DE2656595C3 - Ladungsverschiebende Halbleiteranordnung - Google Patents
Ladungsverschiebende HalbleiteranordnungInfo
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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 Vpp) 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 (5)
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 (ΦΜ) 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).
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