DE2942828A1

DE2942828A1 - Ladungstransferelement

Info

Publication number: DE2942828A1
Application number: DE19792942828
Authority: DE
Inventors: Nathan Bluzer
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-10-23
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1980-04-30
Also published as: JPS5559772A; FR2440078A1; US4247788A

Description

Ladungstransferelement

Die Erfindung betrifft ein Ladungstransferelement mit einer einen langgestreckten Kanalbereich bildenden Halbleiterschicht und einem dem Kanalbereich benachbarten Signaleingangsbereich zur Erzeugung von individuellen Ladurgspaketen in Abhängigkeit von einem injizierten Signal.

Ladungstransferelemente bestehen im wesentlichen aus drei funktioneilen Bereichen, nämlich dem Signaleingangsbereich, über welchen ein Signal zur Ausbildung eines Ladungspaketes angelegt wird, einem Transferbereich mit einer Vielzahl von Stufen, in dem das Ladungspaket oder ein Teildesselben von Stufe zu Stufe verschoben wird, und einem Signalsuslesebereich, in dem das Signalpaket erneut in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das eine analoge Größe des Ladungspakets ist. Die Arbeitsfrequenz derartiger Ladungstransferelemente ist in der Regel durch die Grenzfrequenz der eingangsseitigen undaisgangsseitigen Halbleiteranordnungen begrenzt.

Bisher werden mehrere Taktoperationen oder ein einziger MOS-Transistor benutzt, um die analogen Ladungspakete aus einem Eingangsbereich in einen Transferbereich oder einen auch als Fs/ai _A Potential-

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Potentialquelle bezeichneten Potentialbereich zu übertragen. Die zweiten Taktoperationen begrenzen die maximale Informationsbandbreite der Anordnung gegenüber der möglichen Bandbreite bei einer Injektion unter Verwendung eines einzigen Operationsschrittes. Die Verwendung eines einzigen MOS-Injektionstransistors läßt jedoch Schwellwertungleichförmigkeiten und eine Neigung zu einer Bandbreitenverringerung aufgrund parasitärer Effekte erkennen.

Gegenwärtig können Ladungstransferelemente nur sehr niedere Ströme verarbeiten. Insbesondere liegt die Möglichkeit der Handhabung von Strömen bei Elementen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von etwa 100 mA. Die Erzeugung derartig geringer Ströme bei hohen Frequenzen über hohe Impedanzen ist sehr schwierig, so daß die Neigung zur Induktion von Rauschen durch kapazitive Kopplungen und Leckströmen aufgrund von Verschiebespannungen begünstigt wird. Ein größeres Signalniveau für das Eingangssignal würde bei einem solchen Aufbau eine bessere Rauschunempfindlichkeit mit sich bringen, jedoch ist ein hohes Signalniveau der Eingangs signale in der Regel bei Ladungstransferelementen nicht verwendbar, da die Potentialquellen bzw. Potentialbereiche in eine Ladungssättigung gesteuert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladungstransferelement zu schaffen, das eine Erhöhung der Eingangssignalfrequenz zuläßt und das Signal-Rauschverhältnis für das Eingangssignal verbessert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Signaleingangsbereich eine Teilungsschaltung umfaßt, welche nur die Eingabe eines vorgegebenen Anteils des injizier-

ten Signals

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ten Signals zuläßt.

Ein nach den Merkmalen der Erfindung aufgebautes Ladungstransferelement ist bezüglich seines Signaleingangsbereichs derart aufgebaut, daß ein bestimmter festgelegter Bruchteil des Eingangssignalstromes zu der ersten bzw. benachbarten Potentialquelle des Ladungstransferelementes gerichtet wird. Erreicht wird dies, indem der Eingangssignalbereich einen bipolaren Transistor umfaßt, dessen Kanalbereich, in welchem die Potentialquelle bzw. die Potentialquellen angeordnet sind, der eigentliche Kollektor des eingangsseitigen Halbleiteraufbaus ist. Zu diesem Zweck besteht das Ladungstransferelement bezüglich seines Signaleingangsbereiches aus einem ersten und zumindest einem zweiten Transistor, die eine gemeinsame Basis bzw. ein gemeinsames Gate haben. Der Kollektor bzw. der Drain-Bereich des ersten Transistors ist derart ausgebildet, daß er einen Teil des die Potentialquelle bildenden Kanalbereiches ist. Im Interesse einer hohen Grenzfrequenz und einer verbesserten Rauschimmunität ist der zweite Transistor bzw. mehrere Transistoren vorgesehen, wobei der Kollektor bzw. der Drainbereich dieses zweiten Transistors bzw. der weiteren Transistoren von dem Kanalbereich, d.h. dem Kollektor des ersten Transistors getrennt und mit einer Gleichstromquelle sowie mit dem gemeinsamen Basisbereichen verbunden ist. Das Eingangssignal wird an die zusammengeschalteten Emitter des ersten und zweiten Transistors angelegt. Der gesamte Flächenbereich des Basis-Emitterübergangs des ersten Transistors ist kleiner als der gesamte Flächenbereich des Basis-Emitterübergangs des zweiten Transistors bzw. der zweiten Transistoren, und zwar im Verhältnis zu der speziellen gewünschten Unterteilung des Eingangs signals,

