DE2629328A1

DE2629328A1 - Ladungsinjektor fuer ein ccd-register

Info

Publication number: DE2629328A1
Application number: DE19762629328
Authority: DE
Inventors: Wallace E Tchon
Original assignee: Honeywell Information Systems Italia SpA
Current assignee: Bull HN Information Systems Italia SpA
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1977-01-27
Also published as: AU1416876A; GB1557671A; US3980902A; BE843634A; FR2316695A1; CA1082361A; FR2316695B1; JPS526475A

Description

^{5202443 Ge} 2 8. JUN11976

HONEYVJELL INFORMATION SYSTEMS INC.

200 Smith Street
Waltham, Mass., USA

Ladungsinjektor für ein CCD-Register.

Die Erfindung betrifft einen Ladungsinjektor in integrierter Schaltkreistechnik für ein CCD-Register, dessen Information durch zwei um 180° phasenverschobene Taktsignale verschoben wird.

Systeme mit Ladungsverschiebeelementen CCD (charge coupled devices) stellen eine relativ neue Technik der Speicherung und zur übertragung von Information dar. Sie arbeiten auf der Grundlage der Speicherung von Ladungspaketen in Implantaten oder Zellen (sites) innerhalb des CCD-Systems. Die übertragung der Ladung von einer Zelle zu einer anderen kann nur in serieller Weise erfolgen. Durch CCD-Systeme können bedeutende Kostenreduktionen in Großraumspeichersystemen erzielt werden, falls eine hohe Informationsdichte verwirklicht wird. Ihre Anwendung kommt jedoch nur bei seriellen Speichersystemen in Betracht.

CCD-Systeme unterliegen ebenfalls wie herkömmliche Systeme einem gewissen Informationsverlust, da Ladung innerhalb des Substrates verlorengeht oder nach Masse abfließt, wobei es nicht möglich ist,

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innerhalb des Systems selbst die Ladung zu regenerieren. Die Ladung wird in das CCD-System injiziert und danach innerhalb des Systems gespeichert oder übertragen. Während der Speicherung und Übertragung finden Ladungsverluste statt.

Um die gewünschte Wirtschaftlichkeit von CCD-Systemen zu erzielen, müssen diese eine sehr hohe Informationsdichte aufweisen. Dies führt dazu, daß jede Zelle innerhalb des Systems relativ klein ist. Kleine Zellen können jedoch nur einen begrenzten Ladungsbetrag speichern. Aus diesem Grund werden Abtastverstärker herangezogen, um die von dem CCD-Speicherregister abgegebene Ladung abzutasten und abgetasteten Ladungsgrößen die Werte "0" bzw. "1" zuzuschreiben. Es ist daher von höchster Bedeutung, einen Ladungsinjektor zu verwenden, der in der Lage ist, genau vorgegebene Ladungspegel in das CCD-System zu injizieren, wobei die Toleranzbreite der injizierten Ladungspegel sehr gering sein soll. Der Ladungsinjektor muß zudem als ein Puffer zwischen den Pegelsparinungen des logischen Systems und den Pegelladungen des CCD-Systems arbeiten. Er stellt daher einen Konverter zwischen den den Logikzuständen zugeordneten relativ hohen Spannungspegeln an seinem Eingang und den CCD-Pegeln an seinem Ausgang dar. Die Eingangspegel können sich in der Größenordnung von 10 oder 12 V bewegen, während die Ausgangspegel die Größenordnung von ungefähr 50 bis 230 X 10~ Coulomb (C) aufweisen. Die Pegelspannungen des logischen Systems können zudem breiten Schwankungen unterliegen. Der Ladungsinjektor muß daher relativ unempfindlich auf die Spannungen an seinem Eingang sein, während an seinem Ausgang höchst präzise Ladungspegel abgegeben werden.müssen..

Um bestimmte Ladungspegel in ein CCD-System zu injizieren, ist es theoretisch möglich, eine Stromquelle als Eingang für das CCD-System vorzusehen und über ein zwischengeschaltetes Gatter den der Stromquelle entnommenen Betrag der Ladung zu steuern. Auf diese Weise fließt ein Strom in das CCD-System und injiziert eine Ladung mit einem vorbestimmten Pegel. Eine solche Lösung ist jedoch rein theoretisch und bei der geforderten Funktion

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nicht anv/endbar. Dies resultiert daraus, daß eine Stromquelle von extremer Genauigkeit erforderlich wäre und ebenfalls in höchst präziser Weise auf das CCD-System geschaltet v/erden müsste. Die in diesem Zusammenhang bestehenden Anforderungen überschreiten die Toleranzpegel bekannter Stromquellen.

