DE2734366A1

DE2734366A1 - Komplementaere eingangsstruktur fuer eine ladungsgekoppelte 2-kanal- anordnung

Info

Publication number: DE2734366A1
Application number: DE19772734366
Authority: DE
Inventors: Carl Neil Berglund; Abd-El-Fattah Ali Ibrahim
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1976-08-10
Filing date: 1977-07-29
Publication date: 1978-02-16
Also published as: SE7709026L; FR2361748A1; JPS5320871A; NL7706624A; JPS6238868B2; CA1076700A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Eingangsstruktur, die zueinander komplementäre Signale in zwei Kanälen einer ladungsgekoppelten Vorrichtung erzeugt und insbesondere eine Eingangsstruktur, die dazu verwendet werden kann, eine Transversalfilterung in einer solchen Vorrichtung zu verwirklichen, ohne daß ein zugeordneter Operationsverstärker benötigt wird.

In einem Artikel mit dem Titel "Charge-Coupled Devices - A New Approach to MIS Device Structure", der von V.S. Boyle und G.E. Smith im IEEE Spectrum, Juli 19711 Seiten 18 bis veröffentlicht wurde, ist eine neue Informations-Verarbeitungsstruktur, nämlich eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) beschrieben. Die Vorrichtung speichert eine Minoritäts-Träger-Ladung in Potentialwannen, die an der Oberfläche eines Halbleiters erzeugt werden,und transportiert die Ladung längs der Oberfläche durch das Anlegen von Vorspannungspotentialen an Steuerelektroden, so daß die Potentialwannen bewegt werden.

Eine große Zahl von Anwendungsmöglichkeiten wurde für die ladungsgekoppelten Anordnungen beschrieben. Sie können z.B. als Transversalfilter verwendet werden, wie das im Artikel von A. Ibrahim beschrieben ist, der unter dem Titel "Multiple Filter Characteristics Using a Single CCD Structure" im International Conference 6t the Application of Charge-Coupled Devices, Oktober, Seiten 245 bis 249 veröffentlicht wurde. Sie können aber auch als rekursive Filter verwendet werden, wie das in einem Artikel von D.A. Sealer und M.F. Tompsett mit dem Titel "A Dual Differential Analog CCD For Time-Shared Recursive Filters" in ISSCC vom Februar 1975 auf/Seiten 152 bis 153 beschrieben ist. Ein Nachteil der bekannten Strukturen dieser Art ist es, daß es nötig ist, zwei Ladungssignale an jeder Verzögerungsstufe zu subtrahieren, um sowohl positive als auch negative Koeffizienten des abgetasteten Signals zu erhalten. Dies wird im allgemeinen unter Verwendung eines Differenzverstärkers erreicht. Damit diese Lösung erfolgreich durchgeführt werden kann, ist es jedoch nötig, einen aus

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MOS-Transistören(Metall-Oxid-Silizium-Transistoren) aufgebauten Operationsverstärker auf demselben Chip wie die ladungsgekoppelte Anordnung zu integrieren, um so die Kosten zu verringern.

Die Erfindung schafft eine einzige Eingangsstruktur, die dazu dient, komplementäre Ladungen in zwei Kanälen einer ladungsgekoppelten Anordnung zu erzeugen, was es ermöglicht, die gemessenen bzw. abgegriffenen Signale zu gewichten und direkt zu summieren, ohne daß hierfür ein Differenzverstärker erforderlich wäre.

