DE2411606A1 - Einrichtung und verfahren zur signaleingabe bei ladungsgekoppelten schaltungsanordnungen - Google Patents

Description

RCA 67,168

Piled: June 13, 1973

EGA Corporation New Y ork, Έ. Y. , V_. S t. ν. Λ.

Einrichtung und Verfahren zur Signaleingabe "bei ladungsgekoppelten Schaltungsanordnungen

lie Erfindung bezieht sich auf ladungsgekoppelte Schaltungsanordnungen und betrifft speziell die Signaleingabe bei derartigen Schaltungen.

In der Figur 1 der beigefügten Zeichnungen wird eine der Anmelderin bekannte Eingangsschaltung für ein ladungsgekoppeltes Register dargestellt, -inaelheiten dieser Schaltung und eine Anzahl anderer Eingangsschaltungen können aus den Unterlagen der ^SA-Patentanmeldung 106,381 entnommen werden, die don Titel "Charge Coupled Circuits^:I trägt und am 14. Januar 1971 eingereicht wurde. Diese Anmeldung geht auf den gleichen Erfinder v/ie die vorliegende Anmeldung zurück und ist auf die Anmelderin der vorliegenden· Anmeldung übertragen worden. *)

Beim Betrieb der in Figur 1 dargestellten Schaltung wird ein als Quellen-oder Source-Zone anzusehendes Diffusionsgebiet S leicht in Sperrichtung vorgespannt und arbeitet als Quelle für ■•■"inoritätsträger (im dargestellten lall eines ^-leitenden Siliziumsubstrats handelt es sich dabei um "Löcher")· Die Ladung kann dadurch auf die Substratoberfläche unterhalb der Steueroder Gateelektrode Gp eingebracht werden, daß man einen von der *; entspr. deutscher Patentanm. P 22 01 150.3-53

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Quelle 10 erzeugten negativen impuls der ersten Tateelektrode G^ zuführt, jieser Impuls führt zur ildung eines leitenden Kanals, der sich vom Source-Diffusionsgebiet 3 zum Gebiet unterhalb der Elektrode G₂ erstreckt. V/enn man diese Elektrode auf ein geeignetes negatives Potential bringt, dann wandern die rlinoritätsträger vom Source-Diffusionsgebiet zu der unter der Gateelektrode G^ entstandenen Potentialgrube. /iirch Anlegen dreier Phasen einer dreiphasigen Bteuerspannung an die Gateelektroden können dann diese Ladungsträger längs des Registers weitergeschoben- werden. Dieser Vorgang der Ladungsweitergabe ist in seinen Jinzelheiten in der oben genannten Patentanmeldung beschrieben.

Im Laufe der Jahre, in denen man sich mit ladungsgekoppelten Schaltungen befaßt hat, stellte sich heraus, daß der betrag des in die erste Potentialgrube gegebenen Ladungssignals nicht genau vorhersagbar ist, und zwar auch dann nicht, wenn man. die verschiedenen verwendeten Spannungen und die Dauer des von der Quelle 10 gelieferten Impulses genau kontrolliert. Diese unregelmässigen, wie zufällig erfolgenden Schwankungen im Betrag des in die erste Potentialgrube eingegebenen Ladungssignals v/erden im folgenden als 2auschbeitrag des elektrisch augeführten Eingangssignals bezeichnet.

Andere Rauschquellen (d.h. Ursachen für regellose f-chwankungen) bei ladungs gekoppelt en Schaltungen sind ?.auschbeiträge infolge des optisch zugeführten Signals, das mit der thermisch erzeugten Grundladung verbundene bauschen und -auschbeiträge infolge unvollständiger Ladungsweitergabe und des Einfangens von Ladung durch feste Oberflächenzustände. Diese Rauschquellen sind in einem Aufsatz von J. 3. Garnes, und M.F. Kosonocky mit dem Titel "^oise Sources in Oharge-Goupled Devices" behandelt, der in der PuGA Review, and 33 (Juni 1972), Seite 327 veröffentlich ist. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit keiner dieser zusätzlichen Hauschquellen sondern lediglich mit einer Methode

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bzw. einer Anordnung zur selektiven rauschfreien elektrischen Einbringung von ._adung in die Eingangsschaltung einer ladungsgekoppelten οchaltungsanordnung.

