DE2813225A1 - Halbleitervorrichtung fuer eine umwandlung zwischen analog- und digitalsignalen - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung befaßt sich mit einer Halbleitervorrxchtungzur Analog-Digital-Signalumwandlung, mit einer ersten und einer dazu im wesentlichen identischen und von dieser getrennten zweiten Signalmuldenoberflachen zone, in einer Hauptoberfläche eines Halbleiterkörpers, wobei die Zonen unter der elektrischen Steuerung von einer ersten bzw. einer zweiten Elektrode stehen, die im wesentlichen identisch sind und über der ersten bzw. zweiten Oberflächenzone liegen, und mit einer ersten Einrichtung zum Einbringen von Analogsignalladung in die erste Zone.

Auf dem Gebiet der Fernsprechnachrichtenübertragung möchte man ein analoges Eingangssignal in ein binäres, digitales Ausgangssignal umwandeln, um während der Übertragung durchgeführte Signalverarbeitungsfunktionen wie Verstärkung an verschiedenen Punkten längs des übertragungsweges billiger durchführen zu können. Andererseits neigen derzeitige Analog-Digital-Wandler selbst dazu, teuer zu sein, und zwar aufgrund ihrer Hybridstrukturen mit den geforderten genauen Toleranzen, d. h., Strukturen, die sehr genaue Elemente

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nicht in der Form kompakter integrierter Schaltungen erfordern.

Wie es auf dem Gebiet der ladungsgekoppelten Schaltungen (CCD) bekannt ist, kann eine "Potentialmulde" in einer Oberflächenzone eines Halbleiterkörpers gebildet werden, und zwar aufgrund einer geeigneten Spannung, die einer darüber!iegenden Elektrode zugeführt wird, die von der Oberfläche des Halbleiterkörpers typischerweise durch eine dünne Isolierschicht getrennt ist. Diese Potentialmulde kann als eine Speicherstelle für elektrische Ladungsträger dienen, wie jene, die in diese Stelle gemäß eines analogen Eingangssignals injiziert oder übertragen worden sind. Diese injizierten Ladungen können dann mittels verschiedener Methoden, wie sie auf dem Gebiet der Halbleiter-Ladungsverschiebungselemente bekannt sind, in die Mulde gebracht werden. Eine Vielzahl solcher Potentialmulden kann folglich zur Verteilung analoger Ladung auf eine oder mehrere solcher Mulden verwendet werden.

In der ÜS-PS 3 958 210 ist ein System zur Analog-Digital-Umwandlung beschrieben, das eine ladungsgekoppelte Halbleiterschaltung umfaßt, bei der die Eigenschaften von Potentialmulden ausgenutzt werden. Der Halbleiter-CCD-Teil dieses Systems erzeugte jedoch lediglich eine digitale Zähl-

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darstellung (ein Zahlensystem auf der Basis 1) des analogen Eingangssignals, und das System erforderte eine komplexe Logikschaltungsanordnung zur Umwandlung dieser auf der Basis 1 beruhenden digitalen (Zähl-)darstellung in die letztlich gewünschte Darstellung im Binärzahlensystem. Eine Analogeingabedarstellung der Zahl η wurde also durch den ladungsgekoppelten Schaltungsteil· in eine Folge von lediglich η "Einsen" (1, 1, 1, ... 1, 1, 1) entsprechend dem auf der Basis 1 beruhenden Zahlensystem umgewandelt, und nicht direkt in die gewünschte binäre Folge sowohl von "Einsen" und "Nullen". Es war eine komplexe Logikschaltungsanordnung erforderlich, um die anschließende Umwandlung in eine Darstellung der Zahl η im Binävzahlensystem vorzunehmen, d. h. in eine Binärsteilenfolge wie

(1, 0, 1, 0, 1, 1), welche die Zahl η=1χ2^χ + 0x2^x~¹ +

1x2^l~²+...+ Ox2² + 1x2¹ + 1x2° darstellt, wobei i so gewählt ist, daß 1X2¹ das "höchstwertige Bit" in der Zahl η ist. Auch hängt die Genauigkeit davon ab, daß alle die vielen Mulden gleich sind.

Folglich ist es wünschenswert, eine Halbleitervorrichtung zur direkten Umwandlung eines Analogsignals direkt in eine binäre digitale Zahlendarstellung zu haben.

Eine solche Vorrichtung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. - 1 eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrich-

y--':-:- :_"'- tüiig zur Analog-Digital-Umwandlung entsprechend

. ._.:^:v .7 ν -V"" einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungs-

_"'""" " ."'■" ^r form;

/Fig". 2. eine Seitenansicht eines Querschnittes durch ":'-''. \ ^: die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung;

"■■ Fig. 3 eine Seitenansicht eines anderen Querschnitts durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines weiteren Querschnitts ^: durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung; und

Fig. 5v1

bis 5.13 schematische Darstellungen verschiedener Teile .;"■""" "." der in Fig. T gezeigten Vorrichtung zur Erläu-

terung der Arbeitsweise der speziellen erfin- : dungsgemäßen Ausführungsform.

Lediglich aus Gründen der Klarheit ist keine der Zeichnungen maßstabsgerecht.

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Ein Paar im wesentlichen identischer Oberflächenpotentialmulden ist durch eine Gateoberflächenzone in einem Halbleiterkörper verbunden. Diese Gatezone ist in ihren Ausmaßen durch eine ihr zugeordnete darüber liegende Gateelektrode 14 definiert, die zur Steuerung des Ladungsflusses von der ersten Mulde zur zweiten Mulde durch diese Gatezone dient. Analogsignalladung, die in den Halbleiterkörper entsprechend einem analogen Eingangssignal injiziert worden ist, wird anfänglich in die erste Mulde übertragen. Wenn das Oberflächenpotential dieser Mulde aufgrund der in ihr enthaltenen Ladung einen Bezugswert übersteigt, der dem höchstwertigen binären Bit der Digitalzahl entspricht, wird diese Ladung gleichmäßig auf beide Mulden verteilt, die den Analogwert darstellen. Das heißt, es besteht ein Ladungsfluß von der ersten Mulde zur zweiten Mulde, und zwar durch die Gatezone zwischen diesen Mulden, bis die Oberflächenpotentiale dieser Mulden in gegenseitigem Gleichgewicht sind. Dann wird ein Teil der Ladung von der zweiten Mulde durch die Gatezone zurück in die erste Mulde übertragen, bis das Oberflächenpotential der letzteren Mulde den dem höchstwertigen Bit entsprechenden Bezugswert erreicht. Auf diese Weise repräsentiert der in der zweiten Mulde verbleibende Teil der Signalladung die ursprüngliche Analogsignalladung abzüglich des höchstwertigen Bit. Der Vorgang kann dann, unter Verwendung dieser Restladung als neue Analogladung wiederholt werden, um die anderen, geringerwertigen Bits im gewünschten

