DE2539205A1 - Regenerierverstaerker fuer ladungsverschiebeanordnungen - Google Patents

Regenerierverstaerker fuer ladungsverschiebeanordnungen

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DE2539205A1 DE19752539205 DE2539205A DE2539205A1 DE 2539205 A1 DE2539205 A1 DE 2539205A1 DE 19752539205 DE19752539205 DE 19752539205 DE 2539205 A DE2539205 A DE 2539205A DE 2539205 A1 DE2539205 A1 DE 2539205A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 3.9.1975
Berlin und München Witteisbacherplatz
VPA 75 P 7138 BRD
Regenerierverstärker für Ladtmgsverschiebeanordnungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerierverstärker für Ladungsverschiebeanordnungen nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Ladungsverschiebeanordnungen nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip, die ohne Grundladung arbeiten, werden in kurzen Abständen Regenerierverstärker benötigt, deren Flächenbedarf möglichst gering sein muß. Außerdem sollen diese Verstärker unempfindlich gegenüber Einsatzspannungs- und VersorgungsspannungsSchwankungen sein.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Regenerierschaltung für eine Ladungsverschiebeanordnung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip anzugeben, deren Flächenbedarf gering ist und die die Spannungsänderung einer auf einer Referenzspannung vorgeladenen Kapazität verstärkt.
Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs bereits erwähnte Regenerierschaltung gelöst, die durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Referenzspannung so erzeugt wird, daß Änderungen der Einsatzspannung und der Versorgungsspannung eleminiert werden. Außerdem wird der Verstärkertransistor vorteilhafterweise so vorgespannt, daß er eine maximale Verstärkung aufweist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung und der Figuren näher erläutert.
VPA 75 Έ 7047-vP 17 Htr
709811 /1OU
Die Figur 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen dynamischen Verstärkers.
Die Figur 2 zeigt das Zeitdiagramm zum Betrieb des dynamischen Verstärkers nach der Figur 1.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung die Zusammenschaltung eines erfindungsgemäßen dynamischen Verstärkers und zweier CCD-Anordnungen.
Die Figur 4 zeigt das Zeitdiagramm der Schaltung nach der Figur
.' Die Figuren 5 a - e zeigen die an den einzelnen Orten der beiden CCD-Anordnung en zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftretenden Oberflächenpotentiale.
Die Figur 6 zeigt ein Layout eines erfindungsgemäßen CCD-Regenerierverstärkers.
In der Figur 1 ist der Eingang des erfindungsgemäßen Regenerierverstärkers 2 mit 24 und der Ausgang dieses Regenerierverstärkers mit 25 bezeichnet. Der Transistor 26, der durch das Potential 0 pg steuerbar ist, verbindet den Eingang 24 mit dem Gate eines Transistors 27 und dient zum Vorspannen und Entladen der Kapazität 23t die in dem Punkt 28 mit dem Gate des Transistors 27 verbunden ist. Die Transistoren 21 und 22 dienen zur Erzeugung einer Referenzspannung an der Kapazität 23. Zu diesem Zweck sind diese Transistoren in der aus der Figur ersichtlichen Weise so .entgegengesetzt geschaltet, daß Source- und Drainanschlüsse entgegengesetzt zusammengeschaltet sind. Auf diese Weise wirken die Transistoren 21 und 22 wie entgegengesetzt geschaltete Dioden. Der Gateanschluß des Transistors 22 ist mit dem Punkt 25, an dem ein Potential 0 25 anliegt, aus dem die Referenzspannung erzeugt wird, verbunden. Der Gateanschluß des Transistors 21 ist mit dem Punkt 28 verbunden. Der Transistor 27 verbindet den Ausgang 25 mit dem Anschluß 27, an dem das Potential 0 27 anliegt. Die mit dem Eingang 24 verbundene Strom-
VPA 75 E 7047
709811/10U
senke 13, repräsentiert durch das Vorhandensein und Nichtvorhandensein eines Stromes I die binären Zustände "1" oder "0".
Wie später noch im einzelnen beschrieben werden wird, stellt sie den Ausgang der LadungsverSchiebeanordnung dar.