w elches

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welches an die angrenzende Potentialquelle übertragen werden soll.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Blockdarstellung einer Schaltungsanordnung mit einem Signaleingangsbereich, einem Transferbereich und einem Signalauslesebereich;

Fig. 2 eine Teildraufsicht auf ein Ladungstransferelement und insbesondere den Signaleingangsbereich und den Transferbereich gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2; Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 2; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 2;

Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen anders aufgebauten Kanalbereich, bei welchem der Ort der Potentialquelle bzw. der Potentialquellen der eigentliche Kollektor des eingangsseitigen Aufbaus ist;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Halbleiteraufbau gemäß der Erfindung, welcher auf einer ebenen Schichtfläche unter Verwendung von MOS-Anordnungen aufgebaut ist;

Fig. 8 einen Teüausschnitt der in Fig. 7 angedeuteten Bereiche mit einem geänderten Aufbau.

Mit der

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Mit der Bezeichnung Ladungstransferelement werden grundsätzlich alle Halbleiteranordnungen bezeichnet, bei welchen in einem Signaleingangsbereich Ladungspakete gebildet werden und in einem Signalauslesebereich analoge oder digitale Werte dieser Ladungspakete zur Verfügung stehen, wobei jedoch fotoempfindliche Halbleiteranordnungen ausgenommen werden, bei denen keine Signaleingangsbereiche benötigt werden. Für derartige Ladungstransferelemente können Halbleiteranordnungen sowohl mit einem Oberflächenkanal als auch mit einem Schichtkanal Verwendung finden, wobei bei Elementen mit einem Oberflächenkanal die Ladungsbewegung zwischen einem Halbleiterkörper und einer darüberliegenden Isolierschicht erfolgt, und bei Halbleiterelementen mit einem Schichtkanal die Ladungsverschiebung innerhalb des Halbleiterkörpers stattfindet. Dabei können die Elemente mit einem Schichtkanal sowohl einen verhältnismäßig flachen als auch einen verhaeltnismäßig tiefen Kanal, der größer als ein /um ist, aufweisen.

Halbleiteranordnungen mit einem flachen Kanal umfassen

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vergrabene Kanalstrecken, wogegen Halbleiteranordnungen mit einem tiefen Kanal auch sog. peristaltische Elemente umfassen. Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung ist verhältnismäßig einfach und arbeitet gleichartig unabhängig von der: »speziellen Typ des Ladungstransferelements. Die vorliegende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf ein Elemen-: mit einem Schichtkanal und insbesondere auf ein peristaltisches Element, welches hohe charakteristische Schaltgeschwindigkeiten hat. Die spezielle Geometrie der beschriebenen Ausführungsform ist für viele der verwendbaren Elementtypen vorteilhaft, wobei die Ladungstransferelemente in herkömmlicher Weise unter Verwendung von Diffusions-, Implantations- und Epitaxialschritten hergestellt sein können.

In Fig. 1 ist ein Ladungstransferelement 10 beschrieben, das einen Signalbereich 11 umfaßt, welcher denanalogen Wert des Signals in ein entsprechendes Ladungspaket transformiert. Ferner ist ein Ladungstransferregister bzw. Transfergate 12 vorgesehen, das aus drei Stufen Tl, T2 und T3 besteht und das Ladungspaket speichert bzw. weiterüberträgt. Die Potentialquellen Gl, G2 und G3 (Fig. 3) unterhalb der Gates werden dazu benutzt, v.m die Verkopplung zwischen den Transfergates 12 und den Signaleingangsbereich 11 zu erleichtern. Der Signalauslesebereich 13, der zwischen den Transfergatestufen T3 und T4 dargestellt ist wirkt als nichtlöschende Lesestufe. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist können auch auf der anschließenden rechten Seite des Signalauslesebereichs 13 Transfergates vorhanden sein, mit welchen die Ladung durch die anschließenden Transfergatestufen T4, T5 und TN übertragen wird, womit man die nichtlöschende Lesestufe verwirklichen kann. An die letzte Transfergatestufe TN schließt ein weiterer Signalauslesebereich 15 an, der im wesent-