Die in l?igur 1 dargestellte Schaltung kann auf mehrere verschiedene Arten betrieben werden. Bei einer Betriebsart hat der von der Quelle Λ'-;, erzeugte negative Impuls, der als Eingangssignal "^r■ bezeichnet \tferden kann, eine relativ niedrige Amplitude. Hierdurch entsteht ein relativ hochohmiger Leitungskanal,, so daß in diesem Fall die uourcezone S als Konstantstromquelle arbeitet (d.h. es wird eine Stromquelle mit hohem Innenwiderstand simuliert'-. Bei dieser Betriebsart v/erden die Ladungsträger, die während des negativeren Zustandes des Eingangssignals durch den Leitungskanal fließen, von der Sourcezone unrege-lmässig abgegeben, wodurch das sogenannte "Schrotrausclien" entsteht. Qualitativ ausgedrückt bedeutet dies, daß trotz Einhaltung eines sehr genau definierten Potentials an der Gateelektrode Qy, während" einer sehr genau eingehaltenen Zeitspanne dennoch ungewiss ist, 'welche genaue Anzahl von Ladungsträgern durch den unter der 1-ateelektrode G_-* gebildeten Leitungskanal strömen und sich in der ersten Potentialgrube (d.h. der Potentialgrub er unter der Elektrode G^) ansammeln.

Zar Lösung dieses Problems könnte man ins Auge fassen, die Amplitude des """!ingangssignals V· zu erhöhen und dadurch den ■ '■< anal wider stand sehr gering zu machen, um somit die Potentialgrube auf das iveau des ,.'ourcepotentials aufzufüllen. Eine aufgestellte Theorie besagt, daß hierdurch in der '^at das -chrotrauschen unterdrückt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß trotz einer derartigen eseitigung des Schrotrauschens die in der ersten Potentialgrube angesammelte Ladungsmenge immer noch nicht genau vorhersagbar ist. Der Grund hierfür wird darin gesehen, daß beim "Einschalten" der Gateelektrode G^,, d.h. beim übergang des Eingangesignals Y- von seinem, negativeren auf seinen positiveren Wert, die relativ große Anzahl der in dem durch die Elektrode G^ gebildeten Leitungskanal

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vorhandenen Ladungsträger irgendwohin fließen muß. I-ian nimmt an, daß einige dieser Ladungsträger nicht zur Soureeelektrode S zurückfließen sondern statt dessen zur ersten Potentialgrube (d.h. zur Potentialgruber unter der elektrode Go) zurückkehren. Die Anzahl der schließlich in die eras Potentialgrube gelangenden Ladungsträger ist nicht genau vorhersagbar, und diese Unbeständigkeit hinsichtlich der Füllhöhe der ersten Potentialgrube kann als gesonderte Rauschursache angesehen werden.Da dieses Rauschen die Folge unsicherer Ladungsverteilungist, wird es hier und im folgenden als'"Verteilungsrauschen" bezeichnet.

Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Methode gibt es außerdem noch eine zweite Rauschquelle. Dieses Rauschen ist als kapazitives Rauschen bekannt und ist proportional der Quadratwurzel der der ersten Potentialgrube zuzuordnenden Kapazität (was in dem oben erwählten Aufsatz aus der PCA Review behandelt ist).

Bei manchen Ausführungsformen des Gegenstands der oben erwähnten Patentanmeldung wird die Soureeelektrode impulsbetrieben. Die Rauschprobleme bleiben jedoch dabei dieselben. Der Betrieb erfolgt nämlich derart, daß auch bei ImpulsbeaufscHagung der Soureeelektrode immer versucht wird, die erste Potentialgrube auf irgendein vorhersagbares Niveau zu füllen, welches proportional der Amplitude und der Dauer der für den Impulsbetrieb herangezogenen Spannung ist. In allen diesen Ausführungsformen wird die Soureeelektrode entweder als Konstantstromquelle mit > dem dabei auftretenden Schrotrauschen oder mit einer niedrigen Kanalimpedanz betrieben, was zum Auftneten des Verteilungsrauschens beim Zusammenbrechen des Leitungskanals führt.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die erste Potentialgrube einer ladungsgekoppelten Schaltung anfänglich bis auf mindestens eine gegebene Höhe gefüllt, worauf die Tiefe der Grube effektiv auf einen Wert verkleinert wird, der durch die Differenz zwischen zwei Oberflächen-

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Potentialen definiert ist, um einen Teil der Us dahin in der Grube vorhandenen Ladung zu entfernen. Wie es weiter unten noch näher erläutert wird, erfolgt eine solche Einstellung eines Ladungssignals relativ rauschfrei in dem Sinne, daß die in der ersten Potentialgrube verbliebene Ladung genau vorhersagbar und reproduzierbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend'anhand der Zeichnungen erläutert : '

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine der Anmelderin bekannte Eingangsschaltung eines ladungsgekoppelten Högisters;

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein ladungsgekoppeltes Register, welches gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrieben wird;

Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Oberflächenpotentiale am Halbleitersubstrat der in Figur 2 gezeigten Schaltung während verschiedener Zeitspannen;

Figur 4 zeigt einen Schnitt durch die Eingangsschaltung einer Hadungsgekoppelten Schaltungsanordnung, die gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung betrieben wird;

Figur 5 ist eine graphische Darstellung von Oberflächenpotentialen zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der in Figur gezeigten Schaltung;

Figur 6 zeigt den Verlauf von Signalen zum Betrieb der Schaltung nach Figur 4;

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch eine Eingangsschaltung die gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung betrieben wird;

Figur 8 zeigt die in der Schaltung nach Figur 7 auftretenden Oberflächenpotentxale;

Figur 9 zeigt den Verlauf von Signalen zum Betrieb der Schaltung nach Figur 7;

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Figur 10 zeigt einen Schnitt durch eine Eingangsschaltung, die gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung betrieben wird.

Der Aufbau der Schaltung nach Figur 2 ist demjenigen der Schaltung nach Figur 1 sehr ähnlich. Die Sourcezone S wird jedoch nicht mit festem Potential sondern mit.einer Spannung Y_g betrieben, die von der Quelle 20 erzeugt wird. Die Gateelektrode Gy, wird mit einem festen Potential Yy, betrieben. Das Betriebspotential für die Gateelektrode G₂ ist ebenfalls fest, jedoch negativer als das Potential Yy,." Die Gateelektrode G^ ist mit einer Spannungsquelle 22 verbunden, die einen negativen Impuls I₇, an diese Elektrode liefert.

Die Wirkungsweise der Schaltung kann mit Hilfe der Figur J verständlich gemacht werden. Die dort gezeigten Potentialprofile stellen die Oberflächenpotentiale an der Sourcezone S und an den verschiedenen Gateelektroden dar, wobei die Linien der Potentialprofile mit den diese Oberflächenpotentiale erzeugenden Strukturen der Schaltung ausgerichtet sind.

Die zum Zeitpunkt t^, herrschenden Oberflächenpotentiale sind mit dem Pptentialprofil (a) in Figur 3 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Sourcezone S relativ positiv, so daß sie als Minoritätsträgerquelle (Löcherquelle) wirkt. Dieses "relativ positive" Potential kann in Wirklichkeit ein negatives Potential von einigen Volt sein, so daß der durch die Sourceelektrode gebildete PN-Halbleiterübergang leicht in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Gateelektrode Gy, ist ausreichend negativ, um einen Leitungskanal unterhalb dieser Elektrode zu bilden. Das Potential der Gateelektrode Go ist so weit negativ, daß unter dieser Elektrode eine Potentialgrube entsteht. 3ei einer solchen Einstellung der Potentiale fließen die Ladungsträger durch den Leitungskanal, und füllen

_ π —

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die erste Potent!algrube auf die angezeigte Höhe, nie'Tiefe dieser ersten Potentialgrube entspricht der Oberflächenpotentialdifferenz &\*L· zwischen dem Sourcepotential Vg und dem anfänglichen Oberflächenpotential unter der Elektrode &£. Die Ladungsträger können nicht in das unter der Elektrode G^ liegende Gebiet der Substratoberfläche fließen, weil die dritte Gateelektrode G₅, auf einem relativ positiven Potential liegt. Hierdurch entsteht eine Potentialbarriere zwischen der Potentialgrube und der Elektrode Go und der Potentialgrube unter der Elektrode 6,.

Zum Zeitpunkt t~ ändert sich das Sourcepotential Yg soweit in negativer Richtung, daß das Diffusionsgebiet S als Senke oder "Drain" für die Ladungsträger wirkt. Es fließen nun Ladungsträger von der ersten Pqtentialgrube durch den Leitungskanal unter der Elektrode G^ zum Diffusionsgebiet S. Ber Effekt der Potentialänderung an der Diffusionszone S besteht darin, daß die effektive Tiefe der ersten Potentialgrube von AW,, auf Δ^λ verringert wird.

Eingangs ist das Problem des Rauschens" behandelt worden. Während der Ladungsübertragung von der Sourcezone zur ersten Potentialgrube (d.h. zur Grube unterhalbe der Gateelektrode Go) tritt hier dieselbe Art des Rauschens auf. Das heißt, das am Anfang (Zeitpunkt t^) vorhandene Ladungssignal kann r-auschen, d.h.-. seine Amplitude ist nicht genau vorhersagbar. Dies ist jedoch bei dem vorliegenden System nicht von Bedeutung, weil dieses Ladungssignal nicht das interessierende Signal ist, d.h. es handelt sich dabei nicht um dasjenige Signal, welches längs des Registers v/eitergegeben wird.

