DE3041414T1

DE3041414T1 - Signal recording/reproducing device

Info

Publication number: DE3041414T1
Application number: DE803041414T
Authority: DE
Inventors: N Sawazaki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-04-13
Filing date: 1980-04-14
Publication date: 1982-02-11
Also published as: GB2060980A; WO1980002342A1; GB2060980B; DE3041414C2

Description

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Henkel Kern, Feuer firHänzel Patentanwälte

Registered Representatives before the 2 European Patent Office

Möhlstraße 37

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha D-BOQQMünchen80

Kawasaki, Japan Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld , Telegramme: ellipsoid

11. Dezember 198Q. TK-55PCT297-3 :

Signalaufzeichnungs- und -wiedergabevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufzeichnung bzw. Aufnahme und Wiedergabe eines Ton-, Bild- o.dgl. Informationssignals unter Verwendung einer Halbleiterschicht.

Als Signalaufzeichungsträger sind z.B. Schallplatten, auf denen Signale auf mechanischem Wege aufgezeichnet werden, Bildplatten, Magnetplatten für elektronische Rechner usw. bekannt. Die bisherigen Schall- und EiIdplatten können jedoch normalerweise nur für die Signalwiedergabe benutzt werden, d.h. die Signale können nicht nach Belieben aufgezeichnet und gelöscht werden. Während bei Magnetplatten eine beliebige Signalaufzeichnung und -löschung möglich ist, ist es dabei schwierig, eine Aufzeichnung mit hoher Dichte zu erreichen. Die Aufzeichnungskapazität einer Magnetplatte mit einem Durchmesser von z.B. 30 cm liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden.

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In neuerer Zeit ist dank der Großintegrations- bzw. LSI-Technik ein Halbleiterspeicher großer Aufzeichnungskapazität realisiert worden. Wenn ein solcher Halbleiterspeicher als Aufzeichnungsträger benutzt wird, können ' einerseits Signale mit hoher Dichte aufgezeichnet und andererseits Signale beliebig aufgezeichnet und gelöscht ^: werden. Ein solcher Halbleiterspeicher erfordert andererseits normalerweise einen Elektrodenanschluß, und bei vergrößerten Abmessungen des Speichers wird die Anord- ; nung kompliziert, worunter die Zuverlässigkeit leidet.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Signalaufzeichnungs- und -wiedergabevorrichtung mit einem Aufzeichnungsträger, auf dem unter Verwendung einer Halbleiterschicht Signale mit hoher Dichte und ohne Notwendigkeit für einen komplizierten Anodenanschluß aufgezeichnet werden können und. der eine beliebige Aufzeichnung, Wiedergabe und Löschung von Signalen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei der Signalaufzeichnungs- und -wiedergabevorrichtung unter Verwendung einer Halbleiterschicht erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleiterschicht, eine auf letzterer ausgebildete Isolierschicht mit der Fähigkeit zur Speicherung elektrischer Ladungen, durch eine Einrichtung zum Bewegen eines elektrisch leitfähigen Aufzeichnungsbzw. Aufnahmekopfes, an den ein aufzuzeichnendes Signal anlegbar ist, relativ zur Isolierschicht auf dieser und zum Injizieren von elektrischen Ladungen in die Isolierschicht zwecks Signalaufzeichnung, und durch eine Einrichtung, um einen elektrisch leitfähigen Wiedergabekopf relativ zu einer Aufzeichnungsspur zu bewegen, in welcher ein Signal aufgezeichnet ist, und zum Abgreifen einer Änderung der elektrischen Eigenschaft(en) der Halbleiterschicht aufgrund des aufgezeichneten Signals zu dessen Wiedergabe.