Ein anderes Verfahren der Ladungsinjektion macht von dem Anlegen einer festen Spannung an das CCD-System Gebrauch, wobei ein die Spannung an das System anlegendes Gatter entsprechend angesteuert wird. Diese Methode wird in der US-PS 3 760 202 näher beschrieben. Aber auch diese Methode ist nur dann tauglich, wenn relativ große Zellen benutzt werden, die eine gewisse Toleranz hinsichtlich der injizierten Ladung gestatten. Die in dem genannten Patent beschriebene Technik wird allgemein als "Festspannungstechnik" bezeichnet. Bei dieser Festspannungs-Methode wird eine feste Bezugsspannung an die erste Zelle des CCD-Systems über ein Eingangs-Steuergatter angelegt. Durch Verwendung geeigneter Taktimpulse für das Eingangs-Steuergatter wird eine entsprechende Ladung in die erste Zelle übertragen. Der Betrag der übertragenen Ladung ist jedoch von dem Pegel der Bezugsspannung abhängig. Es hat sich herausgestellt, daß sich diese Bezugsspannung nicht mit der erforderlichen Präzision regeln läßt. Ferner speichert das Eingangs-Steuergatter ebenfalls Ladung im Bereich seiner Elektrode. Der Betrag dieser im Elektrodenbereich gespeicherten Ladung kann variieren, so daß der Ladungsfluß schlecht regulierbar ist. In Abhängigkeit von der Größe des Eingangs-Steuergatters im Hinblick auf die Zellengröße kann sich daher ein ersthaftes Problem bei der Anwendung dieser Methode ergeben. Bei einem CCD-System mit sehr hoher Speicherdichte, wie sie im Anwendungsfall gefordert wird, müsste das Steuergatter sehr klein sein, im allgemeinen nur ein Drittel so groß wie eine entsprechende Zelle des CCD-Systems. Ein Steuergatter dieser Größe kann jedoch nicht mit der geforderten Präzision gesteuert werden.

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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladungsinjektor der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er die Zuführung kleiner Ladungspegel in ein CCD-Register mit höchster Präzision gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird von einer getakteten Quelle Gebrauch gemacht, die zusammen mit Steuerzellen an vorhandene Systemtaktsignale angeschlossen ist. Auf diese Weise erzielt man eine hohe Packungsdichte innerhalb des Systems. Die getaktete Quelle ist mit einer P++ Region eines Substrates verbunden. Diese Region ist an ein in Vorwärtsrichtung blockierendes Gatter der ersten Zelle des CCD-Registers über zwei parallele Steuerwege verbunden. Zur Steuerung der an die getaktete Quelle und die Elektroden der Zellen innerhalb der Steuerwege angelegten relativen Spannungen wird die Abhängigkeit von einer präzisen Spannung anstelle einer getakteten Quelle vermieden.

Die erste, ein Ladungspaket aufnehmende Zelle eines Registers muß leer sein und die Steuerzelle muß auf einen geeigneten Pegel vorgeladen sein. Ein in Vorwärtsrichtung blockierendes Gatter verhindert einen Ladungsfluß in die erste Zelle. Die Elektrode der Vorladungszelle ist sodann abgeschaltet, was einem hohen Pegel oberhalb des Sperrschichtpegels entspricht. Ein Ladungspaket fließt sodann in die erste Zelle. Geht die an die erste Zelle angelegte Spannung nach oben, so wird das Ladungspaket in die zweite Zelle übertragen. Die getaktete Quelle, die an das in Vorwärtsrichtung blockierende Gatter ebenfalls angeschlossen ist, nimmt das hohe Potential ein, nachdem die Steuerzelle das niedrige Potential eingenommen hat und die Steuerzelle wird hierdurch vorgeladen. Diese Ladung kann einen Betrag über einem geeigneten Ladungspegel erreichen.

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Das in Vorwärtsrichtung blockierende Gatter wirkt jedoch als eine Barriere und verhindert einen Zufluß der Ladung in die erste Zelle. Wenn die getaktete Quelle das niedrige Potential einnimmt, so wird überschüssige Ladung von der Steuerzelle abgezogen und der Zyklus kann wiederholt werden.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm eines Serien-Parallel-Serien-CCD-Registers mit einem zugeordneten Injektor und einem Abtastverstärker,

.Figuren 2A und 2B seitliche Ansichten der Eingangsbereiche zweier Ausführungsformen von CCD-Registern sowie eines Teiles des zugeordneten Injektors,

Figuren 2C bis 2G graphische Darstellungen des Potentialverlaufs im Bereich der Eingangsbereiche gemäß den Figuren 2A und 2B für verschiedene Zeitpunkte bei Anwendung des Verfahrens der Ladungsinjektion mittels einer getakteten Quelle, Figur 3 einen Schaltkreis gemäß der Erfindung, Figur 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Bereich der ersten Zelle eines CCD-Registers gemäß Figur 1, Figur 5 ein Taktdiagramm, das die zeitliche Beziehung zwischen den Taktinipulsen angibt, wie sie für den Betrieb des Schaltkreises gemäß Figur 3 benötigt werden, Figur 6 eine graphische Darstellung der Empfindlichkeitscharakteristik der Sperrschichthöhe der Zelle gemäß Figur 4 und Figur 7 eine weitere Ausführungsform eines LadungsinjektorSchaltkreises gemäß der Erfindung.

