DE2644593A1

DE2644593A1 - Verfahren und anordnung zur nachbildung eines ladungspakets

Info

Publication number: DE2644593A1
Application number: DE19762644593
Authority: DE
Inventors: Lawrence Griffith Heller
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-10-24
Filing date: 1976-10-02
Publication date: 1977-04-28
Also published as: FR2329054B1; GB1542129A; CA1092708A; IT1074064B; FR2329054A1; NL7610346A; US4047051A; JPS5252376A; JPS5527472B2

Description

bu/bm

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, lsi.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichens Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 975 015

Verfahren und Anordnung zur Nachbildung eines Ladungspakets

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Für Zwecke der Signalverarbeitung wird häufig das Prinzip der Ladungsträgerkopplung (CCD) verwendet. Die Verschiebung der Ladung von einem Ladungsspeichertopf zu einem anderen und die Incrementaddition der Ladung, zu vorher existierenden Ladungspaketen, um eine entsprechende Verstärkung zu erhalten, ist an sich bekannt, wie aus der USA-Patentschrift 3 806 772 hervorgeht. Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, Ladungspakete für die Zwecke der Signalverarbeitung zu duplizieren f wobei das jeweils ursprüngliche Ladungspaket unverändert bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist. In vorteilhafter Weise bedient sich die Erfindung einer Ladungsträger gekoppelten Anordnung, unter Anwenden eines Gate-Verschiebungsladungsflusses, im Zusammenwirken mit einer "Eimerketten"'-Schaltung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen,

im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen

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näher erläutert.
Es zeigen;

Fig. 1 in schematischer Weise einen Querschnitts-

ausschnitt eines Äusführungsbeispiels einer Laaungstragergekoppelten monolithisch integrierten Schaltung, gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild, für einen entsprechen

den Abschnitt äer Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Querschnittsausschnitt eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, einschließlich der hierzu erforderlichen Hilfsschaltung,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm, zur Erläuterung der

Wirkungsweise der Schaltungsanordnungen nach Fig. 1.

Der schematische Querschnittsaussclmitt, für eine CCD-Anordnung, gemäß Fig. 1, zeigt ein P-Substrat iO_f daß aus Silicium bestehen kann. Die Elektroden 12, 14, 1C, 18 und 20 sind in einer Isolationsschicht 22 eingebettet, die ebenfalls aus Siliciumdioxid bestehen kann. Die Elektroden 12, 14, 16, und 20 selbst, können aus Aluminium oder aus irgend einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen. Eine N -Sorurce-Zone befindet sich im Halbleitersubstrat und steht mit der Elektrode 14 in elektrischer Verbindung. Ein Kondensator C_L stellt als Ersatzkapazität die unvermeidliche Streukapazität dar. Die Elektrode 18 liegt auf Gate-Potential V , während Elektrode 20 ein Potential V-,_D

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besitzt. Das Phase-1-Signal und die anderen Steuersignale, die den bezeichneten Elektroden zugeführt werden, stammen von einem Systemtaktgeber; da hierbei in üblicher Weise vor-

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gegangen wird, sind die Taktgebungsmaßnalimen Ιϊλ einzelnen nicht gezeigt oder beschrieben. Das in Fig. 4 gezeigte 2eitgebungsdiagramm spricht hier für sich. Anfänglich wird die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auf einen solchen Wert aufgeladen, daß sich Elektrode 14 auf einem Source-Potential ^Vs ⁼ V_g ~ V_th befindet; wobei Vy₁ die Schwellenwertspannung für die Source-Diffusionszone 24 bildet.

Gleichzeitig wird die Vorladung unterhalb der V_Rp-Elektrode entfernt. Die Elektrode 12 stellt eine Steuerelektrode dar, die es gestattet, eine vorgegebene Ladungsmenge oder ein Ladungspaket,, das hinfort mit Q_0R als ursprüngliches Ladungspaket bezeichnet wird, in einen ersten CCD-Eingangs-Potentialtopf zu überführen, wie er unter Bezugszeichen 26 in Fig. 1 dargestellt ist.

