DE2753677A1 - Ladungsuebertragungsvorrichtung mit einem eingang zur linearen differentiellen ladungsaufteilung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere ladungsgekoppelte Vorrichtungen oder allgemein Ladungsübertragung svorrichtungen.

Ladungsübertragungsvorrichtungen (CTD: Charge Transfer Devices) sind bekannt. Eine solche Vorrichtung besitzt ein Halbleitersubstrat, typischerweise mit einem einzigen Oberflächenkanal, mit dem eine Elektrodenanordnung zur Festlegung eines Weges verbunden ist. Die Elektroden sind elektrisch voneinander isoliert und sind dazu geeignet, Ladungspakete entlang einer Folge von Potentialmulden zu bewegen, die in bekannter Weise aufgrund von phasenverknüpften Signalen erzeugt werden, die den Elektroden in Gruppenform zugeführt werden.

Es sind verschiedene Eingangsstrukturen zum Einbringen von Ladung in solche Vorrichtungen bekannt. Jede dieser Eingangsstrukturen spricht auf eine Eingangssignalspannung an, die bezüglich irgend eines Bezugspotentials festgelegt ist. Infolge dessen ist die in der Eingangsstruktur erzeugte Ladung eine Funktion des angelegten Signals.

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Eine bekannte Verbesserung gegenüber einer Einkanalvorrichtung benutzt zwei Kanäle, wobei das Ausgangssignal als die Differenz zwischen den Ausgaben der beiden Kanäle genommen wird. Durch die Verwendung eines solchen Differenzmodus werden die bei Einkanalvorrichtungen nachteiligen Wirkungen von Dunkelstrom, temperaturabhängiger Drift, Takteinstreuung und Verzerrungen aufgrund geradzahliger Harmonischer beträchtlich verringert, da sie als Gemeinschaftsmodusrauschsignale erscheinen und somit durch einen am Ausgang verwendeten Differenzverstärker ausgeschaltet werden.

IAa den vollen Vorteil der Zweikanallösung zu realisieren, muß die Ladung in einer exakt komplementären Form in die beiden Übertragungskanäle eingegeben werden. Bei bekannten Vorrichtungen, die zwei Kanäle benutzen, waren zwei getrennte Eingänge vorgesehen, um unabhängig zwei Ladungspakete zu erzeugen, wobei die Ladungen in keiner festen Beziehung zueinandei/standen. Ferner erforderte die Erzeugung der beiden Ladungspakete Verstärkerschaltungen mit einhergehenden Verlusten bezüglich Linearität und Symmetrie, wie bekannt.

Die Lösung dieser Probleme ist im Hauptanspruch gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Erzeugung eines LadungsP^Bfces gtgnaTnnqbhffnc¹ ζ**ν Größe am Ein—

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gang einer CTD eine Anzahl von Vorteilen mit sich bringt. Die Vorteile sind besonders deutlich für eine Zweikanalvorrichtung, bei der ein Ladungspaket signalunabhängiger oder fester Größe in zwei Pakete getrennt wird, die in einer festen Beziehung zueinander stehen. Da die Summe der Ladungspakete (Q^ + Q« = Qq) eine feste Größe ist, wird das Gemeinschaftsmodussignal unterdrückt. Speziell für eine Zweikanalvorrichtung umfaßt eine Eingangsstruktur entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Ladungsinjektionsschaltung und zwei Eingangsgates, denen je eine Spannung zugeführt wird. Das Ladungspaket Q₀ wird durch herkömmliche Methoden in der den Gates vorausgehenden Ladungsinjektionsschaltung erzeugt. Die Gates werden dann in Abhängigkeit von Eingangssignalen in einer Weise aktiviert, daß zwei Ladungspakete (Q., Q_ß) komplementärer Größen erzeugt werden, wobei die Differenz zwischen diesen durch die Differenz

den

zwischen den/ Gates zugeführten signalabhängigen Spannungen bestimmt ist. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Strukturen, bei denen die Größe eines jeden der Signalladungspakete separat an der Stelle der Injektion von einer getrennten Quelle bestimmt wird, wie zuvor erwähnt.

Bei einer speziellen Ausführungsform einer solchen Zweikanalvorrichtung werden am Eingang eine Eingangsdiode, eine Meßelektrode und ein Paar Gates verwendet. Die Meßelektrode kann im "Spannungseingabe¹¹- oder im ^BLadungsvoreinstellungⁿ-Modus betrieben werden

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(siehe Charge Transfer Devices von C. H. Sequin und M. F. Thompsett, Seite 48, Academic Press, 1979), um ein einziges Ladungspaket fester Größe in jedem Arbeitstaktzyklus zu erzeugen. Jedes auf diese Art erzeugte Ladungspaket wird im wesentlichen zur durch die beiden Gates definierten Signaleingangszone übertragen, in der das Ladungspaket in zwei Pakete aufgeteilt wird, die von den momentanen Signalspannungen abhängen, die den beiden Gates zugeführt werden.

Bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen, bei denen die Symmetrie der Eingangsgates ausreichend genau ist, brauchen die Ladungspakete, die in komplementäre Teile aufgeteilt werden, nicht signalunabhängig zu sein, sondern sie können von Paket zulaket schwanken, solange die GemeinschaftsmodusrauschunterdrUckung nicht wichtig ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Gegenüberstellung mit einer bekannten Vorrichtung anhand von AusfUhrungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Dreiphasen-Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtung mit einer verallgemeinerten bekannten

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Zweikanal-CTD- Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Eingangsstruktur;

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Fig. 3A, 3B, 3C lind 3D Querschnittsansichten eines Teils der Eingangsstruktur der Fig. 2, zur Darstellung alternativer Ladungsteilung, gemäß der Erfindung;

Fig. AA, 4B und UC schematische Draufsichten alternativer Zweikanal-CTD-Anordnungen mit erfindungsgemäßen Eingängen; und

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Einkanalanordnurg mit einer erfindungsgemäßen Eingangsstruktur.

Fig. 1 zeigt eine verallgemeinerte bekannte CTD-Anordnung mit einer Halbleiterschicht 11, einer isolierenden Beschichtung 12 und einer Anordnung von Elektroden ψ*, ^₂* ψ γ die ⁱⁿ einer Dreiphasenanordnung organisiert sind, um einen Ladungspaket-Übertragungsweg in der Halbleiterschicht zu bilden. Die Halbleiterschicht umfaßt einen Eingangsteil oder eine Eingangszone 14, die gekennzeichnet ist dirch eine Eingangsdiode ID und ein Eingangsgate IG zur Festlegung eines Ladungspaketes in einer Meßpotentialmulde, die unter einer Meßelektrode ME gebildet ist. Die Ladung sammelt sich in der Mulde aufgrund eines Signals, das durch eine in der Figur mit 16 bezeichnete Eingangssignalquelle geliefert wird. Die aufgrund des Signals angesammelte Ladung wird in Jedem Taktzyklus in bekannter Weise durch die Erzeugung von "Ladungsübertragungs"-Impulsen, die den Elektroden in einer Vielphasenweise durch eine LadungsUbertragungsim-

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<Λ.^νί-·ί;·ν·:ν^: ;·.·■■■; '--

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puls-Steuerschaltung 17 zugeführt werden, vorwärtsbewegt. Die auf diese Weise übertragene Ladung passiert wenigstens einen Fühlerausgangsabgriff, der durch einen Pfeil 18 angedeutet ist, und gibt so Signale an eine Verbraucherschaltung 19. Die Schicht 11 kann einen Oberflächenkanal oder einen Volumenkanal aufweisen. In beiden Fällen wird in bekannter Weise ein Ladungsübertragungskanal festgelegt, und die Schicht 11 wird als einen solchen Kanal umfassend betrachtet.

Die verschiedenen Quellen und Schaltungen können irgendwelche Elemente sein, die erfindungsgemäß zu arbeiten vermögen.

In Fig. 1 sind der Halbleiterschicht 11 gestrichelt gezeichnete Konturen 20 überlagert, die in bekannter Weise das Oberflächenpotential in der Schicht an verschiedenen Stellen längs des Übertragungskanals zeigen. Die Kontur der Linie 20 ist durch das Potential bestimmt, das den Elektroden der Fig. 1 während einer Phase eines Taktzyklus zugeführt wird. Im typischen Fall sind gleich bezeichnete Elektroden elektrisch zu Gruppen (oder Reihen) zusammengeschaltet, und die Schaltung 17 gibt Taktimpulse jL, ^₂ ^xm/^^L ^3 ^der Reihe nach auf die Gruppen. Das Impulsmuster an den Elektroden bestimmt die Spitzen und Mulden der für eine Phase gezeigten Kontur, und aufeinanderfolgende Impulse bewirken eine Bewegung der Konturen. Die

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(Potential-)Mulden speichern Ladungspakete, die aufgrund der Aufeinanderfolge von (Dreiphasen-)Impulsen in bekannter Weise längs der Schicht 11 bewegt werden.

Natürlich und bekanntlich ist die Ladungsmenge oder das Vorhandensein oder "Nichtvorhandensein" einer (vorgeschriebenen) Ladung im Eingangsteil 14 durch ein Signal bestimmt, das einem Eingangsgate IG während eines gegebenen Taktzyklus zugeführt wird. Die Ladungsmenge in einer Potentialmulde während einer Phase ist durch schraffierte Bereiche dargestellt, die mit 21A, 21B, ... 21s bezeichnet sind. Der Bereich 21A ist am Eingang der Schicht 11 dargestellt und bildet die Meßmulde unter der Meßelektrode ME. Der Bereich 21s ist ein repräsentativer Fühlerausgangsabgriff .