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Digitalzahlensystem zu. bestimmen.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) umfaßt ein Analog-Digital-Wandler eine Anordnung von HaIbleiteroberflächenpotentialmulden, die je eine darüberliegende Elektrode aufweisen und sich auf einer Hauptoberfläche eines Halbleiterkörpers befinden. Ein erstes Paar dieser Mulden (genannt "Signal-A-Mulde" bzw. "Signal-B-Mulde") ist im wesentlicnen. identisch. Eine steuerbare Oberflächengatezone befindet sich zwischen der Signal-B-Mulde und der Signal-A-Mulde, um die Oberflächenpotentiale dieser Mulden gegenseitig zu verbinden und auszugleichen, indem die Ladungsübertragung zwischen, diesen Mulden durch diese Gatezone ermöglicht wird. Ein anderes Paar Potentialmulden (genannt "Hilfsmulde" bzw. "Sammelmulde") sind durch eine zweite steuerbare Oberflächengatezone getrennt. Diese zweite Gatezone wird durch eine darüber liegende Gateelektrode gesteuert, die mit der über der Signal-A-Mulde liegenden Elektrode ("Signal-A-Platte") elektrisch verbunden ist. Die über der Hilfsmulde liegende Elektrode ist mit der über der Signal-B-Mulde liegenden Elektrode ("Signal-B-Platte") leitend verbunden. Die Sammelmulde besitzt eine andere Gatezone zum Einbringen von Ladung aus einem Ladungsquellen-"Vorrat" sowie noch eine weitere Gatezone zur Ausgabe von Ladung zu einer Ladungssenke. Diese letztere Gatezone wird durch eine

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darüber liegende Elektrode gesteuert, die mit der Bezug- :■ Α-Platte leitend verbunden ist. ,

Während des Betriebs wird ein der Analogeingabe proportionales Analogladungspaket in der Signal-A-Mulde gebildet und dann mit einem ersten Bezugswert verglichen, der einer ersten (größten) Probe für das "höchstwertige Bit" entspricht. Wenn, und nur wenn, die Analogladung diesen Bezugswert übersteigt, wird diese Ladung auf die Signal-A-Mulde und die Signal-B-Mulde verteilt und ausgeglichen; ansonsten wird der Bezugswert auf einen zweiten Bezugswert halbiert und wird die Analogladung wieder mit diesem zweiten Bezugswert verglichen, und dieser Vorgang des Halbierens des Bezugswertfco wird wiederholt, bis das ursprüngliche Analogsignal das erste Mal größer als- einer dieser Bezugswerte wird. Dann wird Ladung steuerbar aus dem Vorrat in die Sammelstelle gegeben, wodurch die Sammelmulde gefüllt und eine Ladungsübertragung von der Sammelmulde zur Hilfsmulde bewirkt wird, bis das Oberflächenpotential der Hilfsmulde auf einen "Bezug"-Spannungswert ansteigt, zu welchem Zeitpunkt die Sammelmulde dann Ladung vom Vorrat zur Ladungssenke überträgt, anstatt Ladung ferner zur Hilfsmulde zu übertragen. Dieser Ladungsfluß in die Hilfsmulde induziert einen Signalladungsfluß von der Signal-B-Mulde zur Signal-A-Mulde, der aufhört, wenn das Oberflächenpotential der Hilfsmulde auf einen "Bezug"-Wert

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ansteigt..Dieser.Bezugwert wird so vorgewählt, daß die von der Signal-B-Mulde zur Signal-A-Mulde übertragene Ladung dem höchstwertigen Bit des Ursprungssignals entspricht, dadurch entspricht der in der Signal-B-Mulde ■zvtrti.ckbl.elb.ende Teil der.Signalladung den übrig bleibenden geringerwertigen Bits (falls vorhanden) des Ursprungssignals» . ._:: ■ ■

Der "Bezug"-Spannungswert wird durch eine Potentialmulde eines weiteren Paars im wesentlichen identischer "Bezug"-Potentialmulden bestimmt. Dabei ist eine dieser Bezugsmulden anfänglich mit Bezugsladungsträgern gefüllt und teilt dann diese,Ladung gleichermaßen mit der anderen Bezugsmulde. Dadurch wird der geeignete Wert für das "höchstwertige Bit" der in der Signal-B-Mulde und der Signal-A-Muide verteilten Ladung in einer Weise hergestellt, die unabhängig ist von Nichtiinearitaten der Kapazität (Spannung bezüglich Ladung) in beiden Signal- und Bezugsmulden. Diesen Bezugswert erhält man in der Signal-A-Mulde, wenn die darin enthaltene Ladung dem "höchstwertigen Bit" entspricht.

Eine Neueinstellung des Bezugswertes für das nächst geringer wertige Bit (Bit mit der nächsthöchsten Wertigkeit) kann erhalten werden, indem die Bezugsladung gleichermaßen auf die Bezugsmulden aufgeteilt wird. Dadurch wird die Bezugsladung in der Bezugsmulde, die zur Bestimmung des nächst

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geringerwertigen Bits in, der dann. in. der Signal-B-Mulde zurückbleibenden Signalladung verwendet wird, halbiert, d. h. nach der übertragung des höchstwertigen Bits, der Signalladung von der Signal-B-Mulde zur Signal-A-Mulde. _ . Auf diese Weise kann man Bezugswerte zur Bestimmung-der., geringerwertigen Bits (wenn vorhanden), im Signal erhalten.

In den Fig..1 bis 4 ist die obere Hauptoberfläche eines einkristallinen N-leitenden Siliciumhalbleiterkörpers 100 mit einem Feld hochdotierter P -Oberflächenζonen (in Fig. 1 schraffierte Bereiche) der Hauptoberfläche des Körpers zusammen mit einem darüber liegenden Feld von Elektroden (oder "Platten") versehen. Die Dqtierungs- .

werte für die P- und N -Zonen liegen bei den. üblichen Werten,.

wie sie beim herkömmlichen N-Kanal-CCD-Betrieb verwendet

15 werden, typischerweise im.Bereich von 10 signifikanten Dotierstoffakzeptoren pro cm für P-leitendes Silicium und

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im Bereich von 10 signifikanten Dotierstoffdonatpren pro

cn*, für N⁺-leitendes Silicium. Die ob ere Oberfläche des Körpers 100 ist mit einer relativ dicken (100 nm) Siliciumdioxidisolierschicht bedeckt, in der die verschiedenen Elektroden eingebettet sind, wie es auf dem CCD-Gebiet bekannt ist. Vorteilhafterweise besitzt die Siliciumdioxidschicht eine gleichmäßige Qualität, so daß die darunter liegenden Halbleiteroberflächenzonen gleichmäßige elektrische Eigenschaften

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besitzen. Jede der oben liegenden Elektroden besitzt einen Anschluß zum Anlegen geeigneter Steuerspannungen oder ist mittels einer Metallisierungsleitung mit einer anderen Elektrode verbunden; beispielsweise ist eine Elektrode 13 über eine Metallisierungsleitung 25 (typischerweise polykristallines Silicium) mit einer Elektrode 28 verbunden, eine Elektrode 15 über eine Metallisierungsleitung 26 mit °iner Elektrode 29 und eine Elektrode 20 über eine Metallisierungsleitung 27 mit einer Elektrode 31. Auch wenn die Zeichnung nicht maßstabsgerecht ist, wird darauf hingewiesen, daß Elektroden 12, 14, 16, 18, 21, 23, 29, 31, 33 und 35, die als Gateelektroden zur Steuerung der übertragung von Ladungen zwischen Mulden dienen, bezüglich der effektiven Gatefläche (Kapazität) vorteilhafterweise alle wenigstens etwa eine oder zwei (was von der gewünschten Anzahl binärer Ziffern abhängt) Größenordnungen kleiner sind als alle anderen Elektroden, die als Oberflächenpotentialmuldenelektroden zur Steuerung der Ladungsspeicherkapazitäten der darunter liegenden Mulden dienen.

