DE3879557T2

DE3879557T2 - Halbleiteranordnung mit einer Ladungsübertragungsanordnung.

Info

Publication number: DE3879557T2
Application number: DE88201264T
Authority: DE
Inventors: Antonius Johannes Ger Jochijms; Marcellinus Johannes M Pelgrom; Roermund Arthur Hermanus M Van
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-06-30
Filing date: 1988-06-17
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2008-06-18
Also published as: JPH0724308B2; US4987580A; ATE87398T1; JPS6422064A; EP0297655A1; KR890001194A; DE3879557D1; EP0297655B1; CN1031619A; NL8701528A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der an einer Oberfläche mit einer Ladungsverschiebeschaltung angebracht ist, deren eine Ausgangsstufe eine Auslesezone an der Oberfläche und einen Verstärker mit einem Rückkoppelkondensator enthält, wobei ein Umkehreingang des Verstärkers an die Auslesezone angeschlossen und ein Ausgang des Verstärkers über den Kondensator nach dem Eingang zurückgekoppelt ist.
Eine derartige Halbleiteranordnung ist aus der Patentanmeldung EP-A-0 046 549 bekannt. In der bekannten Anordnung wird ein Ladungspaket, das die Auslesezone erreicht, an den Rückkoppelkondensator gelegt, wodurch sich die Spannung am Rückkoppelkondensator ändert. Diese Spannungsänderung ist ein Maß für die gelieferte Ladungsmenge. In analogen Anwendungen soll ein linearer Zusammenhang zwischen der gelieferten Ladungsmenge und der Spannungsänderung am Kondensator bestehen, um auf einfache Weise die gelieferte Ladungsmenge aus der Spannungsänderung ableiten zu können. Zu diesem Zweck ist eine spannungsunabhängige Kapazität des Kondensators erforderlich. Entsprechend der genannten Anmeldung eignet sich ein Kondensator vom MOS-Typ nicht besonders für diese Aufgabe, weil seine Kapazität von der Spannung am Kondensator abhängig ist.
Weiterhin kann im allgemeinen ein Kondensator in einer Halbleiteranordnung durch Verwendung eines Abschneide-pn-Übergangs oder von zwei Leitschichten gebildet werden, zwischen denen eine dielektrische Schicht angeordnet ist. Neben diese in der Halbleiteranordnung integrierten Kondensatoren kann auch ein nicht integrierter Kondensator verwendet werden. Jedoch haben alle diese Alternativen ihre Nachteile. Beispielsweise ist die Kapazität eines Abschneideübergangs spannungsabhängig, wodurch der Zusammenhang zwischen der Ladungsmenge am Kondensator und der ausgelesenen Spannung am Kondensator nicht linear ist. Die Herstellung des Kondensators mit zwei Leitschichten und einer dielektrischen Zwischenschicht paßt oft nicht zu bestehenden Vorgängen und würde dadurch in vielen Fällen zusätzliche Verfahrensschritte erfordern. Der nicht integrierte Kondensator hat den Nachteil, daß er verhältnismäßig teuer ist und außerdem zusätzliche Kontaktflächen in der Halbleiteranordnung und im Zusammenhang damit zusätzliche Verbindungsstifte im Gehäuse erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art mit einem Rückkoppelkondensator zu schaffen, der in der Halbleiteranordnung integriert ist, vorzugsweise keinen zusätzlichen Raum darin erfordert, mit dem Herstellungsverfahren der Halbleiter-anordnung kompatibel ist und außerdem eine nahezu spannungs-unabhängige Kapazität besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator einen Oberflächenbereich im Halbleiterkörper, eine dielektrische Schicht an der Oberfläche und eine elektrisch leitende Schicht auf der dielektrischen Schicht umfaßt, daß der Oberflächenbereich an die Auslesezone angeschlossen ist und Mittel vorgesehen sind, mit denen im Betrieb der Ladungsverschiebeschaltung das Oberflächenpotential des Oberflächenbereichs des Rückkopplungskondensators ausschließlich durch das Potential der Auslesezone bestimmt wird. Im Betrieb der Anordnung besitzt das Potential