Im folgenden soll nun anhand der Figuren 1 und 2 die Funktionsweise des erfindungsgeraäßen dynamischen Regenerierverstärkers beschrieben werden. Zur Zeit t0 haben die Steuersignale 0 25 und 0 27 eine Spannung von U^n,wodurch die parasitäre Kapazität 23 über den Transistor 22 auf eine Spannung von UL^ - IL, und die parasitäre Kapazität 29 auf eine Spannung Ό-^γ. - 2 Um vorgespannt wird. Dabei bedeutet UL die Einsatz spannung der Transis- ., toren 22 und_27. Zum Zeitpunkt t^ hat das Steuersignal 0 25 eine Spannung von U„ , wodurch der Kondensator 23 mit Hilfe des Transistors 21 auf eine Spannung von Uß + IL, umgeladen wird. Der Transistor 22 ist dann gesperrt. Die Spannung an dem Kondensator 29 bleibt dabei unverändert. Nach dem der Transistor 2.6 zum Zeitpunkt t„ eingeschaltet wurde, wird entsprechend dem binären Zustand der Stromsenke 13 der Kondensator 23 entladen oder nicht entladen. Zum Zeitpunkt t, hat das Steuersignal 0 eine Spannung von IL, - £ .
Wurde der Kondensator 23 nicht entladen, so liegt zwischen Gate und Source des Transistors 27 eine Spannung von Ug - 0 27 = (Ug + UT) - (Ug -(O = Um + (fan. Da diese Spannung um den Betrag von (f größer als die Einsatζspannung Um ist, leitet der Transistor 27, wodurch die Kapazität 29 auf eine Spannung von U. = Ug -({entladen wird.
Wurde der Kondensator 23 dagegen um einen Betrag von A\J entladen, so ist zwischen Gate und Source des Transistors 27 eine Spannung von UE - 0 27 = (Uß + Um) - Au - (Uß - <f) = % ^U + cf zu verzeichnen. Wird vorausgesetzt, daß -4 U größer als /ist, so ist der Transistor 27 nichtleitend und der Kondensator 29 behält die Spannung von U. = UDD - 2 L.
Es ergibt sich also:
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7 0 9 8 1 1 / 1 0 U
«■· Lf. ·*·
1) für -^U=O, eine Ausgangs spannung von U^ = Ug - <f und
2) für /\ uJ>(f, eine Aus gangs spannung von U^ = UDD - 2Uj
Da die Größe der Ausgangsspannung U^ = Uß - ^ oder U^ = UDD - 2Ό*Τ nur von Λ U abhängt, haben Spannungsversorgungs- und Einsatzspannung s Schwankung en vorteilhafterweise keinen Einfluß auf die Funktion des erfindungsgemäßen dynamischen Regenerierverstärkers.
Die Spannungsänderungjdu kann für die verschiedenen Anwendungsfälle bere chnet bzw. vorbestimmt werden, so daß die Spannung vorherbestimmt *ind somit die Takterzeugungsschaltungen für 0 25 und 0 27 auf demselben Chip mitintegriert werden können.
Im folgenden wird nun die Anwendung des dynamischen Regenerierverstärkers als Regenerierstufe bei CCD-Registern im Zusammenhang mit den Figuren 3, 4 und 5 beschrieben.
Die Figur 3 zeigt die Anwendung des dynamischen Regenerierverstärkers nach der Figur 1 als Regenerierstufe für Ladungsverschiebeanordnungen nach dem CCD-Prinzip ohne Grundladungserzeugung. Einzelheiten der Figur 3, die bereits im Zusammenhang mit den anderen Figuren beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Die letzte Elektrode 12 der CCD-Ausgangsstufe 1 übernimmt dabei die Funktion des Transistors und die der Stromsenke 13 der Figur 1, während der Transistor der Figur 1 die Eingangsstufe der LadungsverSchiebeanordnung 2 mit dem Diffusionsgebiet 31 und der Gateelektrode 32 darstellt. Die Kapazität 29 ist durch den Potentialtopf, der sich unter der Elektrode 33 befindet, gegeben.