Zum Zeitpunkt t^, d.h. wenn die effektive Tiefe der ersten Potentialgrube vermindert worden ist, fließt die nun in der ersten Potentialgrube überschüssige Ladung durch den Leitungskanal unterhalb der Elektrode G^ zurück zur Sourcezone S.

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Wenn die rotentiale V^ und V^ während dieses Ladnngsrückflusses genau auf einem gegebenen Wert gehalten werden, dann ist das in der ersten Potentialgrube verbleibende Ladungssignal relativ rauschfrei. Obwohl die zurückfließende Ladung rauschen kann, d.h. unregelmässig ist, vermindert sich die Oberflächenladung unterhalb Gv, von einem relativ hohen, etwas ungewissen Wgt auf einen niedrigeren Wert, der durch die Differenz zwischen den beiden Oberflächenpotentialen W^ und Wo genau definiert ist. Der rückwärts gerichtete Ladungsfluß hört jedoch nicht abrupt auf, sondern dauert infolge thermiseher Ladungsemission aus der ersten Potentialgrube noch so lange an, bis sich eine ausreichend große Barriere zwischen dem Oberflächenpotential unter der Elektrode G^, und dem Quasi-Fermi-Niveau an der ersten Potentialgrube bildet.

Wegen der vorstehend genannten thermischen Emission verläuft der in Rede stehende Prozeß nicht absolut rauschfrei. Es ist vielmehr ein gewisses thermisches Rauschen vorhanden. Dieses Rauschen rührt daher, daß einige (eine relativ geringe Anzahl) der in der ersten Potentialgrube gespeicherten Ladungsträger einen ausreichenden Energiegehalt haben, um über die Potentialbarriere W^ (vergl. Figur 3b) zu klettern und aus der Potentialgrube zu verschwinden. Diese energiereichen Ladungsträger sind schematisch bei 24 dargestellt und bewirken eine gewisse Unsicherheit oder Unbeständigkeit der Füllhöhe in der ersten Potentialgrube. Dieser mögliche Spielraum ist mit der Spannung E_B bezeichnet, die das Quasi-Fermi-Energieniveau für die Ladung in der ersten Potentialgrube darstellt. Das besagte thermische Rauschen ist jedoch relativ schwach,.sein Betrag ist proportional der Quadratwurzel sowohl der Kapazität als auch der absoluten Temperatur. Zahlenmässig ausgedrückt beträgt der zu erwartende Effektivwert der auf dieses Rauschen zurückzuführenden unregelmässigen Schwankungen im Eingangssignal bei Zimmertemperatur 400 Vc', wobei C die wirksame Kapazität der ersten Potential-

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grube ist (gemessen in Picofarad).

Eine Reine von Versuchen hat gezeigt, daß das Gesamtrauschen (einschließlich des thermischen Rauschens), welches bei der beschriebenen Methode der Ladungsspeicherung auftritt, etwa ein Drittel des Rauschens beträgt, welches bei Anwendung der bisherigen Methode zu beobachten war, wo das Eingangssignal nit Schrotrauschen behaftet war. Es hat sich ferner herausgestellt, daß die bei der bisherigen Methode der Einbringung des Ladungssignals getroffenen Maßnahmen, die zum tferteilnngsrauschen führten, rauschstärker sind als die zum Schrotrauschen führenden Maßnahmen bei der bisherigen Methode.

Der Betrag des in die erste Potentialgrube eingebrachten Ladungssignals ist proportional der Differenz zwischen den Spannungen V^ und V^. Wenn man nun die eine dieser Größen (Vp) ^zum Eingangssignal macht und die andere Größe (V,,) auf einem festen Spannungswert hält, dann läßt sich ein Lädungssignal einbringen, welches proportional dem Eingangssignal ist.·

In manchen Anwendungsfällen ist es im Interesse eines verbesserten Wirkungsgrades der Ladungsübertragung wichtig, in der ersten Potentialgrube stets eine gewisse Restladung, zu haben, die anschließend weitergegeben wird. Ein solches Ladungssignal (in der angelsächsischen Fachsprache manchmal mit "fat zero" bezeichnet).kann durch entsprechende Wahl der Potentialdiferenz zwischen V^, und Vo in das System eingeführt werden.

Nachdem das Signal auf die oben beschriebene V/eise in die erste Potentialgrube eingegeben worden ist, kann es weitergegeben werden, indem man den Wert der Spannung V^ ändert und die Phasen φ* , ώ~ und φ-, der Mehrphasenspannung anlegt.