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lichen wie der Signalauslesebereich 13 aufgebaut ist und gewünschtenfalls als löschende Lesestufe Verwendung finden kann. Wie bereits erwähnte kann jede beliebige Halbleiteranordnung mit einem Signaleingangsbereich und einem Ladungstransferbereich bzw. mit einem Ladungstransferbereich und einem Signalauslese bereich oder auch mit einem Signaleingangsbereich, einem Transferbereich und einem Signalauslesebereich gemäß der Erfindung aufgebaut werden, wobei auch weitere Kombinationen mit mehreren Eingangs- und Ausgangsbereichen möglich sind.

In den Fig. 2 und 3 ist der Signaleingangsbereich 11 gemäß Fig. im Detail geschnitten dargestellt. Aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung wurden die Isolierung und die metallischen Verbindungen in der Draufsicht gemäß Fig. 2 weggelassen. In der Darstellung schließt an den Signaleingangsbereich ein Teil eines Transferbereichs an. Die Schaltung wird in herkömmlicher Weise unter Verwendung einer anisotropischen Ätzung hergestellt, wobei aufgrund der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeit eine Oberflächenstruktur mit unterschiedlichen Höhen entsteht. Das Substrat 20 des Halbleiteraufbaus kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial wie Silicium oder Galliumarsenid bestehen und beispielsweise etwa

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3, 3 χ 10 mm dick sein. In dem Substrat 20 ist ein N-dotierter Kanalbereich 21 vorgesehen, der eine Dicke von etwa 1 bis 5 .um haben kann und die Potentialquellen unterhalb der Gatter Gl, G2 und G3 einerseits und andererseits den Kollektorteil eines ersten sogenannten Injektionstransistors 22 bildet. Die Breite der Potentialquellen liegen für ein ladungsgekoppeltes Element vom peristatlischen Typ für hohe Geschwindigkeiten etwa in der Größenordnungvon 200 ,um. Für ein Ladungstransferelement mit einem vergrabenen Kanal kann sich eine N-Dotierung gleich-

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mäßig bzw. konstant über den gesamten Bereich erstrecken. Bei einem peristaltischen Typ dagegen ist die Dotierung nicht konstant, vielmehr nimmt die Störstellendichte gegen die oberflächenbenachbarte Isolierschicht 23 zu. Ein zweiter Transistor, der auch als Teilungstransistor bezeichnet werden kann, hat einen P-dotierten Basisbereich 25, der Teil des Basisbereichs 26 des ersten Injektionstransistors 22 ist. Der Basisbereich kann bei einer hohen Grenzfrequenz eine Dicke von 1 bis 2 ,um haben. Die beiden Transistoren 22 und 24 haben ferner Emitterbereiche 27 und 28, die etwa 4 ,um breit sein können und miteinander über ein Leitung 29 gemäß Fig. 2 verbunden sind. Der Kollektorbereich des Injektionstransistors 22 geht einstückig in den Kanalbereich 21 über. Der Teilungs- oder Spiegeltransistor 24 hat einen N-dotierten Kollektorbereich 30, der zwischen etwa 1 bis 5 ,um dick sein kann. Der ohmische Kontaktanschluß erfolgt über eine Kontaktmetallisierung 31 unter welcher ein P+-dotierter und mit der Basisschicht verbundener Bereich ausgebildet ist. Entsprechend ist auch der Kollektorbereich 30 des Teilungstransistors 34 mit einem N+-dotierten Teil 33 versehen, über welchen die ohmische Kontaktverbindung zur Anschlußleitung 34 erfolgt. Die Emitterkontakte 35und 36 der beiden Transistoren 22 und 24 sind über eine Leitung 37 miteinander und mit einer Wechselstromsignalquelle 38 über einen Kondensator 40 verbunden. Ferner liegen die Emitterkontakte 35 und 36 an einer Gleichstromquelle über einem Widerstand 41. Der gemeinsame Basisanschluß über die Kontaktmetallisierung 31 der beiden Transistoren 22 und 24 ist mit dem Kollektorbereich 30 über die Leitung 34 verbunden, die gleichzeitig zu einer Gleichstromquelle führt, über welche ein gegenüber den Emitterkontakten 35 und 36 positiveres Potential zugeführt wird. Über den Widerstand 41 kann ein typischer Strom