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Als Isolierschicht mit Ladungsspeicherfunktion ist beispielsweise eine sich wie ein Elektret verhaltende Isolierschicht als Aufzeichnungsträger auf die Halbleiterschicht aufgetragen. Die Signalaufzeichnung bzw. -aufnahme erfolgt durch Injektion von elektrischen Ladungen entsprechend einem aufzuzeichnenden Signal in die Isolierschicht mittels eines elektrisch leitenden Aufzeichnungskopfes. Die so injizierten Ladungen werden in der Isolierschicht halbfest (semipermanently) gespeichert, mit dem Ergebnis, daß die Isolierschicht zu einem Elektret wird. Eine Verarmungsschicht dehnt sich unter dem elektrischen Feld des Elektrets in die Halbleiterschicht aus. Die Signalwiedergabe erfolgt beispielsweise durch Erfassung bzw. Abgreifen einer Änderung der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht längs einer Aufzeichnungsspur mittels eines elektrisch leitenden Wiedergabekopfes.

Erfindungsgemäß ist der Aufzeichnungsträger ohne Anordnung eines komplizierten Elektrodenanschlusses auf der Halbleiterschicht ausgebildet, wobei das Aufzeichnen und Löschen von Signalen auf elektrischem Wege beliebig möglich ist. Da im Vergleich zu einer Magnetplatte ein größeres Wiedergabeausgangssignal geliefert wird, können die Signale durch Verkleinerung der Breite der Aufzeichnungsspur mit größerer Dichte aufgezeichnet werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine scheitiatische Schnittansicht zur Erläuterung der Aufnehmebetriebsart bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung zur Erläuterung der Wiedergabebetriebsart bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Schaltung für eine andere Wiedergabebetriebsart bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung zur Erläuterung der Aufzeichnungsbetriebsart bei einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung zur Erläuterung der Wiedergabebetriebsart bei der Vorrichtung nach Fig. 4.

Fig. 1 veranschaulicht die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungsträgers in der Aufzeichnungs- bzw. Aufnahmebetriebsart. Der Aufzeichnungsträger wird in der Weise hergestellt, daß auf die Oberfläche einer Halbleiterschicht 1 eines p-Typ-Siliziumsubstrats o.dgl. eine Isolierschicht 2, z.B. aus einem Tetrafluoräthylenharz, aufgetragen wird, die sich wie ein Elektret verhält. Die Isolierschicht 2 kann auf die Gesamtoberfläche der Halbleiterschicht 1 oder aber selektiv in spiraliger oder konzentrischer Form auf die einer Aufzeichnungsspur entsprechende Fläche aufgetragen werden. Auf die Rückseite der Halbleiterschicht 1 wird eine elektrisch leitende Schicht 3 aus z.B. Aluminium aufgebracht.

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Für die Signalaufzeichnung wird ein elektrisch leitender Aufnahmekopf 4 mit der Isolierschicht 2 des Aufzeichnungsträgers in Berührung gebracht und durch eine geeignete Führungseinrichtung auf die durch den Pfeil angedeutete Weise relativ zur Isolierschicht 2 über diese geführt. Ein aufzuzeichnendes Signal 5 wird zwischen den Aufnahmekopf 4 und die elektrisch leitende bzw. Leiterschicht 3 angelegt. Dieses Signal 5 besitzt dabei eine so große Spannung, daß vom Vorderende des Aufzeichnungskopfes 4 eine Koronaentladung ausgeht. Wenn die Isolierschicht z.B. etwa 0,1 pm dick ist, besitzt das aufzuzeichnende Signal eine Spannung entsprechend einem Mehrfachen von 10 V.

Bei fortlaufender Bewegung des Aufnahmekopfes 4 wird auf diese Weise das aufzuzeichnende Signal 5 sequentiell angelegt, wobei elektrische Ladungen entsprechend diesem Signal 5 in die Isolierschicht 5 injiziert werden, damit sich die Isolierschicht als Elektret verhalten kann. Das Elektret vermag die elektrischen Ladungen halbfest (semipermanently) zu speichern. Bei diesem Vorgang werden die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht 1 unter einem elektrischen Feld variiert, das durch die Elektret-Isolierschicht 2 erzeugt wird. Wenn die Halbleiterschicht 1 vom p-Typ ist und die in die Isolierschicht 2 injizierten elektrischen Ladungen positiv sind, bildet sich eine Verarmungsschicht 6, deren Dicke von der Intensität des elektrischen Felds des Elektrets abhängt, d.h. von der Größe der mittels des Signals 5 in die Isolierschicht 2 injizierten elektrischen Ladungen. Bei dieser Ausführungsform wird mithin das Signal in Form einer Dickenänderung der Verarmungsschicht, d.h. als Änderung der Größe der elektrostatischen Kapazität aufgezeichnet.

