DE2144351A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

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Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel Dipl-Ing. Wolfgang Mchel

6 Frankfurt a. M. 1
Parksiiaße 13

6816

GENERAL EIECTRIG COJIPAIIY, Sohenectady, U.Y. VStA.

Halbleiterbauelement

Die' Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit einem Halbleitersubstratkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem ein in der leitfähigkeit abgeänderter Bereich vorgesehen ist, der·einen PH-Übergang bildet,und sie befaßt sich insbesondere mit selbstausgerichteten Anregungs-Aufnahme-Vorrichtungen für Oberflächenladungen, die einen Teil von Leiter-Isolator-Halbleit.er (CIS-) - Speicher - und - Übertragungsanordnungen bilden.

Es wurden bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Speicherung . ™ und Übertragung von Oberflächenladungen von einem Teil eines Halbleitersubstratkörpers zu einem anderen vorgeschlagen. Es ■wurde ferner die Verwendung von PH-Übergängen zur Aufnahme von ladungen aus einem Speicherelement vorgeschlagen, so daß die Information, in der Form einer gespeicherten ladung vorgesehen ist, aus der CIS-Anordnung ausgelesen werden kann. Es lassen sich zwar verschiedene Verfahren zur Herstellung eines PU-Übergangs zur Aufnahme von Oberflächenladungen anwenden, es ist jedoch erwünscht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme von Ladungen vorzusehen, die an die Technologie angeglichen sind, die bei der Herstellung der Speicherelemente selbst verwendet wird. Ferner erfordert der Wunsch nach CIS-Speicheranordnungen

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mit großer Speicherdichte notwendigerweise die Verwendung von außerordentlich kleinen Speicherelementen. Wenn jedoch die Größe der Speicherelemente abnimmt, dann wird die Größe der gespeicherten Ladung, die durch sie gespeichert werden kann, auch vermindert. Man möchte deshalb eine Aufnahmevorrichtung schaffen, die neben der Aufnahme de.r gespeicherten Ladung auch eine Ladungsverstärkung vorsehen kann. Man möchte ferner eine Vorrichtung schaffen, die neben der Aufnahme von Oberflächenladungen auch die Übertragung von Oberflächenladungen in ein Speicherelement anregen kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde , eine Vorrichtung zur Anregung der Übertragung und zur Aufnahme von Oberflächenladungen zu schaffen, die an ein GIS-Speicherelement angeglichen ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß mindestens ein Leiterteil isoliert über dem Substratkörper und neben dem PN-Übergang angeordnet ist und daß eine übertragungsvorrichtung zur Übertragung von elektrischen Ladungen zwischen dem PN-Übergang und einem Verarmungsbereich, der sich in dem Halbleitersubstratkörper uniier dem Leiterteil befindet, vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann so aufgebaut sein, daß sie die von einem CIS-Speicherelement aufgenommene Ladung verstärkt. Die Anregung-Aufnahme-Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind vorzugsweise mit dem CIS-Speicherelement selbstausgerichtet

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Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement zur Anregung und Aufnahme von Oberflächenladungen von einem Speicherelement in einer CIS-Anordnung wird'dadurch hergestellt, daß in einem Halbleiterkörper ein an der Oberfläche liegender in der leitfähigkeit abgeänderter Bereich gebildet wird, so daß ein PN-Übergang entsteht, in dem ein leiterteil, der isoliert über dem Halbleiterkörper angeordnet ist, als Diffusionsbegrenzungsmaske bei der Herstellung des in der leitfähigkeit abgeänderten Bereichs verwendet wird. Wenn man den in der !leitfähigkeit abge- ( änderten Bereich kontaktiert und zwischen diesem Bereich und dem Halbleiterkörper eine Vorspannung anlegt, dann kann eine elektrische Oberflächenladung, die unter einem danebenliegenden leiterteil liegt, zur Übertragung (oder Injizierung) in ein Speicherelement angeregt werden oder es kann eine ladung aus einem Speicherelement in der CIS-Anordnung herausgeholt werden. Eine ladungsverstärkung wird dadurch erreicht, daß ein zweiter Diffusionsbereich entgegengesetzten leitfähigkeitstyps innerhalb des ersten Diffusionsbereich gebildet wird und das der zweite Diffusionsbereich kontaktiert, wird und gegenüber dem Halbleiterkörper so vorgespannt wird, daß das Ausgangssignal, welches von dem zweifach diffundierten Bauelement abgegeben wird, im wesentlichen gleich dem Produkt aus der Stromverstärkung des zweifach ™ diffundierten Bauelements und der Größe der elektrischen Ober*- flächenladung unter dem daneben angeordneten leiterteil ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen;

Pig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer CIS-Anordnung mit einer ladungsaufnahmevorricbtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

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3?ig. 2 eine Teilansicht einer CIS-Anordnung mit nebeneinanderliegenden Informationsspeicherkanälen, wobei sich an den Enden der Speicherkanäle Anregungs-Aufnahme-Vorrichtungen für Oberfläcbenladungen befinden.