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in der Größenordnung von etwa 2 mA fließen. Ein P-dotierer Bereich 42 steht mit dem Basisbereich 25 in Kont.aktverbindung und dient dazu, den Ba^isbereich mit dem Kollektorbereich des Transistors 24 kurzzuschließen, welches sicherstellt, daß das Basis-Emitterpotential, welches sich aufgrund des Stroms durch den Teilungstransistor ausbildetjidentisch für beide Transistoren 2'λ und 24 ist. Der beschriebene Halbleiteraufbau wird von einem N+-dotierten Leckunterdrückungsring 44 umgeben, um sicherzustellen, daß der aus der Peripherie in die Quellbereiche der Ladungstransferelemente fließende Leckstrom möglichst reduziert wird.

Der Flächenbereich des Emitter-Basisübergangs des Transistors 22 steht in einem gewissen Verhältnis zum Flächenbereich des Basis-Emitterübergangs des Transistor 24. Der über den Emitterkontakt und die Leitung 37 injizierte Strom teilt sich zwischen den beiden Transistoren 22 und 24 in Abhängigkeit von den Flächenbereichen der Bas is-Emitterübergänge auf, was auch für den Fall gilt, daß mehr als ein Teilungstransistor Verwendung findet.

Wenn ein großen Flächenverhältnis wünschenswert ist, d.h. wenn der Flächenbereich des Basis-Emitterübergangs für den Teilungstransistor wesentlich größer als der Flächenbereich des Basis-Emitter-Übergangs für den Junctiontransistor ist, kann ein weiterer Teilungstransistor 45 gemäß Fig. 2 vorgesehen werden, der auf einem benachbarten Bereich ausgebildet ist. Dieser Transistor ist mit dem Teilungstransistor 24 gleichartig aufgebaut, und hat einen Emitterbereich 28' , einen Basisbereich 25', der einstückig in den Basisbereich 26 des Junctiontransistors 22 übergeht, sowie einen Kollektorbereich 30' und einen Bereich 33' , der mit dem P+-Bereich 42 entsprechend dem Transistor 24 kurz-

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geschlossen ist. Die Emitter-Basis- und Kollektorbereiche des Transistors 45 sind mit den Emitter - ,Basis-und Kollektorbereichendes Transistors 24 verbunden, wodurch der Flächenbereich des Basis-Emitterübergangs und damit das Verhältnis der Flächenbereiche zwischen den Teilungstransistoren und dem Junctiontransistor vergrößert wird. In der Darstellung gemäß Fig. 2 sind zwei Teilungstransistoren 22 und 40 gezeigt, jedoch ist es selbstverständlich, daß auch nur ein einziger Teilungs transistor oder eine über zwei hinausgehende Vielzahl von Teilungstransistoren verwendet werden kann, je nach dem, welches Verhältnis für die Unterteilung der Flächenbereiche des Emitter-Basisübergangs gewünscht wird.

In den Fig. 4 und 5 sind Schnitte durch den Aufbau gemäß Fig. 2 dargestellt, wobei aus Fig. 4 auch die Isolation bzw. die zur Leckunterdrückung vorgesehene Kanalbegrenzung an gegenüberliegenden Seiten einer jeden Potentialquelle unter den Gattern Gl, G2 oder G3 dargestellt ist, um die Potentialquelle auf den Kanalbereich zu begrenzen. Die Gatter G bzw. die Gatter der Transferstufen T können beispielsweise eine Dicke von etwa 1 ,um haben. Die Isolierschicht 23 kann beispielsweise 0,1 .um dick sein.

In Fig. 6 ist ein Teilausschnitt für eine andere Ausführungsform des Teilungstransistors 24 dargestellt. Dieser Teilungstransistor kann den innerhalb des gestrichelten Bereichs gemäß Fig. dargestellten Teilungstransistor ersetzen. Der Teilungstransistor kann gemäß der Darstellung mit einem vergrabenen Kollektorabschnitt 50 versehen sein, der N+-dotiert ist und auf derOberfläche P des Substrats 20 aufliegt. Ein derartiger begrabener Kollektorabschnitt liegt unterhalb des N+-Bereiches 33, der dem

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Kollektor zugeordnet ist und etwa 40 ,um breit sein kann. Dieser Bereich kann sich soweit in die Tiefe erstrecken, daß er in die begrabene Schicht übergeht, wie dies mit den gestrichelten Linien 51 angedeutet ist. Mit dem Aufbau gemäß Fig. 6 läßt sich der KoI-lektorwiderstand verringern und das Frequenzverhalten des HaIbleiterelements verbessern.

