DE2508833C3 - Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach dem Eimerkettenprinzip - Google Patents

Description

und

g 10¹⁸ Atome cm"

N_D< N_c.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration Ns des Quellenbereichs (2) der MOS-Feldeffekttransistoren (Γι-Γ\> der Bedingung N_s~Nd y genügt.

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Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach dem Eimerkettenprinzip entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs i,

Es sind ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente dieser Art bekanntgeworden, die so ausgelegt sind, daß ein Teil einer Signalladung, die in einem der Speicherkondensatoren gespeichert ist, von diesem auf den nächsten übergeführt wird (vgl. z. B. Philips Technische Rundschau, 31 Jahrg., 1970/71, Nr. 4, S. 97 bis 111).

Ein solches Bauelement eignet sich zur Verwendung als Verzögerungsleitung, Schieberegister usw.

Bei einem solchen Bauelement wird die in einem der Speicherkondensatoren (dieser Kondensator wird als der erste Kondensator bezeichnet) gespeicherte Signalladung von dieser durch den auf ihn folgenden MOS-Feldeffekttransistor an den nächsten Speicherkondensator (dieser wird als der zweite Kondensator bezeichnet) übergeführt. In diesem Fall ist es erwünscht, daß die gesamte Signalladung, die in dem ersten Kondensator gespeichert ist, auf den zweiten Kondensator übergeführt wird. Der Wirkungsgrad der Ladungsüberführung wird durch das Verhältnis zwischen der in dem ersten Kondensator gespeicherten Ladungsmenge und der auf den zweiten Kondensator übergeführten Ladungsmenge ausgedrückt. Ein Überführungswirkungsgrad von 1 bedeutet, daß die gesamte Signalladung von dem ersten Kondensator auf den zweiten Kondensator übergeführt ist.

Bei bekannten Bauelementen beträgt der Überfüh- (>s rungswirkungsgrad zwischen aufeinanderfolgenden Kondensatoren ungefähr 0,997 und ist somit relativ klein. Mit einer Abnahme des Ladungsüberführungswirkungsgrades nimmt das Signal/Stör-Verhältnis eines Ausgangssignals, dem die in dem Kondensator der letzten Stufe gespeicherte Signalladung zugrunde liegt, ab, verglichen mit dem Signal/Stör-Verhältnir eines an den Kondensator der ersten Stufe gegebenen Eingangs signals. Ferner wird durch ein Anwachsen der Anzahl von Kondensatoren das Signal/Stör-Verhältnis des Ausgangssignals ungünstig. Bei bekannten Bauelementen ist die Anzahl der Kondensatoren, mit denen ein Ausgangssignal mit einem vorgegebenen Signal/Stör-Verhältnis erreicht werden kann, sehr klein da der Ladungsübertragungswirkungsgrad relativ gering ist. Infolgedessen kann ein Ausgangssignal mit einem vorgegebenen Signal/Stör-Verhältnis nicht mit einem Bauelement erhalten werden, in dem eine große Anzahl von Kondensatoren vorliegt.

Der MOS-Feldeffekttransistor, der in einem solchen Halbleiterbauelement zum Überführen der Signaliadung von dem ersten Kondensator auf den zweiten verwendet wird, hat einen Quellen- und einen Senkenbereich. Diese Bereiche werden in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leiterfähigkeitstyps durch Störstellendiffusion von der Hauptoberfläche her gebildet und haben den entgegengesetzten Leitfähig kuitstyp. Eine Isolierschicht befindet sich auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats. Auf der Isolierschicht ist eine Schauerelektrode Steuerelektrode ausgebildet, die der Fläche gegenüberliegt, die von dem Quell- und dem Senkenbereich begrenzt wird. Ein Kanal ist im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats zwischen der Quelle und der Senke ausgebildet. Wenn eine Steuerspannung, die in Abhängigkeit von dem Potential des Halbleitersubstrats bestimmt wird, an die Steuerelektrode angelegt wird, kehrt sich der Kanal vom ersten Leitfähigkeitstyp zum zweiten Leitfähigkeitstyp um.

