DE2616476A1

DE2616476A1 - Ladungsregenerator fuer eine halbleiter-ladungsuebertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2616476A1
Application number: DE19762616476
Authority: DE
Inventors: Amr Mohamed Mohsen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-04-18
Filing date: 1976-04-14
Publication date: 1976-10-28
Also published as: JPS51129145A; FR2308166A1; NL7603910A; GB1531042A; US3986059A; FR2308166B1

Description

BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER ZWiRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE !N MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Western Electric Company, Incorporated Mohsen 4 New York, N. Y., USA

Ladungsregenerator für eine Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft einen Ladungsregenerator für eine Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtung, mit einer Schaltungsanordnung zum Anlegen eines zu regenerierenden elektrischen Eingangssignals an ein Signalsteuergate, das zwischen einer Eingangsdiodenzone und einer Hilfsladungsspeicher- und Übergangszelle in einem Halbleiterkörper angeordnet ist, und mit einer Schaltungsanordnung zum Anlegen einer Spannung an die Zelle.

Bekanntlich ist es auf dem Gebiet der Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtungen bei vielen Anwendungen erforderlich,

ß0 9 8 M/Π S88

ORIGINAL INSPECTED

261647b

einen Strom von Informationsbits in Form von durch die Vorrichtung zirkulierenden Ladungspaketen zu regenerieren. Dieses Regenrationserfordernis ergibt sich aus der Tatsache, daß eine Ladungsübertragung von einer Halbleiterübertragungszelle zur nächsten nicht perfekt ist und Teile der Ladung eines jeden binären Digitalinformationsbits, das einer "vollen" Zelle entspricht, beim Durchlaufen von Bitstellen zurückgelassen werden. Bei einem solchen Regenerationsvorgang wird der regenerierte Signalstrom typischerweise gegenüber dem ursprünglichen Strom invertiert, d. h., eine digitale "0" ("leere" Zelle) wird als digitale "1" ("volle" Zelle) regeneriert und umgekehrt, überdies sollte die digitale "0" vorteilhafterweise eine "fette" Null sein, d. h., 5 bis 25 % einer vollen Zelle betragen, um Ladung zu erzeugen, die da-

zu ausreicht, die Mulden in der Vorrichtung immer voll zu halten, so daß diese Mulden die digitalen "1"-Signale nicht verschlechtern. Es sind zwar im Stand der Technik Ladungsregeneratoren zum Umspeichern einer digitalen Eingangs-"0" in eine digitale Vollzellen-Ausgangs-"1" und einer digitalen Eingangs-"1" in eine "fette" digitale Ausgangs-"O" beschrieben worden; die Menge der beispielsweise der digitalen Ausgangs-" 1" entsprechenden regenerierten Ausgangsladung hängt jedoch von einer Bezugsspannung ab, die im Detektornetzwerk zum Abtasten der Ladung in derjenigen Übertragungszelle/

*) oder Fangstellen

R η 0 fi /, /, / η ρ, s G

deren Ladung regeneriert werden soll, verwendet wird. Somit führen Bezugsspannungsschwankungen zu Schwankungen hinsichtlich der regenerierten Ladung, die über eine Zeitdauer die in der Ladungsübertragungsvorrichtung umlaufende Information ernsthaft verschlechtern können.

Dieses Problem wird mit einem Ladungsregenerator der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist zum elektrischen Pulsen der Diodenzone, während das Eingangssignal am Signalsteuergate anliegt, auf einen ersten Spannungswert, der gegenüber der an die Hilfszelle angelegten Spannung ausreicht, um einen Ladungsfluß von der Diodenzone in die Hilfsübertragungszelle dann, und nur dann, zu bewirken, wenn das Eingangssignal innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, und auf einen zweiten Spannungswert, der ausreicht, um einen Ladungsrückfluß-von der Hilfszelle zurück zur Diodenzone zu bewirken, und daß die Hilfszelle derart ausgebildet ist, daß sie in Verbindung mit der an sie angelegten Spannung eine Oberflächenpotentialbarriere aufweist, die nach dem Ladungsrückfluß zur Eingangsdiodenzone eine erste vorbestimmte Ladungsmenge zurückzuhalten vermag, die durch die Höhe der Oberflächenpotentialbarriere bestimmt und unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals ist.

B098U/0886

2 c -1 ■■"■ ' ■'"; b ι ο μ / ο

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Ladungsregenerator für eine Ladungsübertragungsvorrichtung entsprechend einer erfindungsgemäßen speziellen Ausführungsform;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ;

Fig. 3 einen anderen Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung;

Fig. 4 einen weiteren Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung;

Fig. 5 eine Zeitdarstellung angelegter Spannungen, die bei der Beschreibung der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung hilfsreich ist; und

Fig. 6 eine Darstellung des Hsilbleiteroberflächenpotentials in Abhängigkeit vom Abstand, die ebenfalls bei der Beschreibung der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung hilfreich ist.

Lediglich aus Gründen der Klarheit ist keine der Zeichnungen maßstabsgerecht.