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine CTD-Vorrichtung, die auch durch die verallgemeinerte CTD-Darstellung der Fig. 1 dargestellt werden kann, jedoch eine zusätzliche Ladungsteilereingangsehrichtung aufweist, wie nachfolgend ersichtlich wird. Die Figur zeigt eine Zweikanalanordnung, bei der die Kanäle als Kanal A und Kanal B bezeichnet sind und dazu dienen, Ladungspakete in der Figur gesehen nach rechts zu bewegen. Die Kanäle sind durch einen Kanal-ⁿTeilerⁿ- (oder ^MStopⁿ-)Bereich 23 getrennt, und ihnen geht ein Eingangsteil voraus, der in der Figur mit 24 bezeichnet ist. Der Eingangsteil ist beiden

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Kanälen gemeinsam und wird von diesen durch Eingangsgateelektroden GA und GB getrennt, die den Kanälen A bzw. B zugeordnet sind.

Der Eingangsteil der Vorrichtung besitzt eine Eingangsdiode ID₁ ein Eingangsgate IG und eine Heßelektrode ME. Der Meßelektrode folgen Erstphasen-und Zweitphasen-Elektroden γ ^ und y>₂, die synchron mit den ersten beiden Phasen der Dreiphasen-Ladungspaketvorschubelektroden fy ψ? ^und Ψ%* die für die Kanäle gezeigt sind, arbeiten. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist eine Kanalteilerelektrode SG gezeigt, welche die Gateelektroden GA und GB trennt.

Die Meßelektrode kann entweder im bekannten Spannungseingabemodus oder im Ladungsvoreinstellmodus betrieben werden, um Ladungspalebe fester Größe Qq in jedem Taktzyklus zu erzeugen. Diese Ladungspakete werden anschließend zum Komplementärsignaleingang übertragen, der die beiden Gates GA und GB aufweist, wo jedes ankommende Ladungspaket Q₀ in zwei Pakete der Größen Q^ bzw. Q-Q aufgeteilt wird, die von den momentanen Signalspannungen V_GA und Vg_B abhängen, die den beiden Gates zugeführt werden.

Die Vorrichtung wird so betrieben, daß die beiden Ladungspakete beim Teilungsvorgang ins Gleichgewicht kommen können, so daß sie gleiche Grenzflächenpotentiale erreichen, bevor sie getrennt

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iftBQ

und In die beiden einzelnen Kanäle übertragen werden. Daher sammeln sich mehr Ladungsträger unter jenem Gate, welchem das höhere Potential (bei einer N-Kanal-Vorrichtung) zugeführt wird und das deshalb unter sich eine tiefere Potentialmulde erzeugt. Wie nachfolgend gezeigt ist, steht die Ladung Q_A (die sich unter der Gateelektrode GA sammelt) zur Ladung Qg (die sich unter GB sammelt) in der Beziehung Q^ - Q_ß = ^a(Vß_A - Vqjj)» vorausgesetzt, daß die Flächen der Gateelektroden gleich sind, wobei a ein signalunabhängiger Parameter ist. Diesen Vorgang kann man besser verstehen, wenn man die Querschnittsansicht betrachtet, die in Fig. 2 längs einer Linie 2-2· durch die beiden Eingangsgates genommen ist und in den Fig. 3A, 3B, 3C und 3D gezeigt ist. Fig. 3A zeigt die Struktur, wenn keine Spannungen angelegt sind. Fig. 3B zeigt die Potentialprofile und Ladungsverteilungen für den symmetrischen Fall (Vq. = V^g), in dem das Paket Qq in zwei gleiche Teile aufgeteilt wird, von denen jeder das Nullsignal oder den Bezugswert darstellt. Fig. 3C zeigt den allgemeinen unsymmetrischen Fall, bei dem eine Differenz Qa - Qq durch eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangsgates GA und GB aufgrund unterschiedlicher angelegter Spannungen V_QA und V_Gß (Fig. 2) erzeugt wird. Fig. 3D schließlich zeigt einen Extremfall der Sättigung (größtes verwendbares Eingangssignal V_GA - V_Gß), bei dem das gesamte Ladungspaket Qq zu einer Seite und somit zu einem Kanal verschoben wird. Um ein sauberes Sättigungsverhalten zu geben, ist der Ladungs-

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eingang so ausgelegt, daß das volle Ladungspaket Qq durch jeden der beiden einzelnen Ausgangskanäle bewältigt werden kann.

