DE2656595C3

DE2656595C3 - Ladungsverschiebende Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2656595C3
Application number: DE2656595A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Hachioji Tokyo Kubo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-12-19
Filing date: 1976-12-14
Publication date: 1981-12-10
Also published as: JPS5727551B2; JPS5275134A; NL7614091A; DE2656595A1; DE2656595B2; NL171849B; US4084107A; NL171849C

Description

55

Die Erfindung betrifft eine ladungsverschiebende Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Eine derartige Halbleiteranordnung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 24 03 190 bekannt. Diese Druckschrift enthält jedoch nur Schaltschemata, ohne die geometrische Anordnung des Taktimpulsgenerators, der Ladungsverschiebebereiche und der elektrisehen Verbindungsleitungen zwischen den verschiedenen Schaltungsteilen zu offenbaren.

Um die ladungsverschiebende Halbleiteranordnung beim praktischen Gebrauch im Hinblick auf leichte Handhabung, einfachen Einsatz, leichte Abschirmung usw. zu gestalten, ist der Taktimpulsgenerator auf demselben Substrat wie die Ladungsverschiebebereiche ausgebildet und integriert.

Da der Rauschabstand im Ausgangssignal auf Grund einer Amplitudenänderung der Taktimpulse, einer Änderung der Frequenzcharakteristik der Ladungsverschiebebereiche usw. bei Änderungen der Taktfrequenz der ladungsverschiebenden Halbleiteranordnung sehr stark abnimmt, wurde ein Differenzverfahren vorgeschlagen, bei dem die Ladungsverschiebebereiche aus zwei Ketten bestehen und so angesteuert werden, daß sich die Störsignale kompensieren. Dieses Verfahren beruht darauf, daß Störsignale, die in Phase liegen, kompensiert werden können, wenn die Ladungsverschiebebereiche durch dieselben Taktimpulse gesteuert werden und die Differenz zwischen der. beiden Ausgangsimpulsen gebildet wird.

Wenn ein Taktimpulsgenerator für die Ladungsverschiebebereiche, die auf dem Differenzverfahren beruhen, auf demselben Substrat wie diese integriert werden soll, kann er bezüglich der Ladungsverschiebebereiche entweder in gleicher Richtung oder seitlich daneben angeordnet sein. Die Anordnung, bei der der Taktimpulsgenerator in gleicher Richtung liegt, ist jedoch besser als die Anordnung, bei der der Taktimpulsgenerator seitlich neben den Ladungsverschiebebereichen liegt, und zwar im Hinblick auf das Differenzverfahren, weil Störsignale besser unterdrückt werden können.

Dabei ergeben sich jedoch die nachfolgend angedeuteten Schwierigkeiten.

(1) Der Ladungsverschiebebereich ist ein langgestrecktes Bauelement Wenn der Taktimpulsgenerator in gleicher Richtung angeordnet wird, wird der Chip noch langer, so daß dadurch die Anordnung und das Anbringen des Chips, die Bausteinbildung usw. teuer werden.

(2) Die Zahl der Schnittpunkte zwischen den Impulsleitungen untereinander und der Schnittpunkte zwischen den Eingangssignalleitungen und den Impulsleitungen ist groß, so daß auch die Störsignale groß sind. Darüberhinaus treten hinsichtlich der Impulsform asymmetrische Störsignale auf, so daß sich der Effekt des Differenzverfahrens verschlechtert

(3) Die Ladungsverschiebebereiche bilden eine kapazitive Last (50—200 pF pro Stufe), und es wird eine Leistung von etwa 0,4 bis 1 W für die gesamten Taktimpulse verbraucht, um die Ladungsverschiebebereiche mit hoher Geschwindigkeit (~ 10 MHz) anzusteuern. Wenn ein derartiger Taktimpulsgenerator als eine Einheit ausgebildet wird, tritt in der Nähe desselben ein starker Temperaturanstieg auf, der Strom eines in dem Taktimpulsgenerator enthaltenen MOS-Transistors verringert sich, die Leitfähigkeit nimmt ab, und der Taktimpulsgenerator zeigt ein schlechteres Arbeitsverhalten.