Es ist also gemäß der Erfindung eine komplementäre Eingangsstruktur für eine ladungsgekoppelte Mehrkanalanordnung vorgesehen, wobei diese Anordnung einen Körper zur Ladungsspeicherung, eine über diesem Körper angeordnete, dielektrische Schicht und zwei Kanäle umfaßt, von denen jeder eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die über der dielektrischen Schicht angeordnet sind und dazu dienen, die sequenzielle übertragung beweglicher Ladungen längs des Körpers in Antwort auf an die Elektroden angelegte Taktspannungen zu steuern. Die Eingangsstruktur umfaßt eine gemeinsame Eingangselektrode, die über der dielektrischen Schicht in der Nähe des Kopfes' bzw. Eingangs eines jeden Kanals angeordnet ist und dazu dient, eine Ladung fester Größe in dem Körper aus einer benachbarten Quelle zu steuern. Zusätzlich umfaßt die Eingangsstruktur eine Steuerelektrode am Kopf bzw. Eingang eines jeden Kanals in unmittelbarer Nähe der gemeinsamen Eingangselektrode, wobei diese Steuerelektroden einzeln auf getrennte Steuersignale in der Weise ansprechen, daß sie einen ausgewählten Teil der Ladung fester Größe in den einen Kanal und den Best dieser Ladung in den anderen Kanal übertragen, wobei die Ladung in dem anderen Kanal das Komplement der Ladung im ersten Kanal bildet.

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In einer speziellen Ausführungsform sind bestimmte Elektroden in jedem der beiden Kanäle längs der Länge des Kanals geteilt, so daß die unter ihnen hindurch übertragenen Ladungen in vorgewählten Verhältnissen geteilt werden. Ein Teil einer jeden der geteilten Elektroden von beiden Kanälen sind gemeinsam angeschlossen, wodurch die Gesamtladung unter den gemeinsamen Teilen der geteilten Elektroden eine Punktion der individuellen Größe der längs der beiden Kanäle übertragenen Ladungen und der relativen Teilung einer jeden der Elektroden in den beiden Kanälen ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine bildhafte Draufsicht auf eine ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung mit einer Eingangsstruktur gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein bildhaftes Diagramm einer seitlichen Aufrißansicht der in Fig. 1 wiedergegebenen Struktur und

Fig. 3 typische Vellenformen der verschiedenen Taktspannungen, die an die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung angelegt werden.

Bei der Herstellung der hier beschriebenen ladungsgekoppelten Anordnungen werden im Halbleiterbereich allgemein übliche und bekannte Technologien verwendet. Es ist daher nicht erforderlich, im einzelnen die für die Herstellung der Anordnung erforderlichen Einzelschritte zu beschreiben. Die kanadische Patentschrift ?A1 072 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer ladungsgekoppelten 2-Niveau-Polysilizium-Anordnung, die die grundlegende Struktur der hier beschriebenen Vorrichtung bildet. Auch versteht sich von selbst, daß die in der Zeichnung

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wiedergegebenen Figuren nur beispielhaft für den Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung sind und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.

In der folgenden detaillierten Beschreibung und in den zugehörigen Figuren sind den einzelnen Elementen der Vorrichtung Basis-Bezugszeichen zugeordnet. Venn es nötig ist, zwischen sich in einer Reihe wiederholenden Elementen zu unterscheiden, so werden zu den Basis-Bezugszeichen zusätzliche Bezugsbuchstaben hinzugefügt. Im allgemeinen werden jedoch nur die Basis-Bezugszeichen verwendet.

Gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt die ladungsgekoppelte 2-Phasen-Vorrichtung einen die Ladung speichernden Körper 10/p-Silizium, mit einer auf ihm abgeschiedenen Isolierschicht 11 unterschiedlicher Dicke aus Siliziumdioxid (SiOo)· Eine Reihe von abwechselnd oberen 12 und unteren 13 langgestreckten PoIysilizium-Elektroden ist auf der Isolationsschicht 11 so abgeschieden, daß die Elektroden seitlich so angeordnet sind, daß sich einander benachbarte Elektroden überlappen. Vie sich im folgenden noch genauer ergeben wird, wirken die unteren Elektroden 13 als Steuerelektroden, während die oberen Elektroden 12 in bekannter Veise als Übertragungs-Gates wirken.

