DE1920077C2

DE1920077C2 - Schaltungsanordnung zum Übertragen von Ladungen

Info

Publication number: DE1920077C2
Application number: DE1920077A
Authority: DE
Inventors: Frederik Leonard Johan Emmasingel Eindhoven Saugster
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-04-23
Filing date: 1969-04-21
Publication date: 1984-11-29
Also published as: DE1920077A1; NL164158B; GB1273181A; SE429797B; DK135253C; JPS4817779B1; SE440420B; FR2010994A1; SE7605172L; NL174503C; AT301907B; NL164158C; NL6904620A; ES386995A1; DK135253B; BE731897A; JPS4830171B1; CH505506A; NL6805705A; NL174503B

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsunordnung zum Übertragen von Ladungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bereits in der älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 16 16 402 vorgeschlagen worden.

In dem älteren Patent 15 41 954 ist eine Kondensatorüberladevorrichtung vorgeschlagen worden. Die in diesem Patent gezeigten Schaltungen weisen Bipolartransistoren, jedoch keine Feldeffekttransistoren auf. Die Emitter-Kollektor-Strecken dieser Bipolartransistoren sind jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Kapazität angeordnet, wobei jeweils die von der Kollektorelektrode eines der Bipolartransistoren abgewandten Seite der zweiten Kapazität mit der Basiselektrode dieses einen Bipolartransistors verbunden ist und die Basiselektroden der Bipolartransistoren mil unterschiedlichen Schallspannungen verbunden sind.

Schaltungsanordnungen zum Übertragen von Ladungen werden häufig in Kondensatorspeichern benutzt, die sich z. B. in Anordnungen zur Laufzeitverzögerung von z. B. Ton- oder Bildsignalen oder in einem binären Schieberegister verwenden lassen. Es ist dabei erforderlich, daß die Energie einer ersten Kapazität möglichst verlust- und verzerrungsfrei auf eine zweite Kapazität der Anordnung übertragen wird.

Aus »Electronics Letters«, 3 (!967) 12, S.544 bis 546. insbesondere l^;ig. I, ist eine Schaltungsanordnung zur

Übci iragung von Ladungen bekannt, die sich von der in der erwähnten älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 16 16 402 vorgeschlagenen Anordnung hauptsächlich dadurch unterscheidet, daß in dieser bekannten Anordnung keine Feldeffekttransistoren sondern Bipolartran-

!0 sislorcn verwendet sind. Zwischen der ersten und der zweiten Kapazität dieser bekannten Anordnung hat man die Reihenschaltung eines Widerstandes, der Emitler-Kollcktor-Strcckc eines Transistors und einer Diode angebracht, wobei eine die Ladungsübertragung steucrndc Schaltungsspannungsquclle zwischen den von dem Widerstand und der Diode abgewandten Anschlußendcn der ersten und der zweiten Kapazität vorgesehen ist. Die Basiselektrode dieses Transistors ist mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden. Diese bekannte Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß Übersprechen zwischen aufeinanderfolgenden Signalaustastungen auftritt, was auf das Vorhandensein der Streckenkapazität zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors zurückzuführen ist. wodurch während der Übertragung von Ladung von einer ersten Kapazität auf eine zweite Kapazität ein Teil der zu übertragenden Ladung in Form von Streuladung in die erwähnte .Streukapazität gelangt, welche Ladung während der Übertragung von der zweiten Kapazität auf

in eine dritte Kapazität in der Streukapazität zurückbleibt. Diese Streuladung wird bei der darauf erfolgenden Übertragung von der ersten Kapazität auf die zweite Kapazität der betreffenden zweiten Kapazität zusätzlich zugeführt. Dies hat zur Folge, daß auf die gesondcr-

r> ten Signalaustastungcn Echos der vorhergehenden Signalaustastungen überlagert werden, so daß diese Echos akkumulieren. In einer integrierten Speicherschaltung, wo das Verhältnis zwischen der erwähnten Strcukupa/ität und der Speicherkapazität nicht klein gewählt werden kann, ist diese Echowirkung schon bei einer geringen Anzahl nacheinander geschalteter Speichcrcinheiien für die Brauchbarkeit des integrierten Speichers beeinträchtigend.

!■in weiterer Nachteil der bekannten Schaltungsan-

4^r> ordnung ist der. daß Ladungsverlust dadurch auftritt, daß der Kollektor-Emitlcr-Slromvcrstärkungsfaktor λ der verwendeten Transistoren etwas niedriger als 1 ist, wodurch der Ladestrom bzw. Entladestrom einer ersten Kapazität größer ist als der Entladestrom bzw. der La-

V) dcstrom einer zweiten Kapazität.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Übertragen von Ladungen zu schaffen, die verbesserte Betriebseigenschaften aufweist (d. h. insbesondere geringe Echowirkung und ge

Vt ringe Ladungsverlustc) und die sich besonders gut zum Integrieren eignet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches I gelöst. Eine so ausgebildete

Mi Schaltungsanordnung zeichnet sich insbesondere durch eine geringe Echowirkung und geringe Ladungsverluste aus.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

hi Die Schaltungsanordnung nach der ürfindung läßt sich u.a. zur l.aufzeitvcrzögerung von z. B. Ton- oder Bildsignalen verwenden. Dabei ist eine lange Verzögerungs/.eit pro Spcichcrcinhcit und somit pro Feldeffckt-