der Auslesezone einen im wesentlichen konstanten Wert. Wenn die Auslesezone mit einer Ladung beliefert wird, wird sie bei einer ausreichend hohen Spannungsverstärkung des Verstärkers im wesentlichen ganz in der Leitschicht des Rückkoppelkondensators gespeichert. Der zurückgebliebene Ladungsbruchteil ist so gering, daß das Potential der Auslesezone sich dabei nahezu nicht ändert. Da in der Halbleiteranordnung nach der Erfindung mit den Mitteln erreicht wird, daß das Oberflächenpotential des Oberflächenbereichs ausschließlich durch das Potential der Auslesezone bestimmt wird, bedeutet das, daß die Kapazität des Rückkoppelkondensators im wesentlichen spannungsunabhängig ist. Die Spannung am Rückkoppelkondensator ändert sich jedoch durch die gelieferte Ladung. Da in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung die Kapazität des Rückkoppelkondensators im wesentlichen spannungsunabhängig ist, gilt für die Spannungsänderung über ihn ΔV = ΔQ/Ct, worin ΔV die Spannungsänderung, ΔQ die gelieferte Ladungsmenge und Ct die Kapazität des Rückkoppelkondensators sind. Durch die Lieferung einer Ladungsmenge in der Auslesezone ändert sich die Spannung am Rückkoppelkondensator daher um einen proportionalen Betrag. Diese Spannungsänderung ist somit ein genaues Maß für die gelieferte Ladungsmenge.
Die Mittel können verschiedenartig sein, wie z.B. eine Spannungsquelle zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Rückkoppelkondensator. Eine besondere Ausführungsform der Halbleiteranordnung, in der die Mittel im Rückkoppelkondensator selbst enthalten sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelkondensator ein Kondensator vom Verarmungstyp ist. In einem derartigen Kondensator befindet sich ein Umkehrkanal von einem Leitfähigkeitstyp, das dem Leitfähigkeitstyp des Oberflächenbereichs entgegengesetzt ist, an der Oberfläche unter der dielektrischen Schicht. Dieser Kanal kann beispielsweise durch Eigenschaften des Werkstoffs der dielektrischen und/oder leitenden Schichten erhalten werden. Im allgemeinen befindet sich ein Verarmungsgebiet unter dem Inversionskanal. Das bedeutet, daß man davon ausgehen kann, daß der Rückkoppelkondensator in diesem Fall aus zwei parallelgeschalteten Kapazitäten zusammengesetzt ist, d.h. zunächst der Kapazität der Leitschicht und des Inversionskanals mit der zwischengelegten dielektrischen Schicht und zweitens der Kapazität des Inversionskanals und des Oberflächenbereichs mit dem zwischengelegten Verarmungsbereich. Die erste Kapazität ist dabei spannungsunabhängig, aber die zweite Kapazität ist spannungsabhängig. Da jedoch das Potential des Inversionskanals gleich dem Potential der Auslesezone ist und letztgenanntes Potential sich im wesentlichen nicht ändert, ist der Potentialunterschied über den Verarmungsbereich im wesentlichen konstant, wodurch die zweite Kapazität sich jedenfalls im Betrieb der Anordnung nicht ändert. Wenn die der Auslesezone zugelieferte Ladung dem leitenden Kanal zugeleitet wird, ändert sich die Spannung am Rückkoppelkondensator daher direkt proportional, so daß diese Spannungsänderung als genaues Maß für die gelieferte Ladungsmenge zur Auslesezone dienen kann.
Ein weiteres besonderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelkondensator im Oberflächenbereich an der Oberfläche über eine dotierte Zone von einem Leitfähigkeitstyp verfügt, der dem Leitfahigkeitstyp des Oberflächenbereichs entgegengesetzt ist. Diese dotierte Zone kann sowohl durch Implantation als auch durch Diffusion erhalten werden. Durch die vorhandene dotierte Zone brauchen keine besonderen Anforderungen an dem Werkstoff der dielektrischen und/oder leitenden Schichten gestellt zu werden, um an der Oberfläche ein leitender Kanal nach obiger Beschreibung zu bilden.