Für eine quantitative Analyse des Ladungsauftrennungsvorgangs werden wieder die Fig. 2, 3A, 3B, 3C und 3D betrachtet. Zum Zweck der Allgemeingültigkeit wird die Anforderung fallengelassen, daß die beiden Eingangsgates GA und GB gleiche Größe haben. Dies erlaubt eine Abschätzung der Auswirkung von Fehlausrichtungsfehlern der Elektroden bezüglich der Kanalgeometrie.

Nach Erreichen des Gleichgewichts der beiden Teilladungspakete ist das Grenzflächenpotential unter beiden Eingangsgates das gleiche:

's ■ ^VA ^{+ V}O * <^VA^V0 ^{+ 7}O*¹⁷² - ^VB ^{+ V}0 * <^VB^V0

<^VGA * ^VGB>

und entsprechend für V_ß. Der strukturelle Parameter ^V0 " ^q^A^0^s^^Cox ^ist ^^{r beide} Gates der selbe, und dabei bedeuten: q die Elektronenladung, £₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, £_s die relative Dielektrizitätskonstante von SiIi-

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cium, N_A die Zahl der Akzeptoren pro cm⁵ und C_QX die Oxidkapazität pro Flächeneinheit. Es folgt somit

^VA - ^TB

und damit

^Cox^VGA ⁺ *A = ^Cox^VGB

damit die ursprüngliche Gleichheit erfüllt ist. In der obigen Gleichung bedeuten q_Aund q_ß Ladungsdichten unter den zugehörigen Elektroden GA und GB. Die Größe der wirklichen Ladungspakete erhält man dann durch Multiplizieren mit den zugehörigen Gateelektrodenflächen A_A und A_ß. Die Summe der beiden Ladungspakete ist durch Qq gegeben, und es gilt dann

= ^qa ^{+ q}b = ^qo

und es folgt, daß für Oi Q^₀

_{0 Δη} ^AA^QQ-^AA^AB^Cox<^VGA-W ⁰A ^{β A}A^qA * *

Da das Nullbezugssignal durch Qq/2 repräsentiert ist, ist das wirkliche Signal in einem der beiden einzelnen Ausgangskanäle

q_a - ₀Z ^ £ ^

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Gleichermaßen ist

Q-Q = -°° ^S ■ ^

Somit:

A^ Tl A Tk

^QA - ^QB ^{s Q}0A7?a| - IjJSlJ ^Cox

mit Q_A + Q_B = Q₀.

Wenn die beiden Gateelektrodenflachen gleich sind (A_A=A reduzieren sich die obigen Ergebnisse für den Fall genauer Aus richtungssymmetrie zu:

^QB^eQ0/2 ⁺?

^QA * ⁰B - -Vox<^VGA-^VGB>'

oder ^qa * ⁰B ^s

Wiederum ist Q^ + Q_ß = Qq und a = AqC_qx ist ein signalunabhängiger Strukturparameter. Für den Fall genauer Ausrichtungssymmetrie zeigen die vorausgehenden Gleichungen, daß die Ladungspakete Q_A und Qg genau komplementär sind und daß die Ladungspaketdifferenz (Q^-Qg), wie gewünscht, linear proportional zur Eingangssignaldifferenzspannung (^vqa~^vGB^ ^ist# ^°^erdies zeigen die Gleichungen

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selbst für den Fall einer Fehlausrichtung (A. und A_ß sind nicht gleich), daß die Ladungspaketdifferenz (Q.-Q_ß) noch in linearer Beziehung zur Eingangssignalspannungsdifferenz (Vqa-Vqq) steht, mit einer (additiven) Verschiebung, die signalunabhängig ist, und diese Verschiebung ist für alle nachfolgenden Pakete die gleiche, solange Q₀ für alle diese Pakete gleich gehalten wird. Folglich ist es für den Fall einer Fehlausrichtung (A. und Ag nicht gleich) wichtig, daß Q₀ für alle Pakete den gleichen festen Wert aufweist.

Im vollständig symmetrischen Fall hängt die Differenzmodussignalladung Q.-Qq/2 nicht von Q« ab. Wenn dieser Eingang bei einer differentiellen ladungsgekoppelten Verzögerungsleitung mit zwei getrennten Kanälen, die komplementäre Signale tragen, und mit einem Differenzverstärker am Ausgang benutzt wird, werden Schwankungen der Größe von Qq ausgelöscht.