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Hierzu macht man zum Zeitpunkt t-, die Spannung V^ relativ negativ, so daß unter der Elektrode G, eine tiefere Potentialgrube entsteht als sie unter der Elektrode G₂ vorhanden ist. Gleichzeitig wird die erste Spannungsphase φ* noch negativer als die Spannung Y-, gemacht. Dies hat zur Folge, daß das Ladungssignal von der Potentialgrube unter der Elektrode G₂ zur Potentialgrube unter der Elektrode G. wandert, wie es schematisch bei (c) in Figur 3 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t^, wird die Spannung 7^ · wieder relativ positiv, so daß eine Potentxalbarrxere zwischen der Grube unter der Elektrode G₂ und der Grube unter der Elektrode G₂^ entsteht. Der Vorgang zur Bildung einer neuen Ladung in der ersten Potentialgrube kann nun wieder von neuem beginnen, und gleichzeitig kann durch Anlegen der richtigen Spannungen φ^ ,<$₂ und φ, die Ladung unter der Elektrode Q₁, nach rechts geschoben werden.

Bezüglich des Rauschens sei abschliessend noch auf eine weitere Erscheinung hingewiesen, die man bei der Betrachtung der Figur 3 (c) erkennen kann. Zum Zeitpunkt t^ kann noch eine geringe Anzahl von Ladungs-trägern unter der Gateelektrode G^ vorhanden sein.-Einige dieser Ladungsträger wandern nach rechts und landen schließlich in der Potentialgrube unter der Elektrode G₂,, wodurch zusätzliche rauschähnliche Schwankungen entstehen. Dieses Rauschen ist von derselben Art wie das bereits beschriebene Verteilungsrauschen. Da die dafür verantwortlichen Ladungsträger jedoch nur vom thermischen Rauschenherrühren, istdieses Verteilungsrauschen in der vorliegenden Anordnung eindeutig ein Effekt zweiter Ordnung und somit von untergeordneter Bedeutung.

Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die sich mit zwei Phasen betreiben läßt. Der Aufbau ist etwas anders als im Falle der Figur 2, das allgemeine Wirkungsprinzip ist jedoch dasselbe. Bei der Ausführungsform nach Figur 4 wird die Soureeelektrode S auf einem Potential gehalten, welches eine

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feste Differenz Ys, gegenüber der ersten Gateelektrode 30 hat, was wie eine Vergrößerung der Source-Diffusionszone wirkt. Die' zweite Gateelektrode 32 wird auf relativ negativem Potential gehalten, so daß das Oberflächenpotential unter dieser Elektrode immer etwas positiver als unter der Elektrode ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel" beträgt dieses Oberflächenpotential -5 Volt und ändert sich nicht. Die dritte Gateelektrode 34- liegt auf irgendeinem Potential Y- , welches proportional dem Eingangssignal ist. Da während jedes Einfüllvorgangs die Spannung V- auf einem relativ festem Viert bleibt, ist die Quelle für diese Spannung als Batterie mit einem aufgetragenen Pfeil dargestellt. Der Pfeil soll andeuten, daß der feste wert geändert werden kann. Das nächste Elektrodenpaar 36a, 36b kann als Schaltung betrachtet werden, welche das in der ersten Potentialgrube (unter der Elektrode 34) angesammelte Ladungssignal an den folgenden Teil des ladungsgeko.ppelten Registers weitergibt.

Die Arbeitsweise der in Figur 4 gezeigten Schaltung ist mit den Figuren 5 und 6 veranschaulicht. Zum Zeitpunkt t^ liege die Sourceelektrode S auf einem Potential von -3 "Volt und die Gateelektrode 30 auf einem ausreichend negativen Potential, daß unter der Gateelektrode 30 einOberflächenpotential von -7 Volt entsteht (die hier ind in den folgenden Figuren angegebenen Oberflächenpotentiale sind angenäherte, Wert.e und gelten für eine Dotierung von 10 cm"·^ des Substrats).Die Elektrode 34 liegt auf einem solchen Potential, daß das Oberflächenpotential unter ihr -8 Volt beträgt. Somit fließen anfänglich Ladungsträger durch den Leitungskanal unterhalb der Elektrode und über die Potentialbarriere von -5 Volt in die erste Potentialgrube. Die effektive Tiefe der ersten Potentialgrube betrage ΔW^, im vorliegenden Beispiel 5 Volt.