Die Regenerierung des CCD-Ausgangssignals derCCD-Schaltung 1 wird nun mit Hilfe des Zeitdiagramms nach der Figur 4 und den dazugehörigen Oberflächenpotentialen 0 5 nach den Figuren 5a 5e erklärt. Zur Zeit tQ (Figur 5a) wird die Kapazität 23 auf die Spannung UDD - UT vorgespannt. Nachdem das Signal 025 auf eine
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709811/10U
Spannung von Uß abgesenkt wurde (Zeitpunkt tr,, Figur 5b), werden an die Gateelektroden 12 und 33 die Gate spannungen 012i bzw· 033-] ' gelegt. Um zu vermeiden, daß Elektronen aus dem Diffusionsgebiet 11 in den Potentialtopf unter der Elektrode 12 gelangen, hat die Gatespannung 0«o<\ einen Wert, der ein Oberflächenpotential erzeugt, das kleiner ist als die des Diffusionsgebietes 11. Gelangen Elektronen, die eine binäre "1" repräsentieren, an das Ausgangsdiffusionsgebiet 11, so wird die parasitäre Kapazität 23, die sich aus der Kapazität des Diffusionsgebietes 11 und den parasitären Kapazitäten der Transistoren 21, 22 und der Kapazität der Elektrode 32 zusammensetzt, entladen. Gelangen zur Zeit tp keine Elektronen (binäre "0") an das Ausgangsdiffusionsgebiet 11 j so bleibt die Spannung Ug = UDD - U^ unverändert. Wie aus dem Bild 5c zu entnehmen ist, ist unter der Elektrode 23 ein Potentialtopf vorhanden, und unter der Elektrode 32 eine Potentialbarriere mit einem Oberflächenpotential von 0 Ώ. Dieses Oberflächen-
Jd
potential hat einen Wert von 0ß = 0ß^ oder 0„ = 0ΒΟ» jenachdem, ob Ladung oder keine Ladung an das Diffusionsgebiet gelangt. Zur Zeit t, (Figur 5d) wird das Diffusionsgebiet 31 mit Hilfe der Signalspannung $■*** auf eine Spannung von Uß ~(f getaktet, wodurch es ein Oberflächenpotential von 0·** annimmt. Ist 0,.. ]> 0„, d.h. 0B = 0-Ri» so gelangen aus dem Diffusionsgebiet Ladungsträger in den Potentialtopf. Im anderen Fall, wenn 0-^ <^ 0ß ist und 0g = 0BO ist, können keine Ladungsträger in den Potentialtopf gelangen. Zum Zeitpunkt t, hat die Signalspannung Φ·*** wieder einen Wert von Urvjjf wodurch das Oberflächenpotential 0T. so groß ist, daß das Diffusionsgebiet vom Potentialtopf getrennt ist (Figur 5e).
In der Figur 6 ist die Realisierung des erfindungsgemäßen CCD-Regenerierverstärkers nach der Figur 3 in einer Silizium-Gate-Technologie dargestellt. Einzelheiten der Figur 6, die bereits im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Die CCD-Schaltung 1, der erfindungsgemäße Regenerierverstärker 2 und die CCD-Schaltung 3 sind auf einem Substrat 19 aufgebaut. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Substrat um ein p-leitendes Siliziumsubstrat. In dieses Substrat sind die durch schräg schraffierte Flächen daree-VPA 75 E 7047 70981T/10U
stellten n-Diffusionsgebiete eingebracht. Das n-Diffusionsgebiet 11 der CCD-Anordnung 1 dient gleichzeitig als Sourcege- . * biet des Transistors 21. Das η-dotierte Draingebiet dieses Transistors stellt gleichzeitig den Anschluß 25 und den Drainanschluß des Transistors 22 dar. Das Sourcegebiet des Transistors 22 ist über das durch die punktierte Fläche 221 umrissene Kontaktloch 221 mit der Aluminiumleitung 111 und somit über das Kontaktloch 211 mit dem Diffusionsgebiet 11 und dem Sourcegebiet des Transistors 21 verbunden. Die durch die strich-punktierte Linie 212 angegebene Silizium-Gateelektrode des Transistors 21 ist ebenfalls über das Kontaktloch 211 mit der Aluminiumleiterbahn 111 verbunden. Die durch die strich-punktierte Linie 223 angegebene Silizium-Gateelektrode des Transistors 22 ist über den durch die punktierte Linie angegebenen Diffusions-Silizium-Gatekontakt 222 mit dem Anschluß 25 elektrisch verbunden. Die neben dem n-Diffusionsgebiet 31 angeordnete Elektrode 32 der CCD-Anordnung 3 ist über das durch die punktierte Fläche angegebene Kontaktloch 321 mit der Aluminiumleiterbahn 111 verbunden. Bei der Elektrode 32 handelt es sich ebenfalls um eine Siliziuraelektrode, die durch die strich-punktierte Linie dargestellt ist.