Gemäß Figur 1 ist ein Blockdiagramm eines mit einem CCD-Register realisierten Speichersystems dargestellt. Alle Komponenten des CCD-Speichersystems sind auf einem einzigen Halbleiterchip integriert, der seinerseits eine Vielzahl solcher Register aufweisen kann. Es sei darauf verwiesen, daß ein einzelner Leitungszug, der

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die verschiedenen Blöcke gemäß Figur 1 miteinander verbindet, aus mehreren Einzelleitungen bestehen kann. Durch die Pfeile wird in Figur 1 die Richtung des Informationsflusses angezeigt. Das grundlegende Element in Figur 1 wird durch den Block 200 dargestellt, der ein Serien-Parallel-Serien-Register (SPS-Register) darstellt. Das SPS-Register 200 besteht aus drei Einheiten: Einem Eingangs-Serienregister 210, einem Ausgangs-Serienregister 220 und einem zentralen Speicherregister 230. Die Eingangsklemme 201 des Registers 200 bildet daher die Eingangsklemme für das Eingangs-Serienregister 210. Die Informationsbits in Form von Ladungspaketen werden in das Register 210 injiziert und durch dieses seriell hindurchgeschoben. Die Zel3.en des CCD-Registers 210 sind ebenfalls an das zentrale Speicherregister 230 angeschlossen. Hierbei wird das Eingangsregister 210 mit dem zentralen Register 230 über eine Reihe von Gattern angeschlossen, die eine parallele Informationsübertragung in das zentrale Register 230 gestatten. Die Informationsbits werden sodann in Richtung der eingezeichneten Pfeile durch das zentrale Register 230 hindurchgeschoben. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das zentrale Register 230 eine Breite von 8 Bit und eine Länge von 32 Bit auf, so daß sich ein 256-Bit-Schieberegister ergibt. Am anderen ausgangsseitigen Ende des zentralen Registers 230 werden die Informationsbits in Form von Ladungspaketen in das Ausgangs-Serienregister 220 übertragen. Nach Empfang dieser Informationsbits überträgt das Ausgangs-Serienregister 220 die Bits in serieller Weise zu der Ausgangsklemme 299 des Ausgangs-Serienregister s 220.

Das Register 220 empfängt, überträgt und gibt Information in Form kleiner Ladungspakete in der Größenordnung von 50 bis 230 X 10 C ab. Diese Ladungen weisen selbstverständlich keinen Pegel auf, der als logischer Pegel eines Systems geeignet wäre. Dementsprechend müssen die Register gepuffert werden, um entsprechend geeignete Eingangs- und Ausgangssignale zu erhalten. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Pufferung und der Umwandlung dieser Signale.

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Die von dem SPS-Register 200 ausgegebenen Ladungspakete müssen abgetastet und verstärkt werden, d. h. sie müssen regeneriert werden, bevor sie weitergegeben werden. Zusätzlich müssen diese Ladungspakete in geeignete Logikpegel umgesetzt werden, bevor sie auf die Datenschiene zu anderen Systemkomponenten gegeben werden. Dies geschieht durch den Abtastverstärker 300, der mit seiner Eingangsklemme 301 an die Ausgangsklemme 299 des SPS-Registers 200 angeschlossen ist. Der Verstärker 300 muß hochempfindlich sein, um die sehr kleinen Ladungspakete abtasten zu können, nachdem diese durch das Schieberegister 200 hindurchgeschoben worden sind. Auf Grund auftretender Ladungsverluste ist es zudem erforderlich, die in dem Register 200 gespeicherten Informationsbits periodisch zu regenerieren. Dies erfolgt durch einfaches serielles Hindurchschieben der Ladungspakete aus dem Register zu dem Verstärker und durch Wiedereingabe der Ladungspakete nach ihrer Verstärkung. Diese Operation entspricht einer Leseoperation mit der Ausnahme, daß bei der letzteren die Information auf ^ einer Datenschiene ausgegeben wird, wobei dies mit einem an die Systemkomponenten angepaßten Logikpegel erfolgt. Eine solche Ausgabe auf eine Datenschiene kann über die Ausgangsleitung "Aus" gemäß Figur 1 erfolgen.