ρ Π 9 ö /■ <' / η 3 R r.

ORIGINAL INSPECTED

26 loV/b

Wie Fig. 1 zeigt, erzeugt eine Eingangsreihe der Ladungsübertragungsvorrichtung einen Informationsbitstrom in Form eines Stroms 10 von Eingangsladungspaketen, die die letzten Stufen dieser durch die Eingangsübertragungselektroden 11, 12 und eine Ausgangselektrode 13 repräsentierte Eingangsreihe speisen. Wie Fig. 2 zeigt, können diese Elektroden vorteilhafterweise die Form von auf zwei Oxidniveaus aufgebrachten Elektroden haben, die mit einem Paar Taktspannungsimpulsleitungen jL und $L verbunden sind und über diese gesteuert werden. Die Spannungen auf den Taktleitungen φ* und ^₂ sind mit Ausnahme einer Überlappung während Zeitintervallen At komplementär (Fig. 5), was bekanntlich für die sequentielle Ladungsübertragung von Ladungspaketen nützlich ist. Die Elektroden 11, 12 und 13 sind in einer Siliciumdioxidschicht 50 auf einem SiliciusLhalbleiter-substrat 40 eingebettet. Bei dem Substrat 40 handelt es sich typischerweise um monokristallines Silicium mit relativ niedriger elektrischer Leitfähigkeit aufgrund einer im wesentlichen gleichförmigen resultierenden Donatorstörstellenkonzentration von typischerweise etwa 10 Störstellen pro cm . Typischerweise ist die Siliciumdioxidschicht 50 etwa 3000 S dick (dickes Oxid). Jedoch beträgt der Abstand einer jeden Elektrode■bei der dichtesten Annäherung (niedrigeres Niveau) an die oberste Oberfläche 41 des Siliciumsubstrats 40 etwa 1000 % (dünnes Oxid).

fi Π Q « λ λ / η Π Ά Π ORIGINAL JNSPECTEQ

Unterhalb des äußersten rechten Teils der letzten Eingangselektrode 13 ist eine L-förmige (Fig. 1) p⁺-(stark p)leitende Oberflächenzone (Fig. 2) 14 angeordnet, mit einem resultierenden Akzeptor - Störstellendotierungswert im Be-

1Q ^ +

reich von 10 ^y Akzeptoren pro cm . Die ρ -Zone 14 dient als Drainzone eines Feldeffekttransistos mit isoliertem Gate (IGFET), der eine Gatelektrode 15 aufweist sowie eine p⁺- Sourcezone 16, die durch eine Bezugsspannung Vn^p gespeist wird. Diese IGFET-Gateelektrode 15 ist direkt mit der φ*~ Taktimpulsleitung gekoppelt. Die p⁺-Zone 14 ist, typischerweise mittels einer Metallkontaktverbindungsmetallisierung 14.5> ohmisch mit einer Signalsteuergateelektrode 18 (Fig. 3) verbunden, die in einem Abstand von etwa 1000 S von der Oberfläche 41 des Siliciumsübstrats 40 angeordnet ist. Die Elektrode 18 dient als Signalsteuergateelektrode zur Steuerung der Injizierung positiver Löcher-Minoritätstrager aus einer Eingangsdiodenzone 17 elektrischer p⁺-Leitfähigkeit in eine Oberflächenzone, die unter einer Hilfsübertragungselektrode 19 liegt. Ede Spannung der Eingangsdiodenzone 17 wird mittels einer Impulsspannung V_D gesteuert, wie ausführlicher nachstehend beschrieben wird. Ausgangsübertragungselektroden 23, 24 und 25 sind den zuvor beschriebenen Eingangs elektroden 11, 12 imd 13 gleich, und alle diese Elektroden sind mit den Taktimpulsleitungen φ_Λ und ^₂ verbunden, wie es gezeigt ist. Typischerweiss haben diese Elektroden ""■% 12» 15, 23, 24_$ 25 sine Länge von etwa 16 um längs der

(■·. Π O a A /. / Π :->, 'ΐ A

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Transportrichtung (links-rechts), d. h., etwa 10 um längs der (Stufen-)Zone mit dünnem Oxid und etwa 6 um längs der (Stufen-)Zone im dicken Oxid; diese Elektroden haben alle typischerweise eine Breite (senkrecht zur Transport- oder übertragungsrichtung) von etwa 10 bis 20 um. Wie ausführlicher nachstehend beschrieben ist, wird nach der Regenerierung durch die Wirkung der Diodenimpulsspannung V^ in Verbindung mit dem Steuergate 18 ein Ausgangsstrom 30 (Fig. 1) erzeugt, bei dem es sich um eine invertierte Darstellung des Eingangsstroms 10 handelt.