Transistor erwünscht Bei Verwendung einer Reihe von η Feldeffekt-Transistoren kann eine maximale Verzögerungszeit pro Speichereinheil erreicht werden, wenn alle Gateelektroden je für sich über eine S.:haltspannungsquelle mit Erde oder einem anderen Bezugspolential verbunden werden. Wenn die Schaltsignale derart gewählt werden, daß sie während des Mn. Teiles jeder Abtastperiode T einen Wert £Volt und während des übrigen Teiles der Periode einen Wert Null Volt haben und wenn sie außerdem um Mn. Teil der Periode Γ zeit- tu lieh in bezug aufeinander verschoben sind, to daß zunächst der n. Feldeffekttransistor und darauf der (a— 1), (n—2) usw. Transistor leitend wird, wird die Ver/.ögerungszeit pro Speichereinheil maximal und gleich·

Fsee-sein.

In der Praxis ist es jedoch erwünscht, die Anzahl erforderlicher Schaltspannungsquellen auf Kosten einer gewissen Verringerung der Verzögerungszeit pro Speichereinheit zu beschränken. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine Anzahl von Gateelektroden von Feldeffekt-Transistoren miteinander verbunden werden.

Es zeigt sich, daß ein möglichst günstiger Kompromiß zwischen der Anzahl anzuwendender Schaltspannungsqueüen und der Anzahl erforderlicher Feldeffekt-Transistoren gewünscht ist. Es ist dabei wichtig, daß die Verzögerungszeit pro Speichereinheit weiterhin von der Weise der Verbindungen der Gateclektrodcn verschiedener Feldeffekt-Transistoren der Reihe abhängig ist.

Obgleich es bei der Verwendung als Schieberegister genügt, bei der Verbindung von Gateelektroden verschiedener Feldeffekt-Transistoren miteinander die Bedingung zu erfüllen, daß zwei aufeinanderfolgende Feldeffekt-Transistoren nicht gleichzeitig leitend sein sollen, werden größere Speicher zum Erzielen eines günstigen π Kompromisses aus einer Reihe von Feldeffekt-Transistoren zusammengebaut, die mindestens zwei aufeinanderfolgende, aneinander angrenzende Gruppen der gleichen Anzahl aufeinanderfolgender Feldeffekt-Transistoren enthält, wobei die Gateclektrodcn der vcrschie- 4» denen Gruppen zugehörenden Feldeffekt-Transistoren, deren Ordnungszahl in der Gruppe dieselbe ist, miteinander verbunden sind.

Dieser Aufbau ermöglicht, bei einer vorherbestimmten Anzahl anzuwendender Schaltspannungsquellen ei- vi ne möglichst lange Verzögerungszeit pro Spcichcrcinheit zu erzielen. Die Anzahl von Feldeffekt-Transistoren pro Gruppe wird dabei durch die Anzahl der anzuwendenden Schaltspannungsquellen bestimmt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher er- w läutert. Es zeigt

F i g. 1 das Prinsipschaltbild der Schaltungsanordnung der Erfindung,

Fig.2 den Verlauf der Spannung der Schaltspannungsquelle nach F i g. 1, π

Fig.3 eine Schaltungsanordnung, die sich ■/.. B. zum Verzögern elektrischer Signale eignet,

F i g. 4 deii Spannungsverlauf an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung nach F i g. 3,

Fig.5 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil ei- mi ner Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

F i g. 6 schematisch einen Querschnitt längs der Linie Vl-Vl in Fig. 5,

Fig. 7 schcmatisch einen Querschnitt durch eine an- t>^r> dere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 8 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil ei- net weiteren Ausiührungsfofffl einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und

F i g. 9 schematisch einen Querschnitt längs der Linie !X-IX in F ig. 8,

Fig. 10 schcmatisch eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Schahungsanordnung nach der Erfindung und

F i g. 11 schcmatisch einen Querschnitt läügs der Linie Xl-Xl in Fig. 10,

Fig. 12 schcmatisch eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

Fig. 13 schematisch einen Querschnitt durch die Schallungsanordnung nach Fig. 12 längs der Linie XIII-XIlI in Fig. 12.