Die Dateneingabe kann über die Eingangsleitung "Ein" an dem Verstärker 300 erfolgen. In diesem CCD-Speichersystem kann daher der Verstärker 300 als Schnittstelle angesehen werden, die auf Grund von Steuersignalen den Informationsfluß durch das System steuert und Regenerations-, Lese- und Schreiboperationen durchführt.

Eine Ausgangsklemme 399 des Verstärkers 300 ist mit der Eingangsklemme 101 des Injektorschaltkreises 100 verbunden, wodurch eine Eingangsleitung für das Register 200 gebildet wird. Der Injektor 100 besitzt die Aufgabe, Pegelsignale des Systems in geeignete Ladungspakete umzuwandeln. Diese Ladungspakete werden sodann von der Ausgangsklemme 199 des Injektorschaltkreises 100 zu der Eingangsklemme 201 des Registers 200 übertragen.

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Gemäß den Figuren 2A und 2B sind seitliche Ansichten eines Substrates dargestellt, das die ersten beiden Zellen innerhalb des SPS-Registers und einen Teil des Injektors gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Figur 2A zeigt ein CCD-System mit versetzt angeordneten Oxydschichten und Figur 2B zeigt ein CCD-System mit einer implantierten Ionenschicht. Diese beiden Ausführungsformen sind funktionell gleichwertig. Das Signal AIS und das Signal B des Injektors können durch die gleichen Treibersignale des SPS gebildet werden, so daß das Gesamtsystem mit relativ wenig Taktsignalen auskommt und dadurch eine relativ hohe Dichte des Systems erzielt wird. Die Zellen Sl und S2 sind die beiden ersten Zellen des Serien-Eingangsregisters 210. Jede dieser Zellen weist eine Sperrschicht in ihrem vorderen Bereich auf, die durch die versetzt angeordnete dickere Oxydschicht gemäß Figur 2A bzw. durch die Ionenimplantation gemäß Figur 2B gebildet wird. Aufeinanderfolgende Zellen bilden leitfähig miteinander verbundene Diffusionsbereiche. In dem Substrat vom N-Typ ist ein P++ Bereich 26 angeordnet, an den das Taktsignal AIS gelegt ist. Der Bereich 26 und ein Eingangsbereich 20 der ersten Speicherzelle Sl sind über eine Steuerzelle CS miteinander verbunden. Der Eingangsbereich 20 der Speicherzelle Sl bildet ein in Vorwärtsrichtung blockierendes Gatter. Die Steuerzelle CS kann einen teilweise implantierten Bereich 27 oder eine dicke Oxydschicht aufweisen und ihre Elektrode ist an das Taktsignal B angeschlossen.

In den Figuren 2C bis 2G sind die Potentialpegel und Ladungspakete innerhalb des Substrates während des Betriebes des CCD-Systems nach dem Verfahren der getakteten Quelle dargestellt. Der höchste Pegel entspricht Masse, die niedrigsten Pegel nähern sich ungefähr -12 V und die mittleren Sperrschichtpegel betragen ungefähr 3 V. Ein negativer Pegel entspricht einem Ein-Zustand, d. h. einem Zustand, wo eine Zelle ein Ladungspaket aufnehmen und/oder speichern kann. In Figur 2C ist das Potentialprofil gemäß der Linie dergestalt, daß die Zelle Sl leer und daher bereit zum Ladungsempfang ist, d. h. sie befindet sich auf niedrigem Potentialpegel.