Für einen geeigneten Betrieb ist es wichtig, daß die Muldenelektroden 13 und 15 im wesentlichen gleiche Flächen besitzen, innerhalb einer Abweichung von 1 % für eine Binärumwandlung von 6 Ziffernstellen, und daß die Muldenelektroden 20 und 22 im wesentlichen gleiche Flächen aufweisen. Vorteil-

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hafter- und üblicherweise besitzen die Muldenelektroden ebene Unterflächen, die in gleichem Abstand von und parallel zur Halbleiteroberfläche angeordnet sind, um ein gleichförmiges Muldenverhaiten zu schaffen. Typischerweise besitzt jede der Muldenelektroden 13, 15, 20 und 22 eine Quadratfläche

2 mit einer Seitenlänge von etwa 100 μπι (10.000 um ) oder mehr; dagegen weist jede der Gateelektroden 14 und 21 eine Quadrat-

fläche mit einer Seitenlänge von etwa 10 μΐη (100 um ) oder weniger auf.

Wenn das elektrische Potential einer Gatezone, die zwischen zwei Ladung enthaltenden Mulden angeordnet ist, erhöht wird (Fig. 5.3-5.4, 5.10-5.11), gibt es gewöhnlich eine zufällige Schwankung ("Rauschen") bei der Ladungsmenge, die in den beiden der Gatezone benachbarten Mulden resultiert. Um dieses Rauschen zu verringern, kann die Gateelektrode in drei rechteckige Abschnitte ("Streifen") aufgeteilt werden. Einer dieser Streifen, der auf einem ersten Metallisierungsniveau angeordnet ist, liegt oben neben einer der Mulden. Ein weiterer dieser Streifen, der sich auf dem gleichen ersten Metallisierungsniveau befindet, liegt oben neben der anderen Mulde. Und der dritte dieser Streifen ist zwischen den anderen beiden Streifen auf einem vom ersten Niveau unterschiedlichen zweiten Metallisierungsniveau. Man kann dadurch

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erreichen_r.,daß.das resultierende Oberflächenpotentialprofil: aufgrund;-der angelegten Spannungen einer umgekehrten, .Parabel-../mit bestimmtem Scheitel (in der Mitte der Gatezone;) gleicht; dadurch .wird, wenn das Potential der Gäteelek^rode- erhöht wird, die Ladung in der Gatezone in zwei ..bestimmte, relativ rauschfreie Hälften zur übertragung._:jLn j,e,de ;der benachbarten Mulden aufgeteilt. Mit ausreichend _Lku^r^^en Gatekanälen (5 μm oder weniger), tendiert das Potentialprofil jedoch dazu, genügend ηicht- eben für eine gleiche Ladungsaufteilung zu sein. Zur Kompensation dieser nicht, .verschwindenden Ladungsmenge (die höhere Oberflächenpotentiale bewirkt), die in die unter den Elektroden 20 und 22 liegenden Mulden übertragen wird und auf einem kleinen aber nicht verschwindenden Betrag der Ladungsspeicherkapazität der unter der zwischenliegenden Gateelektrode.21 befindlichen zwischenliegenden Gatezone beruht (Fig^ 5 .3-5.4 )_; wird die Fläche einer jeden der im wesentlichen gleichen Elektroden 13 und 15 vorteilhafterweise etwas kleiner als die Fläche der im wesentlichen gleichen .Elektroden 20 und 22 gemacht. Genauer ist die Fläche einer jeden der Elektroden 13 und 15 vorteilhafterweise gleich der Fläche der Elektrode 20 abzüglich der Hälfte der Fläche der viel kleineren Gateelektrode 14, die ihrerseits im wesentlichen gleich der Fläche der Gateelektrode 21 ist.

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Vorteilhafterweise wird auch die Größe (Fläche) der Hilfsmuldenplatte 28 wenigstens näherungsweise gleich der der Signal-B-Platte 13 gemacht, um die Ladungshandhabung sfähigke it gleich zu machen. Die Fläche der Sammelplatte 30 wird vorteilhafterweise ebenfalls etwa gleich derjenigen der Hilfsplatte gemacht.

Die N -Zone 11 dient als Quelle für die Injektion von negativen Elektronenladungsträgern in die unter der Elektrode 13 gebildete Potentialmulde aufgrund geeigneter angelegter Spannungen. Die Übertragung solcher Ladungsträger von der N -Zone 11 zu dieser Mulde geschieht unter der Steuerung der unter der Elektrode 12 liegenden. Halbleiteroberflächenzone, die als Gateventil bezüglich einer solchen Ladungsübertragung wirkt, aufgrund der vorteilhaften Überlappung (Fig. 2) dieser Elektrode 12 mit der N -Zone 11 und der Elektrode 13, wie sie auf dem CCD-Gebiet bekannt ist. überdies kann die N -Zone 11 durch geeignete angelegte Spannungen als eine Senke für die Absorption von Ladung dienen, die in der der Muldenelektrode 13 zugeordneten Oberflächenpotentialmulde gespeichert werden kann. Gleichermaßen dient jede der N⁺-Zonen 17, 19, 24, 32 und als eine Ladungsquelle (oder -senke) für jede der Oberflächenpotentialmulden unter den Muldenelektroden 15, 20, 22, 30 bzw. 34, die der Steuerung von Gateelektroden 16, 18, 23, bzw. 35 unterliegen. Die verschiedenen N -Zonen und Elektroden

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sind getrennt mit einer symbolisch durch Blöcke 200 dargestellten Steuerschaltung leitend verbunden, um eine elektronische Steuerung für das augenblickliche Potential dieser Zonen und Elektroden zu schaffen, wie es unten ausführlicher beschrieben ist.