Die obige Analyse beruht auf der Tatsache, daß die beiden Teilladungspakete Q_A und Q_ß gerade vor ihrer vollständigen Trennung ein gemeinsames Grenzflächenpotential erreichen. Die Fig. 4A, 4B und 4C zeigen mehrere Strukturen, bei denen vor der Trennung ein gemeinsames Grenzflächenpotential erreicht werdenlann. Die gestrichelten Linien in den Figuren zeigen die Lagen der beiden relativ schmalen Ladungsübertragungskanäle, die getrennt sind durch eine Kanalstopdiffusion (Implantation oder Zaaa dictaa Oxids, wie bekannt) und aus einem einzigen, relativ breiten Eingangs-

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kanal hervorgehen. Die In Fig. AA gezeigte Lösung wird in einer Dreiphasenweise betrieben, wobei zwei Eingangsgates GA und GB, welche die Funktion von Gleichstromelektroden ausüben» im Spannungsbereich zwischen dem Niederigsignalimpulspotential und dem halben Spitzensignalimpulspotential gehalten werden. Die Elektroden weisen (in Richtung der Ladungsverschiebung) mindestens die doppelte Länge einer regulären Übertragungselektrode auf, so daß sie ein volles Ladungpaket Qq innerhalb dieses begrenzten Potentialbereichs fassen können. Die Gleichgewichtsbildung findet statt, wenn die Phase f>₂ abgeschaltet und das Ladungspaket Qq unter die Eingangsgates geschoben wird. Die Ladung fährt fort, sich um die Kanalteilerfläche herum durch die Zone unter der den Gates GA und GB benachbarten Elektrode jOp auszugleichen, bis das Grenzflächenpotential unter Phase y>₂ ^ua~ ter das Gemeinschaftsgrenzflächenpotential fällt, das vom aufgellten Ladungspaket unter den Eingangsgate erzeugt wird.

Nahe beim Abschalten (wenn das Grenzflächenpotential unter der Phase-Zwei-Elektrode ψ~ nahezu gleich dem Potential unter den Gates GA und GB ist), besitzt der Ausgleichsweg zwischen den beiden durch die Gates GA und GB definierten Mulden geringe Leitfähigkeit, und zudem kann er aufgrund räumlicher Änderungen des Grenzflächenpotentials schlecht definiert sein. Da ferner die Entladung des großen Bereichs unter der Phase-Zwei-Elektrode <f>2 gleichzeitig mit dem Ausgleichsvorgang auftritt,

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wird diese Elektrode nicht zu schnell abgeschaltet, damit nicht ein richtiger Ausgleich verhindert wird, und zwar durch die Dynamik der Entladung unter dem Einfluß der elektrischen Randfelder an den Kanten 'der jp?₂-Elektrode.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Anfang des Kanalteilers weiter rechts unter den Eingangsgates selbst angeordnet, und der zurückbleibende unbedeckte Spalt zwischen den Gates ist durch eine selbstausrichtende Diode überbrückt, wie es Fig. 4B zeigt. Die selbstausrichtende Diode ist während der normalen Herstellungsfolge durch einen Diffusionsschritt hergestellt worden, bei dem die Gates als Maske verwendet werden. Bei dieser Anordnung kann sich Ladung während der gesamten Zeit ausgleichen, während welcher sie unter den Eingangsgates bleibt, und die Dynamik der Entladung ist nun hilfreich, da sie dazu führt, die beiden Teilladungspakete mit Zeitkonstantei. zu trennen, die viel kürzer als die Ausgleichszeitkonstanten zwischen den beiden Mulden sind. Für eine festgelegte Arbeitsfolgefrequenz können die Kanalbreite, die Elektrodenlänge und die Abmessungen des Durchgangs durch die selbstausrichtende Diode geeignet gewählt werden, um die richtigen Zeitkonstanten zu erhalten, gemäß bekannten Betrachtungen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein spezielles Trennungsgate SG zwischen zwei Kanalstopzonen 23' und 23" eingefügt, das

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die selbstausrichtende Diode ersetzt, wie es in Fig. AC gezeigt ist. Während des ersten Teils der Phase φ-, wird dieses G_ate gepulst, um einen Ausgleich der Grenzflächenpotentiale unter den beiden Eingangsgates zu erlauben. Bevor der Ladungsübergang zur Phasenelektrode ψ^ beginnt, wird dann das Gate abgeschaltet, was zu einer vollständigen Trennung der beiden Ladungspakete führt.

Das durch dieses Ladungsaufteilungseingangsschema eingeführte Rauschen hängt nicht von dem der Erzeugung des Ladungspaketes Qq zugeordneten Rauschen ab, solange dieser Eingang in Verbindung mit einer differentlellen Ladungsfeststellung verwendet wird. Das beim Aufteilungsvorgang erzeugte Rauschen kann man abschätzen, indem man annimmt, daß die Änderung der Grenzflächenpotentialdifferenz unter den beiden Eingangsgates durch i)kT/C, wobei der vom Mechanismus des Gleichgewichtsausgleichs abhängige Parameter im Intervall 0,5 ut\ £1,0 liegt. Der Wert von C, der im obigen Ausdruck zu benutzen ist, ist die Kapazität, die aus der Serienverbindung der beiden Heßmuldenkapazitäten resultiert, k ist die Bol-bzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur. Wenn die Kapazität unter jedem der Eingangsgates Cq ist, wird der quadratische Mittelwert der Rauschladung, die differentiell zwischen den beiden Kanälen betrachtet wird, zu 2ifcT/C_G. Dieser Wert ist somit im Prinzip der gleiche wie jener, der für eine differentiell CCD mit den gleichen Einige geben ist 809824/067 9