Vie in Fig. 1 dargestellt, umschließt die isolierende Schicht 11 aus Siliziumdioxid Gate-Oxid-Bereiche 15 unter denen die Ladungspakete in n-Kanälenlängs der Reihe nach Maßgabe von Taktepannungen übertragen werden, die an die Feldplatten 12 und 13 angelegt werden. Diese Gate-Oxid-Bereiche 15 bestehen aus wechselnden Dicken der isolierenden Schicht 11, die unter den Speicherelektroden 13 ungefähr 1100 i. und unter den übertragungselektroden 12 3000 £ dick ist. Die umgebenden dickeren Bereiche sind als Feld-Oxid-Bereiche 16 bezeichnet.

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Diese letzteren Bereiche 16 sind genügend dick (näherungsweise 1,2 yum)/daß die Teile des Halbleitersubstrates 10, die sich unmittelbar unter ihnen befinden, in Antwort auf das Anlegen von Taktspannungen an die Elektroden 12 und 13 nicht invertieren. Folglich werden die Minoritätsträger-Ladungen lediglich längs des Substrates 10 in unmittelbarer Nachbarschaft der Gate-Oxid-Bereiche15 übertragen.

Am Eingang des Kanals 15 befindet sich eine eindiffundierte n⁺-Quelle für bewegliche Ladungen oder Träger 20. Hierauf folgt ein Übertragungs-Gate 12R und eine Eingangs-Speicherelektrode 13R, die für beide Kanäle 15 gemeinsam ist. Unmittelbar benachbart zur gemeinsamen Speicherelektrode 13H befindet sich in jedem Kanal 15A und 15B eine Steuerelektrode 12A bzw. 12V. Im Gegensatz zum Rest der Elektroden in den Kanälen 15 werden diese Elektroden 12E, 13Ri 12A und 12V von getrennten Takten gesteuert, wie das im folgenden noch beschrieben wird.

Zusätzlich sieht man, daß jede zweite Speicherelektrode 13 längs der Länge des Kanals 15 geteilt ist, wobei die nach innen gerichteten Teile der geteilten Elektroden 13J» 13K, 13L und 13H gemeinsam angeschlossen sind. Diese geteilten Elektroden liefern den Gewichtungsfaktor während des nicht zerstörenden Abtastens der Größe der analogen Ladungen, die längs der Kanäle 15 übertragen werden.

In den Fig. 1 und 2 sind die Taktleitungen durch die Bezugszeichen 0^, 0₂, 0_e, 0_8<1 und 0_B2 bezeichnet, und weisen Spannungs-Wellenformen auf, die in Fig. 3 durch die entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Vie man allen drei Figuren entnimmt, gehen zur Zeit t^. die Takttreiber bzw. Taktleitungen 0^ und 0₆ auf ein hohes Potential und eine bewegliche Ladung aus Elektronen wird von der Quelle 20 in den Be reich unter der Speicherelektrode 13R übertragen, an die eine

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feste Referenzspannung Vgp angelegt ist. Diese Bezugsspannung Vtvd ist so ausgewählt, daß sie unter der Elektrode 13R eine Ladung Qnr> mit vorgegebener Größe erzeugt, die als virtuelle Ladungsquelle für die beiden Kanäle 15A und 15B wirkt. Zur Zeit t_o geht 0_ auf niederes Potential und 0_αΛ auf hohes Potential. Dieses Signal 0^ ist aus einer Gleichspannungs-Vorspannungsspannung Vg und einem Wechselspannungs-Signal ν zusammengesetzt, das von einer nicht dargestellten Übertragungsleitung stammt. Da die Elektrode 13A bereits durch den Takt 0* zur Zeit t^ auf hohes Potential gelegt worden ist, überträgt das Signal unter der Steuerung des Taktes 0 . einen vorgegebenen bzw. vorgewählten Teil der Ladung Q,_HS in den Bereich unter der Speicherelektrode 13A.