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Die Zelle S2 enthält ein Ladungspaket und die Steuerzelle CS ist durch einen vorbestimmten Ladungsbetrag aufgeladen. Die Quellen-Taktspannung und die Spannung für die Steuerzelle sind momentan beide eingeschaltet. Aus Figur 2D ergibt sich, daß das zuvor geladene vorgegebene Ladungspaket in die Zelle Sl injiziert wird, wenn das Signal B abgeschaltet wird. Gleichzeitig mit der Abschaltung des Signales B wird das Ladungspaket in der Zelle S2 nach der Zelle S3 übertragen. Die Zelle Sl enthält sodann einen genauen Ladungsbetrag und die Einrichtung ist bereit, ein neues Ladungspaket bereitzustellen. In Figur 2E hat das Signal B von einem hohen auf einen niedrigen Pegel gewechselt und das Signal AIS wird abgeschaltet. Bei diesem Vorgang verhindert gemäß Figur 2F das in Vorwärtsrichtung blockierende Gatter 20 weiterhin einen Ladungsfluß von der Zelle Sl nach der Steuerzelle CS und es wird das Ladungspaket zur Zelle S2 übertragen. Die getaktete Quelle AIS erzeugt gleichzeitig eine Ladung in der Steuerzelle CS. Der Eingangsbereich 26 muß ein niedrigeres Potential als das Gatter 20 aufweisen, da sich andernfalls die von der Taktquelle bereitgestellte Ladung in die Zelle Sl verschieben würde, da dieser Bereich ein niedrigeres Potential aufweist. Hierdurch würde der Ladungsbetrag, der zuvor in die Zelle Sl in Form eines präzise geregelten Ladungspaketes injiziert wurde, verzerrt. Ein präziser Pegel ist während dieses Schrittes für das Taktsignal nicht erforderlich, solange der Pegel oberhalb dem Sperrschichtpegel zwischen dem Eingangsbereich 26 und der Steuerzelle CS und andererseits unterhalb dem Pegel des Gatters 20 der Zelle Sl liegt, wie dies durch das Potentialprofil gemäß der Linie 24 angedeutet ist. Gemäß Figur 2G liegt die Steuerzelle CS weiterhin an Spannung und die Taktquelle ist abgeschaltet. Die an die Steuerzelle abgegebene überschüssige Ladung fließt hierbei in den Eingangsbereich zurück. Da das Potential der Sperrschicht der Zelle Sl höher als das Potential der Sperrschicht der Steuerzelle CS liegt, ergibt sich ein präzise geregelter Ladungsfluß in die Zelle Sl. Nachdem gemäß Figur 2C die überschüssige Ladung über die Sperrschicht der

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Steuerzelle CS abgeflossen ist, verbleibt nur ein genau definiertes Ladungspaket in der Steuerzelle CS und die zuvor erwähnten Schritte können erneut wiederholt werden. Die jeweils schraffierten Bereiche innerhalb der Figuren 2C bis 2G deuten das Vorhandensein der Ladung an.

Es sei darauf verwiesen, daß die Veränderung der Spannungspegel der Sperrschichten und das Herausfließen der Ladung nicht augenblicklich erfolgt. Kierdruch kann die Ladung in der gewünschten Richtung abfließen, wenn das Potential der Sperrschichten entsprechend erniedrigt wird. Auf Grund des hohen Schwellwertes, insbesondere des Sperrschichtbereiches 20 der Zelle Sl geht beim Einschalten des Taktes AIS das Oberflächenpotential im Eingangsbereich 26 schneller nach negativen Werten als in dem Sperrschichtbereich 20.

Es ist ersichtlich, daß der Betrag der injizierten Ladung bei diesem Verfahren von der SperrSchichthöhe abhängt. Die Sperrschichthöhe ist eine Funktion der relativen Höhen der versetzt angeordneten Oxydschicht 28 oder der SchwellwertverSchiebung, die sich aus der Ionenimplantation im Bereich 27 ergibt. Der Herstellungsprozeß von CCD-Systemen stellt hinsichtlich der Festlegung der SperrSchichthöhen höchste Anforderungen. Durch die Betriebsweise mit einer getakteten Spannungsquelle kann ein relativ unkritischer Betrieb des Schaltkreises ermöglicht werden, ohne daß die zuvor erwähnten kritischen Parameter bei dem Herstellprozeß genau erfüllt v/erden müssten. Hierbei muß der relative Spannungspegel im Hinblick auf den in Vorwärtsrichtung blockierenden Sperrschichtpegel und den Pegel des Taktes B überwacht werden, wobei dies jedoch relativ einfach erfolgen kann. Es kommt hinzu, daß die relativen SperrSchichthöhen in Bezug aufeinander konstant sind und durch den Herstellprozeß auf einem Halbleiterplättchen nicht beeinflußt werden.

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Diese Betriebsweise steht im Gegensatz zu der Festspannungsmethode/ bei der anstelle einer an die Elektrode angelegten veränderlichen getakteten Spannung eine feste Referenzgleichspannung an die Elektrode angelegt wird. Diese Festspannung müsste höchstgenau überwacht werden, um die gewünschte gleichmäßige Ladungsinjektion zu erzielen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle Transistoren als MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet. Dementsprechend werden die Transistoren durch Signale mit niedrigem Potential eingeschaltet und durch Signale mit hohen Potential ausgeschaltet. In den Schaltungsdiagrammen sind die Größen der Transistoren angegeben, indem das Produkt aus Breite mal Länge in ja angegeben wird.