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Die Wiedergabe des aufgezeichneten Signals erfolgt durch elektrische Abtastung einer Änderung der elektrischen Eigenschaften längs der Aufzeichnungsspur der Halbleiterschicht 1. Insbesondere wird dabei gemäß Fig. 2 zwischen einen elektrisch leitfähigen Wiedergabekopf 7 und die Leiterschicht 3 ein Hochfrequenzsignal 8 angelegt, wobei eine Änderung in der elektrostatischen Kapazi-tät der Verarmungsschicht 6 abgegriffen werden kann, während der Wiedergabekopf 7 relativ zur Aufzeichnungsspur bewegt wird.

Für das Abtasten bzw. Abgreifen einer Änderung der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht 6 bietet sich ein Verfahren unter Verwendung eines Resonanzkreises an, wie es bei einem handelsüblichen Bildplattenabspielgerät des elektrostatischen Kapazitätstyps angewandt wird. Die grundsätzliche Anordnung hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Der Resonanzkreis 11 besteht aus einem zwischen dem Wiedergabekopf 7 und der Leiterschicht 3 angeordneten Kondensator 9 unter Einbeziehung der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht 6 sowie einer an den Wiedergabekopf 7 angeschlossenen Induktivität- bzw. Drosselspule 10. Die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 11 ändert sich in Abhängigkeit von der Änderung der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht 6 im Verlauf der Bewegung des Wiedergabekopfes 7. Von einem Bezugsoszillator 12 wird ein Erregungs- oder Anregungssignal dem Resonanzkreis 11 eingespeist, und das Ausgangssignal des Resonanzkreises 11 wird über einen Spitzenwertgleichrichterkreis (peak detection circuit) 16 aus einer Diode 13, einem Widerstand 14 und einem Kondensator 15 abgenommen. Auf diese Weise kann eine Änderung der Resonanzfrequenz aufgrund einer Änderung der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht 6 als Amplitudenänderung eines Meß- bzw. Abgreifausgangssignals erfaßt

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werden, so daß hierdurch die Wiedergabe des aufgezeichneten Signals möglich wird.

Das Löschen des aufgezeichneten Signals erfolgt durch Anlegung eines Gleichspannungssignals, welches eine dem Signal bei der Aufzeichnung entgegengesetzte Polarität besitzt, oder eines Hochfrequenzsignals bei Bewegung eines elektrisch leitenden Löschkopfes über die Aufzeichnungsspur. Der Löschkopf kann getrennt vom Aufnahmekopf angeordnet oder mit diesem als kombinierter Lösch/Aufnahmekopf zusammengefaßt sein.

Bei der erfindungsgemäßen Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung ist somit, wie im Fall einer Magnetplatte, ein beliebiges Aufzeichnen, Wiedergeben und Löschen von Signalen möglich. Wenn der Aufzeichnungsträger als Scheibe bzw. Platte ausgelegt ist und die Aufzeichnungsspur eine spiralförmige oder konzentrische Form besitzt, kann hierdurch eine Signalaufzeichnungsplatte für Aufzeichnung und Wiedergabe realisiert werden, wie sie bisher durch die herkömmlichen Schallplatten und Bildplatten nicht zur Verfügung gestellt werden konnte. Bei dieser Vorrichtung kann ohne weiteres ein größeres Wiedergabeausgangssignal als bei der herkömmlichen Magnetplatte erzielt werden. Aus diesem Grund kann die Breite der Aufzeichnungsspur verkleinert werden, so daß eine Signalaufzeichnung mit hoher Dichte möglich ist. Da die Signalauf zeichnungs- und -Wiedergabevorgänge mittels eines Aufnahme- und eines Wiedergabekopfes erfolgen und der Aufzeichnungsträger einen einfachen Aufbau besitzt, bei dem eine Isolierschicht auf eine Halbleiterschicht aufgetragen bzw. aufgestrichen ist, benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung keine komplizierten Elektrodenanschlüsse, wie beim Halbleiterspeicher, so daß eine

