DE2341855A1 - Eimerketten-ladungstransport-bauelement - Google Patents

Description

BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DIPI.-ING. C 6. BlUMBACH · DiPL-PHYS. Dr. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 ■ TEL (06121) 542943, 561798 MÜNCHEN

WESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED BERGLUND NEWYORK, N.Y., USA

EIMERKETTEN-LADUNGSTRANSPORT-BAUELEMENT

Die Erfindung betrifft ein Eimerketten-Ladungstransport-Bauelement mit einem eine Hauptfläche aufweisenden Speichermedium, einer Mehrzahl in Abstand voneinander längs einer Bahn auf der Haupt" fläche liegender, lokalisierter zonenunbeweglicher Ladung, einer über der Fläche und den Zonen angeordneten Isolierschicht, und einer Mehrzahl lokalisierter Elektroden, die über der dielektrischen Schicht angeordnet und zu den lokalisierten Zonen so ausgerichtet sind, daß getrennte Elektroden sich über den Raum zwischen einem getrennten Paar aufeinander folgender Zonen" sowie über eine Zone des Paares weiter als über dessen andere erstrecken.

Wie auf diesem Gebiet inzwischen wohl bekannt ist, funktionieren die Ladungstransport-Bauelemente des Eimerkettentyps durch selektives Übertragen von Paketen oder NichtVorhandensein von

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Paketen beweg!icher Ladungsträger der Reihe nach von Zone zu Zone entlang der Oberfläche eines Halbleiterkörper, der einen Körperteil des einen Halbleitertyps und eine Mehrzahl in Abstand voneinander liegender lokalisierter Zonen des anderen Halbleitertyps umfaßt. In diesen Bauelementen wird jede Zone als eine Potentialmulde betrieben, deren Grenze durch den die Zone definierenden pn-Ubergang festgelegt ist.

Konzeptionell einfach kann man sich die Ladungstransport-Bauelemente vom Eimerketten! yp als eine Kaskade von IGFETS (Insulated Gate Field Effect Transistor) vorstellen, in der [ede der Oberflächenzonen als drain eines besonderen IGFET und als source des nächstfolgenden IGFET dient. Zu irgendeinem gegebenen Arbeitszeitpunkt kann'dann ein Paar aufeinanderfolgender Zonen als source bzw. drain eines IGFET aufgefaßt werden^ und die darüberllegende Transportelektrode kann als die gate-EIektrode des IGFET aufgefaßt werden.

Bekanntlich ist ein bedeutender Faktor bei der Signalverschlechterung in solchen Bauelementen das, was als "dynamischer Drain-Leitwert" bezeichnet worden ist, ein RückkoppeIungseffekt, der 409821/0730

zu einer Vergrößerung des effektiven Abstandes zwischen Source und Drain während eines Transportvorgangs führt und auf der Verringerung der Drain-Spannung während des Transportes von Ladungsträgern hierin beruht. Dieser Effekt ist von C. N. Berglund und R. J. Strain beschrieben worden in dem Artikel "Fabrication and Performance Considerations of Charge Transfer Dynamic Shift Registers", der in Bell System Technical Journal, Band 51, Nr. 3, März 1972, Seite 655 erschienen ist.

Eine Methode zur bedeutenden Reduzierung des Effektes des dynamischen Drainleitwertes wurde von F. L. J. Sangster in dem Artikel "Integrated Bucket-Brigade Delay Line Using MOS Tedrodes" beschrieben, der in Philips Technical Review, Band 31, 1970, Seite 266 erschienen ist. Sangstefjs Methode umfaßt die Verdoppelung der Zahl der IGFETS pro Bit gespeicherter Information und weist auf die Verwendung einer Leiterbahn zur Vorspannung der hinzugefügten IGFETS zusätzlich zu dem Leiterbahnenpaar auf, das normalerweise zur Koppelung von Taktsignalen auf die Eimerbrigaden-Elektroden verwendet wird. Anders ausgedrückt umfaßt Sangster^ Methoae die Verwendung der doppelte Anzahl von Oberflächenzpnen pro Bit gespeicherter Informationen und eine 50-prozentige Erhöhung

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der Leiterbahnenzahl, die zur Herbeiführung eines planmäßigen Informationstransportes durch das Bauelement verwendet wird. Diese Methode wird für viele Anwendungen als übermäßig komplex betrachtet und bringt zusätzlich eine größere Abmessung pro Bit gespeicherter Information mit sich. Beide Nachteile sollen durch die Erfindung verringert werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Eimerketten-Ladungstransport-Bauelement gelöst, das gekennzeichnet ist durch separate, einem jeden Zwischenraum zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Zonen zugeordnete Einrichtungen zur Erzeugung einer Mehrzahl unterschiedlicher Schwellenwertspannungen in dem Zv/ischenraum derart, daß die Schwellenwertspannungen vom hinteren zum vorderen Teil des Zwischenraums abnehmen und ein praktisch abrupter Übergang zwischen aufeinander folgenden Schwellenwertspannungen vorhanden ist.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Teils eines grundsätzlichen bekannten Eimerkettenbauelementes entlang des Informationskanals,