Gemäß Figur 3 ist ein Schaltkreis dargestellt, bei dem von dem Verfahren der getakteten Spannung gemäß der Erfindung Gebrauch gemacht wird. Der Injektorschaltkreis 100 ist vollständig und das Eingangs-Serienregister 210 ist teilweise dargestellt. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang nur, daß die Zelle Sl durch das Signal A geschaltet wird. Die erste Zelle Sl des Registers 210 muß die Summe der über die beiden parallelen Übertragungswege eingespeisten Ladungen aufnehmen und speichern. In den beiden parallelen übertragungswegen sind die Zellen 105 und des Injektors 100 angeordnet. Beide Zellen 105 und 110 sind mit ihren Elektroden an das Taktsignal B angeschlossen. Die Zelle 105 ist eine Speicherzelle, die nur in einer Richtung wirkt. Bei der Zelle 110 handelt es sich um eine vollständig implantierte Gatterzelle. Der Betrag der Ladung, der in einer Speicherzelle gespeichert ist, hängt von der Größe und damit von der Geometrie dieser Zelle ab. Die Zelle 105 muß einer Ladung entsprechend der Signalladung, d. h. ungefähr 170 bis 180 X 10 C speichern. Speicher- und Sperrschichtbereich nehmen dementsprechend eine Gesamtgröße von 7 X 17 μ ein. Es sei darauf verwiesen, daß die Zellen innerhalb des CCD-Registers etwa eine Größe von 0,06 ^

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aufweisen. Die Steuerzelle für die Signalladung ist dementsprechend bedeutend kleiner als die Zellen innerhalb des Registers. Die Steuerzelle ist bis zu ihrer maximalen Kapazität geladen, während dies bei den Registerzellen nicht der Fall ist. Eine 75%-Aufladung entspricht "1" und eine entsprechend geringere Aufladung entspricht "0".

Eine ausreichende "0" (ungefähr 50 X 1O~ C) ist für einen befriedigenden Betrieb des CCD-Registersysterns erforderlich. Die Zelle Sl wird manchmal als "Mischer" bezeichnet und im vorliegenden Beispiel wird ihr immer eine ausreichende "0" injiziert. Eine zusätzliche Signalladung wird in Abhängigkeit von dem Pegel des Signales V₀. , das an den Transistor 115 angelegt wird,injiziert. Der Kondensator C entspricht in Wirklichkeit der Eigenkapazität zwischen der ungefähr 6 u langen Elektrode der Zelle 110 und der P++ Diffusionsleitung, die die Zelle 110 mit der Zelle Sl verbindet. Dieser Kondendensator speichert ein Ladungspaket, das einer ausreichenden "0" entspricht. Die Gatterzelle 110 wirkt daher wir eine sehr kleine Speicherzelle (12 u Kantenlänge) und kann daher durch eine solche Speicherzelle ersetzt werden, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Von wesentlicher Bedeutung für die Funktion der Erfindung sind die parallelen Pfade 120 und 125 zu dem Mischer Sl. Der Pfad 125 durch die Zelle 110 dient der Vorgabe einer ausreichenden "0" für den Mischer bei jedem Operationszyklus. Der Pfad 120 durch die Zelle 105 erzeugt je nach den vorliegenden Umständen ein Signal-Ladungspaket (ungefähr 170 bis 180 X 10 C) für den Mischer. Dieses größere Ladungspaket entspricht der Differenz zwischen der anfänglichen Darstellung einer "1" und einer "0". Es sei darauf verwiesen, daß eine "0" dem Ladungspaket entsprechend einer ausreichenden "0" entspricht. Wenn das Signal V . hohes Potential ("1") aufweist, so ist der als Diode betriebene Transistor ausgeschaltet und es fließt die Ladung von der Zelle 105 über den Pfad 120 in den Mischer Sl. Wenn das Signal Vg. niedriges Potential aufweist ("0"),so wird der als Diode betriebene Transistor 115 durchgesteuert und es fließt das Ladungspaket von der

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Zelle 105 über den Transistor 115 anstelle in den Mischer Sl. Es wird somit jeweils eine ausreichende "0" in den Mischer Sl injiziert, wobei die zusätzliche Injizierung der Signalladung von der Zelle 105 von dem Pegel des Signales V_g. abhängig ist.

Gemäß Figur 4 ist eine Mischerzelle Sl näher dargestellt. Der gestrichelte Bereich stelle eine sehr dicke Oxydschicht von

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ungefähr 10 A auf der Oberfläche des Substrates dar. Die Diffusionsleitungen P++ verbinden die Zelle Sl mit der Zelle S2 usw. Weiterhin ist die Verbindung der Diffusionsleitungen 120 von der Zelle 105 und der Diffusionsleitung 125 von der Zelle 110 dargestellt. Alle Diffusionsleitungen P++ sind an die vorderen Bereiche der Zellen angeschlossen, die dem in Kreuzschraffur dargestellten N+ Ionen-Implantationsbereich entsprechen. An die Zellen Sl und S2 sind entsprechende Elektroden angelegt, die an die Taktsignale AIS und B entsprechend angeschlossen sind. Es wird vorausgeschickt, daß das dicke Oxyd zwischen den Diffusionsleitungen 120 und 125 diese Leitungen von äußeren Einflüssen und voneinander isoliert. Auf diese Weise ist die über irgendeine Leitung dem Mischer Sl zugeführte Ladung nicht in der Lage, den Mischer über die andere Leitung in unkontrollierter Weise zu verlassen.