Vorzugsweise grenzt die dotierte Zone erfindungsgemäß an die Auslesezone. Zum Weiterleiten der der Auslesezone zugeführten Ladung an die dotierte Zone sind keine zusätzlichen Kontakte und Verbindungen erforderlich, weil auf diese Weise außerdem im wesentlichen kein zusätzlicher Raum erforderlich ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen Feldeffekttransistor enthält, von dem eine Abzugszone den Verstärkerausgang darstellt und mit einer Belastung gekoppelt ist, und von dem eine Gate-Elektrode der Inversionseingang des Verstärkers ist, und daß ein Rückstelltransistor zwischen der Auslesezone und dem Ausgang des Verstärkers angeordnet ist. Mit Hilfe des Rückstelltransistors wird die Auslesezone im Betrieb auf eine vorgegebenen Spannung vorgespannt. Im allgemeinen ist zu diesem Zweck eine verhältnismäßig hohe Spannung zu wählen, weil bei der Auslieferung von Ladung zur Auslesezone das Ladungspotential sich verhältnismäßig stark ändert. In der Praxis wird die Speisespannung im allgemeinen zu diesem Zweck gewählt. Im Betrieb der Ladungsverschiebeschaltung schwankt jedoch die Speisespannung leicht und diese Schwankungen werden dem Verstärkerausgang weitergeleitet, so daß an dieser Stelle kein reines Signal gemessen wird. Wie bereits erwähnt, ändert sich das Potential der Auslesezone in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung nur sehr wenig, wenn der Auslesezone Ladung zugeführt wird. Dadurch ist es nicht notwendig, die Auslesezone zuvor auf eine hohe Spannung vorzuspannen, aber es ist möglich, zu diesem Zweck eine verhältnismäßig niedrige Spannung zu wählen. Im obenbeschriebenen Vorzugsausführungsbeispiel ist die Auslesezone im wesentlichen mit Hilfe des Rückstelltransistors auf die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors vorgespannt. Diese Spannung ist eine sehr konstante Spannung, die nur von Konfigurationseigenschaften des Transistors abhängig ist und im Betrieb des Transistors sich nicht ändert. Dadurch kann am Verstärkerausgang ein reines Signal gemessen werden, das nicht von Schwankungen in der Speisespannung beeinflußt wird.
Eine besondere Vorzugsausführung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsverschiebeschaltung mit einem Eingang ausgerüstet ist, der einen Eingangskondensator enthält, der eine dielektrische Schicht auf dem Halbleiterkörper und eine Leitschicht auf der dielektrischen Schicht umfaßt, und daß die dielektrische Schicht des Eingangskondensators wenigstens hauptsächlich dieselbe Struktur wie die der dielektrischen Schicht des Rückkoppelkondensators besitzt. Der Begriff "Struktur" sei hier so zu verstehen, daß damit die Zusammensetzung und die Dicke der dielektrischen Schicht damit gemeint wird. In der Praxis bedeutet dies, daß die dielektrische Schicht des Eingangskondensators und die des Rückkoppelkondensators im selben technologischen Schritt hergestellt werden. Da beide dielektrischen Schichten nahezu dieselbe Struktur besitzen, sind auch die kapazitiven Eigenschaften beider Schichten gleich. Dadurch ist der Verstärkungsfaktor der Ladungsverschiebeschaltung nur vom Verhältnis zwischen dem Oberflächenbereich des Eingangskondensators und vom Oberflächenbereich des Ausgangskondensators abhängig. Wenn für beide Oberflächenbereiche geeignete Werte gewählt werden, ist also der Verstärkungsfaktor der Schaltung auf präzise und einfache Weise einstellbar. Somit ist es möglich, beispielsweise wenn die Ladungsverschiebeschaltung in eine Schaltung mit einem Verstärkungsfaktor β aufgenommen wird, einfach die Oberflächenbereiche des Eingangskondensators und des Rückkoppelkondensators derart zu wählen, daß ihr Verhältnis gleich α = 1/β ist, wodurch der Gesamtverstärkungsfaktor der Schaltung gleich eins ist und daher ist ihr Ausgangssignal eine genaue Reproduktion des Eingangssignals. Außerdem ist jetzt der Verstärkungsfaktor genau reproduzierbar, da die spezifische gemeinsame Struktur beider dielektrischer Schichten unwichtig geworden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,
Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch einen MOS-Kondensator,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Kapazität eines MOS-Kondensators und die Spannung an diesem Kondensator,
Fig. 4 schematisch und im Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung und
Fig. 5 schematisch und im Querschnitt eine Eingangsstufe der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabgerecht dargestellt. Insbesondere sind manche Abmessungen der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt. Entsprechende Teile werden im allgemeinen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Weiter wird das Halbleitermaterial vom selben Leitfähigkeitstyp im Querschnitt im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt. Die Halbleiteranordnung enthält einen Halbleiterkörper 1, der in dieser Ausführung aus monokristallinem Silizium vom p-Typ ist, der an einer Oberfläche 2 mit einer Ladungsverschiebeschaltung versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ladungsverschiebeschaltung eine n-Kanal-Oberflächenladungsverschiebeschaltung, aber andere Arten von Ladungsverschiebeschaltungen, wie z.B. ein vergrabener Kanal CCD, ein peristaltisches Ladungsverschiebe- Element oder ein Eimerkettenspeicher sind ebenfalls möglich, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten. Die Ladungsverschiebeschaltung enthält eine Anzahl von Taktelektroden 3 bis 6 und ein Ausgangsgatter 7 und ist weiterhin mit einer Ausgangsstufe 8 versehen. Die Ausgangsstufe 8 enthält eine Auslesezone 9 an der Oberfläche 2 und einen Verstärker 10 mit einem Rückkoppelkondensator 11. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Operationsverstärker gewählt, aber eine andere Verstärkerart ist innerhalb des Rahmens der Erfindung denkbar. Erfindungsgemäß enthält der Rückkoppelkondensator 11 einen Oberflächenbereich 12 im Halbleiterkörper, eine dielektrische Schicht 13 an der Oberfläche 2 und eine Leitschicht 14 auf der dielektrischen Schicht 13. In diesem Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Schicht 13 eine Siliziumoxidschicht und die Leitschicht 14 eine Schicht aus dotiertem polykristallinem Silizium. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Werkstoffe, so daß innerhalb des Rahmens der Erfindung jedes dielektrische Material für die dielektrische Schicht und jedes elektrisch leitende Material für die Leitschicht verwendbar sind. Der Verstärker 10 umfaßt einen Inversionseingang 15, der mit der Auslesezone 9 verbunden ist. Der Ausgang 16 des Verstärkers 10 wird über den Rückkoppelkondensator 11 zum Inversionseingang 15 rückgekoppelt. Weiter enthält die Ausgangsstufe 8 einen Rückstelltransistor 17, der mit der Auslesezone 9 zum Vorspannen dieser Zone auf einem vorgegebenen festen Potential VR verbunden ist. In der Zeichnung ist der Rückstelltransistor 17 wie der Verstärker 10 nur der Deutlichkeit halber neben der Halbleiteranordnung 1 dargestellt, aber sie können beide ohne weitere Behelfslösungen im Halbleiterkörper 1 integriert sein, was in der Praxis der Fall sein wird.