In Fig. 7 ist eine Aus führungs form der Erfindung dargestellt, die im wesentlichen der Ausfürhungsform gemäß Fig. 1 bis 6 entspricht, jedoch planar aufgebaut ist. Als Substrat 55 kann ebenfalls ein Halbleitermaterial wie Silicium oder Galliumarsenid mit einer P-Dotierung Verwendung finden, wobei die als Potentialquelle wirkenden Bereiche 56 N-dotiert sind. In diesen Bereichen ist ein erster MOS-Transistor 57 ausgebildet, der in einem Materialbereich 59 mit einem N+-Sourcebereich 58 und einem P+-Bereich versehen ist. Dieser P+-Bereich ist mit einer Kontaktmetallisierung 61 versehen. Ein Isolierbereich 62 mit einer P+-Dotierung ist zwischen dem MOS-Transistor 57 und einem Trenntransistor angeordnet. Die beiden MOS-Transistoren können in herkömmlicher Weise durch Doppeldiffusionin einund demselben Flächenbereich aufgebaut sein. Der Teilungstransistor 63 ist mit einem N+-Eingangsbereich 68 innerhalb eines P-dotierten Materialbereichs 65 ausgebildet. Ferner wird über einen P+-dotierten Bereich 66 eine Kontaktverbindung zur Leitung 67 hergestellt. Der Teilungstransistor 63 hat einen Drainbereich 64, der N+-dotiert ist. Jeder dieser Transistoren hat einen Gatebereich, die miteinerander verbunden sind, wie voraus stehend für die bipolaren Transistoren bereits beschrieben wurde. Der Verbindungspunkt für den Gateanschluß des Transistors 57 ist mit 69 und Verbindungspunkt für den Gateanschluß für den Transistor 63 mit 70 bezeichnet.

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Auch diese Verbindungpunkte sind zusammengeschaltet, wie dies für die Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 5 der Fall ist. Ebenso sind die Sourcebereiche der Transistoren 57 und 63 zusammengefaßt, die dieselbe Funktion wie die Emitter bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen haben. Der Drainbereich des Transistors 57 wird mit vom Bereich 56 gebildet, wogegen die Drainanschlüsse des Transistors 63 an die Gatebereiche 70 und dieses Transistors angeschlossen sind. Die Aufteilung des eingangsseitigen Stroms zwischen dem Transistor 57 und dem Teilungs· transistor 63 wird von dem Verhältnis der Kanalbreiten des Materialbereichs bestimmt, in welchem der Transistor 57 und die Teilungstransistoren 63 sowie 72 angeordnet sind. Unter der Breite dieser Bereiche wird diejenige Ausdehnung verstanden, die senkrecht zur dargestellten Oberfläche auf der Zeichnungsebene steht. Die Länge des Materialbereichs, in dem diese Transistoren ausgebildet sind, ergibt sich aus der Abmessung zwischen den Source- und Drainbereichen der entsprechenden Transistoren. Obwohl in der Darstellung die Materialbereiche 59 und 65 der Transistoren 57 und 63 in einem gewissen Abstand von den P-leitenden Substrat 55 enden, so daß sich unter ihnen der N-leitende Materialbereich 56 erstreckt, wird die Wirkungsweise der einzelnen Halbleiteranordnungen nicht beeinträchtigt, wenn sich die Materialbereich 59 oder 65 bis zum P-leitenden Substrat 55 erstrecken. Die Abmessungen der einzelnen Materialbereiche können im wesentlichen den Größen der Ausführungsform der Fig. 2 bis 5 entsprechen.

