DE2721039A1

DE2721039A1 - Digitale ladungsverschiebeanordnung

Info

Publication number: DE2721039A1
Application number: DE19772721039
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Ing Hoffmann; Manfred Mauthe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-10
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1978-11-16
Also published as: GB1599830A; IT1095739B; CA1124403A; JPS53139940A; US4242600A; IT7822955A0; FR2390802B1; BE866926A; JPS6012720B2; DE2721039C2; FR2390802A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München _ 3 . VPA 77 ρ 7 (M 5 BRD

Digitale Ladungsverschiebeanordnung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale Ladungsverschiebeanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Solche Anordnungen sind in der Veröffentlichung von Kosonocky "Charge-Coupled Device-An Overview" in den Wescon Technical Papers, Bd. 18, Sept. 1974, Nr. 2/1, Seiten 1 bis 20, beschrieben. Dabei werden die aufeinanderfolgenden logischen Zustände eines digitalen Eingangssignals in der Weise nacheinander bewertet, daß der eine logische Zustand, z. B. "1", zur Ansammlung von Ladungsträgern in einer Potentialsenke unter der ersten Verschiebeelektrode führt, der andere logische Zustand, z. B. "0", dagegen nicht. Da zwischen den einzelnen Bewertungsvorgängen jeweils eine Verschiebung der vorher gebildeten Ladungsträger um eine vorgegebene Zahl von Elektrodenabständen erfolgt, wird das digitale Eingangssignal in eine Folge von Ladungsträgerpaketen umgesetzt und in dieser Form in der Halbleiterschicht entlang der Elektrodenreihe in Richtung auf das ausgangsseitige Gebiet entgegengesetzter Leitfähigkeit schrittweise verschoben. Die in Fig. 10(b) dieser Veröffentlichung gezeigte, ausgangsseitige Feldeffekttransistorstufe, die zunächst einen ersten logischen Signalpegel eines digitalen Ausgangssignales abgibt, wird beim Eindringen der einzelnen Ladungsträgerpakete in das ausgangsseitige Gebiet jeweils zur Abgabe eines zweiten logischen Signalpegels veranlaßt, so daß ein dem Eingangssignal entsprechendes, im Normalfall invertiertes

St. 1 CKa / 2.5.1977

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- /- 77 P 7 0 4 5 BRD

• U-

digitales Ausgangssignal entsteht. Infolge des sogenannten Dunkelstroms, der von thermisch generierten Ladungsträgern herrührt, werden jedoch zusätzlich unerwünschte Ladungsträger unter den Elektroden angesammelt, die den beschriebenen Vorgang verfälschen. Als weiterer Fehlereinfluß kommt noch hinzu, daß nicht alle Ladungsträger von einer Verschiebeelektrode zur nächsten transportiert werden. Durch diese Beeinträchtigungen kann der Spannungshub des Ausgangssignals soweit reduziert werden, daß er in vielen Fällen nicht mehr ausreicht, um eine fehlerfreie Signalübertragung zu gewährleisten.

Man verwendet nun sogenannte Regenerierschaltungen, die den vollen Spannungshub zwischen den logischen Signalzuständen des Ausgangssignals wieder herstellen sollen.

In integrierter MOS-Schaltkreistechnik wird zum Zwecke der Regenerierung beispielsweise neben einer ersten Ladungsverschiebeanordnung auf demselben Substrat eine gleichartige zweite Anordnung vorgesehen, die mit den gleichen Taktspannungen betrieben wird (vgl. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. SC-7, 1972, Seiten 237-242, insbesondere Figur 3). Dabei ist in der Halbleiterschicht der ersten Anordnung unter einer der Verschiebeelektroden ein entgegengesetzt dotiertes Halbleitergebiet vorgesehen und mit einer Verschiebeelektrode der zweiten Anordnung verbunden, die als Eingangselektrode für den ausgangsseitig von ihr liegenden Teil dieser Anordnung dient. Die das binäre Eingangssignal repräsentierenden Ladungsträger der ersten Anordnung steuern dann das Potential der als Eingangselektrode benutzten Verschiebeelektrode, wobei die Signalauswertung am Ausgang der zweiten Anordnung erfolgt. Voraussetzung für eine fehlerfreie Signalübertragung ist jedoch, daß der als Eingangselektrode dienenden Verschiebeelektrode noch ein hinreichend großer Potentialunterschied beim Abtasten der in der ersten Anordnung verschobenen Ladungen zur Verfügung gestellt werden kann.