(4) Auch wenn der Taktimpulsgenerator sehr sorgfältig, gut und mit hohem Aufwand ausgebildet und gefertigt ist, treten asymmetrische Temperaturverteilungen auf, und die an den Ladungsverschiebebereichen auftretenden Temperaturanstiege sind unterschiedlich. Dadurch ergeben sich auch asymmetrische Leckströme, was zu einem größeren Rauschen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

ladungsverschiebende Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie einen kleinen Rauschpegel hat

Bei der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Lösung dieser Aufgabe wird eine im wesentlichen symmetrische räumliche Anordnung der Taktimpulsgenerator-Blöcke bezüglich den Ladungsverschiebebereichen erzielt, die eine gleichmäßige Temperaturbe^!istung der Ladungsverschiebcbereiche und gleichzeitig eine Verringerung der Kreuzungsstellen zwischen den verschiedenen Leitungen zur Folge hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen geicennzeichnet

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

F i g. i und 2 herkömmliche ladungsverschiebende Halbleiteranordnungen,

F i g. 3 und 4 Blockschaltbilder von ladungsverschiebenderi Halbleiteranordnungen gemäß zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung,

F i g. 5 ein Schaltbild zur näheren Erläuterung des in F i g. 3 enthaltenen Taktimpulsgenerators,

F i g. 6 ein Impulsdiagramm der in der Schaltung nach F i g. 5 auftretenden Taktimpulse,

F i g. 7 eine andere Schaltungsanordnung für den in F i g. 3 enthaltenen Taktimpulsgenerator; und

Fig.8 ein Blockschaltbild für eine ladungsverschiebende Halbleiteranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der herkömmlichen Halbleiteranordnung nach Fi g. 1 ist ein Taktimpulsgenerator 33 seitlich neben den Ladungsverschiebebereichen 31, 32 angeordnet, während er bei der bekannten Halbleiteranordnung nach F i g. 3 in gleicher Richtung wie die Ladungsverschiebebereiche 31, 32 liegt Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Halbleiteranordnungen weisen die oben dargelegten Nachteile auf. Bei beiden Halbleiteranordnungen sind sechs Schnittpunkte zwischen den Impulsleitungen und «o acht Schnittpunkte zwischen den Signaleingangsleitungen und den Impulsleitungen vorhanden.

F i g. 3 zeigte ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei Taktimpulsgenerator-Blöcke 43, 44 oberhalb und unterhalb von zwei zueinander parallel angeordneten Differenz-Ladeverschiebungsbereichen 41, 42 vorgesehen sind. In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 45 eine Leitung für Leitimpulse zur Steuerung von außen versehen. Von den Leitimpulsen werden vier Phasen-Impdsgruppen derselben Schwin- so gungsform in den Taktimpulsgenerator-Blöcken 43, 44 gebildet. Arbeiten die Taktimpulsgenerator-Blöcke 43, 44 mit einer Frequenzteilung um zwei oder mit einer Frequenzteilung um vier ist, so ist eine weitere Leitung 46 zum Einstellen des Anfangswertes erforderlich. Beim Vergleich dieser Halbleiteranordnung mit der nach F i g. 2 erkennt man folgende Vorteile:

(1) Die Zahl der Schnittpunkte zwischen den Eingangssignalleitungen und dem Impulssystem verringert sich von acht auf vier. Darüberhinaus überschneiden sich nur die Signaleingangsleitungen mit der Leitimpulsleitung und der Leitung für die Anfangswert-Einstellung, an denen nur kleine Spannungsamplituden und geringe Ströme auftreten. Störsignale werden daher noch besser unterdrückt als bei fer Halbleiteranordnung nach Fig. 2.

(2) Zwischen den Signaleingangsleitungen und den Taktimpulsleitungen liegen bei der Halbleiteranordnung nach F i g. 3 keine Schnittpunkte vor.

(3) Die Gesamtanordnung wird nahezu quadratisch und kann als kostengünstiger Bauteil hergestellt werden.