Die in dem ersten Kondensator gespeicherte Signalladung wird dadurch zu dem zweiten Kondensator gebracht, daß ein Strom durch den Senketibereich, den Kanal und den Quellenbereich des Transistors fließt, und zwar in dieser angegebenen Reihenfolge, in diesem Fall nimmt die Spannung, die aufgrund des Potentials des Halbleitersubstrats bestimmt worden ist, in dem Zeitintervall, wenn die Sigp.aüadung überführt wird, ab, d. h., ihr absoluter Wert verringert sich. Eine solche Spannungsänderung im Senkenbereich verringert die Weite einer Sperrschicht des PN-Überganges, die zwischen dem Senkenbereich und den Kanal ausgebildet ist, in diesem Zeitintervall. Ferner wird durc!; die Größenänderung der Sperrschicht die effektive Länge des Kanals vergrößert. Wenn die Dicke der Sperrschicht an der Seite des Kanals, die Spannung des Senkenbereichs und die Störstellenkonzentrationen des Kanals und des Senkenbereiches mit W_c, V_n Nc bzw. No bezeichnet werden, wird die Dicke Wc der Sperrschicht angegeben durch

W₁. = F,(,V_t.,N_DVF₂0·',,).

wobei die Funktion Fi (Nc, Nd) durch folgende Gleichung ausgedrückt wird:

FAN,.N,,)

! JV,-

(2)

und wobei F2 ( Vd) eine Funktion von Vd ist.

Wenn man die Längenänderung der effektiven Länge les Kanals mit AL bezeichnet, erhält man eine der Gleichung(1) entsprechende Form:

IL = F₁(N^N_n)-F₂(V₀)

(3)

and ferner die effektive Kanallänge mit Le, und mi* L₀ jie Kanallänge, bevor eine Längenänderung aufgetreten ist, so erhr.lt man folgende Beziehung:

IL.

(4)

Wenn die effektive Kanallänge L_E gleich L₀ ist, d. h., wenn die effektive Kanallänge nicht von der Kanallänge zu Beginn der Überführung der Signalladungen abweicht, ist der Überführungswirkungsgrad größer als in dem Fall, in dem die effektive Kanallänge LEwährend des Zeitintervalls, währenddessen die ibignalladung überführt wird, langer wird. In entsprechender Weise geht man davon aus, daß in dem Fall, in dem die effektive Kanallänge L_E langer als L₀ innerhalb des Zeitintervalls wird, daß bei der Überführung der Signalladung ein Verlust verglichen mit dem Fall, in dem die effektive Kanallänge L_E gleich L₀ ist, auftritt Wenn man den Verlust mit ε bezeichnet, kann er in folgender Form ausgedrückt werden:

Bei den bekannten Ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen nach dem Eimerkettenprinzip gelten für die Störstellenkonzentrationen N_D und N_c des Senkenbereichs und des Kanals normalerweise folgende Beziehungen:

N₀ >

N_n » N_c .

(6a) (6b)

Bezeichnet man mit Ns die Störstellenkonzentration des Quellenbereichs, so ergibt sich für die Störstellenkonzentrationen Ns und Nc im allgemeinen folgende Beziehungen:

> ΙΟ¹⁸ Atome-em"³ .

(6c) (6d)

Daher kann man die Gleichung (2) in folgender Annäherung ausdrücken:

₁(c₀) =.

l N_c

Für die Gleichung (3) ergibt sich somit:

.\L~ -L=-F₁(V₀).

\'N_C

AL in der Gleichung (8) wird im folgenden mit AL-, bezeichnet.

Wenn die Störstellenkonzentrationen Nd und /Vc des Senkenbereichs und des Kanals der folgenden Beziehung gehorchen

N₀ < N_c . (9)

lrann man die Gleichung (3) unter Berücksichtigung der Gleichung (2) in folgender Weise ausdrücken:

IL =

(10)

AL in Gleichung (10) wird im folgenden mit AL₂ bezeichnet.

Man erhält für AL, d.h. AL\ bei bekannten Vorrichtungen in bezug auf AL, das durch die Gleichung (10) ausgedrückt wird, d. h. A L₂ folgende Beziehung:

IL₁ =

IL,.

In Gleichung (11) sind die Gleichungen (8) und (10) berücksichtigt. Da der Ausdruck unter der Wurzel der Gleichung (11) größer als 1 ist ist AL\ größer als AL₂. Unter Berücksichtigung von Gleichung (5) bedeutet dies, daß bei den bekannten Bauelementen ein großer Verlust verglichen mit einem Bauelement, das die Gleichung (9) erfüllt, auftritt. Infolgedessen ist bei den bekannten Bauelementen der Wirkungsgrad der Signalladungsüberführung klein. Wegen eines solch geringen Überführungswirkungsgrades beträgt der Wirkungsgrad der Signalladungsüberführung bei bekannten Bauelementen ungefähr 0,997, wie es bereits erwähnt

-o worden ist.

Bei den bekannten Bauelementen wurden Versuche dahingehend durchgeführt, daß für Nc ein Wert ausgewählt worden ist, um sich dem von

Nd > 10¹⁸ Atome -cm"³

zu nähern, wobei die Beziehung Nd > Nc aufrechterhalten wurde.