Fig. 2 eine Querschnitssansicht längs des Informationskanals eines Eimerkettenbauelementes gemäß einer ersten zu beschreiben-

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den erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem typische Oberflächenpotentiale

im Aufbau der Figur 2 beim Anlegen typischer Arbeitsspannungen dargestellt sind,

Fig. 4A eine vergrößerte Ansicht eines besonders wichtigen Teils

des Aufbaus der Figur 2,

Fig. 4B ein Diagramm, in dem typische Oberflächenpotentiale

dargestellt sind, die beim typischen Betrieb des Aufbaus der Figuren 2 und 4A auftreten, wobei eine Arbeitsspannung angelegt ist, und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht längs des Informationskanals

eines Teils eines Eimerketten-Bauelementes gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Es sei darauf hingewiesen, daß zur Vereinfachung und besseren Klarheit der Darstellung und Erläuterung die Figuren nicht unbedingt maßstabsgerecht sind.

Die vorliegende Erfindung beruht einmal auf der Erkenntnis, daß Songster's zusätzliche Leitungsbahn vermieden werden kann., sofem seine zugefügten Transistoren so aufgebaut sind, daß sie eine

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Schwellenwertspannung haben, die von der der ursprünglichen Ladungstransporttransistoren verschieden ist und beruht auf der weiteren Erkenntnis, daß durch Verwendung der verschiedenen Schwellenwertspannungen Sangster^s hinzugefügte Oberflächenzonen auch eliminiert werden können.

In einer als Beispiel anzusehenden erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt ein Eimerkettenaufbau erste und zweite, voneinander verschiedene Schwellenwertspannungen in jedem Transportbereich zwischen einem jeden Paar aufeinanderfolgender Speicherplätze, Der Transportbereich ist zusätzlich gekennzeichnet durch einen praktisch abrupten Übergang zwischen den ersten und zweiten Schwellenwertspannungen und durch die Tatsache, daß die Schwellenwertspannung des bezüglich der Informationstransportrichtung hinteren Teils eines jeden Transportbereichs größer ist als die Schwel lenwertsoännung des vorderen Teils des Transportbereichs.

Diese Differenz in der Schwellenwertspannung reduziert im Verein mit einem praktisch abrupten Übergang dazwischen die Rückkoppelung der Spannung von der übernehmenden Zone (Drain) zur übergebenden Zone (Source) genauso wirksam wie Sangster* s

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Zwei-Transistor-pro-Bit Aufbau, und zwar ohne dessen oben beschriebene übermäßige Komplexheit.

Es wird nun spezieller Bezug auf die Zeichnung genommen. In Fig. 1 Ist eine Querschnittsansicht längs des Informationskanals eines Teils Π eines grundsätzlichen bekannten Eimerketten-Bauelementes gezeigt, wie es beispielsweise im US-Patent 3 660 697 offenbart ist. Wie dargestellt ist, umfaßt der Teil 11 ein Speichermedium, den Körper 12, der beispielsweise n-halble?tend ist und über dem eine Isolierschicht 13, typischerweise Siliciumoxid, gebildet ist. Über dem Isolator 13 ist eine Mehrzahl von Feldplattenelektroden 14M, 15M, 14N und 15N angeordnet, von denen jede in E? ns-zu Ei ns- Übereinstimmung mit einer Mehrzahl lokalisierter Zonen 18M, 19M, 18N und 19N angrenzend an die Oberfläche des Körperteils 12 ausgerichtet ist. Wie in der Zeichnung weiter angedeutet ist, wo der Körperteil 12 n-haIbleitend ist, sind die Oberftöchenzonen 18 und 19 von stark dotierter p-Halbleitfähigkeit.

Aus Figur 1 ist zu ersehen, daß die Elektroden und die lokalisierten Zonen zueinander in einem solchen Verhältnis angeordnet sind, daß jede Elektrode beträchtlich mehr über die rechts darunterliegende Zone als über die links darunterliegende Zone reicht. Spezieller ausgedrückt überdeckt beispielsweise die Elektrode 15M einen

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beträchtlich größeren Teil der Zone 19M (rechts darunterliegend) als der Zone 18M (links darunterliegend).

Ein Paar Leiterbahnen 16 und 17 sind je mit jeder zweiten Elektrode verbunden/ d.h. Leiterbahn 16 ist mit der Elektrode 14 und Leiterbahn 17 mit der Elektrode 15 verbunden. Im Betrieb werden zwei Phasen-Taktspannungen V. und V- über die Leiterbahnen 16 und 17 an die Elektroden 14 bzw. 15 angelegt. Bekanntlich sind die Spannungen V₁ und V~ vorteilhafterweise ausreichend groß, um die Halbleiteroberfläche des Teils 11 immer in Verarmung zu halten, um die Wirkungen der Oberflächenzustände auf die zu transportierende Ladung minimal zu machen.