Wenn das Ladungspaket ς>_ορ in diesen ersten Potentialtopf überführt wird, dann geht damit einher, daß die Elektrode 14 in ihrem Potential herabgedrückt oder V herabgesetzt v/ird. Dies hinwiederum hat zur Folge, daß ein Wiederaufladestrom I_d

fließt der V„ wieder auf den Wert V - V₁, anhebt. Fließt s g th

der Strom 1^, dann wird die Ladung von der Source-Diffusionszone 24 in einen zweiten CCD-Potentialtopf 28, unterhalb der Elektrode 20 überführt. Der Betrag oder die Menge der Ladung, entsprechend Q^, die so in den zweiten CCD-Potentialtopf überführt wird, entspricht im wesentlichen dem Betrag der Ladung, im Eingangs ladungspaket Q_n-,. Das Ladungspaket Q_nt) daß sich im CCD-Potentialtopf 28 ausbildet, läßt sich auf der Grundlage der Qxidkapazität der monolithisch integrierten Schaltung ausrechnen.

Das Ersatzschaltbild nach Fig. 2, gilt für den ersten CCD-Potentialtopf 26 und enthält die Oberflächen-^ u-Gate-Oxid-Kapazität C „ und die Verarmungskapazität C₁ zwischen Silicium-

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oberfläche und Masse, wobei die Verarmungskapazität eine nicht lineare Abhängigkeit von der Spannung zeigt. Stellt A die wirksame Fläche für das Ladungspaket Q_QR dar, dann ist die Kapazität des CCD-Potentialtopf 26 gleich dem Ausdruck C A parallel zu C^A, wobei sich für die Oberflächenpotentialänderung Δ V aufgrund des Eingangsladungspacketes die folgende Beziehung ergibts

DV = Q_0R/A (C_ox + C_d).

Da die überführte Ladung Q_n- = AC AV ist, ergibt sichs

Kir Oa

da sich C, unter der Einwirkung von Q_QR schnell ändert und C _r wesentlich größer ist als C,, muß die duplizierte Ladung ^RP ^{iia wesentlicnen rait der} ursprünglichen Ladung ü_QR übereinstimmen.

Daraus ergibt sich, daß die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 im Stande ist, ein Ladungspaket so zu reproduzieren, das es einem ursprünglichen Eingangsladungspaket entspricht, Indern •^:Eimerketten^:!-Schaltungsmaßnahmen in einem CCD-Ausführungsbeispiel Anwendung finden. Das Ladungspaket, daß sich nunmehr im CCD-Potentialtopf 28 befindet, läßt sich für Signalverarbeitung und dergleichen weiterverwenden, wohingegen das ursprüngliche Eingangsladungspaket im CCD-Potentialtopf 26 unverändert zurückbleibt.

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung enthält zusätzlich die Hilfsschaltung, wie sie beispielhaft zum Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung herangezogen werden kann. Das Zeitdiagramm hierzu ergibt sich aus Fig. 4, In der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung liegt die Elektrode 30 an einer Phase-1-Signalquelle und Elektrode 12, an einer Phase-2-Signalquelle. Der Elektrode Ifl WJTcä P>j,n Phase—g1—Rqtesignal und der Elektrode 32 ein

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"~ β —

Phase-g2-Gate-Signal zugeführt. Eine Diffusionszone 34 liegt am Signaldrain V_d und ein aktives Bauelement 36, ist an die eindiffundierte Source-Zone 24 angeschlossen; wobei die Steuerung durch Anlegen eines Rückstellsignals an das Gate erfolgt,

Wenn bei Betrieb ein Phase-1-Signal an der Elektrode 30 auftritt, wird das Eingangsladungspaket Q entsprechend verschoben und unterhalb der Elektrode 30 gespeichert. Zur gleichen Zeit tritt ein Phase-g., -Gatesignal auf und wird der Elektrode 18 zugeführt, Indem es so eine Vorab-Ladebedingung V₃ an der Elektrode 14 herbeiführt, wobei wie oben abgehandelt, gilts V_s = V_g - V_th. Gleichzeitig tritt aber auch das Phase-g₂-Gate-Signal auf und wird der Elektrode 32 zugeführt, so daß die Vorabladung von Drain V_d abfließt, v, dient dazu, die der Vorabladung entsprechende Ladung abzuleiten, so daß keine Vermischung mit der Ladung Q_nT> eintreten kann.