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Massenfertigung bei hoher Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit ohne weiteres möglich ist.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine sich als Elektret verhaltende Isolierschicht 22 nur auf dem Aufnahmespurbereich der Oberfläche einer Halbleiterschicht 21, etwa aus n-Typ-Silicium, aufgetragen ist. Die gesamte Rückseite der Halbleiterschicht 21 ist mit einer elektrisch leitenden bzw. Leiterschicht 23 versehen. Die Signalaufzeichnung erfolgt bei dieser Ausführungsform auf dieselbe Weise wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Dies bedeutet, daß elektrische Ladungen entsprechend einem aufzuzeichnenden Signal durch einen elektrisch leitenden Aufnahmekopf 24 in die Isolierschicht 22 injiziert werden, die sich dabei als Elektret verhält.

Da bei dieser Ausführungsform die Signalwiedergabe durch Stromabtastung bzw. -erfassung erfolgt, sind in der Halbleiterschicht 21 zwei mit Fremdatomen dotierte Zonen 25 und 26, die eine der Halbleiterschicht 21 entgegengesetzte elektrische Leitfähigkeit besitzen, so ausgebildet, daß sie sich auf beiden Seiten einer aus der Isolierschicht 22 bestehenden Aufzeichnungsspur befinden. An die Oberfläche der zweiten Fremdatomdotierungszone 26 ist ständig eine Elektrode 2 7 angeschlossen.

Die Wiedergabe erfolgt dadurch, daß ein elektrisch leitfähiger Wiedergabekopf 28 in Gleitberührung mit der Oberfläche der ersten Fremdatomdotierungszone 25 gebracht und über einen Lastwiderstand 29 eine negative Auslesespannung V an den Wiedergabekopf 28 angelegt wird,

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während die Elektrode 2 7 am Massepegel liegt. Hierbei bildet sich in einer Position, in welcher elektrische

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Ladungen (im vorliegenden Fall negative Ladungen) beim Aufnahmevorgang in der Isolierschicht 22 gespeichert worden sind, ein Kanal zwischen den beiden Fremdatomdotierungszonen 25 und 26. Wenn somit der Wiedergabekopf 28 diese Position erreicht, fließt ein elektrischer Strom zwischen diesen beiden Zonen 25 und 26. An den Stellen, wo keine elektrischen Ladungen gespeichert sind, fließt auch kein elektrischer Strom. Die Signalwiedergabe erfolgt durch Relativbewegung des Wiedergabekopfes 28 zur Aufzeichnungsspur und Erfassung der Änderungen der Ausgangsspannung V .

Da bei dieser Ausführungsform die beiden Fremdatomdotierungszonen 25 und 26 kontinuierlich längs der Aufzeichnungsspur ausgebildet sind, tritt selbst dann, wenn sich der Wiedergabekopf 28 in einer Position befindet, in welcher kein Kanal gebildet ist, ein Fremdstrom von der Kanalbildungsposition auf. Der Einfluß dieses Fremdstroms kann vermieden werden, wenn der spezifische Widerstand oder Flächenwiderstand der ersten Fremdatomdotierungszone 2 5 etwas größer gewählt wird. Wenn sich der Einfluß des Fremdstroms nicht vernachlässigen läßt, kann beispielsweise die erste Fremdatomdotierungszone 25 diskontinuierlich, d.h. unterbrochen ausgebildet werden, und es kann ein Isoliermaterial zwischen die Zone 25 und die benachbarte Fremdatomdotierungszone eingefügt werden.

Da bei dieser Ausführungsform der Stromabgriff über zwei vorgesehene Fremdatomdotierungszonen 25 und 26 erfolgt, wird der Aufbau der Vorrichtung im Vergleich zur vorher beschriebenen Ausführungsform etwas komplizierter, wobei auch keine hohe Aufzeichnungsdichte realisiert werden kann. Andererseits lassen sich jedoch dieselben Wirkungen wie bei der vorher beschriebenen Aus-

