DE2712479A1 - Ladungsgekoppelte anordnung - Google Patents
Ladungsgekoppelte anordnungInfo
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Classifications
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Description
PHB. 325-Ί-*
VA/EVH.
N.V. PH1.!,,, V11.,
"Ladungsgekoppelte Anordnung"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Ladungsübertragungsregister zur Umwandlung eines
elektromagnetischen Strahlungsmusters in einem bestimmten Wellenlängenbereich in elektrische Signale mit einem
Körper, der einen ersten schichtförmigen Teil aus Halbleitermaterial,
der einen Teil des Ladungsübertragungskanals zum Transportieren von Information in bezug auf das Strahlungsmuster darstellenden Ladungsträgern bildet, und einen
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ORIGINAL INSPECTED
PUB.
? 73I- Fa- 7 9
angreny.cnden zweiten schichtförmigen Teil enthält, der an
den ersten schichtförmigen Teil grenzt und ein photoempfindliches
Halbleitermaterial enthält, das freie Ladungsträger bei Absorption von Strahlung innerhalb des
genannten Vellenlangenberexches erzeugen kann.
Die britische Patentanmeldung Kr. 367OI/75 beschreibt eine ladungsgekoppelte
Anordnung (CCD = charge-coupled device) mit einem Halbleiterkörper mit einem Gebiet vom einen Leitungstyp»
in dem Ladungsträger gespeichert und transportiert •werden können, und Mitteln zur Umwandlung eines Signals
in ein Ladungspaket, das durch Zufuhr von Ladungsträgern
in einer Speicherstelle im genannten Gebiet durch Durchschlag (punch—through) von einem zu der genannten Speicherstelle
gehörigen Erschöpfungsgebiet zu einer gleichrichtenden Sperre erhalten wird, die ein weiteres Gebiet
in dem Körper begrenzt, das eine Quelle der genannten Ladungsträger bildet. In einer derartigen Anordnung kann
Einführung von Ladung in eine Speicherstelle mit einer
guten Linearität und einer niedrigen Empfindlichkeit
für Eingangsrauschen durch Anwendung von "Punch-through"
erhalten werden. Die Ann.eldung beschreibt verschiedene
Einrichtungen sowohl für Oberflächen-CCD's als auch für
Massen-CCD's. Es werden verschiedene Oberflächen-CCD-Konfigurationen
beschrieben, in denen das Source-Gebiet
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ein Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp ist und
z,B. aus einem Substrat vom entgegengesetzten Leitungstyp bestellen kann, auf dem die Schicht vom ersten Leitungstyp
vorhanden ist. Weiter wird beschrieben, dass in einer derartigen Oberflächen-CCD eine Anzahl Eingangs-Gate-Elektroden
an voneinander entfernten Stellen eines Teiles der Schicht vom ersten Leitungstyp vorhanden sein können
und je durch eine Sperrschicht von der Halbleiterschicht getrennt sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anwendung von "Punch-through"-Ladungseinführungseffekt en
zur Umwandlung eines elektromagnetischen Strahlungsmusters
in einem bestimmten Wellenlängenbereich, insbesondere, aber nicht ausschliesslich eines Infrarotstrahlungsmusters,
in elektrische Signale.
Zum Detektieren und/oder Abbilden eines Infrarot strahlungsmvsters sind ladungsgekoppelte Anordnungen
in vielen verschiedenen Formen vorgeschlagen worden. In einer sogenannten "Hybrid"-Ausführung werden Detektions-
und Signalverarbeitungsvorgänge in getrennten, aber integrierbaren Teilen von einer Reihe von Infrarotdetektorelementen
durchgeführt, die je für sich mit einem
Silizium-CCD- Schieberegister verbunden sind. Die Funktion
der CCD ist die einer Signalverarbeitungseinrichtung. In anderen sogenannten "monolithischen" Ausführungsformen
werden die Detektions- und Signalverarbeitungsvorgänge
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pub. 3-52iΊ.
11.3.77- -JT-
in demselben Teil des Halbleitcrkörpers durchgeführt.
In einer "inonol i thischen" Ausführungsf orm einer CCD für
Infrarotdetektion und/oder -abbildung sind die Wirkung
und die Struktur grundsätzlich denen einer Silizium-Oberflächen-CCD
gleich, wobei von der Bildung von Erschöpfungsgebieten in der Nähe der Halbleiteroberfläche ausgegangen
wird, von denen unter dem Einfluss von Licht erzeugte Minoritätsladungsträger gesammelt werden. Die Anordnung
unterscheidet sich von üblichen Silizium-Aufnahme-CCD's
in bezug auf das Material der Halbleiterschicht. Dieses Material muss derart gewählt werden, dass sich die Absorptionsspitze
im Infrarotbereich befindet, wobei der Bandabstand des Halbleitermaterials kleiner als die Energie
der Infrarotphotonen ist. Daher ist die Wahl des Materials auf bestimmte Halbleiter mit einem kleinen Bandabstand
beschränkt, die aus den binären und ternären III-V-, II-VI-,
und IV-VI-Verbindungen gewählt werden. Dies ist gewissermassen
bedenklich, weil die Material- und Verarbeitungstechnologien noch nicht so weit wie bei Silizium fortge-
schritten sind.
Auch wurde bereits vorgeschlagen, eine Infrarot-Abbildungs/Detektionsanordnung
zu bilden, die auf dem Anhäufungsbetriebsmodus einer CCD basiert, der dadurch erhalten wird, dass eine MIS-Struktur vorgespannt wird,
wobei derselbe Ladungsträgertyp an der Halbleiteroberfläche
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PHB. 323V»
11.3.77.
wie in der Masse des Halbleiters erhalten wird. Eine notwendige Bedingung ist, dass die Dichte der Majoritätsladungsträger im Halbleitermaterial genügend klein ist,
um eine Oberflächenladungsdichte an Majoritätsladungsträgern
zu liefern, die genügend klein ist, um mit dem in üblichen CCD's verwendeten Ladungsübertragungskonzept verarbeitet
werden zu können. Die wichtigsten sich bei einer derartigen Struktur ergebenden Nachteile sind, dass beim Betrieb eine
grosse Variation in den angelegten Taktspannungen erforderlieh
ist, um genügende Oberflächenpotentialsprünge zu erhalten,
und dass Ladungsträger, die für das Strahlungsmuster
repräsentativ sind, durch Gebiete transportiert werden,
in denen sich viele Eingangszentren befinden. Weiter wird, es sei denn, dass die Periode zum Auslesen der Information
im Vergleich zu der Gesamtrasterperiode sehr kurz ist,
eine Verwischung des Bildes wegen der weiteren Sammlung von Ladungsträgern während der Ausleseperiode auftreten
können.
Eine Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Mitteln verbunden ist, mit
denen örtlich in der ersten Schicht an Stellen, die auf Speicherstellen, die zu dem Ladungsubertragungsregister
gehören, bezogen sind, Erschöpfungsgebiete gebildet werden, in denen "Punch-Through" zu dem genannten zweiten
schichtförmigen Teil auftritt, wodurch Ladungsträger
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PHD.
11.3-77.
- fr-
vom gleichen Typ, die in dem zweiten schichtfürinigen
Teil unter dem Einfluss von Strahlung erzeugt sind, direkt von dem zweiten schichtförmigen Teil in die Speicherstellen
in dem ersten schichtförmigen Teil eingeführt
werden können.
Das Detektieren und/oder Abbilden von Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich kann auf einfache
Weise in einer einzigen Halbleiterstruktur durchgeführt werden, wobei direkte Pakete von Ladungsträgern, die
Musterinforination darstellen, aus dem photoempfindlichen
zweiten schichtförmigen Teil in Speicherstellen in dem
ersten schichtförmigen Teil, die zu dem Ladungsübertragungs—
register gehören, eingeführt werden. Die Zufuhrgeschwindigkeit von Ladungsträgern steht in direktem Zusamraenliaiig
mit der augenblicklichen örtlichen Intensität der einfallenden Strahlung. Während der "Punch-through"-Periode
des Erschöpfungsgebietes wird diese Strahlung daher integriert. Die Grundlage dieser direkten Ladungseinführung,
wodurch auf einfache Weise eine gedrängte und zweckmässige Anordnung erhalten werden kann, die sich
zum Detektieren und/oder Abbilden von z.B. Infrarotstrahlung eignet, wird durch Mittel gebildet, die es
ermöglichen, örtlichen "Punch-Through" von einem Erschöpfungsgebiet zu dem zweiten schichtförmigen Teil durchzuführen.