Eine Hilfsübertragungselektrode 19, die zwischen der Steuergateelektrode 18 und der ersten Ausgangsübertragungselektrode 23 angeordnet ist, wird auf einer Gleichstromspannung V™ gehalten, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Diese Elektrode 19 definiert zusammen mit der unter ihr liegenden Oberflächenzone eine Hilfsübertragungszelle. Wie Fig. 4 zeigt, ist im Halbleitersubstrat 40 eine zweite Eingangsdiodenzone 20 angeordnet, die durch die Diodenimpulsspannung V₀ gesteuert wird. Der rechte Rand dieser Diodenzone 20 liegt unter dem linken Rand einer Hilfs-"fette-Oⁿübertragungselektrode 21, die ebenfalls durch die Spannung V_M gesteuert wird. Unter der rechten Kante der Elektrode 21 ist eine Hilfs-p -Zone 22 angeordnet, deren rechte Kante unter der linken Kante der Elektrode 23 aufhört, wie es in den Fig. 1 und 4 gezeigt ist.

R fl q ς /. 4 / 0 R 0 B

ORIGINAL INSPECTED

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Die in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Regeneratornetzwerk angelegten Spannungen sind in Fig. 5 gezeigt. Insbesondere wechseln die Taktimpulsspannungen jL und φ~ zwischen einem Ruhewert V (inaktive oder passive Phase) und einem gepulsten Wert Vp (aktive Phase). Vorteilhafterweise haben die Taktphasen gemeinsame Intervalle At, während welcher sich beide Phasen φ* und ^₂ ^au^ ihrem gepulsten Wert Vp befinden (gemeinsame aktive Phase). Im Hinblick auf den negativen SpannungsCharakter dieser Spannungen während der gepulsten Phasen Vp der Takte $L und φ~ tritt in der darunterliegenden entsprechenden Oberflächenzone des Halbleiters 40 während der aktiven Phasen eine tiefe oder starke Verarmung auf; während der Ruhephasen, während welcher die Takt spannungen V (unterer Schwellenwert) sind, tritt keine solche tiefe sondern nur eine leichte Verarmung der entsprechenden darunterliegenden Zone des Halbleitersubstrats 40 auf. Typischerweise beträgt V etwa -8 Volt und Vp etwa -18 Volt. Deshalb weisen die Halbleiteroberflächenzonen, die unter den mit Vp beaufschlagten Elektroden liegen, Oberflächenpotentiale von etwa -16 Volt auf, wo sich die Elektroden der Oberfläche auf 1000 % nähern (dünnes Oxid), und von etwa -11 Volt, wo sich die Elektroden der Oberfläche auf etwa 3000 S nähern (dickes Oxid). Die Bezugsspannung Vr^p ist typischerweise -15 Volt, während V_M typischerweise etwa -14 Volt ist.

B Π P q /« h ! f) 3 H G

ORiQiNAL

2 6 16 4 7b - 9 -

Wenn sich während des Betriebs die Taktleitung φ ^ auf ihrem gepulsten Wert Vp (aktive Phase) befindet, ist der der Gateelektrode 15 zugeordnete IGFET "an" (invertierte Oberflächenkanalzone). Dadurch wird das Spannungspotential Vrvgp, an das die Sourcezone 16 angeschlossen ist, auf die Steuergateelektrode 18 gegeben (über die p⁺-Zone 14 und die Metallkontaktverbindung 14.5). Demzufolge ist das Oberflächenpotential unter dieser Steuergateelektrode 18 ^ητ?ρ» typischerweise etwa -13 Volt, und damit vorteilhafterweise unter dem Oberflächenpotential $L· (Fig.6 ), typischerweise etwa - 9 V, unter dem linken (dickes Oxid) Teil der Hilfsübertragungselektrode 19. Wenn danach die Taktleitung φ* auf ihren Ruhewert V_r (inaktive Phase) übergeht, wird die IGFET-Gatezone unter der Elektrode 15 (durch φ ^ gesteuert) "aus¹¹-geschaltet (nicht invertiert). Deshalb wird das Potential der Elektrode 18 während der inaktiven Phase von $L direkt gesteuert und mit der Spannung (und folglich der Ladung) in der Oberflächenzone 14 gekoppelt, die durch diejenigen Ladungen bestimmt ist, welche dann in der gepulsten (aktiven) Phase von φ ^ von unterhalb der letzten Eingangselektrode 13 in diese Zone 14 eintreten. Beginnend mit dem Anfang der Ruhephase von φ ^ (der aktiven Phase von φ^) hängt demzufolge das Potential der Steuergateelektrode 18 von dem unter dieser letzten Eingangselektrode 18 liegenden Ladungspaket ab, das vom Eingangsstrom 10 stammt. Wie Fig. 6 zeigt, ist

