketen gehören, wobei oberhalb jedes der schichtförm'igon Gebiete eine zu den die Halbleiterschicht isolierenden Mitteln gehörige Elektrode vorhanden ist, mit deren

   <
   Hilfe in dem unterliegenden schichtförmigen Gebiet eine Ex*schöpfungszone gebildet worden kann, die sich über die ganze Dicke dieses Gebietes erstreckt, 7« Halbleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6,

   dadurch gekennzeichnet, dass der Haibleitorkörper weiter eine Anzahl nebeneinander liegender ladungsgekoppelt or Anordnungen mit Halbleiterschichten enthält, die durch die genannten schichtförmigen Gebiete vom ersten Leit~ fähigkeitstyp gebildet werden und die eine derartige Dicke und eine derartige Dotierungskonzentration aufweisen, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Gebiete eino IDrschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei die Oberflächenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthaltende Mittel zur Isolierung jeden der schichtförmigeii Gebiete gefeit seine Umgebung vorgesehen sind,

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   PHN, 10.9.75»

   und wobei an der Oberfläche des Körpers ein weiteres Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in den schichtförmigen Gebieten vorhanden ist, mit deren Hilfe die Ladungspakete durch die schichtförmigen Gebiete in einer Richtung praktisch quer zu der genannten Ladungstransportrichtung transportiert werden können.

   8β Halbleiteranordnung nach Anspruch 71 dadurch

   gekennzeichnet, dass die Oberflachenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp und die zwischen den Oborflächenzonen liegenden schichtförmigen Gebiete sich, auf die Oberfläche gesehen, von der einen genannten Halbleiterschicht her in der Oberflächenschicht bis zu einem weiteren schicht— formieren Gebicit der Oberflächenschicht erstrecken, das einen Teil einer weiteren ladungsgekoppelten Anordnung bildet und eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke des weiteren Gebietes eine Erschöpfungs— zone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten v/erden kann, wobei Mittel zur Isolierung dieses weiteren ^ebletes gegen seine Umgebung vorgesehen sind, und wobei an der Oberfläche des Körpers ein drittes Elektrodensystem zur Erzeugung elektrischer Felder in dem weiteren schichtförmigen Gebiet vorhanden ist, mit deren Hilfe die La rinn pcs paket e durch das weitere schichtförnige Gebiet

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   VrUi* 77^9.

   10.9.75.

   in einer Richtung praktisch parallel zu der genannten einen Ladungstranepo.rtrich.tung transportiert v/erden können, wahrcsnd oberhalb jedes der schichtförmlgen Gebiete und neben den weiteren schichtf örinigen Gebiet eine zu den das weitere Gebiet isolierenden Mitteln gehörige weitere Elektrode vorgesehen ist, mit deren Hilfe in den unterliegenden schichtförmigen Gebieten · Er\schöpfungszonen gebildet werden können, die sich über die ganze Dicke dor schichtförmigen Gebiete erstrecken« 9o Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren

   der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein Halbleitersxibstrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp und eine darauf angewachsene an die genannte Oberflache grenzende 'epitakticohe Schicht voiü erRton LoitfKhigfceitstyp enthalt, wobei die halbleiterschicht durch einen inseiförraigen Teil der epi~ taktischen Schicht gebildet wird, und wobei die Obeifl?ichenzonen vom zweiten Leitfähigkeltstyp sich, von der Oberfläche her, nur über einen Teil der Dicke der epitaktischen Schicht in der.epitaktischen^Schicht erstrecken»

   10. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren

   der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekonnzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe im Betriebszustand Taktspannungen an die Elektroden, angelegt werden können,

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   10.9.75.

   wodurch wenigstens zeitweilig an der Oberfläche in den zwischen den Oborflcichenzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp ni.id den ueitorcn Oberf lächcnf.übiet vom zweiten LeiLf'rni^iroitntyp liegenden Teilen der Ilalbleiter&chicht vom ersten Lo:itfiihi/ykeitstyp Inversion des Leitfähig« koitstyps auftreten kann»

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