In Fig. 1 bezeichnet 7" einen Feldeffekt-Transistor mit einer gegebenenfalls isolierten Gateelektrode, im folgenden Torelektrode genannt, C_n-1 eine erste Kapazität und C_n eine zweite Kapazität. Sb bezeichnet eine Schalispannungsquelle, die z. 3. eine Spannung liefert, deren Wellenform in F i g. 2 dargestellt ist. Aus letzterer Figur ist ersichtlich, daß die Spannung zwischen der Torelektrode C und einem Bezugspotential z. B. Erde während der Zeit η gleicht E Volt und während der Zeit Π gleich NuIi Volt ist. Die Kapazität C_n in Fig. 1 liegt zwischen der Drainelektrode D und der Torelektrode C des Feldeffekt-Transistors T_n, während die Kapazität C„ ι einerseits mit der Sourceelektrode S und andererseits über die Schaltspannur.gsquelle So mit der Torelektrode des Feldeffekt-Transistors T_n verbunden ist. Während der Zeit η ist die Spannung zwischen der Torelektrode und einem Bezugspoiential gleich £Volt. Der Transistor ist während der Zeit t\ leitend, wenn die Spannung über der Kapazität niedriger ist als (E- Vp) Volt, wobei Vn die Schwellenspannung des Feldeffekt-Transistors T_n darstellt. Der Transistor wird von einem Strom durchflossen, der die Spannung über der Kapazität C_n ι erhöhl und die Spannung über der Kapazität C_n verringert. Sind beide Kapazitäten gleich groß, so nimini die Spannung über der Kapazität C_n. ι in der gleichen Zeit in gleichem Maße zu wie die Spannung über der Kapazität C_n abnimmt. Bei einer vorgegebenen Spannung E der Sehaltspannungsque'.le Sn ist die Endspannung über der Kapazität C_n. ι gleich (E- Vo,) Volt, da beim Erreichen dieser Spannung der Feldeffekt-Transistor T_n in den Sperrzustand gelangt. Die Endspannung über der Kapazität C„ist infolgedessen gleich V_n- dV)\o\\., wobei JVgleich der Spannungszunahme über der Kapazität C_n ι und V_n gleich der Spannung über der Kapazität C_n am Anfang der Ladungsübertragung zwischen den beiden Kapazitäten ist. Wählt man die Spannung (F- Vd) Voll als Bezugspcgel für die Information —ΔV, die in der Kapazität C_n . ι vorhanden war, so zeigt sivh, daß die Information -AV auf die Kapazität C_n übergegangen isi, während gleichzeitig die Kapazität Cn ι bis zum ik/.ugspegcl aufgeladen und somit wieder in einem Zustand ist, in dem sie neue Information von einem vorhergehenden Speicherelement empfangen kann.

F i g. 3 zeigt eine Schalli;ngsreihe von η Einheiten mit je einem Feldeffekt-Transistor, wobei zwischen der Drainelcktrode und der Torelektrode eine Kapazität vorgesehen ist. Die Drainelektrode jedes Feldeffekt-Transistor isl galvanisch mit der Sourceelektrode des nächstfolgenden Feldeffekt-Transistors verbunden. Die Drainelektrode des Feldeffekt-Transistors T_n ist über eine Diode D„ mit der Schaltspannungsquelle Sq verbunden. Das Ausgangssignal der Schaltungsreihe kann ie-

der Drainelektrode der Feldeffekt-Transistoren entnommen werden. Die Sourceelektrode des Feldeffekt Transistors 7o ist über die Reihenschaltung des Widerstandes Rn und der Quelle des Eingangssignals V, mil einem Bezugspotential, /.. B. Erde, verbunden. Die Torelektroden der gradzahligcn Feldeffekt-Transistoren sind über die Schaltspannungsqucllc .Sn mit einem Punkt des Bezugspotentials verbunden, wahrend die Torclektroden der ungradzahligcn Feldeffekt-Transistoren direkt mit einem Bczugspotcniial verbunden sind.

Für· ein besseres Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sind in Fig.4 die wichtigsten Spannungsänderungen während der Ladungsübertragung als Funktion der Zeit aufgetragen. Die graphische Darstellung 4a zeigt den Verlauf der Spannung der Schalispannungsqueile .Su als Funktion der Zeit. Diese ist eine symmetrische Rechleckspannung mit einem Maximum von + EVoIt und einem Minimum von — E Volt, während ihre Periodizilät gleich Γ see. isl. Diese Periodizität muß mindestens um einen Faktor 2 kleiner sein als die Periodizität der maximal auftretenden Signalfrequenz der Eingangsspannung V₁, die in F i g. 4b dargestellt ist. Während der Zeitintervalle m. ri, r₄ und Tt, hat der Punkt B» in Fi g. 3, der Verbindungspunkt der Torelektroden der geradzahligen Feldeffekt-Transistoren, ein Potential von -EVoIt in bezug auf den Punkt B\, den Verbindungspunkt der ungradzahligen Feldeffekt-Transistoren, der außerdem mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der Transistor 77i wird während der erwähnten Zeitintervalle nicht leitend, wenn die Eingangsspannung V,> —(F.- Vp) ist, während außerdem die gradzahligen Transistoren T₂, T». usw. nicht leitend sind, da die Spannungen über den ungradzahligen Kapazitäten Ci, Ci usw. niemals größer als (E- Vp) Volt werden können, was für die Kapazität C_n..i an Hand der Fig. 1 beschrieben isl. Die ungradzahligen Transistoren 7Ί, Ti ... werden während der gleichen Zeitintervalle leitend sein, wenn die Spannung über den gradzahligen Kapazitäten Gi, C> usw. kleiner als EVoIt ist. Die gradzahligen Kapazitäten laden sich auf, bis die Spannung über diesen Kapazitäten gleich E— Vo Volt geworden ist, während die Spannung über jeder ungradzahligen Kapazität um denselben Wert abnehmen wird, um den die Spannung über der vorhergehenden, gradzahligen Kapazität zunimmt. Es wird dabei vorausgesetzt, daß alle Kapazitäten gleich groß sind.