Im Betrieb der Ladungsverschiebeschaltung gelangen geeignet gewählte Taktspannungen φ&sub3; bis φ&sub6; an die Taktelektroden 3 bis 6 zum Verschieben eines Ladungspakets, in diesem Ausführungsbeispiel einer Anzahl von Elektronen, nach dem Ausgangsgatter 7. Das Ausgangsgatter 7 wird dabei auf einem konstanten Potential VDC zum Gegenwirken von Übersprechen zwischen der letzten Taktelektrode 6 und der Auslesezone 9 gehalten. Nachdem das Ladungspaket unter der letzten Taktelektrode 6 angelangt ist, wird es vollständig der Auslesezone 9 durch einen Potentialunterschied zwischen der Taktelektrode 6 und dem Ausgangsgatter 7 und einen Potentialunterschied zwischen dem Ausgangsgatter 7 und der vorgespannten Auslesezone 9 zugeführt.
Die Auslesezone 9 ist mit dem Inversionseingang 15 des Verstärkers 10 verbunden. Bei einer ausreichend hohen Spannungsverstärkung u des Verstärkers 10, beispielsweise u > 40, werden die Elektronen im wesentlichen alle im Rückkoppelkondensator 11 gespeichert. Der zurückgebliebene Elektronenbruchteil in der Auslesezone 9 ist so klein, daß dadurch die Änderung dV seines Potentials äußerst gering ist.
Das Potential über den Rückkoppelkondensator 11 ändert sich jedoch stark. Durch die Spannungsverstärkung u des Verstärkers 10 erhöht sich das Potential der Leitschicht 13 um einen Betrag u.dV durch die gelieferten Elektronen. Diese Spannungsänderung in einem MOS-Kondensator, wie zum Beispiel den Taktelektroden 3 bis 6, ist im allgemeinen nicht mit der Menge gelieferter Elektronen direkt proportional, indem die Kapazität eines derartigen Kondensators wesentlich abhängig ist von der Spannung an diesem Kondensator. Dies wird weiter unten anhand der Fig. 2 näher erläutert.
In Fig. 2 ist ein Halbleiterkörper 1 vom p-Typ aus monokristallinem Silizium dargestellt, in dem sich eine n-Typ-Zone 9 sowie ein Kondensator 11 vom oben beschriebenen Typ befinden. Der Kondensator 11 enthält einen Oberflächenbereich 12 im Halbleiterkörper 1, eine über dem Oberflächenbereich 12 auf einer Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers angeordnete dielektrische Schicht 13 und eine auf der dielektrischen Schicht angeordnete Leitschicht 14. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 1 an Erde gelegt. Wenn ein positives Potential an die Leitschicht 14 gelegt wird, wird ein Teil 18 des p-Typ-Oberflächenbereichs 12 unter der Oberfläche 2 verarmt. Die Kapazität des Rückkoppelkondensators 11 ist ebenfalls von der Abmessung dieses Verarmungsbereichs 18 abhängig. Die Kapazität des Kondensators 11 sei immer so verstanden, daß damit die zwischen der Auslesezone 9 und der Leitschicht 14 des Kondensators 11 gemessene Kapazität gemeint ist, was in Fig. 2 mit Ct angegeben ist. Auf einem negativen oder sehr niedrigen Wert der Spannung der Leitschicht 14 wird der Oberflächenbereich 12 nicht oder im wesentlichen nicht verarmt und die Kapazität wird hauptsächlich durch eine Überlappungskapazität Co zwischen der Leitschicht 14 und der Auslesezone 9 bestimmt. Wenn das Potential der Leitschicht 14 ansteigt, steigt auch das Oberflächenpotential des Oberflächenbereichs 12 an, wodurch der Oberflächenbereich 12 verarmt wird, oder wenn dies bereits so ist, erweitert sich der Verarmungsbereich tiefer in den Oberflächenbereich 12 hinein. Dadurch nimmt die Kapazität des Kondensators 11 einen höheren Wert an, bis die Schwellenspannung des Kondensators erreicht wird. Über der Schwellenspannung durchläuft der Kondensator den Inversionszustand, was bedeutet, daß under der Oberfläche 2 ein Kanal mit einem Leitfähigkeitstyp, der dem des Oberflächenbereichs 12 entgegengesetzt ist, in diesem Falle ein n-Typ-Kanal, im Oberflächenbereich 12 gebildet wird. Eine leitende Verbindung wird dabei zwischen der Auslesezone 9 und dem Oberflächenbereich 12 erhalten und die Kapazität Ct ist gleich der Kapazität Cd über die dielektrische Schicht 13. Diese Änderung ist in Fig. 3 mit der Kurve A schematisch dargestellt, worin VAth die Schwellenspannung des Kondensators 11 darstellt.