(4) Die Leistungsaufnahme der Taktimpulsgenerator-Blöcke 43, 44 ist jeweils nur halb so groß wie die Leistungsaufnahme des Taktimpulsgenerators der in Fig.2 dargestellten Halbleiteranordnung, und dar Temperaturanstieg bzw. die Temperaturanstiegskomponente ist auf Grund des synergetischen Effektes kleiner als V₂. Daher wird die Leitfähigkeit der verwendeten MOS-Transistoren größer als bei Fig.2

(5) Die Ladungsverschiebebereiche 41,42 sind von den Taktimpulsgenerator-Blöcken 43, 44, die als wärmeerzeugende Quellen anzusehen sind, gleich weit beabstandet Daher ist das Wärmegleichgewicht zwischen don beiden Ladungs'- :.-schiebebereichen leicht zu erreichen, infolgedessen "»ind die auf die Temperatur zurückführenden Leckströme praktisch gleich und Störeinflüsse im Falle von Differenztypen werden klein.

(6) Die Länge der Impuisleitung, durch die ein relativ starker Strom fließt, und die Fläche, die durch die Impulsleitungen vorgegeben wird, sind kleiner als in Fig.2. Daher ist auch die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen geringer und die Strahlungsenergie der abgestrahlten elektrischen Störwellen ist kleiner.

(7) Damit die durch die Schnittpunkte zwischen den Impulsleitungen und den Signaleingangsleitungen erzeugten Störsignale die Eingangssignale möglichst nicht beeinflussen, sind gemäß Fig.4 Anschluß- bzw. Verbindungsstellen 57 für die Eingangsleitungen in einem Bereich vorgesehen, der von der Leitung 56 für die Fertlegung des Anfangswertes und den Taktimpulsleitungen begrenzt wird. Im Gegensatz dazu liegen die Anschlußstellen in F i g. 2 zwischen dem Taktimpulsgenerator 33 und den Ladungsverschiebebereichen 31,32, und es ist daher das Kontaktieren in der Praxis sehr schwierig.

In Fig.5 ist die konkrete Ausgestaltung einer Schaltung für die Taktimpulsgeneratorblöcke beispielsweise dargestellt Die in Fig.5 dargestellte Schaltung ist so aufgebaut, daß ein Leitimpuls Φμ mit kleiner Spannungsamplitude (~5 V_pp) von den E/D-Invertern verstärkt wird, so daß Taktimpulse für die Ladungsvei Schiebebereiche 61, 62 bereitgestellt werden. Die Schwingungsform der Impulse Φ\ bis Φ₄ ist in Fig.6 wiedergegeben. Mit den Bezugszeichen DC'1 und DC2 sind Gleichstromquellen versehen.

In Fig.5 gibt es zwei Schnittpunkte zwischen den Eingangsleitungen der Ladungsverschiebebereiche 61, und der Leitimpulsleitung. Obgleich die Eingangsleitungen jeweils weiterhin zwei Leitungen schneiden, treten dadurch keine Störsignale auf, weil diese beiden Leitungen Gleichspannungs-Versorgungsleitungen sind. Die Leitung 46 für das Einstellen des Anfangswertes ist in F i g. 5 weggelassen worden.

F i g. 7 zeigt ein weiteres Beispiel für Taktimpulsgenerator-Blöcke. Jeder 3'ock besteht aus einer Impulsformerschaltung 63, einem Schieberegister 64, einigen Verzögerungsschaltungen 65 und einigen Gegentakt-Schaltungen 66. Das Schieberegister 64 besteht aus

einigen hintereinander geschalteten Inverterstufen, teilt die Frequenz des Hauptimpulses mit 2 und erzeugt Impulse mit einem Tastverhältnis von 50%. Die Verzögerungsschaltungen 65 bewirken eine geringe Verzögerung zwischen Φι und Φ₂, und Φι und Φ* in vier Phasen, wobei die Verzögerungszeit der Inverterschaltungen ausgenutzt wird.