Im IEEE Journal of Solid-state Circuits, Bd. SC-11, 1976, Nr. 1, Seiten 18-24, insbesondere Figur 8, wird eine Ladungsverschiebeanordnung der eingangs genannten Art mit einer Regenerier-Logik

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in MOS-Technologie behandelt, die ein Flipflop enthält. Diesem wird einerseits das Potential des ausgangsseitigen Gebietes entgegengesetzter Leitfähigkeit und andererseits eine Referenzspannung zugeführt, die in einer weiteren LadungsverSchiebeanordnung mit einem nachgeordneten Komparator-Schaltkreis in der Weise gebildet wird, daß sie zwischen den Potentialen des ausgangsseitigen Gebietes beim Bewerten der logischen Zustände "O" und "1" liegt. An den Ausgängen des Flipflops wird dann in Abhängigkeit vom Über- oder Unterschreiten dieser Referenzspannurg durch das Potential des ausgangsseitigen Gebietes ein digitales Signal abgegeben, das einen zufriedenstellenden Spannungshub aufweist. Der hierzu erforderliche Schaltungsaufwand ist jedoch beträchtlich. Bei dieser bekannten Anordnung ist dem ausgangsseitigen Gebiet entgegengesetzter Leitfähigkeit noch eine gegen die Halbleiterschicht isolierte Elektrode vorgeordnet, die mit einem vorgegebenen weiteren Referenzpotential beschaltet ist, welches als Potentialbarriere wirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine digitale Ladungsverschiebean-Ordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein bezüglich seines Spannungshubs regeneriertes, gegenüber den genannten Störeinflüssen weitgehend unempfindliches Ausgangssignal abgegeben wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß mit einer wenig aufwendigen Ausgangsstufe die Bitfehlerrate des digitalen Ausgangssignals in Bezug auf das Eingangssignal extrem niedrig gehalten werden kann, wobei gleichzeitig das Ausgangssignal einen optimalen Spannungshub aufweist. Dabei verringert die zur Errichtung einer Potentialbarriere vor dem ausgangsseitigen Gebiet vorgesehene Referenzspannung den genannten Spannungshub in keiner Weise.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

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. 6·

Figur 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 einen zur Figur 1 gehörigen Potentialverlauf, Figur 3 die Änderung eines zur Figur 1 gehörigen Potentialverlaufes während des Auslesens einer Informationseinheit, Figur 4 Spannungs- Zeit-Diagramme zu Figur 1 und Figur 5 die Zusammenschaltung des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 mit einer weiteren Ladungsverschiebeanordnung.

In Figur 1 ist eine 2-Phasen-Ladungsverschiebeanordnung schematisch dargestellt. Sie besteht aus einem p-dotierten Silizium-Substrat 1, dessen Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 2, z. B. aus SiOp, belegt ist. In dieser isolierenden Schicht 2 sind Elektroden E1, 11b, 12b... nib und n2b in der Weise angeordnet, daß sie sich in einer unteren, der Oberläche des Substrats 1 näherliegenden Ebene befinden, während weitere Elektroden 11a, 12a... n1a, n2a und R1 in einer höheren, von der Substratoberfläche weiter entfernten Ebene liegen. Dies ist in Fig. 1 in der Weise angedeutet, daß die letztgenannten Elektroden der Oberfläche der Schicht 2 anliegen. Es können noch weitere, auch diese Elektroden abdeckende Isolationsschichten vorgesehen sein, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Elektrodenkombination 11a, 11b ist über einen gemeinsamen Anschluß 11 mit einer Taktspannung U1 beaufschlagt, deren Zeitdiagramm in Fig. 4 dargestellt ist. Die nächstfolgende Elektrodenkombination 12a, 12b erhält eine Taktspannung U2 (Fig. 4) über einen gemeinsamen Anschluß 12 zugeführt. Die sich nach rechts anschließenden, im einzelnen nicht dargestellten Elektrodenkombinationen sind dann der Reihe nach mit U1, U2, U1 usw. beschaltet. Von den am Ende der Elektrodenreihe liegenden Elektrodenkombinationen n1a, nib und n2a, n2b ist die erstere über den gemeinsamen Anschluß n1 mit U1 belegt, die letztere über den Anschluß n2 nicht, wie es nach der alternierenden Zuordnung zu erwarten wäre, mit U2, sondern mit einer ebenfalls in Fig. 4 dargestellten Spannung u_RK.