Dadurch ist es möglich, die Materialien des ersten und des zweiten schichtförmigen Teiles mit Rücksicht auf die
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p::d.
11.3-77.
besonderen Funktionen, die sie erfüllen müssen, zu wählen,
ohne die all zu grosse Beschränkungen in dieser Hinsicht, wie bei gewissen bekannten Anordnungen erforderlich ist.
Tatsächlich ermöglicht die "Punch-through"-Ladungseinführung
es, in einem einzigen Körper, z.B. in einer Anordnung zum Detektieren und/oder Abbilden eines Infrarotstrahlungsmusters,
einen photoempfindlichen Teil holier Güte
und mit einem guten Auflösungsvermögen und einem auf einer Standardtechnik basierenden Ladungsübertragungsregister
anzubringen. Vie nachstehend noch beschrieben werden wird, kann der photoempfindliche Teil aus einem fremdleitenden
Halbleitermaterial oder einem eigenleitenden photoempf
indlichen Halbleitermaterial bestehen. Die obenstehenden
Vorteile treffen insbesondere im letzteren Falle zu, indem sich im allgemeinen herausgestellt hat,
dass bisher eigenleitende Photoleiter eine höhere Güte und ein besseres Auflösungsvermögen beim Detektieren
und/oder Abbilden von Infrarotstrahlung liefern.
Wo von der Einführung von von Strahlung erzeugten freien Ladungsträgern in zu dem Ladungsübertragungsregister
gehörige Speicherstellen die Rede ist, ist dieser Ausdruck derart aufzufassen, dass er* den Fall (a), in dem die
Einführung in direkt zu dem Ladungstransportregister
gehörige Speicherstellen erfolgt, sofern die genannten Stellen durch Elektroden definiert sind, die einen Teil
einer Uebertragungsleitung bilden, über die eine Anzahl
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PHB. 325-Ί^.
11.3.77.
von Strahlung erzeugter Ladungspakete auf Auslesemittel
übertragen werden, und den Fall (b) umfasst, in dem die Einführung in Speicherstellen erfolgt, die indirekt zu
dein Ladungsübertragungsiegister gehören, sofern die genannten
Stellen durch Elektroden, sogenannte Speicher-Gate-Elektroden, definiert sind, die sich in unmittelbarer Nähe
einer Transportleitung befinden, über die von Strahlung erzeugte Ladungspakete auf Aus leseini t tel übertragen werden,
nachdem sie gesondert aus den genannten Speicherstellen
übertragen worden sind.
Ein wichtiger Vorteil der Ladungseinführung
durch "Punch-through" besteht darin, dass man imstande ist,
die Perioden zu regeln, während deren Ladungsträger in die Speicherstellen in dem ersten schichtförmigen Teil
eingeführt werden. Diese Eigenschaft ist von besonderem Interesse im Zusammenhang mit dem grossen Photonenstrom,
dem man beim Detektieren und/oder Abbilden von Infrarotstrahlung begegnen kann. Weiter wird das Problem der
Bildverwischung praktisch vermieden.
' Eine erste Ausführungsform einer Einrichtung
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
zweite schichtförmige Teil aus fremdleitendem Halbleitermaterial
besteht, und wenigstens ein daran grenzender Teil des ersten schichtförmigen Teiles vom entgegengesetzten
Leitungstyp, wobei der zweite schichtförmige Teil
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FHB.
1 1.3.77.
eine Verunreinigungskonzen tra tion entliält, die imstande
ist, bei der Betriebstemperatur Verunreinigungspegel zu liefern, aus denen eingefangene Ladungsträger, die für
den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnend sind, bei
Anregung durch Strahlung im genannten Wellenlängenberrich
ausgelöst werden können.
Obgleich diese Ausführungsform dor Einrichtung
in vielen Fällen eine Abkühlung auf eine niedrige Temperatur erfordert, damit die genannte Verunreinigungskonzentration
Pegel zum Einfangen von Majoritätsladungsträgern liefern
wird, die durch Strahlungsanregung ausgelöst werden können, weist sie das inhärente günstige Merkmal auf, dass im
Gegensatz zu bestimmten bekannten monolithischen Detektoren
mit einem Ladungsübex' traguiigsregi s ter , bei denen die
Wirkung auf der normalen Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
durch Absorption von Strahlung basiert, es für die Detektion und/oder Abbildung nicht mehr unbedingt notwendig
ist, ein Halbleitermaterial anzuwenden, das einen Energiebandabstand,
aufweist, der kleiner als die Photonenenergie der Strahlung ist, für die die Einrichtung
empfindlich sein muss. Weiter kann das Material des ersten schichtförmigen Teiles derart gewählt werden,
dass es die gewünschte Ladungsübertragungswirkung besitzt,
ohne dass durch das besondere Wellenlängenband der Strahlung, für die die Einrichtung empfindlich sein
muss, Beschränkungen auferlegt werden. So ist es z.B. möglich,
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KB. 32
einen Körper mit einem schichtförmigen Teil aus Silizium
in dem ein Ladungsübertragungsregister vorhanden ist, und einer angrenzenden photoempfindlichen Schicht aus
fremdleitendem Silizium anzuwenden, in der die Detektion
und/oder die Abbildung durchgeführt werden.
Ein erster Typ Einrichtung nach der genannten ersten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass
der erste schichtförmige Teil vom entgegengesetzten Leitungstyp ist und das Ladungsubertragungsregister für Ladungstrans-
port von von Strahlung angeregten freien Ladungsträgern ausgebildet ist, die für den ersten Leitungstyp kennzeichnend
sind und in Speicherstellen im ersten schichtförmigen Teil durch den örtlichen "Punch-through" zu dem
zweiten schichtförmigen Teil von Teilen des Erschöpfungs-L5
gebietes, das sich über die Dicke des ersten schichtförmigen Teils erstreckt, eingeführt werden. Der erste
schichtförmige Teil kann hier eine praktisch konventionelle
CCD mit einem an die Oberfläche grenzenden Kanal enthalten. Eine gedrängte und einfache Struktur kann erhalten werden,
z.B. dadurch, dass die CCD in einer epitaktischen Siliziumschicht vom entgegengesetzten Leitungstyp angebracht
wird,,die sich auf einem fremdleitenden Siliziumsubstrat vom ersten Leitungstyp befindet.
Ein zweiter Typ Einrichtung nach der genannten ersten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass
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11.3.77.
der erste schichtförmige Teil ein Gebiet vom einen Leitungstyp enthält, das von dem zweiten schichtförmigen Teil
durch ein Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp getrennt ist, wobei sich ein gleichrichtender Uebergang zwischen
den genannten Gebieten vom ersten und vom entgegengesetzten
Leitungstyp befindet, wobei das Ladungsübertragungsregister
für Betrieb mit Ladungstransport von von Strahlung angeregten freien den ersten Leitungstyp bestimmenden Ladungsträgern
über die Masse des Gebietes vom ersten Leitungstyp ausgebildet wird, wobei diese Ladungsträger in Speicherstellen
im Gebiet vom ersten Leitungstyp durch örtlichen "Punch-through" zu dem zweiten schichtförmigen Teil von
einem Erschöpfungsgebiet, das zu dem genannten gleichrichtenden
Uebergang zwischen den Gebieten vom ersten und vom entgegengesetzten Leitungstyp gehört, eingeführt
werden. Der er.-jte schichtf örmige Teil kann eine praktisch
komventionelle sogenannte "Bulk channel"-CCD enthalten,
mit der die der Anwendung einer derartigen CCD inhärenten Vorteile erhalten werden können. Der Körper kann z.B.
eine doppelte epitaktische Siliziumschichtstruktur enthalten,
die auf einem fremdleitenden Siliziumsubstrat
vom ersten Leitungstyp angebracht ist, wobei Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe das Gebiet vom ersten Leitungstyp, das in der oberen epitaktischen Schicht erzeugt ist,
wenigstens beim Betrieb gegen die Umgebung isoliert wird.
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PUB. 3k5hk.
11.3.77.
In jedem der beschriebenen Typen der Einrichtung nach der genannten ersten Ausführungsform, in denen sowohl
der erste als auch der zweite schichtfÖrmige Teil aus
Silizium bestehen, gibt es viele Möglichkeiten für die Verunreinigungskonzentration in dem zweiten schichtförmigen
Teil, die die Pegel zum Einfangen von Majoritätsladungsträgern
liefert, die durch Strahlungsanregung ausgelöst werden können. Weiter gibt es viele Möglichkeiten
für die Abmessungen der Schicht. In dem Falle einer hohen Ansprechgeschwindigkeit wünscht man insgesamt etwa 10
Verunreinigungszentren/cm2, über die ganze Dicke des zweiten schichtförmigen Teiles gesehen, zu erhalten.