Die vorangegangenen Erläuterungen wurden nur im Zusammen! ng mit der Ansteuerung bzw. dem Betreiben von zwei Ladungsverschiebebereichen durch das Differenzverfahren gegeben. Die ladungsverschiebende Halbleiteranordnung nach der Erfindung kann jedoch auch im Zusammenhang mil anderen Ansteuerverfahren, /.. B. mit dem an sich bekannten Verfahren zum Ansteuern von ladungsverschiebcnden Halbleiteranordnungen nach dem sogenannten Serien-Parallel-System. Wie aus F i g. 8 zu ersehen ist, ist dieses System so aufgebaut, daß das Verschieben der Signalladungen uct einem ilci beiden LHuung&verscmebebereicMtMi 7ί, 72 vom .Speicherimpuls Φ₂ ausgelöst und mit dem Speicherimpuls Φ, beendet wird, und daß dagegen der andere Ladungsverschiebebereich 71 bzw. 72 vom Impuls Φ* ausgelöst und vom Impuls Φ_: beendet wird. Die Phasen der beiden Ladungsverschiebebereiche sind gerade um 180° phasenverschoben. Mit den Bezugszeichen 73 und 74 sind die Taktimpulsgenerator-Blöcke versehen. Dieses Steuerverfahren hat den Vorteil, daß die Signaltaktfrequenz doppelt so hoch wie die Taktimpulsfrequenz wird, und daß die Bandbreite der zu übertragenden Signale um das Doppelte größer ist.

ίο Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit einigen Beispielen, die sich auf ladungsgekoppelt Halbleiteranordnungen (CCD) bezogen beschrieben. Bei der ladungsverschiebenden Halbleiteranordnung nach der Erfindung kann es sich jedoch beispielsweise um eine Eimerketten-Halbleiteranordnung (BBD) handeln. Es können zwei oder auch mehr Taktimpulsphasen vorliegen, obwohl bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der Übersichtlichkeit und der Einfachl'icti iiciiucr ΓιϋΓ Cine τ i

ci'idüiei't wurde.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsverschiebende Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat, wenigstens zwei auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Ladungsverschiebebereichen und einem auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Taktimpulsgenerator, der die zwei Ladungsverschiebebereiche gleichzeitig ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulsgenerator (43, 44; 53, 54; 73, 74) in wenigstens zwei im wesentlichen gleiche Blöcke aufgeteilt ist, die so angeordnet sind, daß die Ladungsverschiebebereiche (41, 42; 51, 52; 61, 62; 71, 72) dazwischen liegen, und daß eine Leitung (45; 55) für die beiden Blöcke von außen steuernde Leitimpulse (Φμ) vorgesehen ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die beiden Blöcke verbindende Leitung (4S-.56) zum Einstellen des Ausgangswertes, die die Le'iü/ng (45:55) für die Leitimpulse (Φ«) nicht schneidet

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Eingangsleitungen, die die Leitungen (45) für die Leitimpulse (Φ_Μ) und die Leitung (46) für das Einstellen des Anfangswertes schneiden (F ig. 3).

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch wenigstens zwei für die Eingangsimpulse vorgesehenen Anschlußstellen (57), die in einem Flächenbereich liegen, der durch die Leitung (56) zum Einstellen des Anfangswertes und die die zwei Blöcke (53,5^rJ mit jeweils den zwei Ladungsverschiebebereichen (51, 52) verbindenden Leitungen begrenzt ist, wobei iie Anschlußstellen (57) mit jeweils einem der beiden Ladungsverschiebebereichen (51, 52) elektrisch derart verbunden sind, daß diese Verbindungen keine der Leitungen (55, 56) für die Leitimpulse und für die Einstellung des Anfangswertes schneiden (F i g. 4).

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Block des Taktimpulsgenerators (43,44; 53,54; 73,74) eine Impulsformerschaltung (63), ein Schieberegister (64), Verzögerungsschaltungen (65) und Gegentaktstufen (66) aufweist, daß das Schieberegister (64) aus mehreren hintereinander geschalteten Inverterstufen besteht, so daß die Frequenz des Hauptimpulses durch 2 geteilt wird und Impulse mit einem Tastverhältnis von 50% erzeugt werden, und daß die so Verzögerungsschaltungen (65) unter Ausnutzung der Laufzeit der Inverterstufen eine geringe Verzögerung in vier Phasen verursachen (F i g. 7).