Die Muldenzonen, wie die Signal-Α- und Signal-B-Mulden (unter den Signal-Α- und -B-Platten) und die Bezug-A- und -B-Mulden (unter den Bezug -A- und -B-Platten) sind in ihrer seitlichen Ausdehnung (Fig. 1) durch die darüber liegenden Elektrodenplatten begrenzt. Die seitlichen Ausdehnungen dieser Muldenzonen können jedoch auch durch andere Mittel begrenzt sein wie durch "Kanalstopp"-Zonen genau unter dem diese Muldenzonen umgebenden dicken Oxid. Bekanntlich kann eine Kanalstoppzone eine hochdotierte Oberflächen-Zone des Halbleitersubstrats sein, die vom gleichen Leitungstyp ist wie die Substratzone, in der die Mulden liegen.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise ist die Bemerkung wichtig, daß ein geeignetes positives Potential V„ an einer Muldenelektrode dazu neigt, die unter dieser Elektrode liegende Oberflächenzone dazu zu befähigen, übermäßige Minoritätsladungsträger (Elektronen) zurückzuhalten, die in die resultierende "Mulde" gebracht worden sind, wie es auf dem CCD-

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Gebiet bekannt ist. Umgekehrt neig*- ein geeignetes negatives Potential V dazu, die Mulde von jeglichen

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solchen Minoritätsladungsträgern zu leeren. Typischerweise beträgt V etwa 17 Volt und V etwa 5 Volt, gegenüber dem Substratpotential. Die zwischen allen Muldenelektroden liegenden Zonen relativ dicken Oxids neigen zur Erzeugung von Barrierenoberflächehpotentialen· im Halbleiter, die einen Ladungsfluß von einer Mulde zu einer anderen verhindern. So besteht die einzige Möglichkeit zur Ladungsverschiebung von einer Mulde zu einer anderen über eine Gateoberflächenzone, die zwischen den beiden Mulden liegt und sich unter einer Gateelektrode befindet, an die ein geeignetes negatives Potential angelegt wird, wobei die Gatezone an beide Mulden angrenzt.

Bekanntlich reicht die Oxiddicke über jenen Oberflächenzonen des Halbleiters, welche nicht durch darüberliegende Elektroden (zusammen mit der Störstellendotierung der Halbleiteroberfläche) gesteuert werden, aus, um das Oberflächenpotential dieser Oberflächenzonen zu allen Zeiten während des Betriebes gleich dem Volumensubstratpotential zu machen. Folglich ist zu allen Zeiten während des Betriebs das Halbleiteroberflächenpotential unter dem dicken Oxid höher als das unter irgendeiner der Elektroden auftretende

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Potential,"wie es in den in den Fig. 5.1-5.13 gezeigten Oberflächenpotentialprofilen angedeutet ist.

Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die während des Betriebs von den verschiedenen Muldenelektroden und Gateelektroden durchgeführt werden, ist es nützlich, diese Elektroden.mit Bezeichnungen entsprechend der folgenden Tabelle zu benennen:

Elektrode	Bezeichnung
13	Signal-B-Platte
15	Signal-A-Platte
20	Bezug-A-Platte
22	Bezug-B-Platte
28	Hilfsplatte
30	Sammelplatte
34	Vorratsplatte
29	• Signal-A-Gate
31	Bezug-A-Gate
33	Sammelgate

Obwohl das Oberflächenpotential einer Mulde beim Nichtvorhandensein einer Ladung in dieser nicht genau gleich dem Potential der über einer solchen Mulde liegenden Elektrode ist, ist dennoch die resultierende Potentialdifferenz relativ klein und von geringer Wichtigkeit, wenn eine genügend dünne und gleichförmige Oxidschicht zwischen der Elektrode und der Halbleiteroberfläche verwendet wird, wie es auf diesem Gebiet bekannt ist. überdies besteht eine

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Neigung dazu, daß sich diese kleinen Potentialdifferenzen bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung aufheben, da das Oxid bei verschiedenen Mulden die gleiche Qualität und Dicke besitzt. Folglich wird bei der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise diese kleine Differenz der Potentiale nicht in Betracht gezogen.

Die Arbeitsweise wird nun anhand der Fig. 5.1-5.13 beschrieben, die in symbolischer Form die verschiedenen Gate- und Muldenelektroden der Fig. 1 zusammen mit dem entsprechenden Oberflächenpotentialprofil zeigen. Die Sammelelektrode ist in den Fig. 5.1-5.13 an zwei verschiedenen Stellen gezeigt. Diese Verdopplung der Sammelelektrode dient jedoch nur dem Zweck, längs einer Dimension das zweidimensionale Funktionieren der darunter liegenden Sammelmulde zu zeigen, d. h., sowohl längs der Schnittlinie 3-3 als auch der Schnittlinie 4-4 der Fig. 1. In den Fig. 5.1-5.13 ist jede Elektrode, der das Potential V_n zugeführt wird, an ihrem Anschluß mit dem Buchstaben "R" versehen; jede Elektrode, der das Potential V„ zugeführt wird, ist mit dem Buchstaben "W" gekennzeichnet. Schraffierte Bereiche in den Fig. 5-.-"I-5.13 repräsentieren überschüssige Elektronenladungsträger. Solche überschüssigen Ladungsträger sind immer in den dotierten N Zonen vorhanden. Andererseits können überschüssige Ladungsträger in einer (nicht dotierten) Potentialmulde nur vorhan-

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den sein, nachdem sie zu dieser entweder von einer N -Zone übertragen worden sind oder von einer anderen Mulde, die zuvor Überschußladung enthielt.

Während des Betriebes werden anfangs die Spannungen V und V an die verschiedenen Elektroden des Feldes angelegt, wie es in Fig. 5.1 gezeigt ist, um leere Mulden (frei von überschüssiger Ladung) im Halbleiter unter den Signal-B- und -Α-Platten, den Bezug-B- und -A-Platten, der Sammelplatte und der Vorratsplatte zu erzeugen. Das Oberflächenpotentialprofil, das sich dadurch für Elektronen ergibt, ist in Fig. 5.1 genau unter dem Elektrodenfeld gezeigt. Die schraffierten Bereiche dieses Profils, die N Zonen darstellen, werden vorteilhafterweise immer auf Potentialwerten unter V gehalten (ausgenommen, wenn eine dieser N -Zonen Ladungen in eine Mulde injiziert). Aufgrund der Ohmschen Verbindung ist der Potentialwert am Signal-A-Gate 29 immer gleich dem der Signal-A-Platte 15. Gleichermaßen ist das Potential des Bezug-A-Gates 31 gleich dem der Bezug-A-Platte 20; und gleichermaßen ist das Potential der Hilfsplatte 28 gleich dem der Signal- B-Platte 13.