Der spezifische Wert hängt von dem optischen Kollisionsquerschnitt des Verunreinigungszentrumy ab. Für den zweiten
schichtförmigen Teil kann eine Struktur zwischen den
extremen Fällen eines verhältnismässig schwach dotierten schichtfÖrmigen Teiles mit einer grossen Dicke und eines
verhältnisrnässig hoch dotierten schichtf örmigen Teiles mit einer kleinen Dicke gewählt werden. Die erforderliche
Temperatur zum Erhalten der gewünschten Wirkung ist auch ein wichtiger Faktor, weil, obwohl im Rahmen der Erfindung
der Fall liegt, in dem eine Verunreinigungskonzentration, die die Einfangspegel liefert, ein üblicher Donator oder
Akzeptor ist, in einem zweiten schichtförmigen Teil aus n- bzw. p-leitendem Silizium die verwendeten Verunreinigungen
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PIiB. 325^*.
11.3-77. -U-
es notwendig machen können, dass die Einrichtung auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt wird, um zu vermeiden,
dass die Verunreinigungen ohne Strahlung bereits ionisiert werden. Es kann daher empfehlenswert sein, andere weniger
übliche Verunreinigungen anzuwenden, wobei höhere Betriebstemperaturen angewandt werden, und diese Verunreinigungen
weiter in einer Konzentration anzubringen, die der Löslichkeitsgrenze nahe kommt, um das Auflösungsvermögen zu optimieren.
Bei vielen dieser Verunreinigungen wird die Löslichkeitsgrenze von z.B. Silizium niedriger als die der üblichen
Verunreinigungen sein. Dies wird die Anwendung dickerer Schichten notwendig machen, um die gewünschte Absorption
zu erhalten. Bei Anwendung von z.B. Thallium als Verunreinigung in einer p-leitenden Siliziumschicht, deren
Lbslichkeitsgrenze etwa 2 . 10 Verunreinigungsatome/cm3 beträgt, wird es wünschenswert sein, damit eine angemessene
Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung Lm Wellenlängenbereich
von 3 bis 5/um erhalten wird, einen zweiten
schichtförmigen Teil mit einer Dicke von mehreren Hundert
Mikrons anzuwenden. Die Anwendung von Schichten mit verhältnismässig grossen Dicken kann aber das Auflösungsvermögen
beeinträchtigen. Eine andere Möglichkeit für die Verunreinigungskonzentration bei Anwendung von
p-leitendem Silizium für den zweiten schichtförmigen Teil
ist Indium. Eine bevorzugte Ausführung einer Einrichtung nach der genannten ersten Ausführungsform, in der sowohl
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PHB. 11.3.77.
der erste als auch der zweite schichtförmige Teil aus
Silizium bestehen, ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus p-leitendem
Silizium besteht, und dass die genannte Verunreinigungskonzentration mindestens eines der Elemente Indium und
Thallium enthält, wobei eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 5/Um erhalten
wird. Diese Einrichtung kann einen Betrieb bei 60°K für
Detektion und/oder Abbildung von Infrarotstrahlung im genannten Wellenlängenbereich notwendig machen.
Eine andere bevorzugte Ausführung der genannten ersten Ausführungsform, in der der erste sowie der zweite
schichtförmige Teil aus Silizium bestehen, ist dadurch
gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus p-leitendem Silizium besteht und dass die genannte Verunreinigungskonzentration
Gallium enthält, wodurch eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich
von 8 bis 14 /um erhalten wird. Diese Einrichtung
kann einen Betrieb bei 300K für die Detektion und/oder Abbildung von Infrarotstrahlung im genannten Wellenlängenbereich
notwendig machen.
Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine ladungsgekoppelte Anordnung, die sich zur Anwendung in
einer derartigen Einrichtung eignet und einen Körper mit einem ersten schichtförmigen Teil aus Halbleitermaterial
mit einem Ladungsübertragungskanal und einem angrenzenden zweiten schichtförmigen Teil enthält, der von dem
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PHB. 3254/f.
II.3.77.
genannten ersten schichtförmigen Teil begrenzt wird.
Nach der Erfindung ist eine derartige ladungsgekoppelte Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass der genannte zweite
schichtförmige Teil durch fremdleitendes Halbleitermaterial
vom ersten Leitungstyp gebildet wird, das eine Verunreinigungskonzentration enthält, die Verunreinigungspegel
liefern kann, aus denen eingefangene Ladungsträger, die für den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnend sind,
bei Anregung durch Strahlung in einem bestimmten Vellenlängenbereich
ausgelöst werden können, wobei die ladungsgekoppelte Anordnung ein Elektrodensystem enthält, das sich
in der Nähe der Oberfläche des ersten schichtförmigen
Teiles befindet, die dem zweiten schichtförmigen Teil gegenüber liegt und von diesem Teil abgekehrt ist, wobei
das Elektrodensystem dazu angebracht ist, Uebertragung in der Längsrichtung des ersten schichtförmigen Teiles von
Ladungsträgern zu ermöglichen, die für den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnend sind, nach ihrer direkten
Einführung aus dem zweiten schichtförmigen Teil in Speicherstellen im ersten schichtförmigen Teil, die zu
dem Ladungsübcrtragungskanal gehören , wobei wenigstens der Teil des ersten schichtförmigen Teiles, der an den
zweiten schichtförmigen Teil grenzt, den entgegengesetzten
Leitungstyp aufweist und einen gleichrichtenden Uebergang mit dem zweiten schichtförmigen Teil bildet, wobei Einführung
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VHh.
11.3.77.
in die Speicherstelle im ersten schichtförmigen Teil
von freien Ladungsträgern, die den ersten Leitungstyp bestimmen und durch Strahlungsanregung in dem zweiten
schichtförmigen Teil ausgelöst werden, nur über diesen
gleichrichtenden Uebergang und durch örtlichen "Punch-through" von einem Erschöpfungsgebiet, das wenigstens in dem
genannten Teil des ersten schichtförmigen Teiles vom entgegengesetzten Leitungstyp gebildet wird, möglich ist.
Eine derartige Anordnung kann auf verhältnismässig einfache Weise hergestellt und auf die beschriebene Weise
mit Vorteil angewandt werden.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige
Teil den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist und die ladungsgekoppelte Anordnung für Betrieb mit Ladungstransport
von von Strahlung erregten freien Ladungsträgern, die den einen Leitungstyp bestimmen, in der Nähe der genannten
Oberfläche des ersten schichtförmigen Teiles ausgebildet wird, wobei die Dicke und die Dotierungskonzentration
des ersten schichtförmigen Teiles derart sind, dass ein Erschöpfungsgebiet gebildet werden kann,
das sich örtlich über die ganze Dicke des genannten Teiles erstreckt, wobei Durchschlag vermieden wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist
dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige
Teil ein Gebiet vom ersten Leitungstyp enthält, das von dem
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Pllii.
11.3.77. - I? -
zweiten schichtförmigen Teil durch ein Gebiet vom
entgegengesetzten Leitungstyp getrennt ist, wobei ein
gleichrichtender Uebergang zwischen den genannten Gebieten vom ersten Leitungstyp und vom entgegengesetzten Leitungstyp
vorhanden ist, wobei die ladungsgekoppelte Anordnung für Betrieb mit Ladungstransport von von Strahlung erregten
freien Ladungsträgern, die für den ersten Leitungstyp kennzeichnend sind, über die Masse des Gebietes vom ersten
Leitungstryp ausgebildet wird, wobei die Dicke und die Dotierungskonzentration des Gebietes vom ersten Leitungstyp derart sind, dass das Gebiet örtlich unter Vermeidung
von Durchschlag völlig erschöpft werden kann, während die Dicke und die Dotierungskonzentration des Gebiete's vom
entgegengesetzten Leitungstyp derart sind, dass dieses
Gebiet örtlich unter Vermeidung von Durchschlag völlig erschöpft werden kann.
In einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung können der erste schichtförmige Teil und ler
zweite schichtförmige Teil beide aus Silizium bestehen. Die Verunreinigungskonzentration, die sich im zweiten
schichtförmigen Teil befindet, kann derart gewählt werden, dass die beabsichtigte obenbeschriebene Wirkung der
Anordnung erhalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung
befindet sich der erste schichtförmige Teil als epitaktische
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11.3.77.
Schicht auf einem den zweiten schichtförmigen Teil
enthaltenden Substratkörper.
In einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung
nach der Erfindung besteht der zweite schichtförmige Teil
aus einem eigenleitenden photoleitenden Halbleitermaterial,
dessen Energiebandabstand kleiner als die Photonenenergie von Strahlung innerhalb des genannten Wellenlängenbereiches
ist und das einen HeteroÜbergang mit dem Halbleitermaterial des ersten schichtförmigen Teiles bildet. Unter eigenleitendem
photoleitendem Halbleitermaterial ist ein Halbleitermaterial zu verstehen, in dem Loch-Elektron-Paare
von Strahlung in dem genannten Wellenlängenbereich durch Uebergänge über den verbotenen Bandabstand erzeugt werden
können.
Mit Vorteil kann ein eigenleitender Photoleiter
mit einem potentiell höheren Auflösungsvermögen in Verbindung mit einem Ladungsübertragungsregister einer
praktisch üblichen Form in einem einzigen Körper verwendet werden. Auch in diesem Falle ermöglicht das "Punch-through"-Ladungseinführungskonzept
es, diese Kombination anzuwenden. Wo hier von "Punch—through" zu dem zweiten schichtförmigen
Teil die Rede ist, soll dieser Ausdruck bei Anwendung eines eigenleitenden Photoleiters für den zweiten schichtförmigen
Teil in genügend weitem Sinne interpretiert werden, so dass er sowohl den Fall, in dem das Erschöpfungsgebiet, das zu der Speicherstelle im ersten schichtförmigen
709840/0851
PUB.
11.3.77.
11.3.77.
Teil gehört, sich örtlich bis zu einer Sperre zwischen den Gebieten vom entgegengesetzten Leitungstyp am HeteroÜbergang
erstreckt, als auch den Fall umfasst, in dem sich das Erschöpfungsgebiet örtlich bis zu einer Sperre
zwischen Gebieten vom gleichen Leitungstyp am HeteroÜbergang erstreckt. Der Ausdruck "Punch-through" soll
daher bei Anwendung eines eigenleitenden Photoleiters für den zweiten schichtförmigen Teil für den Betriebsmodus des Erschöpfungsgebietes zutreffen, bei dem
örtlich freie Ladungsträger, die Minoritätsladungsträger im Material des ersten schichtförmigen Teiles bilden, der an den HeteroÜbergang grenzt, dem eigenleitenden Photoleiter in der Nähe des Heteroübergangs entzogen werden. Derartige freie Ladungsträger können durch Absorption von Strahlung in dem zweiten schichtförmigen Teil aus einem eigenleitenden photoleitenden Material, das Elektron-Loch-Paare liefert, zur Verfügung kommen. Im Falle, in dem das Material des ersten schichtförmigen Teiles, der an den HeteroÜbergang grenzt und in dem ein Erschöpfungsgebiet gebildet wird, um die örtliche Sammlung von Laungsträgern durchführen zu können, den η-Typ aufweist, werden die gesammelten Ladungsträger aus Löchern bestehen. Wenn das genannte Material des ersten schichtförmigen Teiles,
der an den HeteroÜbergang grenzt, p-leitend ist, werden die gesammelten Ladungsträger aus Elektronen bestehen.
örtlich freie Ladungsträger, die Minoritätsladungsträger im Material des ersten schichtförmigen Teiles bilden, der an den HeteroÜbergang grenzt, dem eigenleitenden Photoleiter in der Nähe des Heteroübergangs entzogen werden. Derartige freie Ladungsträger können durch Absorption von Strahlung in dem zweiten schichtförmigen Teil aus einem eigenleitenden photoleitenden Material, das Elektron-Loch-Paare liefert, zur Verfügung kommen. Im Falle, in dem das Material des ersten schichtförmigen Teiles, der an den HeteroÜbergang grenzt und in dem ein Erschöpfungsgebiet gebildet wird, um die örtliche Sammlung von Laungsträgern durchführen zu können, den η-Typ aufweist, werden die gesammelten Ladungsträger aus Löchern bestehen. Wenn das genannte Material des ersten schichtförmigen Teiles,
der an den HeteroÜbergang grenzt, p-leitend ist, werden die gesammelten Ladungsträger aus Elektronen bestehen.
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PHB.
11.3.77.
Wenn die genannten Ladungsträger von dem Typ sind, der
Majoritätsladungsträger in dem zweiten schichti'örniigen
Teil bildet, wird die Anzahl gesammelter Ladungsträger von dem Hintergrundstrom von Ladungsträgern im zweiten
schichtförmigen Teil zuzüglich der durch Strahlungsabsorption erzeugten Ladungsträger abhängig sein. Wenn
die genannten Ladungsträger vom Typ sind, der Minoritätsladungsträger im ersten schichtförmigen Teil bildet, wird
die Anzahl gesammelter Ladungsträger praktisch ausschliesslieh von den durch Strahlungsabsorption erzeugten Ladungsträgern
abhängig sein. In beiden Fällen erfolgt eine Sammlung von Ladungsträgern, die Minoritätsladungsträger im genannten
angrenzenden Material des ersten schichtförmigen Teiles bilden, die thermisch am HeteroÜbergang erzeugt
werden. Es ist daher wünschenswert, einen HeteroÜbergang mit einer geringen Anzahl von Grenzflächenzuständen anzubringen
.
In der zweiten Ausführungsform, die das eigenleitende photoleitende Halbleitermaterial enthält,. ;basiert
die Wirkung gleichfalls auf der Messung des augenblicklichen Flusses der Strahlung, die örtlich auf einen
elementaren Teil des zweiten schichtförmigen Teiles einfällt, wobei der genannte Fluss während der Periode, in der das
Erschöpfungsgebiet in dem ersten schichtförmigen Teil
zu dem HeteroÜbergang durchgreift, integriert wird.
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f-HB.
11.3.77.
2712A79
Ein möglicher Vorteil dieser weiteren Ausführungsform besteht darin, dass es nicht notwendig ist, bei sehr
niedrigen Temperaturen zu arbeiten; für die Detektion und/oder Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters in z.B.
dem Vellenlängenbereich von 8 bis 14 ,um kann die Anwendung
eines üblichen eigenleitenden photoleitenden Halbleitermaterials für den zweiten schichtförmigen Teil einen
Betrieb auf einer Temperatur über 77°K ermöglichen; dagegen
macht die* Anwendung eines zweiten schichtf örmigen Teiles aus fremdleitendem Halbleitermaterial für eine derartige
Detektion und/oder Abbildung normalerweise eine Betriebstemperatur unter 77°K notwendig.
Eine ladungsgekoppelte Anordnung, die sich zur Anwendung in einer Einrichtung nach der Erfindung nach
der genannten zweiten Ausführungsform eignet, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körper einen ersten schichtförmigen
Teil aus Halbleitermaterial m:.t einem Ladungsübertragungskanal
und einen angrenzenden zweiten schichtförmigen Teil aus einem eigenleitenden photoleitenden
Halbleitermaterial enthält, der an den genannten ersten schichtförmigen Teil grenzt und mit dem genannten ersten
schichtförmigen Teil einen HeteroÜbergang bildet, wobei die ladungsgekoppelte Anordnung ein Elektrodensystem
enthält, das sich in der Nähe der Oberfläche des ersten schichtförmigen Teiles befindet, die dem zweiten schicht-
709840/0851
11.3.77.
förmigen Teil gegenüber liegt und von diesem Teil abgekehrt ist, wobei dieses Elektrodensystem dazu angebracht ist,
die Uebertragung in der Längsrichtung des ersten schichtförmigen Teiles von Ladungsträgern, die den ersten Leitungstyp
bestimmen, nach ihrer direkten Einführung aus dem zweiten schichtförmigen Teil in zu dem Ladungsübertragungskanal
gehörige Speicherstellen im ersten schichtförmigen Teil zu ermöglichen, wobei wenigstens der Teil des ersten
schichtförmigen Teiles, der an den HeteroÜbergang grenzt,
den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist.
Eine derartige Anordnung weist, wie die obenbeschriebene zweite Ausführungsform der Anordnung, grosse
Vorteile auf. Insbesondere kann eine Anordnung, die sich zum Detektieren und/oder Abbilden eines Infrarotstrahlungsmusters
eignet, unter Verwendung praktisch konventioneller Techniken und Materialien sowohl für das Ladungsübertragungsregister
als auch für die Strahlungsdetektion und/oder -abbildung hergestellt werden. Ferner kann, vorausgesetzt,
dass die beiden Materialien kompatibel sind, eine grosse Wahlfreiheit in bezug auf das Material des
eigenleitenden photoleitenden zweiten schichtförmigen
Teiles bestehen, ohne dass dem Material des ersten schichtförmigen Teiles, in dem sich der Ladungsübertragungskanal
befindet, eine Beschränkung auferlegt wird, vorausgesetzt, dass der notwendige HeteroÜbergang mit einer
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PHL1. 32544.