R 0 9 9 U / Π Β f> 6 ORlGiNAL INSPECTED

£ U i O ■-:■ I U - 10 -

während dieser Ruhephase von φ.. das Oberflächenpotential unter der Steuergateelektrode 18 etwa gleich einem der beiden Werte ?L oder φ-g, was davon abhängt, ob die ρ -Zone 14 "leer" oder "voll" ist, während das Oberflächenpotential φ*, unterhalb der Hilfselektrode 19 ein Stufenprofil annimmt, und zwar entsprechend dem dünnen (X^X/) und dem dicken Oxidteil (XpX-z) unter dieser Elektrode. Beginnend zu einer Zeit während dieser inaktiven Phase von φ ^ wird ein Diodenimpuls Vtj angelegt; d. h., V~ geht von seinem Ruhewert von typischerweise etwa -18 V (etwa der selbe Wert, wie der gepulste Wert Vp der Taktphasen φ * und φ^) zu seinem gepulsten Wert, typischerweise etwa -6 V, über, der vorteilhafterweise höher als sowohl ά.- im Intervall XpX^ als auch der Ruhewert V

der Taktphasen φ* und fL ist. Das Steuergateoberflächenpotential fi₀, das einer "leeren" Zelle im p⁺-Bereich 14 entspricht, ist typischerweise auf etwa -8 V eingestellt, was weniger als der Diodenimpulspegel von etwa -6 V ist; dagegen ist das Steuergateoberflächenpotential jrf™, das einer "vollen" Zelle entspricht, typischerweise etwa -4 V, was größer als der Diodenimpulspegel ist. Dies entspricht einer Spannung der Signalsteuergateelektrode 18 von etwa -6 V für eine "leere" Zelle und etv/a -10 V für eine "volle" Zelle, was erreicht wird durch ein geeignetes Auslegen der Abmessungen der p⁺-Zone 14. Andererseits ist, wie bereits erwähnt, die an die Hilfselektrode 19 angelegte Spannung V"_M typischerweise etwa -14 V, so daß das entsprechende Oberflächenpotential

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ORiGiMAL INSPECTED

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ty, unter der Zone dünnen Oxids (rechte Seite X3X4) etwa -12 V und unter der Zone dicken Oxids (linke Seite X₂X₅) etwa -7 V beträgt (Fig. 6). Wenn die Eingangsdiode 17 gepulst wird, fließen demzufolge positive Ladungen von der gepulsten Diode zu der der Hilfsübertragungselektrode 19 zugeordneten Hilfsübertragungszelle, wenn dann ^q (unterhalb V₀) das ungefähre Oberflächenpotential des Steuergates ist, jedoch nicht, wenn dann φ^ (oberhalb V^) das ungefähre Oberflächenpotential ist. Die Trennlinie ist genau V^, solange ^_M in X₂ ^X3 unterhalb V^ bleibt; ansonsten ist in X₂ ^X3 ^jj selbst die Trennlinie, solange es unterhalb φ^ bleibt. Somit sollten φ** in X₂X^ und Vy. beide zwischen φς> und $„ liegen, und zwar bei einem V^, das in allen Fällen höher als φ-** in X₂X, ist. Demzufolge fließen auf das Anlegen des Diodenspannungsimpulses Vjj an die Diodenzone 17 hin Minoritäts-Löcherträger von dieser Diodenzone 17 zum unter dem dünnen Oxidteil der Hilfselektrode 19 liegenden Oberflächenteil (X₃X^) des Halbleiters 40, der dann nur auf der Spannung V_M gehalten wird, wenn die Spannung an der SignalsteuergateeleWrode 18 dann ausreichend negativ ist, d. h., ausreicht, um ein darunterliegendes Halbleiteroberrriächenpotential zu erzeugen, das unter dem des Wertes der gepulsten Diode liegt. Wenn diese Spannung des Steuergates 18 tatsächlich genügend negativ ist, dann fließen positive Löcherladungen auf den Diodenimpuls hin von der Eingangsdiode 17 zur Oberflächenzone unter

R Π q R /, /, / Γ) 8 8 fi

o 4 7

der Hilfselektrode 19, vorausgesetzt natürlich, daß der Maximalwert von ^„ ausreichend'negativ ist, d. h., unter dem Spannungswert der gepulsten Diode. Der Wert von V^p sollte ebenfalls so sein, daß das Oberflächenpotential V_M unter der linken (dickes Oxid) Kante (Xp) der Hilfselektrode 19 höher als j^tvgp ist, das Oberflächenpotential im Steuergatebereich (X^Xp), wenn Vrygp an die Steuergate elektrode angelegt ist. Folglich wird die Zone (X^h) unterhalb der Hilfselektrode 19 infolge des Diodenimpulses V₀ nur im Fall einer "leeren"Zelle in der p⁺-Zone 14 gefüllt, was ein Oberflächenpotential ^q unterhalb der gepulsten Diode bewirkt. Die Information wird dann in Zone 14 (in Form positiver Ladungen von unterhalb der Elektrode 13) invertiert, und eine "leere" Zelle unterhalb der Elektrode 13 wird in eine "volle" Zelle unterhalb der Elektrode 19 abgebildet und umgekehrt.