Zur Zeit t, geht 0 * auf niederes Potential und 0 « ^au^ hohes Potential. Dies legt eine Spannung an das Übertragungsgate 12V, die ausreicht, um den Rest der Ladung unter der Elektrode 13R in den Bereich unter der Speicherelektrode 13V zu übertragen, die ebenfalls auf hohes Potential gelegt wurde. Somit ist die unter der Elektrode 13V gespeicherte Ladung Qg^ - Qg_g das Komplement der unter der Elektrode 13A gespeicherten Ladung. Zur Zeit t^, geht der Takt 0~ auf hohes Potential, worauf der Takt 0* auf niederes Potential geht, was die Ladung unter den Elektroden 13A und 13V in die Bereiche unter den geteilten bzw. aufgeteilten Elektroden 13B, 13J> 13L und 13V in bekannter Weise überträgt bzw. entleert.

Da die Größe der an jede Hälfte der geteilten Elektroden angelegten Spannung dieselbe ist, teilt eich die Ladung zwischen den beiden Elektroden nach Maßgabe der relativen Länge einer jeden Elektrode auf.

Die relative Größe der Gesamtladung unter den Elektroden 13J» 13L, 13K und 13M kann durch ein Netzwerk 16 zur schwimmenden Gate-Abtastung (floating gate sensing network) unter Anwendung

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einer nicht zerstörenden Abtast-Technik überwacht werden, wie das in dem oben erwähnten Artikel/A. Ibrahim und anderen erläutert ist.

In einem typischen Anwendungsfall einer ladungsgekoppelten Anordnung als Transversalfilter wird ein Vechselspannungssignal ν , das einer Gleichspannungs-Vorspannungs-Spannung V_ß überlagert ist, über den Takt 0^ an die Gate-Elektrode 12A angelegt, um einen vorgewählten Teil Q_R„ der zuvor unter der Speicherelektrode 13R gespeicherten Ladung Qrjp in den Bereich unter der Elektrode 13A zu übertragen. Das Komplement bzw. der Best dieser Ladung ^RH ~ %S ^wird dann durch den Takt 0 ~ gesteuert,in den Bereich unter der Speicherelektrode I3V übertragen. Die Ladungen werden dann gleichzeitig längs der Kanäle 15A und 15B unter der Steuerwirkung der Takte 0^ und 0₂ übertragen. An jeder der geteilten Elektroden 13 werden die Gewichtungsfaktoren durch die relativen Längen festgelegt. Durch wiederholtes, nicht zerstörendes Abtasten der gewichteten Ladung unter den verschiedenen aufgeteilten Speicheid.ektroden 13 und durch Summierung deren Ausgangssignale im Netzwerk 16 kann von der Elektrode 17 ein Ausgangssignal erhalten werden, das proportional ist zur Größe der längs der beiden Kanäle 15A und 15B übertragenen Ladungen und zur relativen Gewichtung, die durch die Teilung der aufgeteilten Elektroden festgelegt ist. Da das Komplement der längs des Kanals 15A übertragenen Ladung längs des Kanals 15B übertragen wird, können die abgetasteten bzw. gemessenen Signale direkt summiert werden, ohne daß hierfür ein Differenzverstärker nötig ist. Diese Technik hat eine Gleichspannungs-Offset-Spannung auf dem abgetasteten bzw. gemessenen Signal an der Elektrode 17 zur Folge, die jedoch ohne weiteres im Auegangsnetzwerk 16 beseitigt werden kann.

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Da das Abtastnetzwerk mit schwimmenden Gates Halbleiterverstärker verwendet, können diese ohne weiteres unter Verwendung der MOS-Technologie aufgebaut werden, da dies dieselbe Technologie ist, die zum Aufbau der ladungsgekoppelten Anordnung verwendet wird. Auch ist klar, daß die gesamte Struktur unter Verwendung einer ρ-Kanal-Technologie auf einem n-Silizium-Substrat verwirklicht werden kann.

Die Erfindung schafft also eine Eingangsstruktur für eine
ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), die in einem Kanal eine zu einem Signal proportionale Ladung entwickelt und das Komplement dieser Ladung in einem zweiten Kanal. Die ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung kann als Transversalfilter verwendet werden, ohne daß am Ausgang dieses Filters ein Differenzverstärker erforderlich ist.