Wie Fig. 5.2 zeigt, wird die Bezug-B-Mulde mit einem vollen "Eimer" Ladung, die nachfolgend als "Bezugsladung" bezeichnet wird, gefüllt, während die Signal-B-Mulde teilweise mit

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"Signalladung" entsprechend dem Wert des Analogsignals gefüllt wird. Das Einbringen dieser Ladungen in die Signal-B-Mulde und die Bezug-B-Mulde kann entsprechend den bekannten CCD-Methoden durchgeführt werden. Beispielsweise wird die Signalladung durch geeignete Steuerung der Potentiale der N -Zone 11 und der Gateelektrode 12 in die Signal-B-Mulde eingebracht; und durch geeignete Steuerung des Potentials der N -Zone 24 in Zusammenwirkung mit dem Potential der Gateelektrode 23 wird die Bezugsladung in die Bezug-B-Mulde gebracht. Solche Methoden sind beispielsweise in dem Buch Charge Transfer Devices von C. H. Sequin und M. F. Tompsett, Academic Press, 1975, S. bis 50, beschrieben. Lediglich zur Bestimmtheit beim speziellen Erläuterungsbeispiel, das ausführlich beschrieben wird, ist die Ladungsmenge unter der Signal-B-Platte in Fig. 5.2 als 3/4 eines vollen Eimers angegeben, d. h., ein Signal entsprechend dem 1 1/2-fachen eines halbvollen Eimers, so daß das Signal der Zahl 110000 in sechsstelliger Binärdarstellung entspricht. Das höchstwertige Bit (1) in diesem speziellen Signal entspricht somit der Hälfte eines vollen Eimers, das Bit (1) mit der nächsthöchsten Wertigkeit entspricht einem Viertel eines vollen Eimers, und alle anderen Bits (Nullen) entsprechen einem leeren Eimer.

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Ein "voller" Eimer heißt nicht notwendigerweise, daß ■die Ladungen die Potentialmulde vollständig füllen, was während der Übertragung möglicherweise zu einem Ladüngsüberläufen führen könnte, sondern ein "voller" Eimer bedeutet vielmehr die maximale Menge der in die Mulde zu bringenden Ladung, wie sie durch die an die Elektroden angelegten Spannungen bestimmt ist. Nachdem die Signalladungen in die Signal-B-Mulde und die Bezugsladungin die Bezug-B-Mulde gebracht worden sind, werden die Gateelektroden 12 und 13 auf die Spannung V_n zurückgebracht; und die N -Zonen 11 und 12 werden auf ihre früheren Werte unter V„ (Fig. 5.2) zurückgebracht.

Der nächste Schritt ist in Fig. 5.3 dargestellt. Demgemäß ist die ,Bezugsladung gleichmäßig zwischen der Bezug-A-Mulde und der Bezug-B-Mulde aufgeteilt worden, und zwar aufgrund einer Absenkung des dem Gate 21 zugeführten Potentials auf Vj.. Auf diese Weise enthalten die Bezug-A-Mulde und die Bezug-B-Mulde je die Hälfte eines vollen Eimers.

Wie Fig. 5.4 zeigt, ist das dem Gate 21 zugeführte Potential auf V„ angehoben, und dann wird die Bezug-A-Mulde von ihrer gesamten Ladung entleert. Dieses Entleeren der Bezug-A-Mulde kann beispielsweise mit Hilfe einer Absenkung des Potentials

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der Gateelektrode 18 (Fig. 1) auf v„ geschehen, während die N -Zone 19 auf einem Potential unter V gehalten wird. Nachdem die Bezug-A-Mulde so von all ihrer überschüssigen Ladung entleert worden ist, läßt man die Bezug-A-Platte elektrisch schwimmen, wie es durch die Bezeichnung "F" angedeutet ist. Gleichermaßen läßt man die Signal-A-Platte ebenfalls schwimmen. Für eine relativ lange Zeitdauer im Vergleich zu einer Arbeitszyklusdauex entsprechend einem einzigen Bit, die wiederum kleiner als die thermische Abfallzeit ist, bleiben daher sowohl die Bezug-A-Platte als auch die Signal-A-Platte auf dem Potential V„, wenn nicht und bis dieses Plattenpotential gestört wird, entweder durch einen Ladungsfluß in die Mulde oder durch das Anlegen einer äußeren Spannung an die Platte. Am Ende der vorausgehenden Schritte sind das Potentialprofil der Mulden und die Ladungsmengen (schraffierte Flächen) in den Mulden wie in Fig. 5.4 dargestellt. Der in Fig. 5.5 gezeigte nächste Schritt umfaßt die Übertragung von Analog-Signalladung in die Signal-A-Mulde und die Übertragung von Bezugsladung in die Bezug-A-MuIde, während sowohl die Signal-A-Mulde als auch die Bezug-Ä-Mulde elektrisch schwimmen. Diese Übertragungen werden vorteilhafter durchgeführt, indem das Potential der Gateelektroden 14 und 21 auf V„ abgesenkt wird, worauf eine Erhöhung der Potentiale sowohl an der Signal-B-Platte als auch der Bezug-B-Platte auf V_, folgt,

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während die Signal-A-Platte und die Bezug-A-Platte schwimmend gehalten werden. Aufgrund der Tatsache, daß die Signal-A-MuIde während einer Zeit, zu welcher die Signal-A-Platte schwimmt, teilweise mit Ladung gefüllt wird, kommt das Potential am Signal-A-Gate 29 ins Gleichgewicht mit dem entsprechend dem Oberflächenpotential einer Mulde, die gemäß einem Analogsignal teilweise gefüllt ist. Aufgrund der Ohmschen Verbindung zwischen der Gateelektrode 31 und der Bezug-A-Muldenelektrode und der Tatsache, daß die Bezug-A-Platte zur Hälfte mit Bezugsladung gefüllt war, zu einer Zeit, zu welcher die Bezug-A-Platte schwamm, nachdem sie sich zuvor auf einem Potential y„ befunden hatte, wird die Bezug-A-Gateelektrode 31 auf ein Potential entsprechend einer halbgefüllten darunter liegenden Mulde (ausgenommen die kleine Ladungsmenge unter der Gateelektrode 21) gebracht. Auch das Potential der Hilfsmulde wird aufgrund von deren Ohmscher Verbindung mit der Signal-B-Platte auf ein Potential entsprechend dem Potential V dieser Signal-B-Platte gebracht.

Der nächste Schritt (Fig. 5.6) umfaßt die Erhöhung des Potentials der Gateelektroden 14 und 21 auf V_., worauf das

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Absenken der Potentiale sowohl der Bezug-B-Platte als auch der Signal-B-Platte auf V folgt, wodurch die Hilfsmulde auf das Potential V zurückgebracht und das Bezug-A-Gate-

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elektrodenpotential genau auf das Äquivalent einer halbgefüllten Mulde gebracht wird. Eine Fühler- und Vergleichsschaltungsanordnung 201 (Fig. 1) stellt dann fest, ob die Signalladung in der Signal-A-Mulde größer als die Ladung in der Bezug-A-Mulde ist, beispielsweise mit Hilfe eines torgesteuerten Flipflop-Detektors in dieser Schaltungsanordnung 201. Die gewünschte Binärdarstellung wird somit durch die Folge der Ergebnisse solcher Vergleiche erzeugt: "1", wenn das Potential der Signal-A-Mulde größer als das der Bezugs-A-Mulde ist, und ansonsten ¹¹O". Diese Ergebnisse werden über eine Leitung 202 an die Steuerschal·tungsanordnung 200 übertragen .