Gemäß Figur 5 ist die zeitliche Beziehung zwischen den Taktsignalen dargestellt. Im vorliegenden Beispiel ist die Taktquelle AIS an das Potential V _ς angebunden, das eine relativ hohe Amplitude (12V) aufweist. Auf diese Weise bildet das in Vorwärtsrichtung blockierende Gatter 20 immer eine Sperrschicht von ausreichender Höhe, um einen unerwünschten Ladungsfluß in umgekehrter Richtung über diese Sperrschicht zu verhindern. Mit Ausnahme für diesen Pegel entspricht jedoch der Takt AIS in den anderen Fällen dem Takt A.

Gemäß Figur 6 ist die Empfindlichkeitscharakteristik der Sperrschichthöhe des in Vorwärtsrichtung blockierenden Gatters dargestellt. Es sei darauf verwiesen, daß alle Spannungen negativ

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angegeben sind. Der kritische Parameter beim Betrieb des Injektorschaltkreises ist durch den an die Zelle Sl abgegebenen Betrag vorgegeben. Wie zuvor erläutert, ist dieser Betrag von der Sperrschichthöhe Δ S sowie von der Zellengröße abhängig. Δ. S stellt sich jedoch wie ersichtlich als die Differenz zwischen dem Oberflächenpotential (Linie 60) in dem Speicherbereich einer Zelle und dem Oberflächenpotential· (Linie 61) in. dem Sperrschichtbereich der Zelle dar. In dem Bereich von 12 V Ϊ5 V ist Λ. S relativ konstant, wie sich durch Vergleich zwischen den Größen Δ SO,

& Sl und Δ. S2 ergibt. Demgemäß kann der Injektorschaltkreis bedeutende Änderungen der Taktsignale zulassen und erzeugt trotzdem Ladungspakete innerhalb der geforderten Toleranzen.

Gemäß Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der .Erfindung dargestellt. Die Zelle Sl weist wiederum zwei parallele Eingangspfade auf. Der obere Pfad über die Zellen 75, 76, 77, 78 und 80 dient der Injizierung der Signalladung. Der untere Pfad über die Zellen 70, 71, 72 und 73 dient der Injizierung einer ausreichenden "0". In den beiden Pfaden sind die ersten beiden Zellen 70 und 75 vollständig implantierte Gatterzellen und die nächsten beiden Zellen 71 und 76 sind nicht-implantierte Speicherzellen. Ebenso können diese Zellenpaare 75/76 und 70/71 durch einzelne Einrichtungs-Speicherzellen ersetzt werden, die eine versetzt angeordnete Oxydschicht oder einen teilweise ionenimplantierten Bereich auf v/eisen. Im: dargestellten Beispiel sind die Elektroden aller dieser Zellen an das Taktsignal A angeschlossen. Vollständig implantierte Gatterzellen 72 und 77 bilden in Vorwärtsrichtung blockierende Gatter für Speicherzellen 73 und 78. Dementsprechend wird das Taktsignal BIS an die Steuerzellen 71 und 76 über die Gatterzellen 70 und 75 angelegt. Weiterhin dient das Taktsignal BIS als Torsteuerimpuls für die Blockiergatter 72 und 77.

Im vorliegenden Beispiel wird eine ausreichende "0^ir durch eine Ladung erzeugt, die dem Zweifachen einer ausreichenden "0" oder ungefähr 100 X 10 C in der Zelle 71 entspricht. Diese Lösung

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kann vorzuziehen sein, wenn zu schwierig oder zu kostspielig ist, den einer einfachen, ausreichenden "0" entsprechenden Ladungsbetrag genau zu erzeugen. Dementsprechend ist die Ausgangsleitung des Blockiergatters 72 nach den Zellen 73 und 74 verzweigt, welche die ursprünglich in der Zelle 71 erzeugte Ladung dividieren. Die an die Zelle 74 gelegte Ladung fließt über den als Diode betriebenen Transistor 85 zu der relativ niedrigeren Spannung V,,. Der verbleibende Betrag der Ladung wird in jedem Fall in die Zelle Sl übertragen.