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Claims

MANITZ. FINSTERWALD & CRÄMKOW

Northern Telecom Limited München, den 29. Juli 1977

Dorchester Blvd., West p/o/tj,, w Montreal, Quebec, Canada H3H 1R1 r/^/mi-n

Komplementäre Eingangsstruktur für eine ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung

Patentansprüche

Yi. )Ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung mit einem ladungsspei- ^-^^ chernden Körper, einer auf dem Körper angebrachten dielektrischen Schicht und zwei Kanälen, von denen jeder eine Vielzahl von über der dielektrischen Schicht angeordneten Elektroden aufweist, die dazu dienen, die sequenzielle Übertragung von beweglichen Ladungen längs des Körpers in Antwort auf an diese Elektroden angelegte Taktspannungen zu steuern, dadurch gekennzeichnet , daß eine gemeinsame Eingangselektrode über der dielektrischen Schicht in der Nähe des Eingangs eines jeden Kanals angeordnet ist, die dazu dient, eine Ladung fester Größe in diesem Körper aus einer benachbarten Quelle zu steuern, daß am Eingang eines jeden Kanals jeweils eine Steuerelektrode in unmittelbarer Nachbarschaft der gemeinsamen Eingangselektrode angeordnet ist und daß diese Steuerelektroden einzeln auf gesonderte Steuersignale in der Weise ansprechen, daß sie einen ausgewählten Teil der Ladung

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PR. C. MANITZ ■ DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIH. -ING. W. ORAMKOW ZENTRALKASSE SAYER. VOLKSSANKEN

β MÖNCHEN 33. ROSERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO ISAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7970

TEL. IOS9) 99 49 11. TELIX OS-39073 PATMF SEELSERGSTR. 33/95. TEL. (0711)56 79 61 POSTSCHECK : MÖNCHEN 77062-805

ORIGINAL INSPECTED

fester Größe auf einen Kanal und den Rest dieser Ladung auf den anderen Kanal übertragen, wobei die Ladung in dem anderen Kanal das Komplement der Ladung im ersten Kanal darstellt.
2. Ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ausgewählte Elektroden in jedem Kanal längs der Länge des Kanals geteilt sind, um die unter ihnen hindurch übertragenen Ladungen in vorgewählten Verhältnissen zu teilen, wobei ein Teil einer jeden geteilten Elektrode gemeinsam angeschlossen ist, so daß die gesamte Ladung unter den gemeinsamen Teilen der geteilten Elektroden eine Funktion der individuellen Größe der längs der beiden Kanäle übertragenen Ladungen und der relativen Aufteilung einer jeden der Elektroden in den beiden Kanälen ist.
3· Ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung zum anfänglichen Anlegen einer Bezugsspannung fester Größe an die gemeinsame Eingangselektrode vorgesehen ist, um eine Ladung fester Größe unter dieser Elektrode aus einer benachbarten Quelle zu erhalten, daß Vorrichtungen zum Anlegen eines Signals veränderbarer Größe an die Steuerelektrode in einem Kanal vorgesehen sind, um einen ausgewählten Teil dieser Ladung fester Größe unter dieser Elektrode hindurch zu übertragen, und daß Vorrichtungen zum Anlegen einer Spannung fester Größe an die Steuerelektrode in dem anderen Kanal vorgesehen sind, um den Best der Ladung fester Größe unter dieser Elektrode hindurch zu übertragen.
4. Ladungsgekoppelte 2-Kanal-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung zum Erzeugen einer schwimmenden bzw. potentialfreien Ladung auf den gemeinsamen Teilen der geteilten Elektroden vorgesehen ist und daß eine Vorrichtung zum Überwachen der

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Spannungsänderung in der Ladung auf den gemeinsamen Teilen der geteilten Elektroden vorgesehen ist, wenn die beweglichen Ladungen unter diesen hindurch übertragen werden.

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