In der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist ein weiterer Teilungstransistor 72 vorgesehen, um das Verhältnis der Breite der Materialbereiche der einzelnen Transistoren zu vergrößern,

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so daß ein geringerer Anteil des eingangs seitigen Stroms der Potentialquelle zugeordnet wird. Der Transistor 72 ist in einem Materialbereich 73 mit P-Dotierung ausgebildet. In diesem Materialbereich ist ein N+-dotierter Sourcebereich 74 ausgebildet. Ein vorgesehener Drainbereich 99 ist mit dem Drainbereich 64 des Transistors 63 verbunden und steht ferner mit dem Drainbereich 75 in Verbindung. Der Gatebereich76 des Transistors ist mit den Gatebereichen der anderen Transistoren 57 und 63 und den Drainbereichen 64, 99 und 75 über die N+-dotierten Bereiche 64, 75 und 79 der Teilungstransistoren 63 und 72 verbunden. Die Breite des Materialbereichs 59 des Transistors 57 angrenzend an die Potentialquelle unter dem GateGl ist verhältnismäßig schmal, so daß der Ladungstransport in Richtung zur Potentialquelle unter dem Gate Gl rasch erfolgen kann. Der P+-Bereich 78 dient der Isolation, wie dies auch für den Bereich62 der Fall ist. Diese Bereiche liegen an der Oberfläche z. T. offen, um Anschlüsse anbringen zu können. Das in Fig. 7 erläuterte Ausführungsbeispiel zeigt einen planaren Aufbau mit MOS-Transistoren, jedoch ist auch ein planarer Aufbau mit bipolaren Transistoren möglich.

An Stelle der doppeldiffundierten MOS-Transistoren können auch einfachdiffundierte Transistoren Verwendung finden.

In Fig. 8 ist ein Ausschnitt eines variierten Aufbaus der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 7 für den mit einer strichpunktierten Linie umschlossenen Bereich dargestellt. Diese Modifikation besteht allein darin, daß der Gateanschluß 70 gemäß Fig. 7 direkt an einen P+-dotierten Bereich 80 angeschlossen ist, wie durch die Leitung 70' angedeutet wird. Die beiden N+-dotierten Bereiche 68 und64 stellen ledigleich Teile der N+-dotierten Gateanschlüsse innerhalb der strichpunktierten Linie gemäß Fig. 7 dar.

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Die Einbeziehung des Teilungstransistors bzw.die Teilungstransisto. ren bei den erläuterten Halbleiteranordnungen in die eingangsseiti ge Halbleiterstruktur hilft das Problem zu überwinden, das an Schnittstellen zwischen der eingangs seitigen Struktur und externen Stromquellen auftritt. Das Verhältnis des Stroms in einem oder mehreren der Teilungstransistoren, bezogen auf den Strom im Junctiontransistor, ist proportional dem Bas is-Emitterübergangs bereich für den Fall von bipolaren Transistoren und ferner proportional der Breite des Materialbereiches, in dem MOS-Transistoren ausgebildet sind. Dies ist deshalb der Fall, da die Basis-Emitterspannung bzw. die Gate-Sourcespannung jeweils für den In junction transistor und den Teilungstransistor gleich ist. Bei Lateraltransistoren mit einer mit der Basis des Teilungstransistors gemeinsamen Basis oder bei MOS-Transistoren mit gemeinsamem Gatebereich ist die Herstellung mit einer doppelten Diffusions technik möglich, so daß man sehr schmale Basisbreiten von weniger als. 1 .um erhalten kann. Die Basisbreite an der Stelle 77 gemäß Fig. 7 ist die engste Breite nächst zu dem tatsächlichen Kollektorbereich beim bipolaren Transistor oder dem Drainbereich beim MOS-Transistor, wodurch Bedingungen geschaffen werden, unter welchen der in den Emitterbereich oder den Sourcebereich injizierte Strom in den Kollektorbereich oder den Drainbereich über den sehr engen Basisbereich eintritt. Ein Vorspannung am ersten Gate Gl bewirkt einen virtuellen Kollektor, wodurch sich eine eingangs se itige Struktur ergibt, bei der der Kollektor des bipolaren Transistors oder der Drainbereich des MOS-Transistors Teil des die Potentialquelle bildenden Kanals ist. Aufgrund einer solchen Konfiguration ergibt sich eine höhere Injektionsgeschwindigkeit, da die notwendige Zeit für den Ladungstransport über den Kollektorbereich oder den Drainbereich eliminiert wird, in-