Wenn, entgegen dem Erläuterungsbeispiel, nicht genügend Signalladung vorhanden ist, um das Oberflächenpotential in der Signal-A-Mulde größer als das Oberflächenpotential der Bezug-A-Mulde zu machen (binäre "0"), dann bedeutet dies, daß das höchstwertige Bit in dem Signal kleiner als die Hälfte eines vollen Eimers ist. In einem solchen Fall wird die Bezugsladung noch einmal zwischen der Bezug-AMulde und der Bezug-B-Mulde aufgeteilt, und zwar in einer Weise, die der Bedingung der Fig. 5.3 gleich ist (mit der Ausnahme, daß nun jede Bezugsmulde nur viertelvoll ist). Dann wird die Bezug-A-Mulde entleert (wie bei Fig. 5.4),

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und darauf wird die Bezugsladung (nämlich ein Viertel eines vollen Eimers); zur Bezug-Α-Mulde übertragen, zu einer Zeit, zu welcher letztere schwimmt (wie bei Fig. 5.5). Bei dem Erläuterungsbeispiel, in dem ein Analogsignal gleich einem dreiviertelvollen Eimer betrachtet wird, ist jedoch angenommenr daß das Analogsignal tatsächlich so groß ist, daß das höchstwertige Bit einem halbvollen Eimer entspricht, und folglich existiert tatsächlich genügend Signalladung in der schwimmenden Signal-A-Mulde, um deren Potential größer als das Potential der schwimmenden Bezug-A-Mulde.zu machen (binäre "1").

Der nächste Schritt (Fig. 5.7) umfaßt das Einbringen von Ladung zum Füllen der unter der Vorratsplatte 34 liegenden Vorratsmulde und das Verteilen der Signalladung gleichermaßen auf die Signal-A-Mulde und die Signal-B-Mulde durch ein Absenken des Potentials der Gateelektrode 14. Aufgrund der damit einhergehenden Verringerung (um den Faktor 2) der Ladung in der Signal-A-Mulde wird das Oberflächenpotential unter dem Signal-A-Gate 29 entsprechend reduziert. Zu diesem Zeitpunkt des Erläuterungsbeispiels sind die Signal-A-Mulde und die Signal-B-MuIde beide drei Achtel (3/8) voll, während die Bezug-A-Mulde halbvoll (1/2) ist. Die Signal-B-Mulde schwimmt dann elek tr i sch (F ig. 5.8).

; V-: : 809841/07IS

Die nächsten Schritte (Fig. 5.8 bis 5.11) umfassen das gesteuerte Absenken der Sammelgateelektrode 33, mit Hilfe eines dieser Gateelektrode zugeführten abnehmenden Potentials, um Ladung zu der unter der Samrnelplatte 30 liegenden Sammelmulde zu übertragen. In einer frühen Stufe (Fig. 5.8) dieses Absenkens des Sammelgates ist das Sammelmuldenoberflächenpotential aufgrund der an diese übetragenen Ladung etwas angehoben worden, es hat jedoch noch nicht den Wert des Oberflächenpotentials entweder des Signal-A-Gates oder des Bezug-A-Gates erreicht. In einer Zwischenstufe (Fig. 5.9) dieser Ladungsübertragung zur Sammelmulde erreicht deren Oberflächenpotential den Wert von demjenigen des Signal-A-Gates, so daß der Fluß weiterer Ladungen von der Vorratsmulde zur Sammelmulde einen Ladungsfluß über die Signal-Ä-Gatezone in die Hilfsmulde erzeugt, wodurch sich das Potential der Hilfsmuldenplatte entsprechend erhöht. Dieses sich erhöhende Potential der Hilfsmulde induziert eine entsprechende Signalladungsübertragung von der"Signal-B-Mulde zur Signal-A-Mulde, wie sie durch die folgende Anhebung des "Bodenpegels" der elektrisch schwimmenden Signal-B-Mulde bewirkt wird (der "Boden" einer Mulde ist der Oberflächenpotentialwert beim NichtVorhandensein von Ladung in dieser Mulde). Andererseits erzeugt diese Ladungsübertragung von der Signal-B-Mulde zur Signal-Ä-Mulde selbst eine Erhöhung des Ober-

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flächenpotentials (am "oberen Rand¹'} der^Signal-A-Mulde, was wiederum das Oberflächenpotential des Signai-A-Gates anhebt. Genauer zeigt Fig. 5.9 den Zustand, in welchem die- Hilf smulde ein Achtel (1/8) voll ist, so daß der "Boden" der Signal-B-Mulde durch dieses Achtel (1/8) einer vollen Mulde hochgedrückt wird, wodurch die Signal-A-Mulde sieben Sechszehntel (7/16) voll wird (jedoch nur näherungsweise, wegen einer geringen Ladungsmenge im Gate 14). Folglich steigt das Oberflächenpotential des Signal-A-Gates ebenfalls auf den Wert entsprechend (näherungsweise) sieben Sechszehnteln (7/16) einer vollen Mulde. Demgemäß steigt der Ladungswert in der Sammelmulde gleichermaßen auf (näherungsweise) sieben Sechszehntel· (7/16) einer vollen Mulde an. Danach fährt die Sammelmulde damit fort, weitere von der Vorratsmulde erhaltene Ladung in die Hilfsmulde zu gießen, bis der in Fig. 5.10 gezeigte Zustand erreicht ist.

Gemäß Fig. 5.10 erreicht das Oberflächenpotential· der Sammelladung anschließend einen Wert gleich dem (genauer: um einen unendiich kleinen Betrag größer als das) Bezug-A-Gate-Oberflächenpotential, d. h. die Häifte (1/2) einer vollen Mulde. Zu dieser Zeit beginnt weitere Überschußsamme^adung (durch eine weitere übertragung von der Vorratsmulde bewirkt) über die Bezug-A-Gatezone in die N -Zone 32 zu fiießen, anstatt ■ in die Hlifsmulde, wie zuvor. Ladung von der Sammelmulde wird

OrtJGi'NAL IMSPECTED 8098 4 1/0786

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weiterhin in diese N -Zone 32 gegossen, bis die Vorratsmulde nicht mehr langer Ladung in die Sammelmulde liefert (Fig. 5.11), und zwar aufgrund des Ausgleichs zwischen Vorrats- und Sammelmulde. Demgemäß sollte die Vorratsmulde eine ausreichend große Kapazität (eine ausreichende Fläche der darüber liegenden Vorratsplatte) für diese Art Betrieb aufweisen. Da im allgemeinen die Hilfsmulde mit Ladung, die von der Sammelmulde, jedoch letztlich von der Vorratsmulde, geliefert wird, bis zu halbvoll gemacht werden kann (obwohl sie im Erläuterungsbeispiel lediglich viertelvoll gemacht wird), sind die Hilfsmulde und die Sammelmulde vorteilhafterweise mit etwa gleicher Speicherkapazität versehen, während die Vorratsmulde eine etwas höhere Kapazität habe.a sollte, näherungsweise gleich derjenigen der Hilfsmulde plus der Sammelmulde.