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gangsabmessungen und zwei getrennten Ladungseingängen, die sich unabhängig mit einer Spannungsquelle ausgleichen, berechnet worden ist. Das bedeutet, daß die erhältlichen Signal-zuRausch-Ladungsverhältnisse bei diesem neuen differentiellen Eingangsschema grundsätzlich die gleichen sind wie für eine Einkanallösung, bei der die gleiche Kanalbreite verwendet wird.

Die Eingangsanordnung der Fig. 2 ist besonders geeignet für differentielle ladungsgekoppelte Verzögerungsleitungen, speziell, wenn symmetrische Eingangssignale verfügbar sind, beispielsweise von einer Zweidrahtleitung oder von einem Kopplungsübertrager. In einem solchen Fall wird die Eingangsschaltung vollständig symmetrisch. Wenn nur ein einseitig geerdetes Eingangssignal, das auf Systemmasse bezogen ist, verfügbar ist, wird das zweite Eingangsgate auf einem geeigneten Gleichstrombezugspotential gehalten, das etwa 1/4 des Spitzensignalimpulspotentials für die Dreiphasenausführungen der Fig. 2 sein sollte. Die differentielle Natur dieses Eingangsschemas beseitigt dann die Notwendigkeit, für den zweiten Kanal ein spezielles komplementäres Eingangssignal zu erzeugen.

Der erfindungsgemäße Ladungsaufteilungseingang ist ebenfalls für einen Eingang einer Einkanalvorrichtung brauchbar, wenn die Eingangssignale in einem symmetrischen Format verfügbar sind.

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Das in einen Kanal injizierte Teilladungspaket Q_ß kann einfach in eine in Sperrichtung vorgespannte Ableitungsdiode ausgeschieden werden. Für eine Einkanalausführung kann der Grundriß jedoch leicht entsprechend Fig. 5 umgestellt werden, so daß ein Ausgleich zwischen den beiden Eingangsgates (GA und GB) über die gesamte Kanalbreite stattfinden kann, so daß eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit erlaubt ist. In dieser Form kombiniert der Ladungsaufteilungseingang (bei Verwendung des Trennungsgates SG der Fig. 5) die Vorteile der Spannungseingabe- und der Ladungsvoreinstelleingangsanordnungen, während einige derer Probleme vermieden werden. Vom ersteren behält er die Geschwindigkeit und den gut definierten Abtastpunkt, der durch das Abschalten des Trennungsgates gegeben ist, ohne die Nichtlinearitäten, die von der veränderlichen Verarmungskapazität herrühren. Er vermeidet die bekannten Probleme in Verbindung mit dem sich unerwünscht ändernden Abtastpunkt, die speziell lästig sind bei Signalfrequenzen in der Nähe der Nyquist-Folgefrequenz, was vom einseitig gerichteten Ausgleichsvorgang bei der Ladungsvoreinstellmethode herrührt. Die Linearität des neuen Eingangs übersteigt die Leistung der Ladungsvoreinstellungsmethode bei hohen Frequenzen, und die Empfindlichkeit gegenüber Schwellenspannungsdifferenzen ist stark verringert, da die beiden Eingangsgates auf dem selben Elektrodenniveau gebildet sind.

Betrachtet man das obige Aufteilungsrauschen, das in beiden Ka-

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nälen voll korreliert ist, so würde sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis nicht dadurch ändern, daß man das Ausgangssignal von nur einem der beiden Kanäle abnimmt. Bei der Einkanalausführung wird das Qq zugeordnete Rauschen Jedoch nicht ausgelöscht, und die Änderungen der beiden Rauschquellen sind hinzuzufügen. Folglich ist das gesamte Signal/Rausch-Verhältnis wieder Jenem vergleichbar, welches man bei einer Einkanalvorrichtung gleicher Kanalbreite bei Verwendung von einem der herkömmlichen Eingänge erhält.