Während der Zeit, in der der Punkt B_n eine Spannung von + EVoIt in bezug auf den Punkt B, hat, der außerdem mit einem Bezugspotential verbunden ist, wird die Information betreffend die Größe des Eingangssignals Vi auf die Kapazität G> übertragen, also nach Fig.4a während der Zeitintervalle Γι. rs. r? und r?. Die Größe des Eingangssignals während dieser Zeitintervalle ist etwa gleich — E, O, +E bzw. O Volt. Während dieser Zeitintervalle wird der Transistor Tn von einem Strom durchflossen, der gleich (E- Vu- V₁)ZRu + r) Amp. ist und der die vorhandene Spannung von (E- Vo) Volt über der Kapazität Gi abnehmen läßt. Die während dieser Zeitintervalle den Transistor 7Ji durchfließenden Ströme sind in F i g. 4c dargestellt und das Verhalten der Spannung über der Kapazität C<> in Fig. 4d. Diese Figur zeigt auch, daß die Spannungsabnahmen über der Kapazität Co während der Zeitintervalle Γι, rj, τ*, und Τη linear mit der Zeit verlaufen, was nur zutrifft, wenn der Widerstand Ro viele Male größer ist als der Kehrwert r der Steilheit des Feldeffekt-Transistors T,_h Die größte Spannungsabnahme tritt während des Zeitintervall η auf. d.h. JV=(E-Vp). während die Spannungsabnahme während des Intervalles r-, gleich Null Volt ist. Infolgedessen liegt lediglich für die Eingangssignale in dem Intervall -(E- V_n)S V,< +(E- V_n) Volt eine lineare Beziehung zwischen der Spannungsannahme AV über \ eier Kapazität Gi und dem erwähnten Eingangssignal vor. Der Widersland R_n muß dabei richtig gewählt werden, /.. H. muß bei einem Eingangssignal von Null Volt die Spannung über der Kapazität Gi während der Zeit, in der der Punkt H_n ein Potential von + EVoIl in bezug

κι auf Erde aufweist, gerade gleich Ui(E- Vp) Volt werden. Der Ladestrom /_Λ.,,,,=(Έ— Vp)ZRo, der dazu notwendig ist, wird durch die Größe der Kapazität Gi und die Zeitdauer r jeder Periode T bestimmt, wenn das Potential des Punktes B» gleich +EVoIt ist. Der er-

r. wähnte Ladestrom ist gleich Gi (E-Vp)Zl r, während 'Λ (E- Vp) die Spannungsabnahme über der Kapazität Gi bei einem Eingangssignal von Null Volt ist. Es folgt daraus, daß für eine richtige Einstellung des Ladestroms bei mittlerer Größe des Eingangssignals gelten muß:

2ü 7"^(¹Zi)Cn · /?o. Günstige Werte für den mittleren Ladestrom mit Rücksicht auf ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und auf die erforderliche Schaltleistung liegen /wischen I μΑ und I mA.

Da in der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 die

2^r! Strcukapazitätcn zwischen den Drainelektroden und den Torclektrodcn der Feldeffekt-Transistoren zu den Kapazitäten Gi bis C_n parallel liegen, führt das Vorhandensein dieser Streukapazität nicht mehr zu Echowirkungen, weil diese Strcukapaziiäten nunmehr gleichzei-

Ki tig als Speicherkapazitäten wirksam sind. Außerdem wird durch die Verwendung von Feldeffekt-Transistoren als Schaltungsmitlcl sichergestellt, daß der Ladebzw. Entladestrom einer ersten Kapazität nahezu nicht von dem Entlade- bzw. Ladestrom einer zweiten Kapa-

Γ) zität der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 verschieden isl. Zudem liefert die Verwendung von Feldeffekt-Transistoren statt von Bipolartransistoren den zusätzlichen Vorteil, daß das elektrische Eingangssignal V, eine größere Amplitude aufweisen darf, da die Durchbruchspannung /.wischen Sourccclckirode und Torelektrode oder dem Substrat viele Male höher ist als die entsprechende Durchbruchspannung zwischen der Emitterelektrode und der Basiselektrode eines Bipolartransistors.

Die Schaltungsanordnung nach den Fi g. 5 und 6 ent-

4^r) hält ein Substrat 50 z. B. aus Isoliermaterial, das mit einem oder mehreren Oberflächengebieten aus Halbleitermaterial versehen ist oder das, wie in der vorliegenden Ausführungsform, selber aus Halbleitermaterial bestehen kann. Es sind in einem Oberflächengebiet des

■so Substrats 50 Halblcitcrzoncn 51 einer Reihe von Feldeffekt-Transistoren vorgesehen, wobei eine Drainelektro-(Jc eines Fcldctfekt-Transistors der Reihe zur Ladungsübertragung mit der Sourceelektrode des nächstfolgenden Fcldcffekt-Transistors der Reihe verbunden ist, da jede der dargestellten Zonen 51 sowohl die Drainelektrodc eines Feldeffekt-Transistor als auch die Sourceelektrode des nächstfolgenden Feideffekt-Transistors bildet. Die Torelektroden 52 sind mit einer der Metallbahncn 53 und 54 verbunden und gehören dadurch dem

bo (den) elektrischen Eingang (Eingängen) für die Steuersignale zu, die durch diese .Metallbahnen zugeführt werden können.

Die Schaltungsanordnung hat eine gedrängte, einfache Struktur, wobei die pro Spcichercinhcit erforderliehe Oberfläche klein ist. da jede Speichereinheit durch nur einen Feldeffekt-Transistor gebildet wird.