Als Ergebnis des vorausgehenden Ausgießens von Ladung von der Sammelmulde in die Hilfsmulde, bis das Sammelmuldenoberflächenpotential den Bezug-A-Wert erreicht (Fig. 5.10), ist die Hilfsmulde mit Ladung bis zu einem Wert gefüllt, der zu dem Zeitpunkt bestimmt ist, zu welchem das Oberflächenpotential· unter dem Signal-A-Gate 29 den Wert des Oberflächenpotentials unter dem Bezug-A-Gate 31 und folglich den Wert des Oberflächenpotentials der Bezug-Α-Mulde erreicht. Nachdem das an die Sammelgateelektrode 33 angelegte abnehmende Potential V erreicht hat (Fig. 5.11), wird das der Gateelektrode 14

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³¹ ■" 2Π13225

(zwischen der Signal-A-Mulde und der Signal-B-MuIde) zugeführte Potential auf V erhöht. Wie unten gezeigt ist, ist im allgemeinen (und nicht nur im Erläuterungsbeispiel) die nun in der signal-Α-Mulde enthaltene Ladung gleich der Bezugsladung in der Bezug-A-Mulde, so daß in der Signal-B-Mulde die um diese Bezugsladung verringerte ursprüngliche Signalladung zurückbleibt, d. h.,die Analog-Signalladung abzüglich des höchstwertigen Bits, wie es für die nächsten Schritte (Bestimmung des Bits mit der zweithöchsten Wertigkeit) für die Analog-Digital-Umwandlung erwünscht ist.

Die Fig. 5.12 und 5.13 zeigen das Rückstellen der Vorrichtung in Vorbereitung für die Ermittlung des Bits mit der nächst höchsten Wertigkeit. Zu diesem Zweck wird die äußere Spannung V an die Signal-B-Platte und die Signal-A-Platte sowie an die Bezug-A-Platte und die Bezug-B-Platte angelegt, wodurch die gesamte Ladung aus der Sammelmulde, der Hilfsmuldeundder Vorratsmulde in die (auf einem Potential unter V_w gehaltene) N -Zone 32 entleert wird (Fig. 5.12). Dann wird die äußere Spannung V an die Gateelektrode 16 (Fig. 1) angelegt, wodurch die gesamte überschüssige Ladung von der Signal-A-Mulde in die (auf einem Potential unter V gehaltene) N-Zone 17, die als Ladüngssenke dient, entleert wird. Als nächstes wird die äußere Spannung V sowohl an diese Gateelektrode 16 als auch an die Sammelgateelektrode 33 angelegt (FIg= 5.13); während die äußere Spannung V„ an die Gateelektrode

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21 angelegt wird, um die restliche Bezugsladung aufzuteilen und deren Wert auf ein Viertel (1/4)^ einer vollen Mulde zu verringern. In diesem Augenblick (Fig. 5.13) be-' findet sich die Vorrichtung im selben Zustand, wie er zuvor in Verbindung mit 5.3 beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, daß nun (Fig. 5.13) die Signal-B-Mulde um das höchstwertige Bit reduziert worden und die Bezugsladung nun gerade halb so groß ist. Folglich kann durch eine anschließende Wiederholung der zuvor in Verbindung mit den Fig. 5.3 bis 5.13 erläuterten und beschriebenen Schritte das Bit mit der nächst höchsten Wertigkeit bestimmt werden, und so weiter für die restlichen geringerwertigen Bits.

Um die Arbeitsweise während der In den Fig. 5.8 bis 5.11 erläuterten Schritte in etwas allgemeinerer Weise zu verstehen, wird die ursprüngliche Signalladung mit (1/2+e) bezeichnet, wobei 1/2 das höchstwertige Bit (gleich der Hälfte

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einer vollen Mulde) und e eine Zahl kleiner als 1/2 ist. Folglich enthalten die Signal-A-Mulde und die Signal-B-Mulde anfangs (Fig. 5.8) je eine Ladungsmenge 1/2 (1/2 + e) = 1/4 + e/2. Wenn der Hilfsmulde eine Ladungsmenge "d" von der Sammelmulde geliefert wird (Fig. 5.9), besteht eine entsprechende Übertragung von Ladung "d" von der Signal-B-Mulde zur Signal-A-Mulde, wodurch in der Signal-B-Mulde eine Ladungsmenge (1/4 + e/2 -<f) und in der Signal-A-Mulde eine

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Ladungsmenge (1/4 + e/2 +S) zurückbleibt, wobei 6 durch die verschiedenen Kopplungskapazitäten der Mulden bestimmt ist. Wenn der in Fig. 5.10 gezeigte Zustand erreicht ist, ist der Sammelpotentialwert genau 1/2 (d. h._f der Bezug-A-Wert), wie das Potential der Signal-A-Platte und folglich das Oberflächenpotential der Signal-A-Mulde. Folglich enthält dann die Signal-A-Mulde Ladung ebenfalls in der Menge von genau 1/2 (d. h., den Bezugswert), so daß zu dieser Zeit gilt 1/4 + e/2 + S = 1/2; somit 6 = 1/4 - e/2; folglich enthält die Signal-B-Mulde dann Ladung in der Menge 1/4 + e/2 -S die ursprüngliche Signalladung vermindert um deren höchstwertiges Bit. Damit ist diese neue Ladung bereit für eine weitere Verarbeitung zur Ermittlung des folgenden niedrigeren Bits mit der nächst-höchstenWertigkeit. Die Folge der Ergebnisse, die vom torgesteuerten Flipflopdetektor 201 in dem zuvor in Verbindung mit Fig. 5.6 beschriebenen Schritt abgetastet worden sind (d. h., Ladung in Signal-A-Mulde größer oder klei ner als Ladung in Bezug-A-Mulde), repräsentiert die Binärziffernfolge der gewünschten Binärzahldarstellung.

Es sei bemerkt, daß als eine Alternative zur Verwendung der N -Zone 11 und der Gateelektrode 12 die N -Zone 17 zusammen mit dem Gate 16 verwendet werden kann, um die Signalladung in die Signal-A-Mulde 15 zu bringen, und dann kann die se Ladung durch das Gate 14 in die Signal-B-Mulde übertragen werden, unter Verwendung bekannter CCD-Übertragungsmethoden.

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Auf diese Weise ist es möglich, das Erfordernis für die N -Zone 11 und das Gate 12 auszuräumen. Gleichermaßen können die N -Zone 24 und das Gate 23 weggelassen werden; die Bezugsladung wird in die Bezug-B-Mulde eingebracht, indem zuerst die Bezugsladung von der N -Zone 19 über das Gate in die Bezug-A-Mulde gebracht und dann diese Bezugsladung über das Gate 21 in die Bezug-B-Mulde übertragen wird.