Ob nun der ladungsaufteilende Eingang mit einem Kanal oder mit differentiellen Kanälen und mit einseitig geerdeten oder symmetrischen Eingangssignal^ benutzt wird, die Übertragungskanäle werden nie vollständig mit Ladung überflutet, selbst wenn den Eingangsgates extreme Spannungen zugeführt werden, da die Ladungseingabe die Menge der Ladung, die in irgendeinem Taktzyklus verfügbar ist, auf Qq begrenzt. Andererseits hat der Gerneinschaftsmodussignalbereich seine Grenzen. Wenn beide Eingangsgates unter das niedrige Ruhepotential der gepulsten Übertragungselektroden vorgespannt sind, wird in keinem der Kanäle Ladung injiziert. Man kann erreichen, daß die nicht in die Übertragungskanäle eingegebene Ladung zur Meßmulde unter der Meßelektrode ME zurückfließt, anstatt in das Substrat injiziert zu werden, wenn die φ ₁ -Übertragungselektrode, die der Meßmulde folgt, auf einem Potential gehalten wird, das etwas oberhalb

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des Ruhepotentials liegt. Im anderen Extrem können sehr hohe Potentiale an den Eingangsgates tiefe Potentialmulden erzeugen, die nicht dazu in der Lage sind, ihre Träger in die Übertragungskanäle zu entleeren. Wenn das Potential anschließend verringert wird, können sich diese Träger zu einem Ladungspaket hinzuaddieren, d*s größer als Qq ist, und je nach der Ladungsverkraftungsfähigkeit des Übertragungskanals kann ein Teil dieser Ladung in das Substrat injiziert werden. IAn überfüllte oder vollständig leere Ladungspakete zu vermeiden, die beide die Ladungsübertragung in den Signalkanälen beeinträchtigen würden, sollten die Eingangssignale entsprechend begrenzt werden. Dies entspricht den Vorkehrungen, die bei bekannten Vorrichtungen vorgenommen worden sind.

Venn auch verschiedene mögliche Ausführungen des Differenzeingangsschemas in Verbindung mit Dreiphasenvorrichtungen erläutert worden sind, dürfte doch klar sein, daß sich diese Methode gleich gut für Vierphasenvorrichtungen und, mit einigen Vorkehrungen, für Zweiphasenvorrichtungen mit Richtungselektroden anwenden läßt. Wenn beispielsweise die Eingangsgates selbst Richtungselektroden sind, dann funktioniert die in Fig. 4A gezeigte Anordnung nicht, da sich Ladung über den Barrierenteil der Eingangsgates nicht ausgleichen kann. Die in den Fig. 4B und 4C gezeigten Anordnungen funktionieren jedoch, vorausgesetzt, daß der Ausgleichsweg die Speicherteile der Eingangsgates

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verbindet.

Ausführungen mit mehr als einem Elektrodenniveau (d. h., polykristallines Silicium I oder polykristallines Silicium II) sind für die Verwirklichung der Eingangsstruktur mit dem zusätzlichen Trennungsgate höchst geeignet. In diesem Fall wird das Gate auf dem zweiten Elektrodenniveau plaziert, um die aktive Fläche dieses Gates minimal zu machen und eine leichte Zugänglichkeit zu schaffen. Ein symmetrischer differentieller Eingang unter Verwendung der Trennungsgatelösung ist ausgeführt worden mit zwei Niveaus des polykristallinen Siliciums in Verbindung mit einem Chip, der mehrere differentielle ladungsgekoppelte Verzögerungsleitungen enthält.

Eine Vorrichtung mit einem ladungsaufteilenden Eingang wurde mit dem in Fig. 4C gezeigten Elektrodengrundriß hergestellt und umfaßte einen auf dem selben Chip befindlichen (nicht gezeigten) Differenzverstärker mit Polysilicium-I- und Polysilicium-II-Kondensatoren zur Steuerung der Gesamtverstärkung der Vorrichtung und zur Frequenzkompensation des Verstärkers (die Kurzform Polysilicium steht für polykristallines Silicium). Eine Vierphasen-Übertragungselektrodenstruktur mit zwei Polysiliciumniveaus wurde verwendet, um die für CTD's normalen Verzögerungselemente zu erzeugen. Ubertragungsimpulse und für die

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Eingangs- und Ausgangsschaltungen erforderliche Impulse wurden durch eine (nicht gezeigte) Reihe von Logikzellen, die ebenfalls auf dem Chip vorgesehen waren, erzeugt. Der Chip arbeitete mit zwei Spannungen, nämlich +12 V und -5 V; alle erforderlichen Zwischenspannungen wurden durch auf dem Chip befindliche Spannungsteiler erzeugt.

Die Chips wurden hergestellt unter Verwendung eines n-Kanal-Prozesses mit selbstausrichtendem dicken Feldoxid über einer fonenimplantierten Kanalstopzone, zweier Polysilicium-Niveaus, einer Ionenimplantation zur Einstellung des Schwellenwertes unter einem der Polysilicium-Niveaus und einer selbstausrichtenden Diffusion zur Erzeugung der Source- und Drainelektroden, je entsprechend bekannten Methoden.