Zum Zeitpunkt t^ hat sich die Spannung an der Sourceelektrode von -3 Volt auf -8 Volt geändert. Bei -3 Volt wirkt die Source-

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zone S als Quelle für Ladungsträger, bei -8 Volt wirkt sie jedoch als Senke oder "Drain" für Ladungsträger. Durch die Änderung des Sourcepotentials von -3 Volt auf -8 Volt wird die effektive Tiefe der Potentialgrube von Δ W^=5 auf Δ W₂=3 Volt vermindert. Einige der aus der ersten Potentialgrube fließenden Ladungsträger bleiben in der -12 Volt tiefen Potentialgrube, die nun unter der Elektrode 30 existiert. Die übrigen Ladungsträger, falls vorhanden,fließen zur Drainelelfcrode.

Wenn man die vorstehend beschriebenen Schritte zusammenfassend betrachtet, so zeigt sich, daß zum Zeitpunkt t* die erste Potentialgrube verhältnismässig tief ist und sich bis zum Maß

A W_x, füllt, während zum Zeitpunkt t₂ die effektive Tiefe dieser Potentialgrube vermindert wird und ein Teil der bis dahin vorhandenen Ladungsträger entfernt wird. Wie bei der Ausführungsform nach jJigur 1 hängt die Erreichung eines wohldefinierten Gleichgewichts lediglich davon ab, wie genau die Oberflächenpotentiale von -8 Volt und -5 Volt eingehalten werden können, und die verbleibende Ladung Δ W₂ ist genau vorhersagbar.

Zu den Zeiten t-, und t^, wird die in der ersten Potentialgrube vorhandene Ladung zunächst in die Grube unter der Elektrode 36b und dann zum ersten Paar der Phasenelektroden des ladungsgekoppelten Registers geschoben. Dieser Vorgang erklärt sich aus der Zeichnung selbst und braucht daher nicht weiter beschrieben zu werden.

Bei der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird die Sourceelektrode S auf einem festen Potential V_ß gehalten, und die erste Elektrode 30 liegt auf einem Potential, welches eine feste DifTerenez V_x, vom Potential der Sourceelektrode hat. Die Elektrode 32 wird mit Steuerspannungsimpulsen V₂

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(in Figur 9 dargestellt) beaufschlagt, und das Eingangssignal V^_n kann zwischen die Elektrode 32 und die Elektrode 34 gelegt werden. Die übrigen Elektrodenpaare werden in herkömmlicher Weise durch eine Zweiphasenspannung angesteuert.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 7 ist in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht. Zum Zeitpunkt t,, haben die verschiedenen Potentiale solche Werte, daß das in der Figur 8 (a) dargestellte Profil des Oberflächenpotentials entsteht. Von der Sourceelektrode S fließen Ladungsträger durch den Leitungskanal unter der Elektrode.30 in die Potentialgrube unter den Elektroden 32 und 34. Die effektive Tiefe dieser Potentialgrube beträgt 4^=9 Volt.

Zum Zeitpunkt to hat sich die Spannung V^ von einem relativ negativen Wert von -:21 Volt auf einen relativ positiven Wert von -75 Volt geändert, so* daß das.Oberflächenpotential unter der Elektrode 32 von -10 auf -2 Volt und das Oberflächenpotential unter' der Elektrode 34- von -15 Volt auf -5 Volt übergegangen ist. Als Folge dieser Änderung des Potentials Vo ändert sich die effektive Tiefe der ersten Potentialgrube von 4 W^, = 9 Volt auf ZiWg= 3 Volt. Die zuvor in der ersten Potentialgrube vorhandene Ladung fließt teilweise an eine Stelle,die nun als Potentialgrube unter der Elektrode 30 betrachtet werden kann, und irgendwelche überschüssige Ladung fließt zur Sourceelektrode S, die nun als Drainelektrode wirkt (es sei bemerkt, daß das Sourcepotential zwar bei -6 Volt bleibt, daß es jedoch nun negativer ist als die -2 Volt des Oberflächenpotentials unter der Elektrode 32). Die Ladung 4Wg wird anschließend auf eine Art und Weise weitergegeben, wie es bei (c) in Figur 8 und mit den Signalverläufen der Figur 9 gezeigt ist.