In einer Takfphase, beispielsweise wenn die Amplitude von V. größer als die von V„ ist, werden .die Zonen 18 unter den Elektroden 14 zu einem viel größeren Oberflächenpotential getrieben, als die Zonen

19 unter den Elektroden 15. Als Folge dieser beabsichtigten eingebauten Differenz im Oberflächenpotential, das von der asymetrischen Anordnung der Elektroden bezüglich der Zonen herrührt, werden be-,.-wegliche Ladungsträger, die sich vor dem Anlegen dieser momentan ~ beschriebenen Taktphase in den Zonen 19 befanden, von ihrer jeweiligen Zone 19 in die in Figur 1 unmittelbar rechts liegende Zone transportiert.

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Aus der obigen Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise ist zu ersehen, daß jedes Paar benachbarter Zonen, z.B. 18Mund 19M, 19Mund 18N, und 18 N und 19N aufgefaßt werden kann als Source und Drain eines IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). In einem solchen Zusammenhang kann dann der n-Oberflächenteil zwischen einem jeden Teil benachbarter Zonen aufgefaßt werden als der Kanal eines IGFET.

Man wird jedoch sehen, daß keine Drain- und Source-Elektroden vorhanden sind, welche die Spannungen an den Source- und Drain-Zonen aufrechterhalten, wenn der Transport der Ladungsträger vorangeht. Wenn Ladungsträger in eine Zone transportiert werden, verringert sich als Folge davon der Betrag des Oberflächenpotentials in dieser Zone und demgemäß die Spannung der Zone selbst, während ein jeder nachfolgender beweglicher Ladungsträger in diese eintritt. In einem Aufbau der in Figur 1 dargestellten Art erzeugt dieses abnehmende Potential eine effektive Längenzunahme des IGFET-Kanals und macht es somit schwieriger für weitere Ladungen, transportiert zu werden. Dies ist der Effekt, der oben als "dynamischer Drain-Leitwert" bezeichnet worden ist.

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ι ο

Diesen Kanalverlängerungseffekt kann man verstehen, wenn man bedenkt, daß die in den Zonen 18 und 19 induzierten Spannungen typisch erweise von einer Polarität sind, die zur Erzeugung einer Sperrvorspannung an den diesen Zonen zugeordneten pn-Ubergängen ausreicht. Als Folge davon erstreckt sich ein Verarmungsbereich von der Zone in alle Richtungen und, was wichtig ist, nach links in Figur 1 in den Kanalbereich. Die Wirkung dieser Ausdehnung des Verarmungsbereiches in den Kanal i steine effekt! ve Verringern ng der Kanallänge. Wie es für IGFETS bekannt ist, erzeugt eine Verringerung der Kanal länge eine höheren .Übertragungsleitwert, welcher für eine gegebene angelegte Spannung einen leichteren Transport der Ladungsträger von Source nach Drain ermöglicht. Verringert sich der Betrag des Oberflächenpotentials in den Drainzonen, verringert sich der Verarmungsbereich in seiner Breite und verlängert den Kanal effektiv, womit der Übertragungsleitwert sukzessiv verringert wird und gleichzeitig den Transport der restlichen Ladungen immer schwieriger macht.

Es ist leicht einzusehen, daß diese Wirkung sich mit zunehmender zutransportierender Ladung erhöht. So wird beispielsweise ein relativ großes Ladungsträgerpaket, das möglicherweise eine "Eins" darstellt, mehr gedämpft als ein relativ kleines Ladungsträgerpaket, das eine ¹NuII" repräsentiert. Da die Wirkung nicht gleichmäßig ist, kann

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eine beträchtliche Signalverschlechterung resultieren.

Da, Wie oben ausgeführt, die Arbeitsweise des Aufbaus der Figur 1 nicht direkt analog mit der IGFET-Arbeitsweise ist, da ja keine direkte elektrische Verbindung zu den Zonen existiert, und da es außerdem viel einfacher für die folgende Beschreibung ist, wird die Verwendung der IGFET-Terminologie an dieser Stelle abgebrochen. Stattdessen werden die lokalisierten Zonen als "Ladungsspeicherplätze" und die Kanalbereiche zwischen Zonen entlang der Oberfläche als "Transportbereiche" bezeichnet. Zusätzlich ist die Verwendung der Ausdrücke "vorn" und "hinten" nützlich, was auf die Bewegungsrichtung der Signal information darstellenden beweglichen Ladungsträger bezogen ist. Da durch die eingebaute Asymetrie im Aufbau der Figur 1 festgelegt ist, daß diese Richtung die des Transports nach rechts ist, werden die am weitesten rechts liegenden Teile irgendeines besonderen Merkmals als vordere Teile und die am meisten links liegenden Teile als die hinteren Teile bezeichnet.