Nach Beendigung des Diodenimpulses V^ und während der restlichen Ruhephase t^tg (Fig. 5) von φ^ fließen, falls vorhanden, Ladungen unterhalb der Elektrode 19 zurück zur Eingangsdiodenzone 17. Aufgrund der Oberflächenpotentialbarriere ^ bei X* (Fig. 6) unterhalb der Frenze zwischen dickem Oxid und dünnem Oxid der Hilfselektrode 19 ist jedoch eine vorbestimmte Ladungsmenge innerhalb des Teils des dünnen Oxids (X,X/) nicht dazu in der Lage, diese Barriere zu überschreiten und zur Eingangsdiode 17 zurückzufließen. Während der

_PnqR/,/,/n8SR ORIGINAL WBH=Ci₀)

26 1647G

restlichen Ruhephase von φ* nach Beendigung des Impulses V₀ bleibt somit eine positive Ladungsmenge unterhalb des Teils dünnen Oxids (X^X.) der Hilfselektrode 19 zurück (aber nur, wenn irgendeine positive Ladung durch den Diodenimpuls ursprünglich dorthin geschoben worden ist), die lediglich von dieser Differenz ^g des Oberflächenpotentials zwischen der unter dem dicken und der unter dem dünnen Oxid liegenden Halbleiteroberflächenzone abhängt. Natürlich bleibt selbst unter dem dünnen Oxidteil der Elektrode 19 dann keine Ladung zurück, wenn sich das Steuergate 18 genau vor t^tp auf einem solchen Potential befand, daß selbst beim Vorhandensein des Diodenimpulses V^ keine Ladungen von der Eingangsdiode 17 zur Zone unterhalb der Gateelektrode 19 fließen konnten. Nach Beendigung von t^tp und beim Beginn der aktiven Phase von φ*, welcher der Beginn der Ruhephase von ^p folgt, fliessen, falls vorhanden, die Ladungen unter dem dünnen Oxidteil der Elektrode 19 zur Halbleiterzone unter der ersten Ausgangs übertragungselektrode 23, um anschließend während noch späterer Phasen der Taktleitungen weiter zu den Halbleiterzonen unter den Ausgangsübertragungselektroden 24 und 25 übertragen zu werden, und zwar der Reihe nach und aufeinanderfolgend, wie es bekannt ist.

Es ist somit wichtig, daß das Oberflächenpotential ^₀ kleiner ist als ^_M in der linken (dickes Oxid) Zone X₂ ^X3 (^FiS· 6) ^Xinr' ter der Hilfselektrode 19» um den Ladungsrückfluß zu ermögli-

K Π P ft /_{ Α/ π fi R π

ORIGiNAL

2 6 '!υ :, 7

chen; und daß φπ größer ist als φ^ in diesem Bereich XpX-z» um zwischen einer digitalen "1" und "O" zu unterscheiden; d. h., um einen Ladungsfluß von der Eingangsdiode zur Hilfsübertragungszelle dann, und nur dann, zu ermöglichen, wenn im Signalsteuerbereich X^X₂ ^₀ vorhanden ist, jedoch nicht, wenn dort ^L₁ vorhanden ist. Gleichermaßen ist es wichtig, daß φ** im Intervall XpX^ kleiner ist als der gepulste Wert V₀ der Eingangsdiode, um einen Ladungsfluß in die Hilfsübertragungszelle freizugeben, wenn in der ignalsteuerzone ^₀ vorhanden ist. Andererseits ist es wichtig, daß Vp-gp ausreichend niedrig ist, um als Senke zu wirken für das Entfernen der in der p⁺-Zone 14 und auf der Signalsteuergateelektrode 18 zurückbleibenden Signalladungen während der aktiven Phase von φ* , wenn der der Elektrode 15 zugeordnete IGFET "ein"-geschaltet ist, d. h., nach dem Rückfluß von Ladungen (falls vorhanden) von &r Hilfsübertragungszelle zur Eingangsdiode während t^t^» um den Regenerator für den nächsten Zyklus zurückzustellen. Auf jeden Fall sollte ^j^gp aus diesem Grund unter φq liegen. Somit ist das injizierte Ladungspaket, das für eine weitere Übertragung in der Hilfsübertragungszelle bleibt, unabhängig sowohl von der Diodenimpulsspannung als auch von der Bezugs spannung Vj^rp» vorausgesetzt, daß diese Bezugsspannung ausreichend niedrig ist, um die Signalladungen auf dem Signalsteuergate und in der ρ -Zone 14 während der aktiven Phase von φ* zu sammeln (wenn Vngp an die Signalsteuergateelektrode 18 angelegt wird, und zwar über den

KOPS/, A / Ci-: SR

ORJGfNAL INSPECTED

der Gateelektrode 15 zugeordneten "ein"geschalteten IGFET).