3 Patentansprüche
6 Figuren
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■ 709811/1014

Claims (2)

  1. Patentansprüche
    Regenerierverstärker, insbesondere zur Anwendung bei CCD-Registern, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster und ein zweiter Transistor (21, 22) zueinander entgegengesetzt geschaltet sind, wobei diese Transistoren wie Dioden wirken, wobei die beiden Source- bzw. Drainanschlüsse dieser Transistoren miteinander verbunden sind und wobei die beiden Drain- bzw. Sourceanschlüsse dieser Transistoren miteinander verbunden sind, wobei der Gateanschluß des ersten Transistors (22) mit den Drain- bzw. Sourceanschlüssen beider Transistoren verbunden ist und wobei der Gateanschluß des zweiten Transistors (21) mit den beiden Source- bzw. Drainanschlüssen der beiden Transistoren verbunden ist, wobei der Punkt (28), in dem die beiden Source- bzw. Drainanschlüsse miteinander verbunden sind, über einen Transistor (26) mit dem Eingang (24) des Regenerierverstärkers (2) verbunden ist, wobei der Transistor (26) über seinen Gateanschluß (26 ) steuerbar ist, daß der Punkt, in dem die Drain- bzw. Sourceanschlüsse der Transistoren (21, 22) zusammengefaßt sind, einen Anschluß (25), an dem ein Takt (0 25) anlegbar ist, darstellt, daß der Punkt (28) mit dem Gateanschluß eines Transistors (27) verbunden ist, daß der Source- bzw. Drainanschluß des Transistors (27) mit dem Ausgang des Regenerierverstärkers (2) verbunden ist, daß der Drain- bzw. Sourceanschluß des Transistors (27) mit einem Anschluß (27 ) an dem ein Potential (0 27 ) anlegbar ist, verbunden ist, daß der Punkt (28) mit einem Kondensator (23) verbunden ist und daß der Ausgang (25) mit einem Kondensator (29) verbunden ist.
  2. 2. Regenerierverstärker nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß für die Anwendung bei CCD-Registern der Punkt (28) mit einem Diffusionsgebiet (11) einer CCD-Anordnung (1) verbunden ist, wobei das Diffusionsgebiet (11) den Drain- bzw. Sourceanschluß eines Transistors darstellt, daß der Punkt (28) mit einer Elektrode (32) einer CCD-Anordnung (3) verbunden ist, wobei diese Elektrode (32) die Gateelektrode eines Transistors darstellt, daß das neben dieser Elektrode in dem
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    . 709811/1014
    Halbleitersubstrat der CCD-Anordnung (3) angeordnete Diffusionsgebiet (31) den Drain- bzw. Sourceanschluß dieses Transistors darstellt, der mit einem Anschluß (311) über den das Potential (0^11) anlegbar ist, verbunden ist, und daß die Kapazität (23) eine parasitäre Kapazität ist, die sich aus der Kapazität des Diffusionsgebietes (11) der CCD-Anordnung (1) und den parasitären Kapazitäten des ersten und des zweiten Transistors (21, 22) und der Kapazität der Gateelektrode (32) zusammensetzt und daß die Kapazität (29) durch den Potentialtopf, der sich unter der Elektrode (33) der CCD-Anordnung (3) befindet, gegeben ist.
    Regenerierverstärker nach Anspruch 1 oder 2," dadurch ge kennzeichnet , daß der Regenerierverstärker auf einem p-Silizium-Substrat (19) in einer Silicon-Gate-Technik aufgebaut ist, wobei das Diffusionsgebiet (11) der CCD-Anordnung (1) ein n-Diffusionsgebiet ist, das gleichzeitig den Source- bzw. Drainanschluß des zweiten Transistors (21) darstellt, wobei ein weiteres n-Diffusionsgebiet gleichzeitig das Drain- bzw. Sourcegebiet des zweiten Transistors (21), den Anschluß (25) und das Drain-, bzw. Sourcegebiet des ersten Transistors (22) darstellt, daß ein weiteres n-Diffusionsgebiet den Source- bzw. Drainanschluß des ersten Transistors (22) darstellt, daß durch eine Isolierschicht von dem Substrat getrennt oberhalb der Bereiche zwischen den Source- und Draingebieten des.ersten und zweiten Transistors (21, 22) Silizium-Gateelektroden (212, 223) angeordnet sind, daß oberhalb der Silizium-Elektroden (212, 223) durch eine Isolierschicht von diesen getrennt eine Aluminiumleiterbahn (111) angeordnet ist, daß diese Aluminiumleiterbahn (111) durch das Kontaktloch (321) hindurch elektrisch mit der Silizium-Elektrode (32) der CCD-Anordnung (3) verbunden ist, und daß in dem Halbleitersubstrat der CCD-Anordnung (3) neben der Silizium-Elektrode (32) das ndiffundierte Gebiet (31) angeordnet ist, das seitlich nach außen den Anschluß (311) bildet.
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