Bei einer solchen Maßnahme wird AL durch obige Gleichung (10) ausgedrückt AL für diesen Fall wird im folgenden mit AL\' bezeichnet. Entsprechend ist in dem Fall, in dem der Wert Nc sich dem von Nd nähert wobei die Beziehung Nd > Nc aufrechterhalten wird, AL\ kleiner als in dem Fall des obenerwähnten ALu jedoch größer als obiges AL₂. Wenn man für N_c einen Wert wählt, um sich dem von N_D > 10¹⁸ Atome -cm-³ zu nähern, wobei die Beziehung Nd > Nc aufrechterhalten wird, nimmt der Wert von Nc auch entsprechend zu. jedoch ist es notwendig, den Leitfähigkeitstyp des Kanals während der Übertragung der Signalladung umzukehren. Es muß nämlich eine Inversionsschicht gebildet werden.

Wenn man den kleinsten Wert, d. h. den Schwellenwert einer Spannung, die an die Steuerelektrode zur Ausbildung einer solchen Inversionsschicht gelegt wird, mit Vth bezeichnet nimmt dieser Schwellenwert mit der Zunahme der Störstellenkonzentration N_c des Kanals zu. In dem Fall, in dem man die Störstellenkonzentration Nc so auswählt, daß sie sich derjenigen Nd mit einem Wert größer als 1O¹⁸ Atome - cm-³ nähert, wobei die Beziehung Nd > Nc aufrechterhalten wird, ist es notwendig, die an die Steuerelektrode angelegte Spannung zu erhöhen.

Wenn die Störstellenkonzentration Nc sich der von Nd größer als 10¹⁸ Atome · cm-³ nähert, nimmt die

C5 Durchbruchssparir.ur.g des PN-Üherganges zwischen dem Senkenbereich und dem Kanal mit einer Zunahme der Störstellenkonzentration N_c ab. Infolgedessen nimmt die Durchbruchsspannung, die eine der Größen

der Charakteristik des Bauelements ist, ab, wodurch die Charakteristik selbst beeinträchtigt wird.

Wenn für die Störstellenkonzentration At des Kanals ein Wert von 10'⁸ Atome · cm"³ unter der Bedingung N_n > Nc ausgewählt wird, werden die Schwellenspannung Vm und die Druchbruchsspannung gleich groß, so daß eine Überführung der Signalladung nicht langer erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach dem Eimerkettenprinzip anzugeben, bei dem ein verglichen mit bekannten Bauelementen höherer Überführungswirkungsgrad der Signalladung vorliegt. Ferner soll das Signal/Stör-Verhältnis eines Ausgangssignals, verglichen mit dem entsprechenden Verhältnis des Eingangssignals, nicht wesentlich beeinflußt sein und ein Ausgangssignal mit einem vorgegebenen Signal/Stör-Verhältnis selbst bei der Verwendung von vielen Kondensatoren zu erhalten sein. Hierbei sollen weder die an die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors angelegte Schwellenspannung erhöht, noch die Durchbruchspannung des PN-Überganges zwischen dem Senkenbereich und dem Kanal eines jeden MOS-Feldeffekttransistors erniedrigt werden müssen.

Die Aufgabe wird bei einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Da bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Signalladungsüberführung groß ist, ist das Signa'./Stör-Verhältnis des Ausgangssignals relativ zu dem des Eingangssignals verglichen mit bekannten Bauelementen wesentlich günstiger.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm der Beziehungen der Störstellenkonzentrationen des Senkenbereichs, des Kanals und des Quellenbereichs eines MOS-Feldeffekttransistors.

F i g. 3 zeigt Kurven, um den Wirkungsgrad der Ladungsübertragung, zu erklären.

Fig.4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Fig.5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels.

Bei dem gemäß F i g. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Reihe von MOS-Feldeffekttransistoren Γι. Ti, Tz--. Tfj vorhanden, die in einem P-Typ Halbleitersubstrat 1 ausgebildet sind. Der Transistor T₁ (;'=1, 2, 3 ... N) hat einen N-Typ Quellen- und Senkenbereich 2 und 3, die in dem Halbleitersubstrat ΐ ausgebildet sind, beispielsweise durch Diffusion von dessen Hauptoberfläche her. Der Oberflächenbereich des Substrats 1, der von dem Quellen- und Senkenbereich 2 bzw. 3 begrenzt wird, bildet einen Kanal 4. Die Hauptoberfläche des Substrats 1 ist mit einer isolierenden Schicht 5 wie z. B. Siliconnitrid oder Siliccnoxyd bedeckt. Eine Steuerelektrode 6 ist auf der isolierenden Schicht 5 an der Stelle, die dem Kanal 4 entspricht, angeordnet. Ein Speichenkondensator Ci verbindet den Senkenbereich 3 und die Steuerelektrode 6 des Transistors T,. jedoch ist zwischen dem Senkenbercich und der Steuerelektrode 6 des Transistors T)v kein Speieherkondensator vorhanden. Der Senkenbereich lies Transistors T, und der Qucllenbcrcich 2 des