Unter Beachtung dieser Terminologie und der obigen Beschreibung des grundsätzlichen bekannten Eimerketten-Bauelementes und seiner Probleme wird als nächstes der in Figur 2 dargestellte Aufbau betrach-

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tet, eine Querschnittsansicht längs des Informationskanals eines Teils eines Eimerketten-Bauelementes gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Wie gezeigt ist, umfaßt der Teil 21 einen Halbleiterkörperteil 22, der beispielsweise n-halbleitend ist und angrenzend an dessen Oberfläche eine Mehrzahl p-leitender lokalisierter Zonen 28 und 29 umfaßt, die den Zonen 18 und 19 in Figur 1 entsprechen. Über der Oberfläche des Körpers 22 und den Zonen 28 und 29 ist eine Isolierschicht 23 ungleichmäßiger Dicke angeordnet, und über dem Isolator 23 befindet sich eine Mehrzahl von Elektroden 24 und 25. Wie man sehen kann, umfaßt jede Elektrode zwei unterschiedliche Teile, wobei der vordere Teil mit dem'Zusatz B und der hintere Teil mit dem Zusatz A gekennzeichnet ist.

Spezieller ausgedruckt, ist eine Mehrzahl von Elektroden 24 und 25 in Eins-zu-Eins-Übereinstimmung mit der Mehrzahl lokalisierter Zonen 28 und 29 angeordnet. Wie zu ersehen ist, reicht der vordere Teil 24MB der Elektrode 24 über einen großen Prozentsatz der Zone 28M und erstreckt sich auch etwa bis in die Mitte über dem Raum zwischen der Zone 28M und der direkt vorausgehenden p-leitenden Zone; 0»r hintere

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mit 24MA bezeichnete Teil der Elektrode 24M reicht im wesentlichen lediglich über die hintere Hälfte des Zwischenraums, d.h. des Transportbereichs, zwischen der Zone 28M und der direkt vorausgehenden Zone.

In gleicher Weise umfaßt jede der Elektroden 25M, 24N und 25N Teile A und B analog zu den beschriebenen Teilen A und B der Elektrode 24M.

Für den Betrieb ist bei Zuführung von Zwei-Phasen Taktspannungen V, und V- über Leitungsbahnen 26 und 27 an die Elektroden 24 und 25 eine typische Oberflächenpotentialverteilung (beim Nichfvorhandensein Signal information darstellender beweglicher Leitungsträger) chematisch im Diagramm der Figur 3 dargestellt. In Figur 3 ist die Größe des Oberflächenpotenfials im Aufbau der Figur 2 in Abwärtsrichtung zunehmend dargestellt, wobei ein willkürlich gewählter Nullbezugspegel an der Basis des Pfeils 31 angenommen/wird. Wie ersichtlich ist, steht die horizontale Abmessung des Diagramms von Figur 3 in Übereinstimmung mit der horizontalen Abmessung des Aufbaus nach Figur 2. Wie man weiter sehen kann, ist im Diagramm der Figur 3 angenommen, daß der Betrag der Spannung V„ größer als der der Spannung V. ist.

Im Betrieb erzeugt eine an die Elektrode 24M angelegte Spannung unter dem Teil 24 MA ein erstes Oberflächenpotential SI, dessen

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Betrag kleiner als der eines zweiten Oberflächenpotentials S2 unter dem hinteren Teil desjenigen Teils der Elektrode 24MB ist, der nicht über der Zone 28M liegt, wobei der kleinere Betrag auf dem größeren Abstand des Teils 24MA von der Halbleiteroberfläche beruht. Bei der in Figur 2 dargestellten Halbleiterart sind die Spannungen V, und V_ typischerweise negativ, um einen Betrieb im Verarmungsmodus zu bewirken, in diesem Fall tendieren die negativ ionisierten Akzeptoren in der Zone 28M dazu, die Größte des Oberfiächenpotentials in der negativen Richtung zu erhöhen.

Lm anderen Halb-Bit, d.h. im Transportbereich und in dem der Elektrode 25M zugeordneten Speicherplatz 29M sind die Oberflächenpotentiale in Figur 3 unter der Annahme gezeichnet, daß V„ ausreichend größer als V₁ ist, so daß die Mindestgröße des durch die hintere Kante 25MA der Elektrode 25M verursachten Oberflächenpotentials S4 anziehender, d. .h. von größerem Betrag, ist als das dem vorderen Teil der dem Halb-Bit direkt vorausgehenden Transportzone zugeordnete Oberflächenpotential S2. Genauer gesagt, das. durch die Spannung V_ verursachte, der Elektrode 25M zugeführte Oberflächenpotential kann man als drei Keile aufweisend ansehen wie die des Oberflächenpotentials unter der Elektrode 24M, mit der Ausnahme, daß es in Richtung erhöhter Anziehung für bewegliche Träger verschoben ist.