Bekanntlich ist es bei Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtungen wichtig, ein binäres Ausgangsbit "0" durch eine "fette Null" darzustellen. Dieses Erfordernis stammt von der Tatsache, daß Störstelleneinfangniveaus im Halbleiter zum Absorbieren von durch die Vorrichtung transportierten Ladungen neigen und folglich die Signale in einer vollen Zelle verschlechtern. Anstatt daß nun eine binäre digitale "0" durch eine vollständig leere Zelle repräsentiert wird, werden die Einfangstellen durch diese Ladungen in den "fetten Nullen" konstant bis zur Sättigung aufgefüllt, d. h., ein ¹¹NuIl"-Bit wird durch etwa 5 bis 25 % derjenigen Ladung repräsentiert, die einer vollen Zelle entspricht. Typischerweise ist bei einer Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtung vom Oberflächenkanal typ (im Gegensatz zu einem Typ mit im Inneren verlaufendem Kanal) eine "fette Null" durch etwa 20 % des Ladungsniveaus einer eine digitale "1" darstellenden vollen Zelle repräsentiert. Demgemäß hat der in Fig. 4 gezeigte Teil der Vorrichtung den Zweck, eine solche "fette Null" zu liefern. D. h., um eine Ladungsmenge einer "fetten Null" in der ersten Ausgangsübertragungszelle, die von der Hilfsübertragungszelle beschickt wird, zu erhalten, ist ein nachstehend beschriebener eintauchender Parallelkanal vorgesehen, um eine "fette-Null"-Ladungsmenge an diese Ausgangsübertragungszelle zu liefern. Zusätzlich zu den Ladungen, die von der Hilfs-

Übertragungszelle in die erste Ausgangsübertragungszelle fließen, wird dadurch die "fette-Null"-Ladungsmenge in die erste Übertragungszelle eingespeist, und zwar unabhängig davon, ob von der Hilfsübertragungszelle irgendeine Ladung geliefert wird oder nicht. Dadurch kann unabhängig von dem im erfindungsgemäßen Regenerator zu regenerierenden Signal eine "fette-Null"-Ladungsmenge in diese erste Übertragungszelle geliefert werden, um weiter über die Ladungsübertragungsvorrichtung übertragen zu werden.

Bei der Verwendung einer solchen "fette-Null"-Vorrichtung sollte jedoch dafür gesorgt werden, daß die durch die Zone unterhalb der Hilfselektrode 19 gelieferte Ladungsmenge" etwa 80 % einer "vollen Zelle" unter der ersten Übertragungselektrode 23 ausmacht, so daß nach Hinzufügung zu der durch den in Fig. 4 gezeigten Teil der Vorrichtung gelieferten Ladung eine digitale "1" unter der ersten Übertragungselektrode 23 durch ein 100 <K>iges Ladungsniveau und eine digitale "0" durch ein 20 %iges Ladungsniveau repräsentiert wird. Andererseits wird eine'der ersten Übertragungselektrode 23 zugeordnete "volle Zelle" vorteilhafterweise etwas (10 bis 20 %) weniger als eine wirklich volle Zelle in der Ausgangsreihe gefüllt, um ein Überlaufen von Ladungen einer "vollen Zelle" zu verhindern. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß die seitliche Breite der Ausgangsübertragungselektroden 23, 24, usw. relativ zur Hilfselektrode 19 vergrößert wird oder die

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ORiGiNA INSPECTED

D I D ^ / b - 17 -

Teile dünnen Oxids dieser Elektroden verlängert werden.

In Fig. 4 wird an eine "fette-Null^H-Elektrode 21 die selbe Spannung V^ angelegt, wie sie der Hilfselektrode 19 zugeführt wurde. Die ^Hfette-Null^ir-Elektrode 21 weist jedoch vorteilhafterweise keinerlei Teil dünnen Oxids auf. Dadurch wird ermöglicht: eine gute Steuerung der "fette-Nullⁿ-Ladungspaketinjektion in einer eine minimale Geometrie aufweisenden Vorrichtung durch Minimalmachen der elektrischen Kapazität und eine kompaktere seitliche Geometrie dadurch, daß diese Elektrode 21 aus dem Weg der Hilfselektrode 19 herausgehalten wird, wo diese mit dem "fette-Null"-Kanal zusammenschmilzt, der die Ausgangszelle unter der Elektrode 23 speist. Die Ladungsspeicherkapazität einer unter dem Raum zwischen der ersten Übertragungelektrode 23 und der ⁿ fette-Null "-Elektrode 21 angeordneten p⁺-Oberflächenzone ist vorteilhafterweise kleiner gemacht als die Ladungsspeicherkapazität in derjenigen Zone, die unter dem dünnen Oxidteil (X3X4) der Elektrode 19 liegt. Typischerweise wird das Verhältnis dieser Kapazitäten so eingestellt, daß eine "fette Hull¹¹ lediglich 20,96 einer "fetten Zelle" unter dem dünnen Oxidteil der ersten Ausgangsübertragungselektrode 23 ausmacht. In federn Fall ist eine "fette Null" vorteilhafterweise kleiner als die Ladung einer "vollen Zelle" unter der Hilfselektrode 19. Auf diese Weise wird die Ladung unter·