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In Figur 1 ist ein Teilschnitt durch eine CIS-Anordnung .10 schematisch-dargestellt, die einen Halbleiterkörper 11 mit mehreren Leiterteilen 12 bis 16 aufweist, die isoliert über dem Halbleiterkörper ,11 angeordnet sind. Die Leiterteile 12, 14 und 16 bilden eine erste Gruppe, die im wesentlichen den gleichen Abstand von der einen Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers hat . und die Leiterteile 13 und 15 bilden eine zweite Gruppe, die in einem etwas größeren Abstand von der einen Hauptoberfläche des Halbleiterkörper3 11 angeordnet ist. Die leiterteile der ersten Gruppe sind ebenso wie die Leiterteile der zweiten Gruppe von dem Halbleiterkörper 11 durch Isolierwerkstoff 17 getrennt. Auf diese Weise sind alle Leiterteile elektrisch voneinander isoliert, und die Leiterteile 13 und 15 überlappen isoliert die danebenliegenden Leiterteile der ersten Gruppe.

In Figur 1 ist auch ein an der Oberfläche ^Liegender,in seiner Leitfähigkeit abgeänderter Bereich 18 dargestellt, · der in dem Halbleiterkörper 11 einen asymmirisch leitenden PN-Übergang bildet. Zur einfacheren Beschreibung sei angenommen, daß die Halbleiterkörper 11 einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, daß er beispielsweise N-leitend ist, und daß der in der Leitfähigkeit abgeänderte Bereich 18 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist oder entgegengesetzt dotiert ist, so daß er beispielsweise P-leitend ist, wodurch ein PN-Übergang 19 entsteht. Innerhalb der Grenzen des P-leitenden Bereichs ist ein flacherer Bereich 20 des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet,und es wird damit ein PIT-Übergang 21 gebildet. Die Bereiche 18 und 20 werden vorzugsweise durch Dif-

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fusion aus geeigneten Verunreinigungsquellen, so -wie es weiter unten beschrieben ist, gebildet. Es v/ird ein Kontakt 22 mit dem Diffusionsbereich 20 hergestellt und ein Kontakt 23 an dem Halbleiterkörper 11 angebracht, so daß der CIS-Anordnung Vorspannungen zugeführt v/erden können. Es wird jedoch kein Kontakt an dem Diffusionsbereich 18 angebracht., da eine leitung durch überlappende Verarmungsbereiche, so'.· wie es weiter unten beschrieben ist, · erreicht wird.

Die Arbeitsweise der CIS-Anordnung nach Figur 1 läßt sich am besten verstehen, wenn man die Folge der Vorgänge betrachtet, die dann auftreten, wenn eine elektrische ladung längs des oberflächennahen. Teils des Halbleiterkörpers 11 (beispielsweise von rechts nach links) übertragen wird. Es sei angenommen, daß eine einen Verarmungsbereieb bildende Spannung dem leiterteil 15 zugeführt wird und daß in dem gebildeten Verarmungsba?eich eine elektrische Ladung gespeichert wird. Diese ladung hat zunächst unter dem leiterteil 16 gelegen oder sie war durch Minoritätsträger über einen Punktkontakt, einen PF-Übergang oder durch elektromagnetische Strahlung eingeführt worden, wie es in den den US-Patentanmeldungen Serial-Nr. 792 488 und 792 569 entsprechenden . deutschen Patentanmeldungen OS

und OS in weiteren Einzelheiten beschrieben ist

Unabhängig davon, welche Mittel verwendet werden, eine ladung in dem Verarmungsbereich unter dem leiterteil 15 zu erzeugen, kann die ladung in einen Verarmungsbereich unter dem leiterteil 14 übertragen werden, wenn eine einen Verarmungsbereich bildende Spannung .dein leiterteil 14 zugeführt wird, während die den Verarmungsbereich · bildende Spannung von dem leiterteil 15 entfernt wird.

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In ähnlicher Weise kann dann diese Ladung in einen Verarmungsbereich unter dem Leiterteil 13 und schließlich in einen Verarmungsbereieh unter dem Leiterteil 12 über- · tragen werden.