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Wie dargestellt ist, ist das Oberflächenpotential S3 der Zone 28M praktisch gleich dem Oberflächenpotential S4 des hinteren Teils der nachfolgenden Transportzone, was auf der reichlichen Menge beweglicher Ladungsträger in der stark dotierten Zone 28M beruht. Wie man sehen kann, wiederholt sich das Potentialdiagramm mit Zwei-Elektroden-Periodizität, beispielsweise von der hinteren Kante der Elektrode 24M zur hinteren Kante von 24N.

An diesem Punkt sei darauf hingewiesen, daß die relativen Potentialunterschiede innerhalb eines gegebenen Halb-Bits konstant bleiben und durch den physikalischen Aufbau festgelegt sind. Genauer gesagt, der Unterschied zwischen dem Oberflächenpotential S2 und dem Oberflächenpotential Sl wird, unter Annahme vollständiger Entleerung im Bereich von Sl, lediglich durch die Differenz in der Oxyddicke unter der Elektrode 24M verursacht. Die Abruptheit des Übergangs von Sl zu S2 beruht auf der Abruptheit im Übergang von den dickeren zu den dünneren Oxydteilen. Der Unterschied im Potential zwischen S2 und S3 beruht auf den relativen Konzentrationen der Donatoratome im Transportbereich und der Akzeptoratome im Speicherplatz 28M. Natürlich ist dieselbe physikalische Struktur unter jeder Elektrode wiederholt oder kann wiederholt werden, und so sind die relativen Pegel der Keile unter der Elektrode 25M und

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anderen Elektroden dieselben wie diejenigen unter der Elektrode 24M. Eine solche'Beziehung ist in Figur 3 dargestellt.

In Figur 4A ist eine vergrößerte Ansicht eines besonders wichtigen Keils des erfindungsgemäßen Aufbaus der Figur 2 dargestellt, wobei ein typischer Transportbereich die Mitte bildet. Figur 4B ist ein mit Figur 4A fluchtendes Diagramm und zeigt typische Oberflächenpotentiale S, die bei typischem Betrieb des Aufbaus der Figuren 2 und 4A auftreten.

Wie man sehen kann, stellt die Struktur der Figur 4A gerade eine vergrößerte Ansicht desjenigen Teils der Figur 2 dar, der den am meisten rechts liegenden Teil der Zone 28M, den Transportbereich zwischen den Zonen 28M und 29M, den am weitesten links liegenden Teil der Zone 29M und den isolator und den darüberliegenden Elektrodenaufbau umfaßt. Wie ersichtlich ist, schließt der Transportbereich zwischen den Zonen 28M und 29M zwei Teile ein, die mit Tl bzw. T2 bezeichnet sind. Tl ist derjenige Teil/ vorteilhafterweise etwa die Hälfte, der Transportzone, der am nächsten an Zone 2ΘΜ liegt und unter dem am weitesten links liegenden Teil der Elektrode 25M liegt, wobei dieser Teil mit 25MA bezeichnet ist. Der Teil 25MA ist in größerem Abstand angeordnet, d.h. Über einer größeren Isolatordicke, als der Teil 25MB/ der Über der anderen

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Hälfte T2 der Transportzone liegt.

Wie in Figur 4B dargestellt ist, erzeugt das Anlegen einer Spannung an die Elektrode 25M eine Oberflächenpotentialverteilung im Transportbereich, welcher zwei unterschiedliche Pegel S4 und S5 in den Bereichen TI bzw. T2 umfaßt, und es existiert ein relativ abrupter Übergang zwischen den beiden Pegeln des Oberflächenpotentials, der auf dem relativ abrupten übergang zwischen den unterschiedlichen Isolatordicken beruht. Wie oben erwähnt worden ist, sind sowohl das Vorhandensein der beiden Pegel als auch die Existenz des relativ abrupten Übergangs dazwischen aus noch zu erklärenden Gründen wichtig für diese Erfindung.

Zunächst sei jedoch bemerkt, daß das Vorhandensein der zwei unterschiedlichen Pegel des Oberflächenpotentials im Transportbereich eines Aufbaus, wie er in Figur 4A dargestellt ist, lediglich auf der Tatsache beruht, daß der Elektrodenteil 25MA über einem dickeren Isolatorbereich angeordnet ist und deshalb einen größeren Abstand von einer Halbleiteroberfläche aufweist, als der Elektrodenteil 25MB. Wie im einschlägigen Stand der Technik bekannt ist, resultiert diese beschriebene Differenz im Oberflächenpotential, das durch Anlegen einer gleichförmigen Spannung an die Elektrode 25M verursacht wird, aus dem unterschiedlichen Abstand der Teile von 25M von der HaIb-

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lederoberfläche und erzeugt darunter entsprechend unterschiedliche Schwellenwertspannungen. Somit kann man sagen, daß der Aufbau nach Figur 4A den Teilen Tl und T2 zugeordnete unterschiedliche Schwellenwertspannungen aufweist und ferner einen relativ abrupten Übergang dazwischen hat.