Die genannten Elektrodenkombinationen werden auch als Verschiebeelektroden bezeichnet. Die Elektrode E1, die im folgenden als Eingangselektrode bezeichnet wird, ist an den Schaltungseingang

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E geführt. Die Elektrode R1 besitzt einen Anschluß R. 3 bezeichnet ein n⁺-dotiertes Gebiet, das als Source-Gebiet für die Ladungsverschiebeanordnung dient, während 4 ein ausgangsseitiges, ebenfalls n⁺-dotiertes Gebiet bezeichnet. Das ausgangsseitige Gebiet 4 ist über eine Leitung 5 mit dem Source-Anschluß eines Feldeffekt-Schalttransistors T1 verbunden, dessen Drain-Anschluß an einer ersten Referenzspannung U_R/) liegt. Der Gate-Anschluß von T1 ist mit G1 bezeichnet. Der Source-Anschluß von T1 ist mit dem Gate einer Feldeffekttransistorstufe T2 verbunden, wobei der Source-Anschluß von T2 über eine Impedanz 6 an Massepotential gelegt ist, während dessen Drain-Anschluß mit der Taktspannung U2 beschaltet ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Source-Anschluß von T2 und der Impedanz 6 stellt gleichzeitig den Schaltungsausgang A dar, an dem das Ausgangssignal abgegriffen wird. A ist mit dem gemeinsamen Anschluß n2 der letzten, dem ausgangsseitigen Gebiet 4 vorgeordneten Verschiebeelektrode verbunden.

Unter dem Einfluß der Taktspannung U1 ergibt sich beim Auftreten eines der positiven Spannungsimpulse P1, P2, P3 usw., also z. B. zum Zeitpunkt ti, an der Oberfläche des Substrats 1 unterhalb der Verschiebeelektroden ein Potentialverlauf 01 gemäß Fig. 2. In dieser Darstellung ist 01 über der Achse s aufgetragen, die in Längsrichtung des Substrats 1 unterhalb der Elektrodenreihe verläuft. Es entstehen sogenannte Potentialtöpfe PT1, PT2 usw. un-

terhalb der mit P1 belegten Verschiebeelektroden. Werden aus dem Gebiet 3 in das Substrat 1 Minoritätsladungsträger injiziert und liegt gleichzeitig am Schaltungseingang E ein digitales Eingangssignal mit einem hohen Signalpegel an, so wird der unter der Elektrode 11b befindliche Teil des Potentialtopfes PT1 mit derartigen Ladungsträgern praktisch aufgefüllt. Nach dem Auftreten des nächstfolgenden positiven Impulses P1' von U2, also z. B. zum Zeitpunkt t2, verschieben sich die Potentialtöpfe PT1 usw. und damit die in diesen angesammelten Ladungsträger jeweils in den Bereich der benachbarten Verschiebeelektrode in Richtung s, wobei sich an der Oberfläche des Substrats 1 ein Potentialverlauf 02 gemäß Fig. 3 ergibt.