Durch jede der Leitbahnen 53 und 54 sind die Torclcktrodcn 52 einer Anzahl von Feldeffekt-Transistoren

derart miteinander verbunden, daß eine solche Anzahl von Felde'feki-Transistoren nicht zwei aufeinanderfolgende Feldeffekt-Transistoren enthüll. Dabei kann ein gleiches Steuersignal gleichzeitig den Torelektroden verschiedener Feldeffekt-Transistoren zugeführt werden, so daß eine beschränkte Anzahl von Schaltspannungsquellen genügen kann.

in der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Torelektroden 52 aufeinanderfolgender Feldeffekt-Transistoren abwechselnd mit der Leitbahn 53 und der Leitbahn 54 verbunden. Infolgedessen weist die Reihe von Feldeffekt-Transistoren aufeinanderfolgende, aneinander angrenzende Gruppen gleicher Anzahlen von zwei aufeinanderfolgenden Feldeffekt-Transistoren auf, wobei die Torclcktroden der, verschiedenen Gruppen zugehörenden, aber in der Gruppe dieselbe Ordnungszahl aufweisenden Transistoren miteinander verbunden sind.

Diese Weise der Durchverbindung ergibt einen günstigen Kompromiß zwischen der Anzahl anzuwendender Schaltspannungsqiicllen einerseits und der Verzögerungszeit pro Speichereinheit andererseits.

Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß die Verzögerungszeit pro Speichereinheit gerade proportional zu der Anzahl von Feldeffekt-Transistoren pro Gruppe ist, die gleichzeitig Information besitzen.

Die zweite oder Speicherkapazität wird durch die Kapazität zwischen der Torelektrode 52 und der Oberflächenzone 51 gebildet, die durch die Isolierschicht 55 voneinander getrennt sind, welche die Halbleiteroberfläche bedeckt. Weiterhin befindet sich die Torelektrode 52 über der an die Halbleiteroberfläche angrenzenden Kanalzone 56, die zwischen den Oberflächenzonen 51 liegt, welche die Source- und Drainelektroden der Feldeffekt-Transistoren bilden.

Die Kapazität zwischen der Torelektrode 52 und der Oberflächenzone 51 ist die Innenkapazität zwischen Torelektrode und Drainelektrodc des Feldeffekt-Transistors. Diese Innenkapazität ist in diesem Falle dadurch vergrößert, daß die Torelektrode 52 sich nicht nur über der Kanalzonc 56, sondern auch über einem Teil der Drainelektrode 51 erstreckt.

Es sei bemerkt, daß bei Feldeffekt-Transistoren mit isolierter Torelektrode des gleichen Typs wie die vorerwähnten Feldeffekt-Transistoren, die Torelektrode gewöhnlich die Kanalzone überlappt, so daß die Torelektrode sich sowohl etwas über der Drainelektrode als auch über der Sourceelcktrode erstreckt. Bei dem beschriebenen Feldeffekt-Transistor mit erhöhter Innenkapazität liegt die Torelektrode jedoch nicht symmetrisch zu der Kanalzone, so daß von der einen Elektrode ein größerer, vorzugsweise ein erheblich größerer Teil von der Torelektrode bedeckt wird als von der anderen Elektrode.

Die Schaltungsanordnung nach den F i g. 5 und 6 kann vollständig durch ein in der Halbleitertcchnik übliches Verfahren hergestellt werden. Das Substrat 50 besteht z. B. aus N-ieitendem Silizium. Durch übliche Photomaskierungs- und Diffusionstechniken können dann die P-leitenden Zonen 51 angebracht werden z. B. mit Abmessungen von 40χ40μιη. Die Breite der Kanaizone 56 beträgt z. B. 6 μιη. Die PN-Obergänge zwischen den Zonen 51 und dem Substrat 50 erstrecken sich z. B. über eine Tiefe von etwa 2 μηι von der Halbleiteroberfläche. Die Isolierschicht 55 besteht z. B. aus Siliziumoxid und/ oder Siliziumnitrid und hat unter der Torelektrode 52 eine Dicke von z. B. 0,1 μτη. Unter den Leitbahnen 53 und 54 ist die Isolierschicht 55 vorzugsweise dicker, z. B.

0,5 μιη, um unerwünschte Kanalbildung zu verhüten. Zu diesem Zweck können auch Kanalunterbrecher, z. B. diffundierte Kanalunterbrecher verwendet werden. Die Torclektrodcn 52 haben z. B. Abmessungen von 38 x 38 μιη, während die Lcitbiihncn 53 und 54 eine Breite von ■/.. B. 10 μιη aufweisen. Sie bestehen z. B. aus Al oder einem anderen, geeigneten Elektrodenmaterial wie Au und haben eine Dicke von z. B. 0,3 μτη. Die Vorrichtung kann in üblicher Weise in einer Hülle bekannter Art untergebracht werden.