ORiGiNAL JNSFi-Cr£0

2616 47b

halb der letzten Eingangselektrode 13 zur p⁺-Zone 14 geführt und unterhalb der ersten Ausgangsübertragungselektrode 23 derart regeneriert, daß die vom dünnen Oxidteil unter derletzten Eingangsübertragungselektrode 13 kommende Ladung in der Zone 14 invertiert und unter der ersten Ausgangsüber— tragungselektrode 23 regeneriert wird. Wenn die zur ρ —Zone 14 gelieferte Ladung ausreicht, um an das Signalsteuergate 18 eine Signalspannung anzulegen, die auf den Diodenimpuls hin einen Ladungsfluß von der Diodenzone 17 zur Oberflächenzone unterhalb der Hilfsübertragungselektrode 19 bewirkt, wird nur dann eine digitale "1" ("volle Zelle") unterhalb dieser Hilfsübertragungselektrode 19 resultieren. In jedem Fall ergibt sich eine "volle Zelle" oder eine "fette KuIl" in der Oberflächenzone des Halbleiters unterhalb der ersten Ausgangsübertragungselektrode 23 zur weiteren Übertragung durch die Vorrichtung im Rahmen des Ausgangsstroms 30.

Es ist ersichtlich, daß die vorstehende Beschreibung anhand einer P-Kanal-Ladungsübertragung (positiver Löcher) in einem N-leitenden Halbleitersubstrat durdgeführt worden ist und daß gleichermaßen eine N-Kanal-Ladungsübertragung (negativer Elektronen) in einem P-leitenden Halbleiter durchgeführt werden kann, und zwar mit einer Polaritätsuskehr der angelegten Spannungen. Während eine beispielsweise an die Steuergateelektrode anzulegende Signalspannung für P-Kanal-Vorrich-

fi 0 9 8 U / 0 P> R fi

ORIGINAL Ifcorcio.

tungen als unterhalb eines bestimmten Wertes liegend beschrieben worden ist, müßte eine solche Spannung für N-Kanal-Vorrichtungen oberhalb (unterhalb in negativem Spannungssinn) eines bestimmten Wertes liegen. In jedem Fall ist diejenige Ladung, welche einer der ersten Ausgangsübertragungselektrode 23 zugeordneten vollen Zelle entspricht, gegenüber einer leeren Zelle unabhängig von der Bezugsspannung V^gp, die an die IGFET-Sourcezone 16 angelegt wird. Dadurch ist das Spannungsfenster zur Unterscheidung zwischen einem binären Eingangsbit "1" und einem binären Eingangsbit "0" im Eingangsstrom 10 größer als in demjenigen Fall, in welchem die regenerierten Ladungen von Vngp abhängen. Ein v/eiterer Vorteil der Verwendung von V^, einer stetigen Spannung, gegenüber einer an die Hilfsübertragungselektrode 19 angelegten Taktspannung φ2 ergibt sich aus der Tatsache, daß die "volle" Zelle unabhängig von plötzlichen Breitenschwankungen der Taktspannungsleitung φ2 wird.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abweichungen möglich. Beispielsweise kann anstelle des Anlegens von V« an die Steuergateelektrode 19 die Spannung von der Taktphasenleitung ^2 ²^¹ diese Elektrode ebenfalls wie an die "fette-Null"-Elektrode 21 angelegt werden. Wenn jedoch die Taktphasenleitung j>2 ^{auf die n}fette-Null"-Elektrode 21 geführt wird, sollte die p⁺-Zone 22 weggelassen und statt dessen die "fette-

6 0 9 8 U/0886

Null"-Elektrode 21 zu einer zweistufigen Elektrode, wie die anderen Übertragungselektroden 23, 24 und 25_; gemacht werden; die Länge des dünnen Oxidteils dieser "fette-Null"-Elektrode sollte dann aber für eine kleinere LadungsSpeicherkapazität ausgelegt sein als diejenige der Steuergateelektrode 19, und diese beiden Elektroden sollten eine kleinere seitliche Breite als die anderen Ausgangsübertragungselektroden 23, 24 und 25 haben, um die diesen letzteren Elektroden zugeordneten Übertragungszellen nicht zu überfüllen. Man beachte jedoch, daß die Verwendung der Spannung V™, die der Hilfselektrode 19 anstelle der Taktleitung O^ zugeführt wird, die Verwendung einer minimalen Geometrie für die restlichen Ausgangsübertragungselektroden 23, 24, 25 usw. ermöglicht, ohne daß diese letzteren Zellen als "volle" Zellen an einem Überlaufen leiden. Auch kann die letzte Eingangsübertragungszellenelektrode 13 anstelle mit einer Taktleitung mit einer konstanten Spannungsquelle, wie Vj₁J, verbunden werden.

Andere Halbleiter als Silicium, wie Germanium oder Galliumarsenid, können sich bei der praktischen Anwendung dieser Erfindung ebenfalls als brauchbar für Ladungsübetragungsvorrichtungen erweisen. Eine Mehrfachniveauelektrode 19 ist zwar wichtig, um #_B in der Hilfszelle im wesentlichen unabhängig von angelegten Spannungen zu definieren; dennoch können die

R Π 9 B k U l 0 A £ B

anderen Zellen in den Eingangs- und Ausgangsreihen durch Einfachniveauelektroden definiert werden,-und zwar bei einer bekannten Mehrfachphasen-Taktspannungssteuerung.