I] , ι sind über eine Leitung

verbunden. Gemäß Fig. 1 sind der Kondensator C, und die Leitung L^₄ ο mit dem Senkenbereich 3 des Transistors Τ, verbunden. Bei einem prakdschen Ausführungsbeispiel wird ein Fenster in der isolierenden Schicht 5 an einer Stelle gebildet, die dem Senkenbereich 3 des Transistors T, entspricht. Eine leitende Schicht wird aufgebracht, die mit dem Senkenbereich 3 durch das Fenster verbunden ist und sich über die isolierende Schicht 5 erstreckt, wobei ein Anschluß des Kondensators C, mit der leitenden Schicht in Verbindung steht.

Das andere Ende der Leitung L·^ ₊;) ist in gleicher Weise mit dem Quellenbereich 2 des Transistors 7/ + i verbunden.

Unter der Annahme, daß N eine gerade Zahl ist, sind die Steuerelektroden 6 der Transistoren 7Ί, T3... T/v -1 miteinander und mit einem Anschluß eines ersten Taktimpulsgebers Ui verbunden. In ähnlicher Weise sind die Steuerelektroden 6 der Transistoren Ti, Ta .... T_n miteinander und mit einem Anschluß eines zweiten

zo Taktimpulsgebers U2 verbunden. Die anderen Anschlüsse der Impulsgeber Ui und UI sind an dem Halbleitersubstrat 1 angeschlossen. Zwischen dem Quellenbereich 2 des Transistors ΤΊ der ersten Stufe und dem Substrat 1 ist eine Gleichspannungsquelle 10 für eine Vorspannung über einen Widerstand 11 angeschlossen. Ein Signalgeber 12 wird über einen Kondensator 13, der gleichspannungsmäßig trennt, angeschlossen.

Zwischen dem Senkenbereich 3 des Transistors Tn der letzten Stufe und dem Substrat 1 ist eine Gleichspannungsquelle 14 über einen Arbeitswiderstand 15 angeschlossen. Ein Ausgangsanschluß 16 führt von dem Senkenbereich 3 des Transistors T_n fort. Wenn von dem Signalgeber 12 kein Signal abgegeben wird, sind die Kondensatoren Q bis Cn-i auf ihren Anfangswert aufgeladen. In diesem Fall werden die Kondensatoren Q bis C_n -, durch Taktimpulse CP1 und CP 2, die von den Taktimpuisqueilen Ui und U 2 abgegeben werden und positiv und zueinander um 180" phasenverschoben sind, nacheinander über den Arbeitswiderstand 15 von der Gleichspannungsquelle 14 in der Richtung von der Seite des Transistors T_n zum Transistor Ti aufgeladen.

Das Aufladen des Kondensators CW-1 wird in folgender Weise erreicht. Der an die Steuerelektrode 6 des Transistors Tn gelangende Taktimpuls CP2bewirkt daß der Kanal 4 des Transistors Tn seinen Leitertyp vor P zu N umkehrt, wodurch ein Strom von dei Gleichspannungsquelle 14 durch den Arbeitswiderstanc 15 und den Senkenbereich 3, den Kanal 4 und dei Quellenbereich 2 des Transistors T_n hinfließt, wodurcl der Kondensator C,v-i aufgeladen wird. Der Kondensa tor Ce(e-2, 3... ν-2) wird in folgender Weise aufgelader Durch Anlegen der Taktimpulse CP1 an die Steueret.

trode 6 des Transistors Tc₊1 fließt ein Strom aufgnin der in dem Kondensator Ct₊1 gespeicherten Ladvin von diesem Kondensator durch den Senkenbereich, de Kanal und den Quellenbereich 3, 4 bzw. 2 dt Transistors T_t+, zum Kondensator CV, um diese

(* aufzuladen. Der Kondensator CV₁/.-1. in 1) wir dadurch aufgeladen, daß ein Strom von dem Kondens tor Cr₊ 1 aufgrund der in diesem gespeicherten Ladur durch Anlegen der Taktimpulse CP2 an die Stcuerelc trode 6 des Transistors T, , 1 fließt.