Eine weitere Ausführungsform eines für eine Schallungsanordnung nach der Erfindung geeigneten Feldeffekt-Transistors mil erhöhter Innenkapazität zwischen Torelektrode und Drainelektrode wird nachstehend an

Kv Hand von F i g. 7 beschrieben. Dieser Feldeffekt-Transistor enthält einen I lalbieiterkörper 70, in dem sich von der gleichen Oberfläche her zwei Oberflächenzonen 71 und 72 des gleichen Leitfähigkeitstyps erstrecken, zwischen welchen Zonen 71 und 72 sich eine an diesen Oberflächenzonen und an der Halbleiteroberfläche angrenzende Kanalzone 73 befindet. Über der Kanalzone 73 erstreckt sich eine Elektrode 75, die durch eine Isolierschicht 74 davon getrennt ist. Es umgibt mindestens eine der Oberflächenzonen, in diesem Falle die Drainelektrode 72. in dem Halbleiterkörper 70 eine weitere Oberflächenzone 76, die des dem der Oberflächenzonen 71 und 72 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist. Weilerhin ist die Oberflächenzone 76 mit einem Anschlußleiter 77 versehen.

jo In dieser Ausführungsform wird die Kapazität des PN-Überganges zwischen den Zonen 72 und 76 benutzt. Es ist dabei erwünscht, daß dieser PN-Übergang im Betriebszustand stets in der Sperrichtung vorgespannt ist. Dies kann dadurch erzielt werden, daß zwischen dem

j5 Anschlußleiter 77 und der Torelektrode 75 eine geeignete .Spannungsquelle vorgesehen ist. Häufig ist jedoch, z. B. bei Feldeffekt-Transistoren mit einer niedrigen Schwellcnspannung, die Spannung zwischen der Torelektrode und der Drainelektrodc derart, daß der betreffende PN-Übergang in der Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, auch wenn die Torelektrode 75 und der Anschlußleiter 77 direkt miteinander verbunden sind (wie in F i g. 7 dargestellt ist).

In der vorliegenden Ausführungsform ist weiterhin die Sourccelekirodc 71 mit einem Anschlußleiter 78 und die Drainclektrode 72 mit einem Anschlußlei'.er 79 versehen. Auch dieser Feldeffekt-Transistor kann vollständig durch ein in der Halbleitertechnik übliches Verfahren hergestellt werden.

Es wird einleuchten, daß mit einer Anzahl von Feldeffekt-Transistoren nach F i g. 7 in der an Hand der F i g. 5 beschriebenen Weise eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung aufgebaut werden kann. Es können dabei aufeinanderfolgende Feldeffekt-Transistoren der Reihe über Leiterbahnen 78, 79 miteinander verbunden werden; auch kann die Drainelektrodc 72 außerdem die Sourceelektrode 71 des nächstfolgenden Feldeffekt-Transistor bilden.

Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 5,6 und 7

bü ist das Substrat mit einem nicht dargestellten Anschlußleiter versehen, um im Betrieb die PN-Übergänge zwischen den Source- und Drainelcktroden und dem umgebenden Halblcilcrgebict in Sperrichtung vorspannen zu können. Ein solcher Anschlußleiter kann z. B. auf der Oberseite, aber auch auf der Unterseite des Halbleiterkörpers oder das Substrats angebracht werden. Im letzteren Falle ist es vorteilhaft, ein Substrat 70 mit niedrigem spezifischen Widerstand zu verwenden, auf dem

eine epitaktische Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps, aber mit höherem spezifischem Widerstand angebracht ist (F ig. 7).

Eine andere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, von der in den F i g. 8 und 9 ein Teil dargestellt ist, enthält eine Reihe von Feldeffekt-Transistoren, wobei die Source- und Drainelektroden 80 und 81 mindestens eines Feideffekt-Transistors durch Oberflächenzonen des einen Lcitfähigkcitslyps gebildet werden, die durch eine Kanalzone 83 des einen ι ο Leitfähigkeitstyps miteinander verbunden sind, während die Torelektrods 84, 86 eine an der Kanalzone 83 angrenzende Zone des entgegengesetzten l.eitfähigkeitstyps ist, welche Zone 84,86 durch einen PN-Übergang 85,87 von der Kanalzone 83 getrennt ist. π

Die Torelektrode 84,86 hat zwei Teile, von denen ein ersterer eine Oberflächenzone 84 ist, die an der Halbleiteroberfläche 88, an der auch die Source- und Drainelektroden 80 und 81 anliegen, eine der beiden letztgenannten Elektroden 80 und 81. d. h. die Elektrode 80 umgibt. Dadurch kann in einfacher Weise erreicht werden, daß die Kanalzone 83 auf der der Elektrode 81 zugewandten Seite breiter ist als auf der Elektrode 80 zugewandten Seite. Dies hat den Vorteil, daß die Innenkapazität zwischen der Zone 84 und der Elektrode 81 höher ist als die Innenkapazität zwischen der Zone 84 und der Elektrode 80.

Vorzugsweise wird in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung die Elektrode 80 als Sourceelekirodc und die Elektrode 81 als Drainelektrodc verwendet, in wcl- jo chem Falle die höhere der beiden Innenkapazitäten als zweite oder Speicherkapazität wirksam ist. Diese Wahl der Source- und Drainelektroden hat weiterhin den Vorteil, daß im Betriebszustand die elektrische Feldstärke in der von der Source- bis zur Drainelektrodc breiter werdenden Kanalzonc 83 einen gleichmäßigen Wert aufweist, wodurch die gute Wirkung des Feldcffekt-Transistors begünstigt wird.