In manchen Fällen kann es erwünscht sein, daß für die Entfernung eines Teils der Ladung aus der ersten Potentialgrube

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(d.h. aus der Grube unter der Elektrode 34-V mehr Zeit zur Verfügung steht, als es mit der durchgezogenen Linie in Figur 9 gezeigt ist. In diesem Fall sei dem Elektrodenpaar,.36a, Job nicht die -ielle φ* sondern die Welle V-, zugeführt. Diese Welle ist im oberen Teil der Figur 9 gestrichelt eingezeichnet. Sie läßt mehr Zeit' zwischen der Änderung der Spannung V₂ ^von -21 Volt auf -7,5 Volt und denjenigen Zeitpunkt, zu dem das Verschieben der Ladung unter der Elektrode 34- unter die Elektrode 36b beginnt. Es steht also -eine größere Übergangs-, oder Einstellzeit zur Verfügung, um die Ladung in der ersten Potentialgrube wirklich zum Gleichgewicht kommen zu lassen, bevor die Ladungsverschiebung beginnt. In gewissen Fällen ,z.B. bei der Auslegung ladungsgekoppelter Schaltungen in Form bildfühlender Reihen oder Matrizen, kann die bereits erwähnte elektrisch eingeführte rauscharme Hintergrundladung ("fat zero") beispielsweise mittels einer Schaltung, wie sie in Figur 7 gezeigt ist, dadurch eingeführt werden, daß man die Größe V- auf einem festen Potentialwert hält. Ss kann jedoch auch statt dessen eine Schaltung Verwendung finden, wie sie in Figur 10 dargestellt ist. Diese Figur arbeitet im wesentlichen genauso wie diejenge nach Figur 7i mit der Ausnahme, daß der Potentialberg, der von der Elektrode 32 gegenüber der P<$entialgrube der Elektrode 34- geschaffen wird, einfach durch unterschiedliche Abstände dieser Elektroden vom Substrat gebildet wird. Das heißt mit anderen Worten, die Polysiliziumelektrode 34- wird wesentlich näher am Substrat angeordnet als die Elektrode 32, so daß sich trotz gleichen Potentials an den beiden Elektroden unter der. Elektrode 34- eine tiefere Grube als unter der Elektrode 32 bildet. Die Differenz zwischen diesen Oberflächenpotentialen unter den besagten Elektroden definiert die Amplitude der "fat zero"-Ladnng. Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Figur 10 ist genauso,wie es in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht ist.

Andere Möglichkeiten der Erzeugung dieser Eintergrundladung. ("fat zero"-Ladung) bestehen darin, eine Differenz in den Ober-

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flächenladurigen unter der Elektrode 32 und der Elektrode 34 dur.ch Ladung in der Oxidschicht, oder durch einen Unterschied in der Dotierung des Substrats oder einfach durch unterschiedliche Austritfcsarbeit der beiden iriektroden herzustellen. Hierdurch wird eine asymmetrische Potentialgrube von der gleichen Art wie vorstehend beschrieben -geschaffen.

Die verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind lediglich als Beispiele anzusehen, d.h. es sind zahlreiche AbwandLungen im Rahmen der Erfindung möglich. So können die ladungsgekoppelten Schaltungen beispielsweise statt mit einem N-leitenden Substrat mit P-leitenden Substraten auf- gebaut sein. Der Betrieb erfolgt dann in der gleichen Weise wie beschrieben, vorausgesetzt, daß die Spannungswerte entsprechend richtig gewählt werden. Natürlich können auch andere Elektrodenformen gewählt werden, und ebenso läßt sich die Erfindung mit 4— oder mehrphasigen Steuerspannungen realisieren.

Die vorstehend beschriebenen Prinzipien lassen sichauch dazuanwenden, rauscharme elektrische Eingangssignale in ladungsgekoppeJbe Schaltungsanordnungen vom Typ mit sogenanntem "versenktem Kanal" einzuführen. Bei diesem Schaltungstyp fließt die Ladung nicht an der Oberfläche des Substrats, sondern die Potentialminima für die Ladungsträger werden im geringen Abstand (in der Größenordnung von 1,0 <4λ m) unter der'Substratoberfläche gebildet. Obwohl es sich beiden beschriebenen Beispielen jeweils um einzelne Segister: handelte, können die dargelegten Prinzipien natürlich auch auf Mehrfachanordnungen solcher Register (beispielsweise im Fall flächenhafter Bildfühler) angewendet werden.

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Claims (10)