11.3.77.
genügend kleinen Anzahl von Oberflächenzuständen hergestellt
werden kann. Der erste schichtförmige Teil kann z.B. aus Silizium bestehen.
In einer besonderen Ausführung ist der zweite schichtförmige Teil vom entgegengesetzten Leitungstyp.
In dieser Ausführungsform ist der HeteroÜbergang also
ein p-p- oder n-n-Heteroübergang und wird die Zufuhr von Ladungsträgern aus dem zweiten schichtförmigen Teil
praktisch von der augenblicklichen Geschwindigkeit der Erzeugung durch Strahlung von Ladungsträgern von dem
Typ, durch den Minoritätsladungsträger in dem genannten
zweiten schichtförmigen Teil gebildet werden, abhängen und
wird daher nicht von einem Hin tergrund.s trorn von Majoritätsladungsträgern abhängig sein. In einer anderen Ausführung
ist der eigenleitende photoleitende zweite schichtförmige Teil vom ersten Leitungstyp und ist der HeteroÜbergang
somit ein pn-Heteroübergang.
Die genannten Anordnungen mit einem eigenleitendon
photoleitenden zweiten schichtförmigen Teil können für
Betrieb entweder mit Oberflächentransport oder mit Massen transport im Ladungsubertragungsregister ausgebildet
werden. Im ersteren Falle weist der erste schichtförmige Teil den entgegengesetzten Leitungstyp auf und
ist das Ladungsubertragungsregister für Betrieb mit Ladungstransport von für den ersten Leitungstyp kennzeichnenden
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PUB. 32rjkh.
11.3.77.
Ladungsträgern ausgebildet. Die Dicke und die Dotierungskonzentration
des ersten schichtförmigen Teiles sind dabei derart, dass örtliche Erschöpfungsgebietteile gebildet
werden können, die sich über die ganze Dicke des genannten > Teiles erstrecken, wobei Durchschlag vermieden wird.
Bei Anwendung von Silizium für den ersten schichtförmigen
Teil gibt es, abhängig von den verschiedenen Anwendungen, verschiedene Möglichkeiten für den zweiten
schichtförmigen Teil. In einem Beispiel, in dem die Anordnung
für das Ansprechen auf Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 5/u"i ausgebildet ist, kann für den
ersten schichtförmigen Teil η-leitendes Silizium und
für den zweiten schichtförmigen Teil η-leitendes Bleisulfid
verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform, die für dieselbe Anwendung geeignet ist, werden für den ersten
schichtförmigen Teil η-leitendes Silizium und für den
zweiten schichtförmigen Teil p-leitendes Bleitellurid
verwendet.
Der aus eigenleitendem photoleitendem Halbleitermaterial
bestehende zweite schichtförmige Teil kann als eine niedergeschlagene Schicht auf dem ersten scliichtförmigen
Teil erhalten werden. Im allgemeinen kann die Dicke eines eigenleitenden photoleitenden zweiten
schichtförmigen Teiles wesentlich kleiner sein als wenn
ein fremdleitender zweiter schichtförmiger Teil verwendet wird,
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PHD 325'»^·
11.3.77.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Einrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 schematisch die Wellenformen der beim Betrieb der ladungsgekoppelten Anordnung nach Fig. 1
verwendeten Taktspannungen,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Einrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. k einen Teil eines Querschnittes durch
eine ladungsgekoppelte Anordnung zur Anwendung in einer Einrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine ladungsgekoppelte Anordnung zur Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters
in einem Wellenlängenbereich von 3 bis 5/um« Die Anordnung
enthält einen Halbleiterkörper, von dem nur ein Teil in Fig. 1 dargestellt ist. Der Deutlichkeit halber zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte Ausführungsform, in der die
Abbildungselemente im Halbleiterkörper eine lineare Reihe bilden. Im Rahmen der Erfindung bestehen aber auch
Anordnungen, bei denen die Abbildungsteile als ein zweidimensionales Muster, ein sogenannter Sensor, ausgebildet
sind. Der Halbleiterkörper enthält einen ersten schichtförmigen Teil, in dem ein Ladungsübertragungskanal
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11.3.77.
vorhanden ist, und einen zweiten schichtförmigen Teil,
in dem freie Ladungsträger erzeugt werden können, wenn dieser Teil einer Infrarotstrahlung im genannten Wellenlängenbereich
ausgesetzt wird.
Der zweite schichtförmige Teil des Halbleiterkörpers
enthält ein Substrat 1 aus fremdleitendem dotiertem p—leitendem Silizium mit einer Dicke von 200 /um. Die
Substratdotierung besteht aus Indium und weist eine Konzen—
* 17 — 3
tration von 2 . 10 Atomen/cm auf.
Auf der Unterseite des Substrats 1 befindet sich ein ρ —diffundiertes Gebiet 2 mit einem niedrigen spezifischen
Widerstand, das ein Kontaktgebiet mit dem p-leitenden Substrat bildet. Auf dem Substrat befindet sich der erste
schichtförmige Teil, der eine η-leitende epitaktische
Schicht 3 aus Silizium mit einer Dicke von 5 /um und
einer praktisch gleichmässigen Phosphordotierung von
1U — 3
5 . 10 Atomen/cm enthält. Auf der Oberfläche k der
epitaktischen Schicht 3 befindet sich eine Isolierschicht aus Siliziumoxid. Auf der Oberfläche der Isolierschicht
befindet sich ein Elektrodensystem, das aus nahe beieinander liegenden Aluminiumschichtteilen 6 besteht.
Diese Elektroden sind dazu angebracht, kapazitiv elektrische Felder in der Schicht 3 zu erzeugen, mit deren Hilfe
über das Strahlungsmuster Information von Paketen von Minoritätsladungsträgern (Löchern) gesammelt und sequentiell
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PHB. 325hk.
Π.3.77.
auf Auslesemittel übertragen werden können. In dieser
Ausführungsform bestehen die Auslesemittel aus einem
ρ -diffundierten Gebiet 7>
das über eine Gleichstromvorspannungsquelle 8 und einen Widerstand ° mit Erde
,5 verbunden ist. Eine Ausgangsspannung V , die die Grosse
OU Lr
der Ladungspakete angibt, wie sie sequentiell auf das Ausgangsdiffusionsgebiet 7 übertragen werden, kann an
der angegebenen Stelle abgeleitet werden.
Die Elektroden 6 sind in sequentiellen Gruppen von vier über Leitungen 0., 0„, 0„, 0, mit einer Quelle
von Vierphasentaktspannungen verbunden. Die Leitung 0, ist ausserdem mit einer weiteren Taktspannungsquelle 12 verbunden,
die mit der Quelle 11 synchronisiert ist. Die mittels der Elektroden und der Vierphasentaktspannungsquelle
11 erzielte Ladungsübertragungswirkung ist praktisch konventionell. Die zusätzliche Quelle 12 ist dazu vorgesehen,
periodisch eine grosse negative Spannung an die
Leitung 0, anzulegen, wobei während dieser Perioden
die Spannungen an den Leitungen 0^ , 02 und 0~ auf beträchtlich
niedrigeren negativen Pegeln gehalten werden. Die Wellenformen der Spannungen an den Leitungen 0Λ, 02, 0~ und 0,
sind in Fig. 2 dargestellt. Für die Ladungsübertragung von Minoritätsladungsträgern (Löchern) auf die Auslesestufe
nach der Einführung in Speicherstellen ändern sich die Taktspannungen an den Leitungen 0, und 0„ zwischen
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PKB.
11.3.77.
2712A79
-2V und -6V, während sich dagegen die Taktspannungen
an den Leitungen 0„ und 0. während dieses Teiles des
Zyklus zwischen -^V und -8V ändern. Am Ende der in Fig.
mit t bezeichneten Ausleseperiode liefert die Quelle 12 eine Spannung von -20V an der Leitung 0, , während die
Leitungen #L , 0„ und 0„ auf -2, -h bzw. -6V gehalten werden
Die grosse negative Spannung an der Leitung 0<
ist genügend, um die Teile des Erschöpfungsgebietes, die unter denen der Elektroden 6, die mit der Leitung 0, verbunden
sind, gebildet sind, sich völlig über die Schicht 3 ausbreiten und zu dem pn-Uebergang zwischen dem Substrat 1
und der Schicht 3 vordringen zu lassen. Dieser Zustand samt dem Anlegen der konstanten negativen Spannungen
an die Leitungen 0 1, 0„ und 0„ wird während einer Integrationsperiode
t. aufrechterhalten. Die Länge von t. kann bei Abbildung mit der Anordnung nach Fig. 1 eines Infrarotmusters
im Wellenlängenbereich von 3 bis 5/um z.B. im
Bereich von 100 /usec liegen.