Der zweite Teil 86 der Torelektrode 84, 86 umgibt in dem Halbleiterobcrflächcngebiet das Gebiet des einen Leitfähigkeitstyps, das durch die Kanalzone 83 und die Source- und Drainelektroden 80 und 81 gebildet wird. Der zweite Teil 86 ist durch den PN-Übergang 87 von dem erwähnten Gebiet des einen Leitfähigkeitstyps getrennt.

Im Gegensatz zu dem bei Feldeffekt-Transistoren üblichen Verfahren wird in dieser Ausführungsform die Schaltungsanordnung nach der Erfindung der Teil 86 der Torelektrode nicht als aktiver Teil des Feideffekt-Transistors verwendet. Dadurch kann der Teil 86 ein Oberflächengebiet oder ein Substrat bilden, in dem verschiedene Feldeffekt-Transistoren angebracht werden können, ohne daß weitere Vorkehrungen notwendig sind, um diese Feldeffekt-Transistoren gegeneinander zu isolieren. Dabei wird die Zone 84, die mit einem ή Anschlußleiter 89 versehen ist, als aktive Torelektrode verwendet, der durch die Leitbahnen 90 und 91 die Steuersignale zugeführt werden können. Das Substrat kann Ober einen nicht dargestellten Anschlußleiter mit einem Bezugspotential verbunden werden. Das Substrat kann w auch nicht angeschlossen und somit schwebend gelassen werden, d. h. nicht mit einem Punkt der Schaltung verbunden sein oder nur derart verbunden sein, daß das Potential des Substrats während des Betriebes und trotz dieser Verbindung den gleichen Wert aufweist, den das h¹ Substrat auch ohne diese Verbindung haben würde.

Auf der Halbleiteroberfläche 88 befindet sich eine Isolierschicht 93. auf der Leitbahnen 89 bis 92 angebracht sind. Die Leitbahnen 92 verbinden dabei je eine Drainelektrodc 81 eines Feideffekt-Transistors der Reihe mit der Sourceelektrode 80 des nächstfolgenden Fcldcffekl-Transistors der Reihe.

Es sei bemerkt, daß die Torelektrode 84 auch eine schmale, ringförmige oder andere geschlossene Geometrie aufweisen kann, wobei z. B. örtlich eine Verbreiterung vorgesehen ist, um die Torelektrode mit einen Anschlußleiter versehen zu können. Auf diese Weise kann die Kanalzonc 83 wenigstens örtlich eine sehr geringe Lunge aufweisen, wodurch der Widerstand zwischen der Source- und der Drainclektrodc gering sein kann.

F.ine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, von der in I·" i g. 10 und 11 ein Teil dargestellt ist, enthält auch Feldeffekt-Transistoren, bei denen die Source- und Drainclcktroden Obcrfiächcnzoncn 100 und 101 des einen Leitfähigkeitstyps sind. Diese Zonen sind durch die Kanalzonc 102 des einen Leitfähigkeitstyps miteinander verbunden. Die Torelektrode wird durch eine an der Kanalzone 102 anliegende Zone 103 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und durch eine mil der Zone 103 verbundene Oberflächenzone 104 gebildet, die auch des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Tatsache benutzt, daß die Torelektroden mehrerer Feldeffekt-Transistoren miteinander verbunden sind. Solche miteinander verbundenen Feldeffekt-Transistoren lassen sich in der gleichen Zone 103 anbringen. Die unterschiedlichen Zonen 103 sind dabei in üblicher Weise dadurch gegeneinander isoliert, daß ein Substrat 105 des einen Leitfähigkeitstyps verwendet wird, auf dem eine epitaktische Schicht 103 des entgegengesetzten Lcitfähigkcitslyps angebracht ist. wobei weiterhin Isolierzonen 106 des einen Lciifähigkeitstyps bis in das Substrat 105 diffundiert sind. Die Zonen 103 sind wie Inseln von den Isolierzonen 106 umgeben.

Die Zonen 103 sind ferner mit einem nicht dargestellten Anschlulllciicr verschen, durch den Steuersignale den Torclektrodcn zugeführt werden können.

Zur Verringerung des Reihenwiderstandes zwischen den Ti>relcktroden unterschiedlicher Feldeffekt-Transistoren können die Zonen 103 mit einem niedcrohmigcn Teil 107 versehen werden, der vorzugsweise nicht an das Substrat 105 angrenzt, da sonst die Kapazität zwischen den Zonen 103 und dem Substrat 105 durch das Vorhandensein des niederohmigen Teiles 107 zusätzlich vergrößert wird.

Die Halbleiteroberfläche ist mit einer Isolierschicht 108 versehen, auf der ein Muster von Leiterbahnen 109 angebracht ist, die durch Fenster in der Isolierschicht mit den Source- und Drainelektroden 100 und 101 einen Kontakt herstellen. Mittels der Leiterbahnen 109 sind die Feldeffekt-Transistoren reihenmäßig angeordnet, wobei jede der Leiterbahnen 109 die Drainelektrode 101 eines in einer Zone oder Insel 103 liegenden Feideffekt-Transistors mit der Sourceelektrode 100 eines in einer anderen Zone 103 liegenden Feldeffekt-Transistors verbindet.