Mit besonderer Bezugnahme auf Figur 4B wird nun die Wichtigkeit der beiden unterschiedlichen Schwellenwertspannungen im Verein mit einem relativ abrupfen Übergang dazwischen erklärt. Zuerst sei bemerkt, daß der Strom, d.h. die Flußrate von Leitungsträgern, durch denTransportbereich für irgendeine gegebene, an die darüberliegende Elektrode angelegte Spannung durch den Teil des Transportbereichs begrenzt ist, der die größere Schwellenwertspannung aufweist, da der Teil der darunterliegenden Oberfläche weniger anziehend auf bewegliche Ladungsträger ist. Somit wird in den Figuren 4A und 4B die Stromflußrate durch den Transportbereich durch den hinteren Teil Tl des Transportbereichs begrenzt. Da der Stromfluß solchermaßen begrenzt ist, haben Längenvariationen des dem Bereich T2 zugeordneten Halbkanals aufgrund von Variationen der Verarmungsbreite, in Figur 4B mit XD2 bezeichnet, die ihrerseits auf Variationen des Oberflächenpotentials S6 beruhen, die durch den Übergang von beweglichen Ladungsträgern in die Zone 29M verursacht werden, 409821/0730

sehr geringe Wirkung auf die Leichtigkeit, mit welcher der Strom durch den gesamten Transportbereich fließen kann. Dies beruht natürlich darauf, daß der Stromfluß prinzipiell durch den Halbkanal Tl begrenzt ist, der lediglich in zweiter Ordnung durch Spannungsvariationen bei S6 beeinflußt wird.

Unter Beachtung des obigen werden nun einige andere herausragende Eigenschaften der Struktur und der Oberflächenpotentia !verteilung, wie sie in den Figuren 4A und 4B dargestellt sind, behandelt. Als erstes ist der Oberflächenpotentia!übergang zwischen den Bereichen Tl und T2 als relativ abrupt beschrieben und in Figur 4B dargestellt worden. Der Abruptheitsgrad, der zur Verwendung in dieser Erfindung vorteilhaft ist, fuhrt nicht selbst zu einer präzisen Quantifizierung. Aufgrund eines Unterschiedes zwischen den Potentialen S4und S5 tritt jedoch im Übergangsbereich zwischen diesen zwei Potentialen ein elektrisches Feld auf, und aufgrund dieses elektrischen Feldes ergibt sich eine Verarmungszone, deren Breite in Figur 4B mit XDl angegeben ist. Alles, was man Über den Abruptheitsgrad, der im übergang zwischen den Oberflächenpotentialen S4 und S5 erwünscht ist, sagen kann, ist, daß ein solcher übergang ausreichend abrupt sein soll, um ein elektrisches Feld ausreichender Stärke zur Herstellung einer Verarmungszone XDl zu erzeugen, so daß die Konzentration beweg-

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licher Träger im Kanalbereich an der linken Kante des Verarmungsbereiches XDl, bezogen auf die Konzentration solcher Träger an der linken Kante des Bereiches Pl₇ d.h. benachbart der rechten Kante der Zone 28M, effektiv nach Null geht. Nur wenn diese Bedingung erfüllt wird, wird der Effekt zweiter Ordnung der Variationen im Oberflächenpotential S6 auf den oben erwähnten überfragungsleitwert erreicht.

Die Größe der Differenz zwischen den Potentialen S4 und S5 ist erfindungsgemäß auch von Wichtigkeit, führt aber auch nicht zu einer präzisen Quantifizierung. Man glaubt jedoch, daß diese Differenz we-

_3 nigstens kT sein sollte, was bei 300 Grad Celsius etwa 26 X 10 Volt ist, und da13 sie nicht größer sein sollte, als die Größe der Differenz zwischen den Oberflächenpotentialen S3 und S6, wie durch die angelegten Spannungen V₁ uncl V« verursacht werden, wobei letztere Differenz typischerweise im Bereich von 10 Volt liegt. In der Praxis wird eine Differenz von etwa 1 oder 2 Volt zwischen den Oberflächenpotentialen S 4 und S5 fUr praktikabel gehalten. Diese Differenz kann leicht mit einfachen Herstellungsmäßigen Unterschieden in den Oxyddicken unter den Elektrodenteilen erreicht werden.

Die Gesamtlänge des Kanalbereichs, d.h. der Abstand zwischen der

Zone 28Mund der Zone 29M, sollte vorzugsweise so groß sein, daß 409821/0730

der Verarmungsbereich XD2 von der Zone 29M sich nie vollständig bis zu rechten Kante des Verarmungsbereiches XDl erstreckt, selbst unter den größten erwarteten zugeführten Betriebsspannungen, da ansonsten der Effekt zweiter Ordnung, wie er erfindungsgemäß gewünscht wird, nicht voll erreicht wird. Auch sollte die Breite des Halbkanals Tl so groß sein, daß die linke Kante des Verarmungsbereichs XDT sich nie bis zur Zone 28M erstreckt.