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führungsform erzielen.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit ' einem Siliziumsubstrat als Halbleiterschicht beschrieben ist, besteht im Hinblick auf die derzeitigen Herstellungsverfahren eine Beschränkung bezüglich der Größe des Scheibendurchmessers, wenn ein Einkristall-Halbleiter verwendet wird. Bei Verwendung eines polykristallinen oder amorphen Halbleiters ist es dagegen einfach, eine Scheibe mit einem Durchmesser von 20 bis 30 cm zu formen, indem beispielsweise eine Halbleiterschicht durch chemisches Aufdampfen auf einem Metallsubstrat hergestellt wird. Der Aufzeichnungsträger braucht nicht unbedingt eine Platten- bzw. Scheibenform zu besitzen, vielmehr kann er auch als Halbleiterfilm, etwa als amorphe Halbleiterschicht, auf einem bandförmigen Substrat ausgebildet sein. Da sich nach den derzeitigen LSI-Mikrominiaturbearbeitungsverfahren ohne weiteres eine sehr feine, d.h. extrem schmale Spurrille herstellen läßt, läßt sich eine Spurführungseinrichtung für die Signalaufzeichnung und -wiedergabe ohne Notwendigkeit für ein spezielles Servo- bzw. Nachführsystem realisieren.

Die erfindungsgemäße Signalaufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung eignet sich somit vorteilhaft für die wahlfreie bzw. beliebige Aufzeichnung und Wiedergabe von Ton-, Bild- und anderen Informationssignalen mit hoher Aufzeichnungsdichte unter Verwendung eines Aufzeichnungsträgers einfachen Aufbaus.

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Claims

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Henkel Kern, FeBor&Hfinzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

MöhlstraSe 37

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha D-8000München80

Kawasaki, Japan Tel■ 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid -

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Signalaufzeichnungs- und -wiedergabevorrichtung

Patentansprüche

/ 1.) Signal auf zeichnungs- und -wiedergabevorrichtung unter Verwendung einer Halbleiterschicht, gekennzeichnet durch eine Halbleiterschicht (1; 21), eine auf letzterer ausgebildete Isolierschicht (2; 22) mit der Fähigkeit zur Speicherung elektrischer Ladungen, durch eine Einrichtung zum Bewegen eines elektrisch leitfähigen Aufzeichnungs- bzw, Aufnahmekopfes (4; 24), an den ein aufzuzeichnendes Signal anlegbar ist, relativ zur Isolierschicht auf dieser und zum Injizieren von elektrischen Ladungen in die Isolierschicht zwecks Signalaufzeichnung, und durch eine Einrichtung, um einen elektrisch leitfähigen Wiedergabekopf (7; 28) relativ zu einer Aufzeichnungsspur zu bewegen, in welcher ein Signal aufgezeichnet ist, und zum Abgreifen einer Änderung der elektrischen Eigenschaft (en) der Halbleiterschicht (1) aufgrund des aufgezeichneten Signals zu dessen Wiedergabe.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht mit Ladungsspeicherfunktion eine sich als Elektret verhaltende Isolierschicht ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abgreifen der Änderung des elektrischen Eigenschaft(en) der Halbleiterschicht eine Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen dem Wiedergabekopf und der Halbleiterschicht erfaßt, die auf einer Änderung der elektrostatischen Kapazität einer in der Halbleiterschicht geformten Verarmungsschicht beruht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abgreifen der Änderung der elektrischen Eigenschaft(en) der Halbleiterschicht einen eine elektrostatische Kapazität einer in der Halbleiterschicht ausgebildeten Verarmungsschicht einschließenden Resonanzkreis umfaßt'und eine Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises abgreift bzw. erfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abgreifen einer Änderung der elektrischen Eigenschaft(en) der Halbleiterschicht zwei in deren Oberfläche zu beiden Seiten der Aufzeichnungsspur ausgebildete Fremdatomdotierungszonen des der Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, eine ständig an die Oberfläche der einen dieser Fremdatomdotierungszonen angeschlossene Elektrode und eine Einrichtung zum Bewegen des elektrisch leitfähigen Wiedergabekopfes in Gleit- oder Schleif-

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berührung mit der Oberfläche der anderen Fremdatomdotierungszone zum Abgreifen oder Erfassen eines elektrischen Stroms zwischen den beiden Fremdatomdotierungszonen aufweist.

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