Die Anordnung ist der Einfallsrichtung des Strahlungsmusters angepasst. Normalerweise wird die
Anordnung derart betrieben, dass das Strahlungsmuster zu der Unterseite des Substrats hin gerichtet ist.
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform kann die Struktur derart geändert werden, dass die Strahlung auf
der Qberseite einfallen kann. In diesem Falle werden
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PHB.
11.3.77.
wenigstens die Elektroden 6 aus einem Material mit einer die Uebertragung der Infrarotstrahlung gestattenden Dicke
hergestellt.
Bei der Betriebstemperatur der Anordnung (6θ°Κ)
sind im Substrat praktisch alle Pegel, die von der Indiumverunreinigung geliefert sind, mit Löchern gefüllt, die
bei Anregung durch Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich
von 3 bis 5 /um ausgelöst werden können. Zwischen einer Verbindung mit der η-leitenden Schicht 3 und einer
Verbindung mit dem ρ -Oberflächengebiet 2 des Substrats ist eine Vorspannungsquelle \k eingeschaltet. Die Richtung
der Vorspannungsquelle ist derart, dass der Uebergang zwischen der Schicht 3 und dem Substrat 1 in der Sperrrichtung
vorgespannt ist. Dies ermöglicht einen alternativen Betrieb, bei dem der "Punch—through" entsprechend der
Vorspannung am genannten Uebergang gesteuert wird. Freie Löcher, die durch die anregende Infrarotstrahlung in
jenen Teilen des Substrats ausgelöst werden, die direkt unter den mit der Leitung 0, verbundenen Elektroden und
in der Nähe dieser Teile liegen und zu dem pn-Uebergang driften, werden bei "Punch-through" direkt in die Schicht
über die genannten Teile des Erschöpfungsgebietes in der Schicht 1 unter diesen Elektroden eingeführt. Unter
jeder der mit der Leitung 0, verbundenen Elektroden 6 werden freie Ladungsträger in Form von Löchern aus dem
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PHB. 32 5-1^.
11.3.77.
2712A79
Substrat 1 in die Schicht 3 über den zu den genannten
Elektroden gehörigen "Punch-through"-Erschöpfungsgebietteil eingeführt werden. Diese Löcher werden dann als
Minoritätsladungsträger in der Schicht 3 in einer Speicherstelle
in der Nähe der Oberfläche 4 unter der zugehörigen
Elektrode 6 gespeichert. Während einer Integrationsperiode t. wird daher eine Menge von Löchern in jede
derartiger Speicherstellen mit einer Geschwindigkeit eingeführt werden, die für die gesamte augenblickliche Strahlung, die
auf den betreffenden Teil des Substrats unter der mit der Leitung 0, verbundenen Elektrode einfällt, repräsentativ
ist. So ist z.B. in Fig. 1 für die dargestellte drei Speicherstellen die auf die Teile des Substrats unter den~
genannten Speicherstellen einfallende Strahlung mit drei gesonderten Werten hV..
> hV *> hV angegeben, während die
Menge von Löchern, die in die Speicherstellen eingeführt ist, mit +++, ++ bzw. + angegeben ist.
Am Ende der Integrationsperiode wird die an die Leitung 0· angelegte Spannung auf etwa —8V herabgesetzt,
wodurch sich die Erschöpfungsgebiete von dem pn-Uebergang zurückziehen. Dann werden durch eine übliche Vierphasen-Übertragungswirkung
die einzelnen Ladungspakete auf die Auslesemittel übertragen. Die Ausleseperiode t wird
u.a. durch die Anzahl Abbildungsbits der linearen Reihe bestimmt werden.
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PUB.
11.3.77.
Bei einem hohen Photonenfluss, der im Infrarotbereich
des Spektrums auftritt, kann die Gesamtrasterperiode, d.h. t. + t , wer.häl tnismässig kurz sein.
Im Falle z.B. einer linearen Reihe von 100 Bits kann die Gesamtrasterperiode I50 Mikrosekunden betragen und von
dieser Gesamtperiode beträgt die Integrationsperiode 100 Mikrosekunden. Die wirkliche Rasterperiode wird durch
eine Anzahl von Faktoren für einen bestimmten Fall, einschliesslich der Art und der Konzentration der Verunreinigungsdotieriing
im Substrat, bestimmt werden. Die Dauer des Abbildungsintegrationsteils der Rasterperiode wird im
Zusammenhang mit der Dotierungskonzentration des Substrats gewählt, so dass bei Infrarotstrahlung mit einer maximalen
Intensität, die über die genannte Gesamtperiode auf jeden Abbildungsteil des Substrats einfällt, die Abmessung des
Ladungspakets auf 10 Löcher/cm2 beschränkt werden wird.
Eine zweite Ausführungsform einer Anordnung wird nachstehend an Hand der Fig. 3 der beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. In dieser Anordnung sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in
der ersten Ausführungsform bezeichnet. Der wichtigste
Unterschied mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel besteht darin, dass in Fig. 3 der erste schichtförmige
Teil ein η-leitender Halbleiterteil 3 mit einer Dicke
von 10 /um ist, der mittels einer Materialentfernungsbehandlung
709840/0851
aus einem Ausgangskörper erhalten und auf der Unterseite mit dem zweiten schichtförmigen Teil versehen ist, der
eine niedergeschlagene Schicht 21 aus einem eigenleitenden photoleitenden Material, in diesem Falle n-leitendem
'5 Bleisulfid, mit einer Dicke von 5/u™ enthält. Auf der
Unterseite der Schicht 21 befindet sich eine metallene ohmsche Kontaktschicht 22 in Form einer Matrix, über deren
Oeffnungen Infrarotstrahlung einfallen kann. Diese Anordnung ist auch für die Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters
im Wellenlängenbereich von 3 bis 5/um entworfen, wobei
die Strahlung auf der Unterseite der Schicht 21 einfällt. Für die Steuerschaltung, einschliesslich der Vierphasentaktspannungsquelle
11 und der zugehörigen Quelle 12, kann die gleiche Schaltung wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel
verwendet werden. Die Auslesemittel können ebenfalls denen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels
gleich sein, aber die Kontaktschicht 22 mit der n-leitenden Bleisulfidschicht 21 und der Kontakt mit der n-leitenden
Schicht 3 sind in dem vorliegenden Beispiel auf demselben Potential gehalten. Diese Anordnung wird bei 15O0K betrieben
und durch Anwendung einer eigenleitenden photoleitenden
Schicht mit einer für die gegebene Dicke verhältnismässig hohen Absorption kann ein höherer Wert für den Faktor der
Detektierbarkeit D bei demselben Wert des räumlichen Auflösungsvermögens erhalten werden. Die Wirkung basiert
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PKB.
11237*ί72479
auf der Infrarotstrahlung im genannten Wellenlängenbereich
die Elektron-Loch-Paare bei Absorption in dem zweiten schichtförmigen Teil aus η-leitendem Bleisulfid erzeugt.
Diejenigen Löcher, die unter den mit der Leitung 0·
verbundenen Elektroden erzeugt werden und zu dem Uebergang diffundieren oder driften, werden von den Teilen des
Erschöpfungsgebietes unter den genannten Elektroden gesammelt werden, die durch ihren Verlauf zu der n-leitenden
Schicht hin als im "Punch-through"-Zustand betrachtet werden.
Fig. h zeigt rein schematisch einen Querschnitt durch einen kleinen Teil einer Einrichtung mit einer
ladungsgekoppelten Anordnung, in der der erste und der
zweite schichtförmige Teil beide aus Silizium bestehen
und das Ladungsübertragungsregister im ersten schichtförmigen
Teil für Betrieb mit der Uebertragung von Majoritätsladungsträgern über das Innere oder die Masse eines sich
im ersten schichtförmigen Teil befindenden Gebietes ausgebildet
ist.