Claims

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BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Western Electric Company, Incorporated Mohsen 4

Patentansürüche

[1.S Ladungsregenerator für eine Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtung, mit einer Schaltungsanordnung zum Anlegen eines zu regenerierenden elektrischen Eingangssignals an ein Signalsteuergate, das zwischen einer Eingangsdiodenzone und einer Hilfsladungsspeicher- und Übertragungszelle in einem Halbleiterkörper angeordnet ist, und mit einer Schaltungsanordnung zum Anlegen einer Spannung an die Zelle, dadurch gekennzeichnet , (a) daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist zum elektrischen Pulsen (V^) der Diodenzone (17), während das Eingangssignal am Signalsteuergate (18) anliegt, auf einen . ersten Spannungswert, der gegenüber der an die Hilfszelle (19) angelegten Spannung (V_M) ausreicht, um einen Ladungsfluß von der Drainzone (17) in die Hilfsübertragungszelle (19) dann, und nur dann, zu bewirken, wenn das Eingangssignal innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs

- z-

liegt, und auf einen zweiten Spannungswert, der ausreicht, um einen Ladungsrückfluß von der Hilfszelle (19) zurück zur Diodenzone (17) zu bewirken; und

(b) daß die Hilfszelle (19) derart ausgebildet ist, daß sie in Verbindung mit der an sie angelegten Spannung (V^) eine Oberflächenpotentialbarriere (^g) aufweist, die nach dem Ladungsrückfluß zur Eingangsdiodenzone (17) eine erste vorbestimmte Ladungsmenge zurückzuhalten vermag, die durch die Höhe der Oberflächenpotentialbarriere bestimmt und unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals ist.
2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsübertragungszelle (19) eine Schicht (50) aus isolierendem Material aufweist, die über aneinander angrenzenden ersten (XpX₃) und zweiten (X₃X₄) Oberflächenteilen des Halbleiterkörpers (40) liegen, daß die Schicht (50) über dem ersten ¹EeH (X₃X₃) dicker als über dem zweiten Teil (X₃X₄) ist, daß der erste Teil (X2X3) zwischen dem zweiten Teil (X₃X₄) und der Eingangsdiodenzone (17) angeordnet ist und daß über dem ersten und dem zweiten Teil liegende, mit Gleichstrom verbundene Elektrode (19) vorgesehen sind.
3. Regenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die an die Hilfszelle (19) angelegte Spannung (Vm) im wesentlichen zeitlich konstant ist.

PQ934 WORHG
4. Regenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Ladungsspeicher- und Übertragungszelle (23) zum periodischen Empfangen der vorbestimmten Ladungsmenge von der Hilfszelle (19) vorgesehen ist sowie eine durch den elektrischen Impuls (V₀) gesteuerte Ladungsinjektionseinrichtung, die der ersten Ladungsspeicher- und Übertragungszelle (23) parallel zur Hilfszelle eine zweite vorbestimmte Ladungsmenge liefert, die kleiner als die erste vorbestimmte Ladungsmenge und unabhängig von der Spannung an der Steuergateelektrode (18) ist.
5. Regenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zum Anlegen der Eingangssignalspannung an das Steuergate (18) eine Eingangsladungsübertragungszelle (13) umfaßt sowie einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (14, 15» 16), dessen Sourcezone (16) mit einer Bezugsspannungsquelle (V^p) und dessen Drainzone (14) mit dem Signalsteuergate (18) verbunden ist, daß sich die Drainzone (14) zu der Eingangsübertragungszelle (13) erstreckt, welcher eine Folge von zu regenerierenden Ladungspaketen zugeführt wird, daß die Schaltungsanordnung ferner eine Taktspannungseinrichtung {φ^)aufweist, die mit dem isolierten.Gate (15) des Feldeffekttransistors (14, 15» 16) und außerdem mit einer ersten Ausgangselektrode (23) einer ersten Ladungsspeicher-

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2 6 1 6 4 7 Ü

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und übertragungszelle verbunden ist, der die nach dem Rückfluß in der Hilfsübertragungszelle (19) zurückbleibenden Ladungen zugeführt werden, und daß die Bezugsspannung (Vj^gp) ausreicht, um nach dem Rückfluß in der Eingangsübertragungszelle (13) und in dem unter der Signalsteuergateelektrode (18) gelegenen Teil (X^X₂) des Halbleiterkörpers (40) verbliebene Ladungen zu sammeln, um die Signalsteuerelektrode (18) für einen nächsten Zyklus zurückzustellen.
6. Regenerator nach Anspruch 5, gekennzeich net durch eine erste ($L)und eine zweite (^₂) Taktspannungsleitung, wobei die erste Leitung (φ*) mit der ersten Ausgangselektrode (23) und mit dem isolierten Gate (15) des Feldeffekttransistors (14, 15, 16), und die zweite Leitung (^₉) mit der Eingangsübertragungszelle (13) verbunden ist.

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