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Der Potentialtopf PT3 in Fig. 2 wird in der Weise gebildet, daß ein positiver Spannungsimpuls P1'' einer G1 zugeführten Spannung LU,, den Transistor T1 leitend schaltet, so daß das Gebiet 4 für die Dauer von P1'' an eine Referenzspannung U_R1 gelegt und damit auf ein erstes Referenzpotential 0_R1 rückgesetzt wird. In Fig. 2 ist die Breite des Gebietes 4 mit s4 bezeichnet. Der Anschluß R liegt ständig an einer zweiten Referenzspannung, die unterhalb von R1 ein zweites Referenzpotential 0_R2 entstehen läßt. Nach der rückseitigen Flanke jedes Impulses P1'' ist das Gebiet 4 von U_R1 wieder abgeschaltet, so daß es sich in einem Zustand befindet der mit "floating" bezeichnet wird. Solange das Gebiet 4 das Potential 0_R1 einprägt erhält oder sich dieses Potential im Zustand des "floating" nicht wesentlich verändert, ist T2 leitend, wobei während des Auftretens einer der Impulse P1' von U2 an der Impedanz 6 bzw. am Schaltungspunkt A gegenüber Masse eine Spannung ^RK ^fäHt» ^die etwa U2 entspricht. Dabei entstehen die im Zeitpunkt t2 von Fig. 4 angedeuteten Spannungsverhältnisse und im rechten Teil der Fig. 3 der ausgezogen dargestellte Potentialverlauf 02, da die Spannung U_RK über n2 auch den Potentialtopf PT4

!0 bildet.

Wurde jedoch ein Ladungsträgerpaket in den Potentialtopf PT4 verschoben, was in Fig. 3 durch eine schraffierte Fläche dargestellt ist, und erfolgt weiterhin ein allmählicher Abbau von PT3 im Be-

!5 reich s4 über die konstante Potentialschwelle 0no hinweg, so verändert sich 0_R1 in Fig. 3 entsprechend dem eingezeichneten Pfeil. Der hierdurch immer weniger leitende Transistor T2 bewirkt ein Absinken von U™ am Schaltungspunkt A, was zu einer Potentialänderung unterhalb der Elektrodenkombination n2a, n2b in Richtung

O der in Fig. 3 eingezeichneten Pfeile führt. Die unterhalb von s4 und n2a, n2b erreichten Endpotentiale sind in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet und werden in Fig. 4 durch den Zeitpunkt t3 gekennzeichnet. Tastet man die Spannung am Ausgang A nach den Zeitpunkten t2 und t3 und jeweils vor dem nächstfolgenden Impuls P1'' ab, so ergibt sich ohne den vorstehend beschriebenen Rückkopplungsvorgang ein hoher Spannungspegel von Up^, der einem im Substrat 1 übertragenen niedrigen logischen Signalpegel bzw. einer logischen "O" entspricht, beim Auftreten eines Rückkopplungsvorganges da-

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gegen ein niedriger Spannungspegel von U_RK, der einem in 1 übertragenen hohen logischen Signalpegel bzw. einer logischen "1" entspricht.

Das zweite Referenzpotential 0_R2 entspricht einem Zwischenwert der sich an A und unterhalb von n2a, n2b ergebenden Potentialänderungen. Dabei wird der Wert von 0_R2 so gewählt, daß die Potentialschwelle unterhalb von R1 nur von solchen Ladungsträgerpaketen überschritten werden kann, die eine logisch* "1" kennzeichnen. Vorgetäuschte "1"-Signale, die beispielsweise durch den Dunkelstromeinfluß während des Verschiebens in 1 gebildet werden, füllen den Potentialtopf unterhalb von n2a, n2b nicht bis zur Höhe der Potentialschwelle auf, verursachen keine Potentialverschiebungen im Bereich von s4 und damit auch nicht unterhalb von n2a und n2b. Daher werden derartige Fehlereinflüsse nicht berücksichtigt und können den Spannungshub am Ausgang A nicht verringern.

Die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Leitfähigkeitsverhältnisse des Substrats 1 und der Schichten 3 und 4 können auch gegeneinander vertauscht werden. Darüber hinaus können beliebig ausgebildete Ladungsverschiebeanordnungen, darunter auch solche, die in anderer Weise getaktet werden, nach der Erfindung ausgebildet sein. In jedem Fall ist jedoch die letzte vor dem entgegengesetzt dotierten Ausgangsbebiet angeordnete Verschiebeelektrode von der ihr üblicherweise zugeordneten Taktspannung freigeschaltet und mit einer über einen Schaltungspunkt der ausgangsseitigen Transistorschaltung abgeleiteten Spannung beaufschlagt, die bei einer Verschiebung eines Ladungsträgerpakets in das ausgangsseitige Gebiet entgegengesetzter Leitfähigkeit eine Amplitudenänderung erfährt, die den sich unter dem Einfluß der Taktspannungen ergebenden Potentialänderungen unterhalb der Verschiebeelektroden entspricht.