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dem die erste Potentialquelle des Ladungstransferelements den Kollektorbereich oder den Drainbereich verkörpert. Das zweite Gate G2 und/oder das dritte Gate G3 können als Injectionsgate benutzt oderan eine Taktstufe angeschlossen werden, welche ein Zweiphasen- oder ein Eineinhalbphasen-Taktformat in bekannter Weise hat. Der Anteil der in den virtuellen Kollektor injizierten Ladung hängt vom Wert des in den Quellbereich eingeleiteten Eingangsstroms und der Indikation- bzw. Taktzeit ab. Es wird bevorzugt, das Eingangssignal als Gleichstromspannung über den Widerstand 41 an die Emitteranschlußpunkte anzulegen und über den Kondensator 40 einen modulierenden Wechselstrom einwirken zu lassen. Der injizierte Strom wird dann zwischen dem ersten Transistor und dem einen oder mehreren nachfolgenden Teilungstransistoren aufgeteilt. Die genaue Stromaufteilung, die sich ergibt, bwirkt zwei grundsätzliche Vorteile. Einmal wird die Beeinträchtigung der Bandbreite durch parasitäre Kapazitäten und andererseits die Ankoppelschwierigkeiten zwischen Ladungstransferelementen und Eingangssignalquellen verringert. Da die eingangsseitige Halbleiterstruktur als Stromtransformator wirkt, kann ein niederer Eingangsstrom in das Ladungstransferelement beibehalten werden, selbst obwohl ein hoher Eingangsstrom durch das Anlegen eines verhältnismäßig hohen Eingangs signals über eine kleine Serienimpedanz injiziert wird. Dadurch erhält man eine wesentlich größere Eingangsbandbreite. Typischerweise können Bas is-Emitterübergangsbereiche für bipolare Transistoren kleiner als 100 χ 4 um gemacht werden, wogegen der Flächenbereich des Übergangs bei dem Teilungstransistor bzw. den Teilungstransistoren eine Größe von 400 χ 16 um haben kann, wodurch sich eine Strom verringerung im Verhältnis von 16 : 1 ergibt. Der Effekt des Teilungstransistors bzw. der Teilungstransistoren besteht in

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der Reduzierung der Eingangs impedanz am Emitteranschluß und in der Reduzierung der Einflüsse von parasitären Kapazitäten. Damit läfltsich für einen Serienwiderstand von 1 kOhm bei einer parasitären Kapazität von weniger als 1, 5pF und einer 100 MHz Eingangsbandbreite ein eingangsseitiges Signalniveau von weniger als 260 mV erzielen.

Obwohl bei der Erfinding ins Auge gefaßt ist, daß der Eingangsteil des La dungs trans ferelements lediglich aus einem Transistor besteht, dessen Kollektorbereich oder Drainbereich ein Teil des Materialbereichs unter der ersten Potentialquelle bildet, macht die Verwendung eines Teilungstransistors bzw. mehrerer Teilungstransistoren eine größere Signaleingangsbreit möglich verglichen mit der Eingangshalbleiterstruktur eines einzigen bipolaren Transistors. Wenn die Schaltgeschwindigkeit für einen bipolaren Transistor und einen Teilungstransistor mit einem gemeinsamen Basisbereich errechnet wird, bestimmt sich die betriebliche Schaltgeschwindigkeit durch drei Faktoren und zwar den Emittergrequenzgang, die Basisübergangszeit und die Kollektorübergangszeit. Der Emitterfrequenzgang repräsentiert die Geschwindigkeit, mit der sich die Emitter-Basisspannung an eine Änderung des eingangsseitigen Stromsignals anpassen kann.

In einer einfachen Gleichung ist der Emitterfrequenzgang (f ) ab-

hängig von dem eingangsseitigen Gegenwirkleitwert (g ) dividiert durch die Gesamtkapazität (C ) am Emitteranschlußpunkt und multipliziert mit dem Faktor 2t, d. h.

Dabei gilt für die Kapazität C_T,daß diese die Summe der Emitter-

Übergangskapazität,des bipolaren Eingangstransistors (C-.) und

r>

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der Teilungskapazität (C.) sowie der parasitären Kapazität (C ) ist. Die Kapazitäten C und C sind voneinander abhängig entsprechend dem Flächenbereich des Emitter-Basisübergangs. Dies ist der Fall, da die Ströme entsprechend auf den Teilungstransistor und den bipolaren Eingangstransistor aufteilen. Ohne den generellen Ansatz zu verlassen wird angenommen, daß das Teilungsverhältnis für die Flächenbereiche 25 ist; daraus ergibt sich, daß der Eingangs strom 1^_n-. des la dungs gekoppelten Elementes CCD 25 mal kleiner als der Teilungsstrom I ist. Substituiert man g und C so erhält man nachfolgende Gleichung:

f	e	⁶¹CCD	I	+ 1	M^¹CCD	⁶¹CCD
2* kTC_E	i ^C C	1 « B	^f c—⁺ * B	2> kT

Daraus ergibt sich, daß der Einfluß der parasitären Kapazität C auf die Eingangs bandbreite am Emitteranschlußpunkt um das 26-fache verringert wird, d. h. um einen Betrag der etwa der Stromteilung entsprechend der angenommenen Halbleiteranordnung ist. Wenn daher für einen Eingangs strom des ladungs gekoppelten Elements CCD von 10 μΑ von einem Emitterflächenbereich von