Als Beispiel der relativen Abmessungen und Abstände, wie sie in dem .Aufbau der soweit beschriebenen Art anwendbar sind, kann das folgende als derzeit typisch betrachtet werden, obwohl, wie man ersehen wird, gemäß der hier gegebenen Lehre weitere Variationen in allen Parametern möglich sind. Der Körperteil 22 kann auf eine Konzentration von 10 Donatoren pro Kubikzentimeter dotiert werden und die p-leitenden lokalisierten Zonen auf eine möglichst zweckmäßig er-

19 reichbare Konzentration, typischerweise wenigstens 10 Akzeptoren pro Kubikzentimeter. Die Zonen 28 und 29 können seitliche Abmessungen längs des Kanals von 40 Mikrometer aufweisen und der Abstand zwischen den Zonen kann ungefähr 10 Mikrometer betragen. Der Isolator 23 kann 1000 Angström-Silicium-Oxyd in den dünneren Teilen und 3000 Angström-Sillcium-Oxyd in den dickeren Teilen aufweisen, d.h. unter den hinteren Kanten wie 25MA der Elektroden. Mit diesen Abmessungen können

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die Elektroden eine seitliche Abmessung längs des Kanals von 40 Mikrometern haben, mit 10 Mikrometer-Abständen dazwischen, um eine einfache Herstellung zu ermöglichen. Ein solcher Aufbau kann mit Taktspannungen V. und V_ von 10 bzw. 20 Volt betrieben werden.

Nachdem nun eine besondere Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben worden ist, wird auf Figur 5 Bezug genommen, welche eine andere Ausführungsform zeigt, in welcher die Schwellenwertspannungsunterschiede längs des Kanals durch Unterschiede in der .Kanaldotierung anstelle den Unterschieden in den isolatordicken erzeugt werden. Genauer gesagt, stellt der Aufbau der Figur 5 eine Querschnittsansicht längs des Informationskanals eines Teils 31 eines zweifach-Schwellenwert-Eimerkettenbauelementes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar. Wie gezeigt ist, umfaßt das Teil 31 einen Halbleiterkörperteil 32, beispielsweise n-halbleitend, und weist an dessen Oberflächen angrenzend eine Mehrzahl p-leitender lokalisierter Zonen 38 und 39 gleich den Zonen 18, 19, 28 und in den vorausgehenden Figuren auf. Über der Oberfläche des Körpers 32 und den Zonen ist eine Isolierschicht 33 praktisch gleichmäßiger Dicke angeordnet, und darüber befindet sich eine Mehrzahl Elektroden 34 und 35. Wie man sehen kann, unterscheidet sich Figur 5 von Figur 1 lediglich darin, daß in Figur 5 die hintere Hälfte eines jeden

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Transportbereiches eine η-leitende Zone 40 oder 41 umfaßt, die stärker dotiert ist als der Körperteil 32.

Wenn über die Leiterbahnen 36 und 37 negative Spannungen auf die Elektroden geführt werden, erzeugt das Vorhandensein stärker dotierter η-leitender Zonen 40 und 41 in den Transportbereichen bekanntlich darunter eine Schwellenwertspannung, die größer als diejenige im weniger stark dotierten Bereich ist, d.h. im vorderen Teil der Transportbereiche. Diese Differenz der Schwellenwertspannung resultiert von der Wirkung der ionisierten Donatordotierstoffe in den stärker dotierten Zonen 40 und 41. Wie den mit diesem Gebiet defaßten klar ist, hat das Vorhandensein der Zonen 40 und 41 die Folge, daß der Aufbau nach Figur 5 Potential Verteilungen erzeugt, die der stufenförmigen Isolatorstruktur der Figuren 2 und 4A gleich ist. Deshalb wird eine weitergehende ausführliche Beschreibung des Aufbaus nach Figur 5 für nicht notwendig gehalten.

Es ist nun einleuchtend, daß die wichtigen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Aufbaus das Vorhandensein von mehr als einer un terschiedlichen Schwellenwertspannung im Transportbereich des Eimerkettenbauelementes mit einem praktisch abrupten Ubergarg dazwischen wichtig ist. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die

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verschiedenen angeführten Anordnungen lediglich Beschreibungen der allgemeinen Prinzipien der Erfindung sind, und daß zahlreiche Modifikationen für Fachleute auf diesem Gebiet im Rahmen dieser Erfindung naheliegen. Beispielsweise ist es offensichtlich, daß die Halbleiterarten ausgetauscht v/erden können, vorausgesetzt, daß entsprechende Spannungspolaritätsänderungen vorgenommen werden.