In analogen Anwendungen ist es wichtig, daß es ein lineares Verhältnis zwischen der gelieferten Ladungsmenge zum Rückkoppelkondensator 11 und der Spannungsänderung über den Kondensator besteht. Nur in diesem Fall ist die gelieferte Ladungsmenge nach der Auslesezone 9 auf einfache Weise aus der Spannungsänderung über den Rückkoppelkondensator 11 genau bestimmbar.
Um dies erfindungsgemäß zu erreichen, ist der Oberflächenbereich 12 mit der Auslesezone 9 verbunden und sind Mittel vorgesehen, mit denen im Betrieb der Ladungsverschiebeschaltung das Oberflächenpotential des Oberflächenbereichs 12 ausschließlich durch das Potential der Auslesezone 9 bestimmt wird. Die Mittel können vielerlei Art sein, wie z.B. eine Spannungsquelle zwischen dem Ausgang des Verstärkers 10 und der Leitschicht 14 des Rückkoppelkondensators 11 und ein Inversionskanal unter der Oberfläche 2. In Fig. 1 enthalten die Mittel eine n-Typ dotierte Zone 20 im Oberflächenbereich 12, und diese Zone grenzt an die Oberfläche 2 und an die Auslesezone 9. Die dotierte Zone 20 kann sowohl durch Implantation als auch durch Diffusion erhalten werden. Außerdem ist es im wesentlichen möglich, die Auslesezone 9 gleichzeitig als dotierte Zone zu verwenden. In diesem Fall sind die dielektrische Schicht 13 und die Leitschicht 14 über der Auslesezone angeordnet. Ein Vorteil einer dotierten Zone 20 besteht darin, daß keine besonderen Anforderungen an den Werkstoff der Leitschicht und/oder der dielektrischen Schicht 13 zur Bildung eines leitenden Kanals an der Oberfläche gestellt werden. Wie bereits oben erwähnt, besitzt die Auslesezone 9 im Betrieb der Ladungsverschiebeschaltung ein im wesentlichen konstantes Potential. Mit den Mitteln wird erreicht, daß das Oberflächenpotential des Oberflächenbereichs 12 ebenfalls im wesentlichen konstant und die Kapazität des Rückkoppelkondensators 11 im wesentlichen spannungsunabhängig ist. Dies ist in Fig. 3 mit der Kurve B schematisch dargestellt, worin VBth die Schwellenspannung des Rückkoppelkondensators 11 nach der Erfindung ist. Mit der dotierten Zone 20 wird erreicht, daß die Schwellenspannung auf weniger als 0 Volt reduziert wird, wodurch bei normalen Betriebsspannungen am Kondensator die Kapazität immer gleich der Kapazität Cd über die dielektrische Schicht 13 ist. Dadurch gilt für die Spannungsänderung ΔV über den Rückkoppelkondensator 11 durch die Menge der gelieferten Ladung ΔQ zur Auslesezone 9 das lineare Verhältnis ΔV = ΔQ/Cd. Die Kapazität Cd über die dielektrische Schicht 13 ist von der Spannung V über den Kondensator abhängig. Durch die Ladungslieferung an die Auslesezone 9 ändert sich die Spannung am Rückkoppelkondensator 11 um einen proportionalen Betrag. Also ist in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung die Spannungsänderung über den Rückkoppelkondensator 11 ein genaues Maß für die gelieferte Ladungsmenge an die Auslesezone 9.