Die an Hand der F i g. 10 und 11 beschriebenen Feldeffekt-Transistoren haben einen symmetrischen Aufbau. Dies bedeutet, daß die Innenkapazität zwischen der Torelektrode und der Sourceelektrode annähernd gleich der Innenkapazität zwischen der Torelektrode und der Drainclcktrodc oder sogar größer als diese ist. Obgleich dies die gute Wirkung der Schallungsanordnung nicht oder nahezu nicht beeinträchtigt, werden vorzugsweise Feldeffekt-Transistoren asymmetrischer

11

Struktur verwendet, bei denen die Innenkapa/ilät zwischen Torelektrode und Drainelcktrode die größere ist. Dies kann z. B. dadurch erzielt werden, daß die Feldeffekt-Transistoren der Schaltungsanordnung nach den Fig. 10 und 11 durch Feldeffekt-Transistoren ersetzt ^r, werden, von denen die Fig. 12 und 13 einen zeigen. In diesen Fig. 12 und 13 sind entsprechende Teile deutlichkeitshalber mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. 10 und 11. Bei dieser Ausführungsform i"t die Sourceelektrodc 100 erheblich kleiner als die Drainelektrode 101, während die Kanalzone 102 auf der der Drainelektrode 101 zugewandten Seile breiter ist als auf der anderen, der Sourccelektrode zugewandten Seite.

Es wird einleuchten, daß die Erfindung sich nicht auf r> die dargestellten Beispiele beschränk!. Ps können /.. B. sowohl Feldeffekt-Transistoren mit einer N-Kanal/onc als auch mit einer P-Kanalzone verwendet werden. Weiterhin sind sowohl Feldeffekt-Transistoren des Anreicherungstyps als auch des Verarmungstyps anwendbar.

Ferner kann die in F i g. 3 dargestellte Schaltungsanordnung vorteilhaft benutzt werden, um in üblicher Weise ein Filter für elektrische Signale zu bilden. Bei Verwendung von sehr vielen Einheiten in der Schaltungsreihc nach F i g. 3 können etwaige Ladungsverlu- η ste durch das Anbringen eines oder mehrerer üblicher Ladungsverstärker in der Reihe kompensiert werden. In Kombination mit der beschriebenen Schaltungsreihc können auch Eingangs- und Ausgangskreisc üblicher Art verwendet werden. Ferner können zwei oder mehr jo der erwähnten Schaltungsreihen parallel mit gemeinsamen Eingängen und/oder gemeinsamen Ausgängen geschaltet werden.

Weilerhin kann bei Feldeffekt-Transistoren mit einer durch einen PN-Übergang von der Kanalzonc gctrennten Torelektrode die Kapazität zwischen Torelektrode und Drainelektrode durch Verwendung zusätzlicher Oberflächenzonen vergrößert werden, die z. B. in einem Oberflächenteil der Torelektrode oder ganz oder teilweise in der Drainelektrode liegen und mit der Drain- bzw.Torelektrode verbunden sind.

Es Sassen sich weiter andere Halbleitermaterialien wie Germanium oder A'"B^V-Verbindungen verwenden . und auch andere geometrische Anordnungen sind möglich.

Die Kanalzone läßt sich örtlich verjüngen durch die Anbringung weiterer Halbleiterzonen, so daß die Kanalzone durch die dem PN-Übergang der Torelektrode zugehörenden Verarmungsschichten als erste an der Verjüngungsstelle gesperrt wird. Auf diese Weise kann der Abschnürpunkt in Richtung von der Drainelektrode auf die Sourcceiektrode verschoben werden, wodurch die Kapazität zwischen der Torelektrode und der Sourceelektrode zugunsten der zwischen Torelektrode und Drainelektrode verringert wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

b5

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Übertragen von Ladungen mit auf gleiche Weise aufgebauten Stufen, von denen jede eine erste und eine /weite Kapazität und einen Feldeffekttransistor mit jeweils einer Gateelektrode, einer Sourccelektrodc und einer Drainelektrode umfaßt, dessen Hauptstronibahn in dem Verbindungsweg zwischen der ersten und der zweiten Kapazität liegt, bei der der Ladungytransporl zwischen der ersten und der zweiten Kapazität mit Hilfe einer zwischen der von der Hauptstrombahn des Transistors abgekehrten Seite der ersten und der zweiten Kapazität angelegten Schaltungsspannung steuerbar ist und bei der die Stufen so aufeinanderfolgend angeordnet sind, daß die zweite Kapazität einer Stufe die erste Kapazität der darauffolgenden Stufe bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Drainelektrode abgewandte Seite der zweiten Kapazität mit der als Steuerelektrode dienenden Gateelektrode verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aufeinanderfolgende Stufen der Schaltungsanordnung in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind und daß die zweite Kapazität durch die Kapazität zwischen einer Elektrode (52) und einer Obcrflächcnzonc (51) des Halbleiterkörpers, die durch eine Isolierschicht (55) voneinander getrennt sind, gebildet wird (F ig. 6).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Stufen in einem Halbleiterkörper in einer Reihe angeordnet sind und daß die Drainclcktrode eines Transistors der Reihe zugleich die Sourccelektrodc des nächstfolgenden Transistors der Reihe bildet und die Ladungen in der Draineickirodc jeder Stufe innerhalb des Halbleiterkörper auf die Drainclektrode der folgenden Stufe übertragen werden.