Die Signalladung wird in die Zelle 78 übertragen und je nach den vorliegenden Bedingungen über eine der beiden verzweigten Leitungen übertragen. Das Signalladungspaket wird entweder über die Gatterzelle 80 in die Zelle Sl oder über die Zelle 79 auf die Unterdrückungsleitung über den als Diode betriebenen Transistor 85 gegeben. Kenn das Signal V . entsprechend "O"

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niedriges Potential aufweist, so wird die Signalladung über die Steuerzelle 79 geführt. Wenn das Signal V . entsprechend "1" einen hohen Pegel aufweist, und der Weg über die implantierte Gatterzelle 80 freigegeben ist, so fließt die Ladung in die Zelle Sl.

Es sei an dieser Stelle vermerkt, daß der vorstehend beschriebene Injektor verschiedene zusätzliche Vorteile aufweist. Die Erzeugung der Ladung und die Signalverstärkung v/erden parallel durchgeführt. Dies bedeutet, daß das Signal V . solange nicht vorhanden sein muß, bis es in den Zyklus eingeführt wird. Der Zweck des Signales V . liegt darin, die Ein- bzw. Ausgabe der stabilisierten Ladung in das System zu steuern. Die praktische Auswirkung führt zur Aufhebung kritischer Zeiteinschränkungen hinsichtlich dieser Signalleitung, wodurch die Anforderungen an den Abtastverstärker vermindert werden. Die Eigenblockierung des Schaltkreises durch Anlegen der getakteten Spannung AIS an das in Vorwärtsrichtung blockierende Gatter bildet eine wesentliche Verbesserung des allgemeinen Verfahrens der getakteten

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Spannungsquelle. Hierdurch werden besondere üblicherweise in anderen getakteten Injektoren erforderliche Taktsignale überflüssig. Weiterhin erlaubt das Mischerelement die einfache Summierung einer ausreichenden "0" mit dem bedingungsabhängig injizierten Ladungspaket. Schließlich sei darauf verwiesen, daß die P++ Diffusionsleitungen unterschiedliche Länge aufweisen können, was zu einer großen Flexibilität hinsichtlich der Bemessung der Schaltungsschemen gemäß der vorliegenden Erfindung führt.

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Claims

Patentansprüche

'±j Ladungsinjektor in integrierter Schaltkreistechnik für ein CCD-Register, dessen Information durch zwei um 180° phasenverschobene Taktsignale verschoben wird, gekennzeichnet durch

eine erste Einrichtung, der das erste Taktsignal zugeführt wird,

eine zweite an die erste Einrichtung angeschlossene Einrichtung, die auf das zweite Taktsignal anspricht und Ladungspakete erzeugt und

eine dritte auf logische Signalpegel ansprechende Einrichtung zur Veränderung des an das CCD-Register abgegebenen Ladungsbetrages durch steuerbare Ankopplung der zweiten Einrichtung an das CCD-Register.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung vierte und fünfte Einrichtungen umfaßt, die die zweite Einrichtung parallel zu der ersten Einrichtung an das CCD-Register ankoppeln, wobei die vierte Einrichtung auf die logischen Pegelsignale anspricht.
3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einrichtung direkt an das CCD-Register angeschlossen ist.
4. Injektor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine gabelförmige Eingangseinrichtung, durch die die dritte Einrichtung an das CCD-Register angeschlossen ist, wobei ein erster Arm der Eingangseinrichtung an die vierte Einrichtung und ein zweiter Arm der Eingangseinrichtung an die fünfte Einrichtung angeschlossen ist.

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5. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Einrichtung sechste und siebte Einrichtungen umfaßt, die jeweils der Erzeugung von Ladungspaketen dienen und wobei die sechste Einrichtung
durch die vierte Einrichtung und die siebte Einrichtung
durch die fünfte Einrichtung an das CCD-Register angeschlossen ist.
6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die vierte Einrichtung einen Transistor auf v/eist, der durch die logischen Pegelsignale angesteuert wird und die sechste Einrichtung an eine Senke anzuschließen vermag, so daß das in der sechsten Einrichtung erzeugte Ladungspaket an die Senke anstatt an das CCD-Register abgegeben wird.
7. Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor als Diode geschaltet ist.
8. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die sechste Einrichtung aus einer Speicherzelle besteht.
9. Injektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Speicherzelle in der Lage ist, ein Ladungspaket von ungefähr 170 χ 10~ C zu speichern.
10. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die siebte Einrichtung aus einer
Speicherzelle besteht.
11. Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Speicherzelle in der Lage ist, ein Ladungspaket von ungefährt 50 χ 1O~ C zu speichern.

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12. Inj ektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die siebte Einrichtung aus einer Gatterzelle besteht.
13. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektorschaltkreis und das CCD-Register auf dem gleichen Substrat integriert sind.
14. Injektor nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet , daß die Gatterzellen aus vollständig ionenimplantierten CCD-Zellen bestehen.

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