Diese Anordnung bildet eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, wobei entsprechende Teile und
Gebiete mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Das p-leitende Substrat 1 aus fremdleitendem Silizium sowie die ρ -Kontaktschicht 2 bestehen aus demselben
Material und weisen die gleichen Abmessungen wie bei der Anordnung nach Fig. 1 auf. Auf dem Substrat 1 befindet
709840/0851
PHB. 11.3.77.
sich eine doppelte epitaktische SiliziUmschichtstruktur, die
aus einer ersten η-leitenden Schicht 31 und einer zweiten
p-leitenden Schicht 32 besteht, wobei diese Schichten
je eine Dicke von etwa 5/um aufweisen. Die Dotierung
jeder Schicht ist derart gewählt, dass diese Schicht örtlich völlig erschöpft werden kann, ohne dass Durchschlag
auftritt. Die p-leitende Schicht 32 ist gegen die Umgebung
durch die Oberflächenisolierschicht 50 und durch ein
η -diffundiertes Gebiet (nicht im Schnitt nach Fig. k
dargestellt) isoliert, wobei das letztere Gebiet sich von der genannten Oberfläche zu der η-leitenden Schicht
erstreckt, wobei dieses η -Gebiet seitlich das Gebiet in der p-leitenden Schicht 32 begrenzt, in dem Ladungstransport von Löchern in einer mit dem Pfeil 33 ange-
deuteten Richtung stattfindet. Die über die Leitungen 0 , 0p, 0_ und 0, mit einer Quelle von Vierphasentaktspannungen
verbundenen Elektroden erstrecken sich in einer zu der Ladungstransportrichtung senkrechten Richtung praktisch
über die ganze Breite des p-leitenden Gebietes, das von dem n+-diffundierten Gebiet begrenzt wird. Die Leitung 0^
ist weiter mit einer zusätzlichen Quelle verbunden, die mit der Vlerphasentaktspannungsquelle synchronisiert
ist und zur Aufrechterhaltung einer weniger positiven Spannung an der Leitung 0^ dient, wenn die Spannungen
an den Leitungen 0 , 0 und 0„ auf positiveren vorher
709840/0851
PV'3. 3?
bestimmten Pegeln gehalten werden. Beim Betrieb sind die Spannungspegel an den Leitungen 0 - 0, und an der
η-leitenden Schicht 31 derart, dass bei dem an die
p-leitende Schicht 32 angelegten Potential z.B. über eine
Auslesestufe der pn-Uebergang zwischen den Schichten 3I
und 32 in der Sperrichtung vorgespannt ist und sich die
Ausdehnung auf dem zu diesem Uebergang gehörigen Erschöpfungsgebiet mit den angelegten Taktspannungen ändert.
Während der normalen Ladungsübertragungswirkung von Löchern über das Innere der p-leitenden Schicht 33» bei welchem
Betrieb diejenigen Teile der Schicht 32 unter den Elektroden,
in denen inforniationstragende Ladungspakete nicht vorhanden
sind, völlig erschöpft sind, erstreckt sich das zu dem pn-Uebergang zwischen den Schichten 31 und 32 gehörige
Erschöpfungsgebiet nicht bis zu dem pn-Uebergang zwischen dem Substrat 1 und der Schicht 31. Für die örtliche
Einführung aus dem Substrat 1 von von Strahlung angeregten freien Löchern in Speicherstellen in der p-leitenden
Schicht 32, die sich unter den mit der Leitung 0, verbundenen
Elektroden befindet, wird die Spannung an der
■
Leitung 0· weniger positiv gemacht, so dass das genannte Erschöpfungsgebiet örtlich zu dem Substrat 1 unter den mit der Leitung 0· verbundenen Elektroden durchschlägt. Dieser Zustand ist für eine der Speicherstellen in Fig. dargestellt und die Einführung von Löchern in die
Leitung 0· weniger positiv gemacht, so dass das genannte Erschöpfungsgebiet örtlich zu dem Substrat 1 unter den mit der Leitung 0· verbundenen Elektroden durchschlägt. Dieser Zustand ist für eine der Speicherstellen in Fig. dargestellt und die Einführung von Löchern in die
709840/0851
3. J 2 5 Vt. 11.3.77.
Speicherstelle ist mit einem Pfeil Jh angedeutet. Obwohl
es möglich ist, den augenblicklichen Strahlungsfluss
während der "Punch-through"-Periode zu integrieren, kann
die M^nge Ladung, die in irgendeine Speicherstelle eingeführt
werden kann, nicht so hoch wie in einer Ausführungsform sein, bei der ein an die Oberfläche grenzendes Kanalladungsübertragungsregister
verwendet wird. Für eine vollständige Beschreibung des Mechanismus, von dem die Majoritätsladungsträger (Löcher in der p-leitenden Schicht 32)
über das Innere einer Schicht zu Auslesemitteln transportiert werden, sei auf die britische Patentschrift
Nr. 1 *Π4 183 verwiesen.
Es ist einleuchtend, dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abwandlungen möglich sind.
Obgleich also die beschriebenen Ausführungsformen für
Betrieb mit Vierphasentaktspannungen ausgebildet sind,
ist es auch möglich, Anordnungen für Betrieb mit z.B. Zweiphasen- oder Dreiphasentaktspannungen auszubilden.
In der beschriebenen Ausführungsform, in der die Photodetektion in einem eigenleitenden photoleitenden
Halbleitermaterial stattfinden, und zwar in der an Hand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform, wird beispielsweise
Bleisulfid als eigenleitendes photoleitendes Material
verwendet. Andere eigenleitende photoleitende Materialien könrm aber Anwendung finden, z.B. Materialien, die in
709U0/0851
FHE. 32*>hh.
11.3.77.
Infrarotdetektoren gebräuchlich sind, abhängig von ihrer
normalen spektralen Empfindlichkeit, um ein Strahlungsmuster
in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu detektieren und/oder abzubilden. Ferner wird die Zusammensetzung
einiger solcher Materialien weiter in Abhängigkeit von der gewünschten spektralen Empfindlichkeit gewählt werden.
Um den Einfall von Strahlung auf den fremdleitenden oder eigenleitenden Teil des photoleitenden Halbleiterkörpers
auf den gewünschten Wellenlängenbereich zu beschränken, können Strahlungsfilter in üblicher Form verwendet werden,
z,B. wie sie in der Technik von Infrarotdetektoren Anwendung finden.