Wenn eine gegenüber dem Halbleiterkörper 11 negative Vorspannung dem Kontakt 22 über einen Widerstand 24 .zugeführt wird, dann werden die PN-Übergänge 19 und 21 in Sperricfetung vorgespannt und es bildet sich ein Verarmungsbereich 25. Wenn sich ein Verarmungsbereich genügender Tiefe unter dem Leiterteil 12 gebildet hat, wie es oben beschrieben ist, dann überlappen sich die Verarmungsbereiche 25 und 26 oder sie vereinigen sich. Irgendeine elektrische Ladung, die in dem Verarmungsbereich 26 unter dem Leiterteil 12 gespeichert ist, wird in den P-leitenden Diffusionsbereich 18 durch Oberflächenleitung übertragen. Wenn Ladung in den P-leitenden Bereich 18 eingebracht wird, dann wird die P -tentialschwelle zwischen dem P-leitenden Bereich 18 und dem Κ+-leitenden Bereich 20 genügend vermindert, so daß Elektronen von der negativen Spannungsquelle über dem Kiderstand 24* den IT-leitenden Bereich 20, den P-leitenden Bereich 18 und durch den Halbleiterkörper 11 zu dem Bezugspotential fließen.

Nicht alle Elektronen, die in dem H+-leitenden Bereich 20 injiziert oder in diesem Bereich angeregt werden,erreichen den Η-leitenden Bereich 11. Einige Elektronen rekombinieren mit den Löchern, die in den P-leitenden Bereich von dem Verarmungsbereich 26 unter dem Leiterteil 12 eingeführt werden,und sie erreichen folglich niemals'den IT-leitenden Bereich 11. Der Unterschied zwischen dem vollständig injizierten Elektronenstrom und dem Seil,

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der durch den N-leitenden Bereich 11 hindurchgeht, ist durch einen Transportfaktor gekennzeichnet, der nur wenig geringer ist als 1, da viel mehr Elektronen den. ΪΤ-leitenden Bereich 11 erreichen, als sich mit Löchern des Verarmungsbereiches 26 kombinieren. Der Transportfaktor ist am größten, wenn der Bereich des' PU-Übergangs 19, der zwischen dem Bereich 18 und dem Halbleiterkörper 11 gebildet ist, nicht groß ist verglichen mit der Fläche des PN-Übergangs 21, der zwischen dem Bereich 20 und dem Bereich 18 gebildet ist, wobei der Abstand Zwischen den ΡΪΓ-Übergängen so klein wie möglich ist. In der Praxis erfordern jedoch andere. Überlegung, beispielsweise die Übergangskapazität,Kompromisse beim Transportfaktor.

Ein anderer wichtiger Parameter der betrachtet werden muß, ist das Verhältnis der injizierten Elektronen zum Gesamtstrom der Elektronen sowie der Löcher, die über den Übergang 20 fließen. !Bei einem Transistor wird dieses Verhältnis als Emitter-Wirkungsgrad bezeichnet; dieser Ausdruck wird auch hier verwendet. Der Emitterwirkungsgrad läßt sich am einfachsten dadurch besonders groß machen, daß der Emitter (Bereich 20) relativ zur Basis (Bereich 18) stark dotiert wird, so daß das Verhältnis der Löscher in der Basis zu den Elektronen im Emitter sehr gering ist.

Durch Vergrößerung des Transportfaktors und des Emitterwirkungsgrades wird das Verhältnis des durch den Halbleiterkörper 11 fließenden Stroms zu dem Strom, der in den fl?-Bereich 18 fließt, der durch Rekombinationen mit den·Löchern verloren geht, auch möglichst groß gemacht. Dieses Verhältnis wird Stromverstärkungsfaktor des Bauelements genannt.

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Der Wunsch, den Stromverstärkungsfaktor möglichst groß zu machen, ergibt sich ohne weiteres daraus, daß elektrische ladungen, die in dem Verarmungsbereich unter dem Leiterteil 12 gespeichert v/erden, und die durch die Ladungsaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung aufgenommen werden, um den Verstärkungsfaktor des Bauelements seihst verstärkt v/erden. Je größer also der Stromverstärkungsfaktor ist, desto kleiner ist die Größe der erforderlichen Speicherfläche und damit ergibt sich die Möglichkeit, Speicheranordnungen größerer Dichte zu schaffen. Wenn sich keine Oberflächenladung unter dem Leiterteil 12 befindet, dann reicht der Strom, der zwischen dem .!!+-leitenden Bereich 20 und dem IT-leitenden Bereich 11 fließt nicht aus,ein Ausgangssignal zu erzeugen.