Patentansprüche

1.7Ladungsgekoppelte Schaltungsanordnung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, in welchem eine Halbeleiterzone entgegengesetzten Leitungstyps gebildet ist; einer Vielzahl von gegenüber dem Substrat .'isolierten Elektroden zur Erzeugung von Potentialen an der Substratoberfläche zur Ansammlung und Weitergabe von aus der Halbleiterzone kommenden Ladungssignalen; einer Einrichtung zur Beaufschlagung der der Halbleiterzone benachbarten ersten Elektrode mit einem einen Leitungskanal für Ladungsträger hervorrufenden Potential; einer Einrichtung zur Beaufschlagung einer zweiten,der ersten Elektrode benachbarten Elektrode mit einem Potential, welches eine ausreichend tiefe Potentialgrube erzeugt, um durch den Leitungskanal fließende Ladungsträger anzusammeln; einer Einrichtung zur Beaufschlagung einer dritten, der zweiten Elektrode benachbarten Elektrode mit einem Potential, welches eine erste Potentialbarriere an der Substratoberfläche erzeugt; und mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung der Halbleiterzone mit einem derartigen Potential, daß diese Zone Ladungsträger produziert, die durch den Leitungskanal für mindestens eine solange Zeit fließen, bis die Potentialgrube auf eine gegebene Höhe mit Ladungsträgern gefüllt ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, welche die Potentialdifferenz zwischen der Halbleiterzone (S) und der zweiten Elektrode (G^) in einem derartigen Sinne ändert (z.B. von Vg auf Vg- &V_g in Figur 3b), daß die Halbleiterzone (S) für einen Teil der in der Potentialgrube enthaltenen

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Ladungsträger als Senke wirkt, während sich die erste Elektrode (G^) auf einem solchen Potential (7^) befindet, daß zwischen der Halbleiterzone (S) und der Potentialgrube eine Potentialbarriere (W_x, in Figur 3b) liegt, die niedriger als die erste Potentialbarriere (W^ in Figur 3b) ist und ein Ausfließen von genügend- Ladungsträgern aus der Potentialgrube in die Halbleiterζone (S) gestattet, um die gewünschte Füllhöhe der Ladung in der Potentialgrube herzustellen. *

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung das Potential der Halbleiterζone (S) ändert und dabei das Potential der ersten Elektrode (Gx|) festhält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung, welche diePotentialdifferenz zwischen der Halbleiterzone (S) und der zweiten Elektrode (Gp^ änder.t und dabei die erste Elektrode auf ein eine Po~ tentialbarriere hervorrufendes Potential legt, gleichzeitig die Potentiale der ersten und zweiten Elektrode (G^, Go)

, unter Festhalten der Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden ändert und dabei die Halbleiterζone auf einem festen Potential hält.

4-. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle für Eingangssignale auf die erste Elektrode (G,j) gekoppelt ist·,

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalquelle zwischen die erste und zweite Elektrode (G^, G2) gekoppeltdst·

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 'daß zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (G^, G^)

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eine feste Potentialdifferenz einhaltbar ist.

7· Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode (G.*, G₂) auf gleichem Potential gehalten sind und so ausgelegt sind, daß unter der zweiten Elektrode eine tiefere Potentialgrube als unter der ersten Elektrode entsteht.

8. Verfahren zur Eingabe eines Ladungssignals in die erste Stufe einer ladungsgekoppelten Schiebeschaltung, bei welcher sich an der Substratoberfläche neben der ersten Stufe einePotentialgrube gegebener effektiver Tiefe befindet und bei welcher sich zwischen dieser ersten Potentialgrube und der ersten Stufe eine Potentialbarriere befindet, dadurch gekennzeichnet,

. daß die Potentialgrube bis mindestens auf eine gegebene Höhe (4W^j) mit Ladungsträgern gefüllt wird; ' daß anschließend die effektive Tiefe der Potentialgrube auf eine zweite Höhe (^Wo) vermindert wird, die niedriger als die gegebene Höhe ist, wobei die an der Potentialgrube überfließenden Ladungsträger entfernt werden (z.B. in die Halbleiterζone S im Falle der Figur 2) und die Potentialbarriere (W_x) ein Hinüberfließen zur ersten Stufe verhindert; -> und daß die Höhe der Potentialbarriere (W,) dann soweit verringert wird, daß die in der Potentialgrube · verbliebenen Ladungsträger in die erste Stufe fließen können, (vergl. z.B. Figur 3c).

9- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß. zum Füllen derPotentiälgrube eine Ladungsträgerquelle (S) gebildet wird und ein leitender Kanal zwischen dieser Ladungsträgerquelle und derPotentialgrube geschaffen wird, und daß zur Verminderung der effektiven Tiefe der Potential-

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grube und zur Entfernung der überfließenden Ladungsträger die Ladungsträgerquelle in eine Ladungsträgersenke (Drain) umgewandelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der effektiven Tiefe der Potentialgrube und zur Entfernung der überfließenden Ladungsträger das die Potentialgrube bildenden Oberflächenpotential relativ um so viel niedriger gemacht wird, daß die Pdtentialgrube flacher als zu Beginn wird, und daß neben der Potentialgrube eine Ladungsträgersenke und zwischen der Potentialgrube und dieser Senke eine Potentialbarriere geschaffen wird, die niedriger als die Potentialbarriere zwischen derPotentialgrube und der ersten Stufe ist.

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