(■s Unter der Voraussetzung, daß die Kondensatoren bis Cn-i auf ihren Anfangswert aufgeladen sind, flie ein Strom aufgrund der 1 .adung des Kondensators C_t der Seite der Signalquelk: 12, wenn ein negativ

Eingangssignal Sl von der Signalquelle 12 abgegeben wird, wenn der Taktimpuls CP1 anliegt. Dieser Strom fließt durch den Senkenbereich, den Kanal und den Quellenbereich 3, 4 bzw. 2 des Transistors T\ entsprechend der Spannung des Signals St, um die Ladung von dem Kondensator C\ zu überführen, wodurch die Signalquelle 12 mit dem Element Ci verbunden wird. Beim Erzeugen eines Taktimpulses CP2 fließt aufgrund der Ladung des Kondensators C₂ ein Strom zur Seite des Kondensators Q durch den Senkenbereich, den Kanal und den Quellenbereich 3, 4 bzw. 2 des Transistors T₂, um die Ladung von dem Kondensator Cj zu überführen. Auf diese Weise wird die Ladung des Kondensators Ci zum Speichern auf den Kondensator Ci übergeführt. Der gleiche Vorgang läuft für jeden der folgenden Kondensatoren ab, wodurch die Signalladung schließlich auf den Kondensator Cn-\ übergeführt und dort gespeichert wird. Wenn an die Steuerelektrode 6 des Transistors T* ein Taktimpuls CP 2 gegeben wird und der Kondensator Cn-\ von der Spannungsquelle 14 über den Widerstand 15, den Senkenbereich 3, den Kanal 4 und den Quellenbereich 3 des Transistors Tn aufgeladen wird, erhält man die in dem Kondensator Cn_i gespeicherte Signalladung aufgrund des Ladestroms für den Kondensator Cv-1 als Spannungsabfall am Widerstand 15. Infolgedessen erhält man ein Ausgangssignal S2 am Ausgang 16 mit einer Spannung, die dem des Eingangssignals Sl entspricht.

Die vorgehende Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise entspricht im wesentlichen dem bekannten eingangs genannten ladungsgekoppeiten Halbleiterbauelement und wird daher im folgenden nicht weiter im einzelnen beschrieben.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gehorchen jedoch die Störstellenkonzentrationen Nd und Nc des Senkenbereichs 3 und des Kanals 4 der oben beschriebenen MOS-Feldeffekttransistoren T₁ folgenden Bedingungen:

N₀ <; 10¹⁸ Atome cm ~"³ , (12a)

N„<N_C. (12b)

In Praxi gehorchen die Beziehungen der Störstellenkonzentrationen No und Nc den diagrammartig in F i g. 2 dargestellten Beziehungen:

Nf < N ι, g IO¹⁸ Atome -cm"³ . (13a)

N₁ < Nc g l()²⁰Atomc · cm ³ , (13b)

N„<N_r. (13c)

worin /V, die Ladungskonzentration eines ursprünglichen Halbleiters bedeutet, der einen Wert von ungefähr 10¹⁰ Atome ■ cm⁵ bei Zimmertemperatur hat. Der obere Grenzwert 10¹⁸ Atome ■ cm' der Störstellenkonzentration Nn in der Gleichung (12a) oder (13a) hängt von dem Wert der Störstellenkonzcntration N₍-ab. Wenn man für N_c einen Wert oberhalb von 10¹⁸ Atome · cm¹ aufgrund der Gleichung (12b) oder (13c) wählt, könnte der obere Grenzwert von Np entsprechend erhöht werden. In einem solchen Fall jedoch wird tier Schwellenwert Vm der an die Steuerelektrode 6 des Transistors Ti gelegten Spannung genau so groß oder größer als die Durchbruchsspannung des PN-Übcrgan-Kcs zwischen dem Senkenbereich 3 und dem Kanal 4 des Transistors Ti, wodurch eine Signalladungsüberführung unmöglich gemacht wird.