709840/0851
Leerseite
Claims (1)
- rim. 325ιU.11.3.77. - 9& -271247 jPATENTANSPRUECHE:1/ Einrichtung mit einem Ladungsübertragungsregister zur Umwandlung eines elektromagnetischen Strahlungsmusters in einem bestimmten Wellenlängenbereich in elektrische Signale mit einem Körper, der einen ersten schichtförmigen Teil aus Halbleitermaterial, der einen Teil des Ladungsübertragungskanals zum Transportieren von Information in bezug auf das Strahlungsmuster darstellenden Ladungsträgern bildet, und einen angrenzenden zweiten schichtförmigen Teil enthält, der an den ersten schichtförmigen Teil grenzt und ein photoempfindliches Halbleitermaterial enthält, das freie Ladungsträger bei Absorption von Strahlung innerhalb des genannten Wellenlängenbereiches erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Mitteln verbunden ist, mit denen örtlich in der ersten Schicht an Stellen, die auf Speichersteller, die zu dem Ladungsübertragungsregister gehören, bezogen sind, Erschöpfungsgebiete gebildet werden, in denen "Punch-through" zu dem genannten zweiten schichtförmigen Teil auftritt, wodurch Ladungsträger vom gleichen Typ, die in dem zweiten schichtförmigen Teil unter dem Einfluss von Strahlung erzeugt sind, direkt von dem zweiten schichtförmigen Teil in die Speicherstelle in dem ersten schichtförmigen Teil eingeführt werden können.2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus fremdleitendem709840/0851ORIGINAL INSPECTEDPHB. yz^hh. 11.3.77.• I-Halbleitermaterial vorn ersten Leitungstyp besteht und dass mindestens ein angrenzender Teil des ersten schichtförmigen Teiles den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist, wobei der zweite schichtförmige Teil eine Verunreinigungskonzentration enthält, die imstande ist, bei der Betriebstemperatur Verunreinxgungspegel zu liefern, aus denen für den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnende eingefangene Ladungsträger bei Anregung durch Strahlung im genannten Wellenlängenbereich ausgelöst werden können. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist und das Ladungsübertragungsregister für Ladungstransport von durch Strahlung angeregten freien Ladungsträgern ausgebildet ist, die für den ersten Leitungstyp kennzeichnend sind und die in Speicherstellen im ersten schichtförmigen Teil durch den örtlichen "Punch-through" zu dem zweiten schichtförmigen Teil von den Teilen des Erschöpfungsgebietes, das sich über die Dicke des schichtförmigen Teiles erstreckt, eingeführt werden. h. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil ein Gebiet vom ersten Leitungstyp enthält, das von dem zweiten schichtförmigen Teil durch ein Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp getrennt ist, wobei sich ein gleichrichtender Uebergang zwischen den genannten Gebieten vom ersten und vom709840/0851Tun. 325h:,. 11.3.77.•3.entgegengesetzten Leitungstyp befindet, wobei das Ladungsübertragungsregister für Betrieb mit einem Ladungstransport von durch Strahlung angeregten freien für den ersten Leitungstyp kennzeichnenden Ladungsträgern über die Masse des Gebietes vom ersten Leitungstyp ausgbildet ist, wobei diese Ladungsträger in Speicherstellen in dem Gebiet vom ersten Leitungstyp durch örtlichen "Punch-through" zu dem zweiten schichtförmigen Teil von einem Erschöpfungsgebiet eingeführt werden, das zu dem genannten gleichrichtenden Uebergang zwischen den Gebieten vom ersten und vom entgegengesetzten Leitungstyp gehört.5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil und der zweite schichtförmige Teil beide aus Silizium bestehen.6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus p-leitendem Silizium besteht und die genannte Verunreinigungskonzentration mindestens eines der Elemente Indium und Thallium enthält, wodurch eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 5/um erhalten wird.7. Einrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus p-leitendem Silizium besteht und die genannte Verunreinigungskonzentration709840/0851PUB.11.3.77.Gallium enthält, wodurch eine Empfindlichkeit füi" Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 8 bis 14 -um erhalten wird.8. Ladungsgekoppelte Anordnung zur Anwendung in einer Einrichtung nach Anspruch 2 mit einem Körper mit einem ersten schichtförniigen Teil aus Halbleitermaterial mit einem Ladungsübertragungskanal und einem angrenzenden zweiten schichtförinigen Teil, der an den genannten ersten schichtförmigen Teil grenzt und aus fremdleitendem Halbleitermaterial vom ersten Leitungstyp besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte zweite schichtförmige Teil eine Verunreinigungskonzentration aufweist, mit der Verunreinigungspegel geliefert werden können, aus denen eingefangene Ladungsträger, die für den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnend sind, bei Anregung durch Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich ausgelöst werden können, wobei die Anordnung ein Elektrodensystem enthält, das sich in der Nähe der Oberfläche des ersten schichtförmigen Teiles befindet, die dem zweiten schichtförmigen Teil gegenüber liegt und von diesem Teil abgekehrt ist, wobei das genannte Elektrodensystem dazu angebracht ist, Uebertragung in der Längsrichtung des ersten schichtförmigen Teiles der für den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnenden Ladungsträger nach direkter Einführung aus dem zweiten schichtförmigen Teil in Speicherstellen709840/0851PT1B. 3': 3 Vl.11.3.77.im ersten schichtförmigen Teil, die zu dein Lathings transportregister gehören, zu ermöglichen, wobei wenigstens der Teil des ersten schichtiörmigen Teiles, der an den zweiten schichtförmigen Teil grenzt, den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist und einen gleichrichtenden Uebergang mit dem zweiten schichtförmigen Teil bildet, wobei Einführung in Speicherstellen im ersten schichtförmigen Teil von freien Ladungsträgern, die für den genannten ersten Leitungstyp kennzeichnend sind und durch Strahlungsanregung im zweiten schichtförmigen Teil ausgelöst werden, nur über diesen gleichrichtenden Uebergang und durch örtlichen "Punch—through" von einem Erschöpfungsgebiet möglich ist, das wenigstens im genannten Teil des ersten schichtförmigen Teiles vorn entgegengesetzten Leitungstyp gebildet wird. 9. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtfötmige Teil den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist und die ladungsgekoppelte Anordnung für Betrieb mit Ladungstransport von durch Strahlung angeregten freien für den ersten Leitungstyp kennzeichnenden Ladungsträgern in der Nähe der Oberfläche des ersten schichtförmigen Teiles ausgebildet ist, wobei die Dicke und die Dotierungskonzentration des ersten schichtförmigen Teiles derart sind, dass ein Erschöpfungsgebiet gebildet werden kann, das sich örtlich709840/085111.3.77.über die ganze Dicke des genannten Teiles erstreckt, wobei Durchschlag vermieden wird.10. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil ein Gebiet vom ersten Leitungstyp bildet, das von dem zweiten schichtförmigeri Teil durch ein Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp getrennt ist, wobei ein gleichrichtender Uebergang zwischen den genannten Gebieten vom ersten und vom entgegengestzten Leitungstyp vorhanden ist, wobei das Ladungsübertragungsregister für Betrieb mit Ladungstransport von durch Strahlung angeregten freien für den ersten Leitungstyp kennzeichnenden Ladungeträgern über die Masse des Gebietes vom ersten Leitungstyp ausgebildet ist, wobei die Dicke und die Dotierungskonzentration des Gebietes vom ersten Leitungstyp derart sind, dass das Gebiet örtlich völlig erschöpft werden kann, wobei Durchschlag vermieden wird, während die Dicke und die Dotierungskonzentration des Gebietes vom entgegengesetzten Leitungstyp derart sind, dass das genannte Gebiet örtlich völlig erschöpft werden kann, wobei Durchschlag vermieden wird.11. Ladungsgekoppelte Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil und der zweite schichtförmige Teil beide aus Silizium bestehen.709840/0851PHB, 3P.')kh. 11.3.77.12. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte schichtförmige Teil aus p-leitendem Silizium besteht, dass die genannte Verunreinigungskonzentration mindestens eines der Elemente Indium und Thallium enthält und dass dabei eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 /Um erhalten wird.13· Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus p-leitendem Silizium besteht, dass die genannte Verunreinigungskonzentration Gallium enthält und dass dabei eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 8 und i4,uin erhalten wird. 14. Ladungsgekoppelte Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13i dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil als eine epitaktische Schicht auf einem Substratkörper vorhanden ist, der den zweiten schichtförmigen Teil enthält.15· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil aus einem eigenleitenden photoleitenden Halbleitermaterial besteht, dessen Energiebandabstand kleiner als die Photonenenergie von Strahlung innerhalb des genannten Vellenlangenbereiches ist und das einen HeteroÜbergang mit dem Halbleitermaterial des ersten schichtförmigen Teiles bildet.709840/0851PUB. 5 11.3.77.16. Ladungsgekoppelte Anordnung zur Anwendung in einer Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Körper mit einem ersten schichtförmigen Teil aus Halbleitermaterial mit einem Ladungsübertragungskanal und einem angrenzenden zweiten schichtförmigen Teil aus einem eigenleitenden photoleitenden Halbleitermaterial, der an den genannten ersten schichtförmigen Teil grenzt und einen HeteroÜbergang mit dem ersten schichtförmigen Teil bildet, wobei die ladungsgekoppelte Anordnung ein Elektrodensystem enthält, das sich in der Nähe der Oberfläche des ersten schichtförmigen Teiles befindet, die dem zweiten schichtförmigen Teil gegenüber liegt und von diesem Teil abgekehrt ist, wobei das Elektrodensystem dazu angebracht ist, Uebertragung in der Längsrichtung des ersten schichtförmigen Teiles von den ersten Leitungstyp kennzeichnenden Ladungsträgern nach direkter Einführung aus dem zweiten schichtförmigen Teil in zu der ladungsgekoppelten Anordnung gehörige Speicherstell-en im ersten schichtf örmigen Teil zu ermöglichen, wobei wenigstens der Teil des ersten schichtförmigen Teiles, der an den HeteroÜbergang grenzt, den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. 17· Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schichtförmige Teil den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist.709840/0851PUB. 325V1. II.3.77.•J.18. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 16. oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist und das Ladungsübertragungsregister für Betrieb mit Ladungstransport von für den ersten Leitungstyp kennzeichnenden Ladungsträgern in der Nähe der genannten Oberfläche des ersten schichtförmigen Teiles ausgebildet ist, wobei die Dicke und die Dotierungskonzentration des ersten schichtförmigen Teiles derart sind, dass örtlich Erschöpfungsgebietteile gebildet werden können, die sich über die ganze Dicke des genannten Teiles erstrecken, wobei Durchschlag vermieden wird.19· Ladungsgekoppelte Anordnung nach den Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförniige Teil aus Silizium besteht.20. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 19> dadurch gekennzeichnet, dass der erste schichtförmige Teil aus η-leitendem Silizium und der zweite schichtförmige Teil aus η-leitendem Bleisulfid besteht.709840/0851
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