Wach Abschluß dieser Vorgänge wird ein Phase-2-Signal der Elektrode 12 zugeführt, wodurch die Ladung Q__n in den CCD-

OR

Potentialtopf 26, unterhalb der Elektrode 14 verschoben wird, die ja, wie gesagt, entsprechend dem Wert V=V- V,, aufgeladen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie ebenfalls bereits erwähnt, das Bestreben erkennbar, daß V in seiner Größe abnimmt, in dem ein Strom I. = $ (V - V_th)²/2 fließt, so daß der Wert für V_g weiterhin der oberen genannten Bedingung genügt, nämlich gleich dem Ausdruck V - V₄, bleibt. Der Aus-

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druck für I^ hält die wohlbekannte Gleichung für die MOSFET-Sättigungscharakteristik dar_y wie sie in "Eimerketten"-Schaltungsanordnungen Anwendung findet. Als Ergebnis zeigt sich, daß das Qj^p-Ladungspaket sich in CCD-Potentialtopf 28, unterhalb der Elektrode 20 anzusammeln beginnt, Ist die Ladung Q™ im CCD-

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Potentialtopf 28 im wesentlichen gleich der Ladung Q__, im CCD-

OR

Potentialtopf 26, dann hat sich das gewünschte Resultat eingestellt, so daß sich der Zyklus durch Anlegen eines Rückstellsignals an das eiktive Bauelement 36 wiederholen läßt.

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Bei Vorliegen der Rückstellbedingung wird Ladung (im vorliegenden Fall Elektronen) bereits vor Eintreten der Vorabladungsbedingung zugeführt, so da3 sich die Bedingung für V durch den Aufladungsvorgang gemäß der Bedingung V - V-, einstellt.

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Obenstehende Abhandlung richtet sich auf ein Äusführungsbeispiel, bei dera die Ladungsträger in den Ladungspaketen durch Elektronen dargestellt v/erden. Es versteht sich jedoch, daß diese Ladungsträger in diesen Laciungspaketen ebensogut auch durch Löcher dargestellt sein können, wobei es allerdings dann erforderlich ist, daß die in Fig. 1 und 3 gezeigten Schaltungsanordnungen bzw. Schaltungsiaaßnahnaen derart modifiziert werden, daß sie mit der hierdurch bedingten Polarität verträglich sind,-d.h. aie Source-3one 24 z.B. müsste dann durch eine P -Zone dargestellt sein.

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Leerseite

Claims

P Δ T E N T ANSPRÜCHE

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Ladungsgekoppelte Halbleiterschaltung dadurch gekennzeichnet, daß in eine die Halbleiteroberfläche bedeckende. Isolationsschicht zumindest Löcher für die Anschlüsse an Source-Elektroden angebracht sind und weitere Elektroden isoliert vom Halbleiter angebracht sind, wovon eine erste Elektrode auf ein vorgegebenes elektrisches Potential zum Empfangen und Speichern einer bestimmten Anzahl von Eingangsladungsträgern vorgespannt ist, indem die Ladungsträger danach streben, dieses vorgegebene elektrische Potential herabzudrücken,

daß eine zweite Elektrode zur Ladungsträgerspeicherung vorgesehen ist, daß zwischen der ersten und der zweiten Elektrode sich eine mit der ersten Elektrode elektrisch verbundene Source-Elektrode befindet, so daß ein dynamisches Ansprechen der Source auf die oben genannte Potentialherabsetzung zu einer Stromerzeugung führt, die dieses elektrische Potential wieder auf den vorgegebenen Wert anhebt, indem eine entsprechende Anzahl von Ladungsträgern unterhalb der zweiten Elektrode angesammelt wird, bis die Ladungsträgermenge im wesentlichen der Anzahl der Eingangs ladungsträger entspricht.
2. Anordnung nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, daß zur Duplizierung einer vorgegebenen Anzahl von Eingangsladungsträgern diese von einem Potentialtopf unterhalb der ersten Elektrode, in einen Potentialtopf unterhalb der zweiten Elektrode verschiebbar sind.

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3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden jeweils aus einem Elektrodensatz mit mindestens zwei Elektrodenteilen, die durch ein Taktgebungssystera nach Art einer "Eimerketten"-Verschiebeschaltung aufeinanderfolgend steuerbar sind, bestehen.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-xJlektrode jeweils durch ein aktives Element ansteuerbar ist.

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