Daher wird der obere Grenzwert der Störstellenkonzentration Np durch die Gleichung (12a) oder (13a) angegeben. Andererseits hängt der obere Grenzwert 10²⁰ Atome · cm-³ der Störstellenkonzentration Nc in der Gleichung (13b) von der Durchbruchsspannung der Isolierschicht 5 zwischen der\ Kanal 4 und der Steuerelektrode 6 des Transistors Ti ab. Wenn die Isolierschicht 5 beispielsweise aus SiO₂ mit einer Dicke von ungefähr 1000 A hergestellt wird, wie es gewöhnlich der Fall ist, beträgt die maximal mögliche Feldstärke an der isolierenden Schicht 5 ungefähr 6 χ 10⁶ Volt/cm. Der Schwellenwert Vth der an die Steuerelektrode 6 angelegten Spannung steigt mit einer Erhöhung der Störstellenkonzentration Nc an. Wenn der obere Grenzwert der Störstellenkonzentration N_c ungefähr 10²⁰ Atome · cm-³beträgt,erhält man einen Schwellenwert V_TH von ungefähr 200 Volt. Die Feldstärke, der die Isolierschicht 5 ausgesetzt ist, wenn der Schwellenwert Vth ungefähr 200 Volt beträgt, ist 2xlO⁷ Volt/cm. Mithin hängt der obere Grenzwert der Störstellenkonzentration Λ/cvon der maximal möglichen Feldstärke in der isolierenden Schicht 5 ab, so daß dieser Wert unterhalb von 10²⁰ Atome · cm~³ in Übereinstimmung mit der Güte der im allgemeinen verwendeten isolierenden Schicht 5 liegt.

Vorzugsweise haben die Störstellenkonzentrationen Λ/ο und Nc folgende Beziehungen:

2 χ 10¹³AtOIiIe-cnr³<; N_n^ 5 χ 10¹⁶ Atome · cm" \

(14a)

10¹⁶Atome-crrT³ ^N_c ^ 1O¹⁹AtOiTIe-cm"³. (14b)

■V|>

(14c)

Wenn man den Transistor Γ, in dem Halbleitersubstrat 1 mit bekannten Verfahren herstellt, erhält man bei Einhaltung der Gleichungen (14a) bis (14c) folgende Eigenschaften, einen Schwellenwert Vth unterhalb von 50 Volt, eine Durchbruchsspannung zwischen dem Senkenbereich 3 und dem Kanal 4 des Transistors T)- von mehr als 20 Volt und einem über 0,99 liegender Wirkungsgrad für die Signalladungsüberführung.

Besonders günstig sind Störstellenkonzentrationer /Vpiind Nc die die folgenden Beziehungen genügen:

10^u Atome ■ cm ³ g N₁, S 10"'Atome · cm \ (15a)

H)¹⁷Atome ■ cm "³ S N,- g 10¹⁸ Atome ■ cm"³. (15b)

N₁₁ < N₁-. (!5<:l

Hält man die Beziehungen ein, die durch cli Gleichungen (15a) bis (15c) gegeben sind, so erhält ma für den Schwellenwert Vn/ eine Spannung von wenige

(,o als 10 Volt, eine Durchbruchsspannung über 50 Volt un einen Signalladungsübertragtingswirkungsgrad ve mehr als 0,999, wenn der Transistor T, in dei Halbleitersubstrat 1 durch normale Verfahren hcrgi stellt worden ist.

ds Für die Wahl der Störstellenkonzcntration Ns cli Quellcnbcreichs 2 des Transistors T, geht man aus von:

N.

(IM

vorzugsweise von Werten

10¹²AtOiTIe-cm-³ ^ N₅^ 10¹⁷AtOmC · cm"³ (17)
und von besonders günstigen Werten wie

10¹⁴AtOnIe · cm'³ ^ N_s ^ 10¹⁶AtOmC · cm"-¹. (18)

In Praxi wird die Störstellenkonzentration Ns so bestimmt, daß Nd~ Ns-

Die Beziehung Nd< Nc, von der bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen wird, ist zu der N_D> Nc bei bekannten Bauelementen vollkommen verschieden. Man erhält dadurch eine ausgezeichnete Wirkung verglichen mit den bekannten Bauelementen.

In dem Fall, in dem die von dem Kondensator G-1 gespeicherte Ladung auf den Kondensator Q übergeführt wird, wie es beschrieben wurde, wird die absolute Spannung Vc über den Kondensator G in dem Zeitintervall, in dem die Ladung übergeführt wird, kleiner als vor der Ladungsüberführung. Eine solche Änderung der Spannung Vc über den Kondensator Q bewirkt eine solche Änderung der Spannung Vo des Senkenbereichs 3 des Transistors T_h daß ihr Wert Vds vor der Überführung der Signalladung auf den Kondensator Q auf einen Wert Vde nach der Übertragung der Signalladung auf den Kondensator G innerhalb des Zeitintervalls verringert wird, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Ferner bewirkt die Änderung der Spannung Vc über den Kondensator G-1 eine solche Änderung, daß eine Spannung Vs des Quellenbereichs 2 des Transistors T,- in gleicher Weise von dem Wert V_Ss vor der Signalladungsübertragung auf den Kondensator G auf einen Wert V_Se nach der Signalladungsübertragung auf den Kondensator G innerhalb des Zeitintervalls ansteigt, wie es in F i g. 3 zu ersehen ist. In F i g. 3 jedoch sieht man, daß

werden. Wenn AL bei einem bekannten Bauelement der Beziehung (8) und AL bei dem erfindungsgemäßen Bauelement mit AL\ bzw. ALa bezeichnet werden, ergibt sich der Zusammenhang gemäß Gleichung (11). Der Verlust (im folgenden als ει bezeichnet) wird bei einem bekannten Bauelement gegeben durch:

-F(Vo), ^Lo

(19)

da die Änderung AL durch die Gleichung (8) ausgedrückt wird. Der Verlust (im folgenden als E^ bezeichnet) bei dem erfindungsgemäßen Bauelement wird angegeben durch:

(20)

1 +

da die Änderung AL durch die Gleichung (10) ausgedrückt wird. Man erhält daher folgende Beziehung:

(21)

1 +

Da das erfindungsgemäße Bauelement die Gleichungen (12a) und (12b) berücksichtigt, ist der Wert dei Gleichung (21) kleiner als 1. Das bedeutet aber, daß dei Wirkungsgrad für die Signalladungsübertragung be dem erfindungsgemäßen Bauelement wesentlich oberhalb der einem bekannten Bauelement liegt Ferner wire dadurch impliziert, daß der Wert Vde der Spannung V_L gemäß F i g. 3 sich dem Wert Vss und der Wert Vse dei Spannung Vs dem Wert V_Ds nähert, was in stärkeren-Maße dem Idealfall entspricht.

Bei einem Versuch, bei dem

L

und daß C = G-1 = G, worin Q,_ ι die von dem Kondensator G-1 gespeicherte Signalladung und Γ die Kapazität der Kondensatoren G/und G-1 bedeutet.

Wenn der Wirkungsgrad der Signalladungsübertragung von dem Kondensator G-1 auf den Kondensator d ideal ist, erreicht V_De den Wert von Vss. und V_St: erreicht den Wert von Vds. Der Unterschied V_Dt— V_Ss zwischen Vde und Vss oder die Differenz Vas— Vsi: zwischen Vds und Vst: entspricht einem Verlust von Signalladungen während der Überführung. Die Änderung der Spannung Vd, die in der F i g. 3 dargestellt ist, bewirkt eine Abnahme der Dicke der Sperrschicht des PN-Überganges zwischen dem Senkenbereich 3 und dem Kanal 4 des Transistors T/. Die Dicke HV der Sperrschicht auf der Seite des Kanals 4 wird durch die Gleichung (1) angegeben, wie es vorhergehend beschrieben worden ist. Die effektive Länge L/_:des Kanals 4 wird durch die obige Gleichung (4) angegeben, durch die eine Kombination des Wertes L₀ vor der Ladungs- <*> übertragung mit der Änderung AL dargestellt ist. Die Zunahme der effektiven Kanallänge Le von L₀ um AL kann als ein Übertragungsverlust der Signalladung betrachtet werden, wie es durch die Gleichung (15) dargestellt ist. (^

Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement wird AL durch die Gleichung (10) ausgedrückt, da die Beziehungen der Gleichungen (12a) und (12b) berücksichtigt

= 3 χ 10¹⁷Atome ■ cm-³

Ns = 3 χ 10¹⁵AtOiTIe · cm-³

betrug, lag der Wert AL unterhalb von ¹Ao von dem be bekannten Bauelementen, und der Wirkungsgrad dei Signalladungsübertragung lag oberhalb von 0,999.

Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kann dei Wert der Störstellenkonzentration N₀ des Senkenbe reichs 3 verringert werden, während die Beziehungei der Gleichungen (12a) und (12b) aufrechterhaltei werden. Dadurch wird die Durchbruchsspannung de PN-Übergangs zwischen dem Senkenbereich 3 und den Kanal 4 verglichen mit bekannten Bauelemente! angehoben.

Bei einem Versuch, bei dem

N( = 3 χ l0¹⁷Atome ■ cm ^J

N/, = Ns = 3 χ 10^|r> Atome ■ cm ^]

betrug, lag der Wert obiger Durchbruchsspannung be ungefähr 100 Volt, mithin um lOmal höher als dl Durchbruchsspannung, die man bei bekannten Bauele menten erhält.

Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Bauelemen der Wirkungsgrad der Signalladungsübertragung merk lieh erhöht, verglichen mit derjenigen bei bekannte! Bauelementen, weil die Beziehungen der Gleichungei (12a) und (12b) berücksichtigt werden, so daß der Wer

der Störstellenkonzentration Mrdes Kanals 4 verringert werden kann. Dadurch wird der Minimalwert, das heißt der Schwellenwert VV//, der an die Steuerelektrode 6 zum Ausbilden der Inversionsschicht im Kanal 4 während der Übertragung der Signalladungen angelegten Spannung verringert. Infolgedessen ist es nicht notwendig, die Spannung der Taktimpulse CPl oder CP 2 zu erhöhen, die an die Steuerelektrode 6 angelegt wird.

Bei dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen die Teile jenen der F i g. 1 und tragen die gleichen Bezugszahlen bzw. Bezugsbuchstaben. Eine genauere Beschreibung erübrigt sich. Der Speicherkondensator C, und die Leitung L^₊1 j des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1 sind hier nicht vorhanden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Senkenbereich 3 des Transistors T₁ und der Quellenbereich 2 des Transistors T)₊ \ anders als beim Transistor Tn und so ausgebildet, daß eine durchgehende Struktur erhalten wird. Die Steuerelektrode 6 des Transistors T, erstreckt sich über den Senkenbereich 3. Ein Speicherkondensator Ci, entsprechend dem Kondensator C₁ gemäß F i g. 1 ist mit einem Paar von Elektroden ausgebildet, die durch die Steuerelektrode 6 und den Senkenbereich 3 gebildet werden, wobei eine dielektrische Schicht durch die isolierende Schicht 5 zwischen der Steuerelektrode 6 und dem Senkenbereich 3 gebildet wird.

Bei einer solchen Bauweise ist der Kondensator C zwischen der Steuerelektrode 6 und dem Senkenbereich 3 des Transistors T₁ mit Ausnahme von Transistor T/v verbunden. Der Senkenbereich 3 des Transistors T₁ und der Quellenbereich 2 des Transistors T)₊1 sind miteinander wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 verbunden, so daß genau die gleiche Arbeitsweise wie bei diesem Ausführungsbeispiel erhalten wird.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 sind die Störstellenkonzentrationen No, Nc und Ns des Senkenbereichs 3, des Kanals 4 und des Quellenbereichs 2 des Transistors T) den gleichen Beziehungen unterworfen, wie jene bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Infolgedessen erhält man mit dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 die gleichen Ergebnisse, wie bei jenem gemäß Fig. 1.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diejenigen Teile, die denen der F i g. 4 entsprechen mit den gleichen Bezugszahlen bzw. Bezugsbuchstaben bezeichnet, so daß eine ins einzelne gehende Beschreibung nicht notwendig ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine N-Typ-Schicht gebildet, beispielsweise durch epitaxiales Wachsen auf dem Halbleitersubstrat 1. P-Typ-Schichten sind an Stellen der N-Typ-Schicht von der Oberfläche ausgehend und sich in das Substrat 1 erstreckend ausgebildet. Der Oberflächenabschnitt einer jeden P-Typ-Schicht wird als Kanal 4 verwendet. Die zwischen aufeinanderfolgenden Kanälen 4 liegende N-Typ-Schicht wird in einen Senkenbereich 3 und einen Quellenbereich 2 aufgeteilt, die aneinanderstoßen.

Da diese Ausgestaltung genau derjenigen der Fig.4 entspricht, ist es selbstverständlich, daß man die gleiche Arbeits- und Wirkungsweise erhält, die bei der der F i g. 4 und 1 dadurch erhalten wird, daß die Störstellenkonzentrationen Na Nc und Ns der Bereiche 3,4 und 2 so ausgewählt werden, daß die Beziehungen, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 und infolgedessen auch bei dem gemäß F i g. 1 verwendet worden ist, berücksichtigt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Ladungs gekoppeltes Halbleiterbauelement nach dem Eimerkettenprinzip mit einem Halbleitersubstrat, mit mehreren Speicherkondensatoren und MOS-Feldeffekttransistoren, die abwechselnd aufeinanderfolgend längs einer Reihe angeordnet und so untereinander und mit zwei Impuistaktieitungen verbunden sind, daß eine Menge von elektrischer Signalladung, die in einem der Speicherkondensatoren gespeichert ist, von diesem durch den auf ihn folgenden MOS-Feldeffekttriinsistor auf den darauffolgenden Speicherkonderisator überfahrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration Nodes Senkenbereichs (3) und die Siörstellenkonzentration Nc des Kanals (4) der MOS-Feldeffekttransistoren (Γι - Tm) folgenden Bedingungen genügen