In Fig. 5 ist eine mit den gleichen Bezugszeichen angedeutete Ladungsverschiebeanordnung nach Fig. 1 über ihren Schaltungsausgang A mit einer zweiten, ähnlich aufgebauten Ladungsverschiebeanordnung verbunden, deren p--dotiertes Substrat mit 1 ' bezeichnet

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. 40.

ist. Als Ladungsträger-Injektor dient ein η -dotiertes Gebiet 3'. Eine Eingangselektrode E1' ist mit A verbunden. Eine zwischen 3¹ und E1' angeordnete Kombination von Referenzelektroden RE dient zur Bildung eines Potentialtopfes PT4 und einer Potentialschwelle PS1. Zwischen den einzelnen positiven Spannungsimpulsen P¹¹¹ einer an einem Anschluß 3'^? liegenden Spannung U., in das Substrat 1' injizierte Ladungsträger gelangen beim Auftreten eines hohen Signalpegels von U^ in den dann gebildeten Potentialtopf PT6, während sie bei Auftreten eines niedrigen Signalpegels von U_Rta einen solchen nicht vorfinden und während des folgenden Impulses p^II( wieder in die Schicht 3' bzw. in PT5 zurückfließen. Auf diese Weise wird unterhalb von E1' eine Folge von Ladungsträgerpaketen gebildet, die immer dann auftreten, wenn über das Gebiet 4 gerade das Fehlen eines Ladungsträgerpaketes unterhalb von n2b festgestellt wird. Die in ΡΤβ gebildeten Ladungsträgerpakete werden hiervon ausgehend in dem Substrat 1' mittels üblicherweise über die Anschlüsse VS1, VS2 usw. getakteter Verschiebeelektroden in Richtung auf den rechtsseitigen Ausgang der Gesamtanordnung in Fig. 5 weitertransportiert.

6 Patentansprüche
4 Figuren

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Γ 1.)Digitale Ladungsverschiebeanordnung mit einer Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer darüber isoliert angeordneten Reihe von Verschiebeelektroden, die mit gegeneinander phasenverschobenen Taktspannungen beaufschlagt sind, und einem ausgangsseitigen Gebiet entgegengesetzter Leitfähigkeit, das einerseits mit einem ein erstes Referenzpotential intermittierend zuführenden Schalter und andererseits mit dem Eingang einer Transistorstufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die letzte dem ausgangsseitigen Gebiet (4) vorgeordnete Verschiebeelektrode (n2a, n2b) potentialmäßig mit einem Schaltungspunkt (A) der Transistorstufe (T2) gekoppelt ist, der bei der Verschiebung einer den einen logischen Pegel ("1") darstellenden Ladungsträgermenge in das ausgangsseitige Gebiet (4) eine Potentialänderung erfährt, die den Potentialänderungen unter den übrigen Verschiebeelektroden (11a, 11b; 12a, 12b...) etwa entspricht, und daß zwischen der letzten vorgeordneten Verschiebeelektrode (n2a, n2b) und dem ausgangsseitigen Gebiet (4) eine weitere gegen die Halbleiterschicht (1) isolierte Elektrode (R1) angeordnet und mit einem zweiten Referenzpotential beschaltet ist, das einem von dem Potential am Schaltungspunkt (A) überstrichenen Zwischenwert entspricht.
2. Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt (A) aus dem Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors (T2) und einem Lastelement (6) besteht, die in Serie zueinander an eine Versorgungsspannung geschaltet sind.
3. Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt (A) aus dem Source-Anschluß eines als Source-Folger geschalteten Feldeffekttransistors (T2) besteht.
4. Ladungsverschiebeanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltvngspunkt (A) gleichzeitig den digitalen Schaltungsausgang bildet.

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5. Ladungsverschiebeanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors T2 mit einer der Taktspannungen (U2) beschaltet ist.
6. Ladungsverschiebeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt (A) mit der Eingangselektrode (E1') einer weiteren Ladungsverschiebeanordnung (1¹, 3') verbunden ist.

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