10 χ 10 um bei einer Basisdotierung von 10 Boratomen/cm und

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einer Emitterdotierung von mehr als 10 Arsenatomen/cm ausgegangen wird, erhält man eine Emittergrenzfrequenz f von

9 ^c

1,14 χ 10 Hz. Diese hohe Grenzfrequenz hängt primär von der Reduzierung der parasitären Kapazität um den Faktor 26 ab. Wenn der Einfluß der parasitären Kapazität nicht reduziert worden wäre,

würde sich eine Emittergrenzfrequenz von etwa 1, 53 χ 10 Hz ergeben. Daraus ergibt sich, daß die äquivalente Übergangszeit für

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den Emitterbereich bei 0,88 χ 10 s liegt. Unter Verwendung der Diffusionsgleichung läßt sich die Basisübergangszeit aus der Gleichung γ,

t_B = 2W /2,43D_B

für eine Basisbreite W von 1 /im und eine Diffusionskonstante D

von 21 cm /s errechnen, wobei sich als Übergangszeit für die

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Basis der Wert von 1,25 χ 10 s ergibt. Eine weitere Berechnung der Übergangszeit am virtuellen Kollektor mit einer Breite von 5 um ergibt sich aus der Gleichung

Ό= W

-10

Daraus errechnet sich ein Wert von 2, 6 χ 10 s als die Mindestzeit für den Transport der Elektronen über den Kollektor, wobei

g eine Sättigungsgeschwindigkeit von 6x10 cm/s für die Elektronen angenommen wird. Summiert man diese Übergangszeiten für den Emitter,-Basis- und Kollektorbereich zusammen, so erhält man eine Eingangsgrenzfrequenz von 418 MHz für den bipolaren eingangsseitigen Teilungskreis. Die Frequenzgrenze für das injizierte Eingangssignal liegt über 100 MHz und wird durch den Serienwiderstand, sowie dessen parallele Kapazität begrenzt.

Durch besondere Sorgfalt kann die Parallelkapazität von 1,5 pf für den Eingangswiderstand verringert werden, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Injektionsbandbreite für das Ladungstransferelement ergibt.

Die in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Dotierungsverhältnisse und Polaritäten können ebenfalls entsprechend den vorgesehenen Anwendungsfällen umgekehrt werden.

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Leersette

Claims

Patentansprüche

1. Ladungstransferelement mit einer einen langgestreckten Kanalbereich bildenden Halbleiterschicht und einem dem Kanalbereich benachbarten Signaleingangsbereich zur Erzeugung von individuellen Ladungspaketen in Abhängigkeit von einem injizierten Signal, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Signaleingangsbereich eine Teilungsschaltung (28, 35, 31, 32, 25, 26, 27, 36) umfaßt, welche nur die Eingabe eines vorgegebenen Anteils des injizierten Signals zuläßt.

2. Ladungstransferelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Signaleingangsbereich einen Injektionstransistor umfaßt, dessen Kollektor ein Teil des langgestreckten Kanalbereiches ist.

3. Ladungstransferelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Injektionstransistor einen Emitter-Basisübergang vorgegebener Größe hat,

- daß die Teilungsschaltung einen zweiten Transistor umfaßt, der eine mit der Basis des Injektionstransistors gemeinsame Basis hat, und daß die Fläche des Emitter-Basisüberganges eine vorgegebene Größe bezüglich der Flächengröße des Emitter-Basisübergangs des Injektionstransistors hat, wobei die Emitter des Injektions-

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transistors und des zweiten Transistors für das zu empfangende Signal zusammengeschaltet sind.

4. Ladungstransferelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß der zweite Transistor eine mit der Basis des Injektionstransistors gemeinsame Basis hat.

5. Ladungstransferelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die die Kanalschicht bildende Halbleiterschicht zumindest zwei parallel zueinander verlaufende Flächen hat, die durch schräg verlaufende Flächen ineinander übergehen.

6. Ladungstransferelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß in einer der schräg verlaufenden Flächen der Emitterbereich des Injektionstransistors ausgebildet ist.

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