In Fig. 4 ist schematisch einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt. In dieser Halbleiteranordnung nach der Erfindung enthält der Verstärker 10 einen Feldeffekttransistor 22, von dem eine Abzugszone den Ausgang 16 des Verstärkers 10 bildet und mit einer Belastung 21 gekoppelt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Belastung 21 einen Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp, aber könnte auch ein ohmischer Widerstand sein. Eine Gate-Elektrode 15 des Feldeffekttransistors 22 ist der Inversionseingang des Verstärkers 10. Ein Rückstelltransistor 17 ist zwischen dem Ausgang 16 des Verstärkers 10 und der Auslesezone 9 zum Vorspannen der Auslesezone 9 auf einer vorgegebenen Spannung angeordnet. Im allgemeinen müßte eine verhältnismäßig hohe Spannung zu diesem Zweck gewählt werden, weil durch die Lieferung von Ladung an die Auslesezone 9 ihr Potential sich verhältnismäßig stark ändert. In der Praxis wird die Speisespannung meist zu diesem Zweck gewählt. Im Betrieb der Halbleiteranordnung schwankt die Speisespannung jedoch leicht. Diese Schwankungen werden dem Ausgang 16 des Verstärkers 10 zugeleitet und stören das Ausgangssignal. Wie bereits erwähnt, ändert sich das Potential der Auslesezone 9 in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung nur äußerst wenig, wenn Ladung an die Auslesezone 9 gelegt wird. Dadurch ist es nicht notwendig, die Auslesezone zuvor auf einer hohen Spannung vorzuspannen, aber es ist möglich, zu diesem Zweck eine verhältnismäßig niedrige Spannung zu wählen. Im oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mit dem Rückstelltransistor die Auslesezone im wesentlichen auf der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors 22 vorgespannt. Diese Spannung ist eine sehr konstante Spannung, die nur von Konfigurationseigenschaften des Transistors 22 abhängig ist und sich im Betrieb der Halbleiteranordnung nicht ändert. Also wird am Ausgang 16 des Verstärkers 10 ein reines Signal gemessen.
In Fig. 5 ist eine Eingangsstufe der Ladungsverschiebeschaltung in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt. Die Eingangsstufe enthält eine Einlesezone 25, ein Abtastgatter 26 und einen Eingangskondensator 30. Ein Eingangssignal Vin gelangt an den Eingangskondensator 30, wodurch Ladung, in diesem Falle Elektronen, von der Einlese-zone 25 an die Taktelektrode 28 gelangt. Wenn Taktspannungen φ&sub2;&sub8; und φ&sub2;&sub9; usw. an die Taktelektroden 28, 29 usw. gelangen, wird die Spannung von der Ladungsverschiebeschaltung auf die Auslesezone 9 übertragen. In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform sind der Eingangskondensator 30, eine dielektrische Schicht 33 auf dem Halbleiterkörper 1 und eine Leitschicht 34 auf der dielektrischen Schicht 33 vorgesehen, und die dielektrische Schicht 33 des Eingangskondensators 30 besitzt im wesentlichen dieselbe Struktur wie die dielektrische Schicht 13 des Rückkoppelkondensators 11. Für den Verstärkungsfaktor α der Ladungsverschiebeschaltung gilt im allgemeinen:
α = Vout/Vin Cin/Ct = δin.Oin.dt/δt.Ot.din,
worin Cin, Oin, Ct und Ot die Kapazität und den Oberflächenbereich des Eingangskondensators 30 bzw. des Rückkoppelkondensators 11, und δin, din, δt und dt die dielektrische Konstante und die Dicke der dielektrischen Schicht 33 bzw. der dielektrischen Schicht 13 des Kondensators 30 bzw. des Rückkoppelkondensators 11 darstellen. Da die beiden dielektrischen Schichten 13 und 33 praktisch dieselbe Struktur besitzen, sind auch die kapazitiven Eigenschaften, d.h. die Dicke und die dielektrische Konstante, der beiden Schichten 13 und 33 ebenfalls gleich. Dadurch entfallen der Gleichung für den Verstärkungsfaktor diese Mengen, so daß dieser Faktor wie folgt vereinfachbar ist: α Oin/Ot. Der Verstärkungsfaktor ist daher nur vom Verhältnis zwischen dem Oberflächenbereich des Eingangskondensators 30 und dem des Rückkoppelkondensators 11 abhängig. Wenn für beide Oberflächenbereiche ein geeigneter Wert gewählt wird, ist also der Verstärkungsfaktor auf einfache und genaue Weise einstellbar. Außerdem ist jetzt dieser Faktor sehr reproduzierbar, weil die spezifische gemeinsame Struktur der dielektrischen Schichten 13 und 33 unwichtig geworden ist.