In Pig» 1 ist eine doppeltdiffundierte Ladungsaufnahmevorrichtung dargestellt, die jedoch Verstärkungseigenschaf ten aufweist, wie sie oben angegeben worden sind, bei der eine einfache diffundierte Vorrichtung entweder zur Anregung oder zur Aufnahme von Oberflächenladungen)· .'von. ''- einer CIS-Anordnung verwendet werden kann. Der Aufbau ist dabei in Einzelheiten in Pig. 2 dargestellt, in der eine teilweise Ansicht einer CIS-Anordnung 30 von oben dargestellt ist, die zwei nebeneinanderliegende Datenspeicher- und "bertragungskanäle 31 und 32 aufweist, die querverlaufende, überlappende Leiterteile 33, 34 u. 35 enthält, die den Leiterteilen 12, 14 α. 16 in Pig. 1 ähnlich sind. Leiterteile 36 u. 37 überlappen die Leiterteile 33, 34 u.. 35 isoliert, ähnlich wie die Leiterteile 13 u. 15. Heben dem Leiterteil 33 befindet sich innerhalb des Bereichs des einen Endes des Datenkanals 31 beispielsweise ein P- leitender Diffusionsbereich 38, der beispielsweise in einem darunterliegenden IT-leitenden

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Halbleitersubstratkörper 39 gebildet ist.Der Diffusionsbereich 38 "bildet mit dem Halbleitersubstratkörper 39 einen PH-Übergang 40, der unter den leiterteil 33» ähnlich "wie der PN-Übergang 19 in Fig. 1^ ragt. Es ist ein Kontakt zu dem Diffusionsbereich -33 über eine Elektrode 41 vorgesehen, die isoliert über der CIS-Anordnung angeordnet ist.

Der Datenkanal 32 zeigt einen ähnlichen P- .leitenden Diffusionsbereich 42 auf, der einen PIT-Übergang 43 bildet, der sich in dem Halbleitersubstratkörper 39 befindet. Eine Elektrode 44 kontaktiert den P-leitenden Bereich 42 und bildet einen Verbindungsweg mit einem Halbleiterbauelement, beispielsweise einem Feldeffekttransistor 45. Der Transistor 45 enthält eine Steuerelektrode .46, die beispielsweise isoliert über danebenliegenden P-leitenden Diffusionsbereichen 47 u. 48 angeordnet ist, die den Quellenbereich und den Senkenbereich des Transistors bilden. Elektroden 49 und 50 kontaktieren die Diffusionsbereiche 47 bzw. 48^und sie können beispieIsweise mit einer Yorspannungs- und Ausgangsschaltung verbunden sein, wie es bei einer integrierten Schaltung üblich ist.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsform läßt sich am besten verstehen, wenn man eine typische Folge von Vorgängen betrachtet, die beim Anregen, Übertragen und · Aufnehmen von Oberflächenladungen in der CIS-Anordnung auftreten. Es sei beispielsweise angenommen, daß Oberflächenladungen in den Datenspeicher- und - Übertragungskanal 31 injiziert werden sollen. Dies kann dadurch zweckmäßigerweise gesteuert werden, daß eine einen Verarmungsb'ereich bildende

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Spannung an das Leiterteil 33 angelegt wird und daß eine Sperrvorspannung an den PN-Übergang 40 angelegt wird. Durch Auswahl der Größe und. der Dauer der an den Ρϊϊ-Übergang angelegten Spannung wird eine Ladung einer ausgewählten Größe in den Verarmungsbereich unter dem Leiterteil 33 injiziert und im wesentlichen auf den näheren Bereich des Datenspeicher- und -Übertragungskanals begrenzt. Wenn den Leiterteilen 34 und 36 verarmungsbereichbildende Spannungen zugeführt werden, während die einen Verarmungsbereich bildende Spannung von dem Leiterteil 33 entfernt wird, dann werden die Oberflächenladungen zu dem Verarmungsbereich,der unter diesen Leiterteilen liegt, übertragen. Es kann nun eine andere Ladung aus dem P-leitenden Bereich injiziert werden und diese Ladung kann längs des Datenspeicher- und-Übertragungskanals 31 von links nach rechts übertragen werden. Auf diese V/eise werden Daten in Form von elektrischen Oberflächenladungen in der GIS-Anordnung 30 angeregt oder injiziert.