Es sollte so sein, daß Nichtlinearitäten in der Ladung-Spannung-Kennlinie (nicht-konstante Kapazität) der verschiedenen Mulden, die einen wichtigen Einfluß in den Fällen der Signal-A-Mulde und der Signal-B-Mulde sowie der Bezug-A-Mulde und der Bezug-B-Mulde haben könnten, in der Praxis der zuvor erwähnten Schrittfolge alle aufgehoben sind. Folglich gibt es wichtige Vorteile dafür, daß die Flächen (und die Konturenformen) der Signal-A-Mulde und der Signal-B-Mulde im wesentlichen identisch sind, was gleichermaßen für die Bezug-A-Mulde und die Bezug-B-Mulde gilt. Auf diese Weise wird die Signalladung genau auf die Signal-A-Mulde und die Signal-B-Mulde verteilt, und die Bezugladung wird genau auf die Bezug-A-Mulde und die Bezug-B-Mulde verteilt.

Es sei bemerkt, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung für den umgekehrten Vorgang anwendbar sind, d. h., für eine Digital-Analog-Umwandlung. Zu diesem Zweck wird die Vollmuldenbezugsladung gleichmäßig auf die Bezug-A-Mulde und die Bezug-B-Mulde aufgeteilt und die Ladung beispiels-

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weise in der Bezug~B-Mulde wird in eine (nicht gezeigte) andere Sammlungsmulde entleert, wenn, und nur wenn, die entsprechende maximale Ziffer eine "1" ist {nicht jedoch, wenn sie eine "0" ist), ansonsten wird diese Ladung in die N -Zone 24 geschüttet. Dann wird die Bezugsladung wieder geteilt, und die Bezug-B-Mulde wird entweder in die zuvor genannte (nicht gezeigte) Sammlungsmulde oder in die N --Zone 24 entleert, in Abhängigkeit davon, ob die nächste Ziffer eine "1" oder eine "0" ist; und so weiter für die restlichen Stellen. Die schließlich in der Sammlungsmulde vorhandene Ladungsmenge ist dann die gewünschte Analogladungs-■ darstellung der binären Digitalzahl.

Wenn auch die in Fig. T dargestellte Vorrichtung zeigt, daß die Potentialbarriere, welche die Mulden umgibt, wie die Zone zwischen der Signal-B-Mulde und der Bezug-Α-Mulde, einer darüber liegenden Oxidschicht zuzuschreiben ist, deren Dicke großer ist.als die Dicke des Oxids zwischen der Halbleiteroberfläche und den darüber liegenden Platten, sei doch bemerkt, daß alternativ oder zusätzlich dazu diese Barriere mittels einer Kanalstopper-Dotierstoffdiffusion erzeugt oder verstärkt werden kann, wie es bekannt ist.

Im Rahmen der Erfindung sind Abwandlungen möglich. Beispielsweise sind viele Alternativen für das Injizieren von Ladung in eine Mulde wie die Vorratsmulde 34 bekannt. Auch können

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bei der praktischen Durchführung d«r Erfindung anstelle von N-MOS-Vorrichtungen P-MOS-Vorrichtungen verwendet werden, indem N -leitendes Halbleitermaterial durch P — leitendes und N-leitendes Haifaleitermaterial durch P-leitendes ersetzt wird.

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Claims (4)

1. BLUIVlBAGH- WESEFc BERGEN . KRAMER "

   ZWiRNER - HlRSCi-I - ÖREHWI 2 c3 1 3 2

   ¹ PATENTANWALlEiNMUNCHENUNDWlESBADEN

   Patentconsult Radeckestraße43 8000 München 60 Telefon (039) 88 36 03/88 36 C4 ϊείβχ 05-212313 Tele-gramme Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/5ό1° 98 Telex 04-186237 Telogram.ne Palentconsuil

   Western Electric Company, Incorporated Smith, 39

   New York, New York 10038, U. S. A.

   HALBLEITERVORRICHTUNG FÜR EINE UMWANDLUNG ZWISCHEN ANALOG- UND DIGITALSIGNALEN

   PATEN TANSP RÜCHE

   i.y Halbleitervorrichtung zur Analog-Digital-Signalumwandlung, mit einer ersten und einer dazu im wesentlichen identischen und von dieser getrennten zweiten Signalmuldenoberflächenzone in einer Hauptoberfläche eines Halbleiterkörpers, wobei die Zonen unter der elektrischen Steuerung von einer ersten (13) bzw. einer zweiten (15) Elektrode stehen, die im wesentlichen identisch sind und über der ersten bzw. zweiten Oberflächenzone liegen, und mit einer ersten Einrichtung (11, 12) zum. Einbringen von Analogsignalladung S in die erste Zone,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberfläche eine erste Gateoberflächenzone aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Signalmuldenoberflächenzone liegt, durch eine

   München: R. Kramer Dipi.-Ing. . W. Wsser Dipl.-Phys. Dr. rer. nai. · P. Hirsch Dipl.-ing. · H. P. ESrehm Dipl.-Chern. Dr. pn.I. nat. Wiesbaden; P. G. Blumbadi Dipping. · P.Sergen Oipl.-Ing. Dr.jur. · G. Zwirner Dipl.-Ir.g. Dipl.-W.-ing.

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   ORiGlNALiNSPEClED

   darüber liegende erste Gateelektrode (14) elektrisch gesteuert wird und die Ladungsübertragung zwischen der ersten und der zweiten Signalmuldenoberflächenζone steuert, daß die Hauptoberflache eine zweite Einrichtung (28, 25) zum Induzieren der übertragung einer ersten Bezugsladungsmenge R von der ersten Signalmulde zur zweiten Signalmulde umfaßt und daß die Bezugsladungsmenge dem jeweils höchstwertigen binären digitalen Bit in dem Analogsignal entspricht, so daß in der Signalmulde eine Ladung entsprechend S-R zurückbleibt.
2. 2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (201) zum Abtasten des Oberflächenpotentials der zweiten Signalmulde und zu dessen Vergleich mit einem Bezugspotential zur Erzeugung eines digitalen Signalteils.
3. 3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der ersten Signalzone wenigstens 100 mal größer als die Fläche der ersten Gatezone ist.

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4. 4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche einen Sammel-/"Vmüldenoberflächenteil aufweist, der elektrisch von einer darüber liegenden Sammelmuldenelektrode (30) gesteuert wird, zum Speichern von Ladung, die von einer Ladungsquelle

   . (32)r geliefert wird, ferner eine zweite Gateoberflächenzone der Hauptoberflache, die elektrisch von einer zweiten, darüber liegenden Gateelektrode (29) gesteuert wird, die zwischen einer Hilfsmulde und der Sammelmulde liegt, und daß die zweite Gateelektrode mit der zweiten Signalmulden-

   _: elektrode verbunden ist und den Ladungsfluß von der Sammelmulde zur Hilfsmulde als Funktion des Oberflächenpotentials der zweiten Signalmulde steuert, wenn Ladung in die Sammelmulde gebracht ist.

   5, Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine dritte Gateelektrode (31) zum induzieren eines Ladungsflusses von der Sammelmulde zu einer Ladungssenkenzone (32) entsprechend dem Oberflächenpotentiäl eines Bezugsmuldenoberflächenteils der Hauptoberfläche.

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