Vorzugsweise wird die Ladungsverschiebeschaltung derart aufgebaut, daß der Eingangskondensator 30 praktisch dieselbe Kapazität wie der Rückkoppelkondensator 11 besitzt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Eingangskondensator 30 praktische dieselbe Konfiguration besitzt wie der Rückkoppelkondensator 11. In diesem Fall ist das am Ausgang 16 gemessene Ausgangssignal Vout praktisch eine genaue Reproduktion des Eingangssignals Vin nach dem Eingangskondensator 30.
Es wird einleuchten, daß innerhalb des Rahmens der Erfindung viele andere Möglichkeiten dem Fachmann bekannt sind, so daß manche andere Halbleiteranordnungen mit Hilfe dieser Erfindung verwirklichbar sind. Beispielsweise können im allgemeinen in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Leitfähigkeitstypen durch die entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen ersetzt werden (alle gleichzeitig).

Claims

1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper (1), der an einer Oberfläche mit einer Ladungsverschiebschaltung mit einer Ausgangsstufe (2) angebracht ist, die eine Auslesezone (9) an der Oberfläche enthält, und mit einem Verstärker (10) mit einem Rückkoppelkondensator (11), wobei ein Inversionseingang (15) des Verstärkers an die Auslesezone (9) angeschlossen und ein Ausgang (16) des Verstärkers über den Kondensator (11) zum Eingang zurückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator einen Oberflächenbereich (12) im Halbleiterkörper, eine dielektrische Schicht (13) an der Oberfläche und eine elektrisch leitende Schicht (14) auf der dielektrischen Schicht umfaßt, daß der Oberflächenbereich (12) mit der Auslesezone (9) verbunden ist und Mittel (20) vorgesehen sind wobei, im Betrieb der Ladungsverschiebeschaltung, das Oberflächenpotential des Oberflächenbereichs (12) des Rückkoppelkondensators ausschließlich durch das Potential der Auslesezone (9) bestimmt wird.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelkondensator ein Kondensator vom Verarmungstyp ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelkondensator im Oberflächenbereich an der Oberfläche über eine dotierte Zone von einem Leitfähigkeitstyp verfügt, der dem Leitfähigkeitstyp des Oberflächenbereichs entgegengesetzt ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Zone an die Auslesezone grenzt.

5. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen Feldeffekttransistor (21) enthält, von dem eine Abzugszone den Ausgang (16) des Verstärkers darstellt und mit einer Belastung (22) gekoppelt ist, und von dem eine Gate-Elektrode (21) der Inversionseingang des Verstärkers ist, und daß ein Rückstelltransistor (17) zwischen der Auslesezone (9) und dem Ausgang des Verstärkers angeordnet ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung (22) ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist.

7. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsverschiebeschaltung mit einer Eingangsstufe (30) mit einem Eingangskondensator ausgerüstet ist, der eine dielektrische Schicht auf dem Halbleiterkörper und eine Leitschicht auf der dielektrischen Schicht besitzt, und daß die dieiektrische Schicht des Eingangskondensators wenigstens hauptsächlich dieselbe Struktur wie die der dielektrischen Schicht des Rückkoppelkondensators besitzt.

8. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsverschiebeschaltung mit einer Eingangsstufe mit einem Eingangskondensator ausgerüstet ist, und daß der Rückkoppelkondensator wenigstens hauptsächlich die gleiche Kapazität wie die des Eingangskondensators besitzt.