Es ist ebenfalls offensichtlich, daß eine große Vielzahl anderer Methoden angewendet werden kann, um die Mehrzahl Schwellenwertspannungen in jedem Transportbereich erfindungsgemäß bereit zu stellen. Beispielsweise können die Elektroden aus aneinandergrenzenden Segmenten unterschiedlicher Metalle gebildet werden, die unterschiedliche Verhaltensfunktionen haben, oder der Isolator kann Teile geeigneter unterschiedlicher dielektrischer Konstanten aufweisen, oder die Elektroden können aus sich überlappenden, isolierten Metallen (oder andere η leitenden Materialien wie Silizium) gebildet sein mit einer Vorspannung zwischen zugeordneten Teilen. Es gibt natürlich noch andere Möglichkeiten im Rahmen dieser Erfindung.

Schließlich können selbstverständlich im Rahmen dieser Erfindung Transportbereiche mit mehr als zwei Schwellenwertbereichen verwendet werden. Wenn drei verwendet werden, wird der RückkoppeIeffekt,

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auf den diese Erfindung gerichtet ist, auf einen Effekt dritter Ordnung ! reduziert. Werden vier verwendet, wird eine Reduzierung auf einen Effekt .vierter Ordnung erzielt, usw. Werden mehr als zwei Schwellenwertspannungen verwendet, wäre eine Anordnung zu bevorzugen mit aufeinanderfolgend abnehmenden Schwellenwertspannungen in Informationstransportrichtung und natürlich sollte zwischen aufeinanderfolgenden Schwellenwertbereichen der Mehrzahl ein abrupter Übergang vorhanden sein. Allerdings erhöht eine Vergrößerung der Anzahl unterschiedlicher Schwellenwertbereiche die Bauelementgröße und bringt beträchtliche fabrikatorische Probleme mit sich. Demgemäß ist die Verwendung lediglich zweier solcher Bereiche als mit derzeitiger Technologie vorteilhaftester Kompromiß anzusehen.

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Claims (1)

1. PATENT - ANSPRÜCHE

   ( 1. jEimerketten-Ladungstransporf-Bauelement mit einem eine Hauptfläche aufweisendem Speichermedium, einer Mehrzahl in Abstand voneinander längs einer Bahn auf der Hauptfläche liegender, lokalisierter Zonen unbeweglicher Ladung, einer über der Fläche und den Zonen angeordneten Isolierschicht, und einer Mehrzahl lokalisierter Elektroden, die über der dielektrischen Schicht angeordnet und zu den lokalisierten Zonen so ausgerichtet sind, daß getrennte Elektroden sich über den Raum zwischen einem getrennten Paar aufeinander folgender Zonen sowie über eine Zone des Paares weiter als über dessen andere erstrecken, gekennzeichnet durch

   separate, einem jeden Zwischenraum zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Zonen zugeordnete Einrichtungen (25MA, 25MB, 40,41) zur Erzeugung einer Mehrzahl unterschiedlicher Schwellenwertspannungen in dem Zwischenraum derart, daß die Schwellenwertspannungen vom hinteren zum vorderen Teil des Zwischenraums abnehmen, und ein praktisch abrupter Übergang zwischen aufeinander folgenden Schwellenwertspannungen vorhanden ist.

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   2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die . -. Schwel leriwertspannungserzeugungsetnrichftjng über den hinteren Teil des Zwischenraums einen dickeren Isollerschlchttell als über . dem vorderen Teil des Zwischenraums aufweist.

   3. Bauelement nach Anspruch 1, .·-.■ ^:r dadurch gekennzeichnet, " ,, ""--.

   daß die Schwellenwertspannungserzougungselnrlchtgng zur Herbeiführung verschiedener Schwellenwertspannungen im hinteren Teil . -des Zwischenraums eine größere DoHerstoffkonzentratlcn als Im ' . vorderen Teil des Zwischenraums aufweist. ■ ·" -

   4. Bauelement nach Anspruch 1/ ' ' . '^:S....■;_; gekennzeichnet durch

   an die Mehrzahl lokalisierter Elektroden angeschlossene Scraltungs- ' mitte (V. / V.) zum Zufuhren von Zwel-Phasenspannungen, deren ^:

   Grüße und Polarität zum Informationstransport ausreicht, nicht aber dazu, eine Verarmungsschicht sich von einer lokalisierten Zone bis -In die Mitte des Zwischenraums zwischen dieser Zone und der direkt . -vorausgehenden Zone erstrecken zu lassen. ■

   5· Bauelement, nach Anspruch A, dadurch geJcennzelchntr,

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   ORIGINAL l^fSPECTEb

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   daß die Spannungszufuhr-Schaltmittel ein Paar Leiterbahnen (26_r 27, 36/37) umfassen, wobei jede zweite Elektrode mit der einen und die restlichen Elektroden mit der anderen Leiterbahn je gemeinsam verbunden sind.

   6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwei-Phasenspannungen an den Leiterbahnen anliegen.

   7. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium Siliziumhalbleitermaterial ist und die Isolierschicht Silfziumoxyd aufweist.

   8. Bauelement nach Anspruch 1, ■ dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl zwei ist, wobei der hintere Teil des Zwischenraums die größere Schwellenwertspannung aufweist.

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