In ähnlicher V/eise werden Daten in Form von Oberflächeηladungen aus der CIS-Anordnung abgegeben oder aus ihr ent- λ nommen. Es sei beispieIshalber angenommen, daß sich die Oberflächenladungen in dem Datenkanal 32, wenn man an die Leiterteile 33 u. 34 entsprechende verarmungsbereichbildende Spannungen anlegt, von rechts nach links bewegen. Wenn eine Oberflächenladung bei dem Verarmungsbereich, der den in Sperr'ichtung/vorgespannten PU-Übergang 43 umgibt, ankommt, wird die Ladung in diesen Verarmungsbereich übertragen. Dieses wird dadurch erreicht, daß zunächst die Kapazität des PIf-Übergangs 43 auf eine bestimmte Spannung aufgeladen wird und daß dann der aufgeladene Plf-Übergang von der ladenden Spannungsquelle elektrisch isoliert wird mit Ausnahme der Verbindung zu der Steuerelektrode 46 des !Transistors 45· Die Übertragung

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der Ladung von dem Verarmungsbereich unter dem leiterteil zu dem PH-Übergang 43 ändert die "bestimmte Spannung proportion.al zur Große der Ladung. Diese Änderung der Spannung verursacht eine Änderung des zwischen dem Quellenbereioh 47 " und dem Senkenbereich 48 ·■ 'fließenden Stroms, die überwacht werden kann und die als Anzeige für das Vorhandensein einer abgegebenen Oberflächenladung verwendet werden kann» Die ' · Folge der Vorgänge wiederholt sich dann wieder. Auf diese Weise werden Ladungen von dem Datenspeicher- und -Übertragungskanal abgegeben.

Wenn man ein dopp&Liäiffundiertes Bauelement ähnlich dem Bauelement nach Pig. 1 verwendet, ergibt sich die gleiche Folge der Vorgänge, wie sie anhand von-Fig. 2 beschrieben v/orden ist, jedoch ist das von diesem Bauelement abgegebene Ausgangssignal etwa gleich der Größe der Oberflächenladung multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor des Bauelements.

ORiOiHAL INSPECTED·

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Claims (1)

1. _₁₃_ 21U351

   Patentansprüche

   1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstratkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem ein in der Leitfähigkeit abgeänderter Bereich vorgesehen ist, der einen· PN-Übergang bildet, dadurch gekennzeic hn e t , daß mindestens ein Leiterteil (12 usw.) isoliert über dem Substratkörper (11) und neben dem PH-Übergang (19) angeordnet ist und daß eine Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von elektrischen Ladungen zwischen dem PÜT-Übergang (19) und einem Verarmungsbereich (26), der sich in dem Halbleitersubstratkörper (11) unter dem Leiterteil (12) befindet, vorgesehen ist.

   2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Übertragungsvorrichtung eine Einrichtung zur Anregung dar Übertragung von Ladungen in einen Bereich in dem Halbleitersubstratkörper (11) unter dem Leiterteil (12) aufweist.

   3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge- · kennzeichnet , daß die Übertragungsvorrichtung eine Einrichtung zur Aufnahme von Ladungen von dem Halbleitersubstratkörper (11) aufweist.

   Bauelement nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme^,· von Ladungen einen Bereich (20) eines ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb des Bereichs vom abgeänderten Leitfähigkeitstyp (18) aufweist.

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   Bauelement nacli Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet ,daß der Bareich (20) des ersten Leitfähigkeitstyps und der in der Leitfähigkeit abgewandelte Bereich (18) durch Diffusion aus einer Verunreinigungsquelle gebildet sind und daß sie wenigstens gegenüber einem Randteil des Leiterteils (12) selbst ausgerichtet sind.

   Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Leiterteile (12, 14 usw.; 13, 15 usw.) isoliert über dein Halbleitersübstratkörper (11) angeordnet sind und daß die Übertragungsvorrichtung zur Übertragung elektrischer Ladungen ferner eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Ladungen längs der Oberfläche des Halbleitersubstratkörpers (11) aufweist.

   7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Datenspeicher- und-Übertragungskanäle (31_} 32) vorgesehen'sind, die zu den Leiterteilen (33 "bis 37) angeordnet sind.

   8. Bauelement nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet ,"daß die Leiterteile (13, 15) isoliert über die danebenliegenden Leiterteile (12, 14» 16) sagen, '

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   Baueleaent nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einer der Datenspeicher- undübertragungskanäle (31) eine Einrichtung zur Anregung der Übertragung von Ladungen in den Ealbleitersubstratkörper (11) aufweist und daß mindestens ein weiterer der Kanäle (32) eine Einrichtung zur Aufnahme der Ladungen von dem Halbleitersubstratkörper (11) aufweist. λ

   10. Bauelement nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme von ladungen die von dem Halbleitersubstratkörper abgegebenen Ladungen verstärkt.

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   ι ^A ·» Lee rseite