Im Betrieb wurden Ladungspakete fester Größe in Jedem Taktzyklus in einer Meßmulde erzeugt, und zwar unter Verwendung der normalen "Füllen- und Ausschütten-** (Ξ Ladungsvoreinstellungs-) Methode. Diese Pakete wurden dann anschließend zum tatsächlichen Signaleingang verschoben, d. h., in zwei unter einer Spaltelektrode erzeugte Potentialmulden, die über einen leitenden Kanal verbunden waren. Diese beiden Potentialmulden wurden durch Elektroden auf dem Polysilicium-Niveau I erzeugt, denen die Eingangsspannungen zugeführt wurden. Der leitende Kanal wurde durch eine Elektrode auf dem Polysilicium-Niveau II er-

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zeugt, die es als erstes den Ladungspaketen unter den beiden Elektroden erlaubt, ins Gleichgewicht zu kommen, so daß die Ladungsdifferenz zwischen diesen eine lineare Funktion der Spannungsdifferenz an den Elektroden war. Anschließend wurde diese Elektrode abgeschaltet, um die beiden Teilladungspakete zu trennen.

Bei dieser Ausführungsform waren die Abmessungen der Gates GA, GB und SG 40 um χ 100 um und 7 um χ 7 um. Die Abmessungen der

Ubertragungselektroden waren 7 tun und 6 um χ 100 um.

Obwohl die Erfindung anhand einer Eingangszone beschrieben worden ist, die dafür ausgelegt ist, eine gegebene Ladung in zwei Pakete aufzuteilen, soll sie ausdrücklich auch Eingangszonen umfassen, die dazu ausgelegt sind, Ladung in drei oder mehr Pakete oder in absichtlich ungleiche Pakete aufzuteilen. Im letzteren Fall ist an gleiche oder ungleiche Signalspannungen gedacht.

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Claims (7)

1. BLUMBACH · WESi-R · BERGEN KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

   PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN 2 7 B 3 6 7 7

   ?atentconsult RadedtestraSe 43 8000München «0 Telefon (089) 883603/683604 Telex 05-212313 Telegramme Palentconsult PateMconsuit Sonnenberger StraBe43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsuit

   Western Electric Company, Incorporated

   Hew York, H.Y., USA Crochiere 4-14-10

   LadungsüT>ertragungsvorrichtung mit einen Eingang zur linearen differentiellen Ladungsaufteilung

   Patentansprüche

   i.jLadungsübertragungsvorrichtung mit einer Halbleiterschicht, in der erste Ladungspakete aufgrund einer Folge lokalisierter elektrischer Felder von einem Eingangsteil aus längs eines ersten Weges bewegt werden können, und einer eine erste Elektrodengruppe aufweisenden Anordnung elektrischer Leiter, die ■it der Halbleiterschicht derart gekoppelt sind, daß die Felder in solcher Welse erzeugt werden, daß die Ladungspakete lings des ersten Weges bewegt werden, wobei der Ringangst eil

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   eine Einrichtung zur Erzeugung von Ladungspaketen umfaßt, dadurch gekennzeichnet , daß eine auf erste und zweite Signale ansprechende Einrichtung (GA, GB) vorgesehen ist, die Jedes der signalunabhängigen Ladungspakete in erste und zweite Ladungspakete teilt, wobei jedes der ersten Ladungspakete in linearer Beziehung zur Differenz zwischen erstem und zweitem Signal steht, und daß das erste Ladungspaket so positioniert ist, daß es längs des ersten Weges zu bewegen ist.
2. 2. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung elektrischer Leiter (^₁, ^₂) auch eine mit der Schicht (11) gekoppelte zweite Gruppe von Elektroden umfaßt, zur Erzeugung der Felder in solcher Weise, daß die zweiten Ladungspakete längs eines zweiten Weges (Kanal B) bewegt werden, und daß jedes der zweiten Ladungspakete für eine Bewegung längs des zweiten Weges positioniert ist.
3. 3. Ladungsübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung des ersten Ladungspaketes eine Eingangsdiode (ID) und eine Meß elektrode (ME) zur Festlegung einer Meßmulde in der Schicht aufweist.

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4. 4. LadungsUbertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

   1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Teilen ein erstes (GA) und ein zweites (GB) Eingangsgate aufweist, die sich an die Schicht (11) anschließen und in Abhängigkeit vom ersten bzw. zweiten Signal das signalunabhängige Ladungspaket in ein erstes und ein zweites Ladungspekt trennen.
5. 5. LadungsUbertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

   1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Teilen auch eine Gateelektrode (SG) aufweist.
6. 6. LadungsUbertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

   1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Teilen eine Diode umfaßt.
7. 7. LadungsUbertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

   1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Teilen Elektroden mit im wesentlichen identischer Geometrie aufweist.

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