DE2800893A1

DE2800893A1 - Verfahren und einrichtung zur eingabe von signalen in eine ladungsgekoppelte anordnung

Info

Publication number: DE2800893A1
Application number: DE19782800893
Authority: DE
Inventors: James Edward Carnes; Peter Alan Levine; Donald Jon Sauer
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-01-10
Filing date: 1978-01-10
Publication date: 1978-07-13
Also published as: NL7800272A; DE2800893C2; DK149674C; ES465682A1; JPS5649460B2; FI780012A; GB1579033A; FR2377127A1; DK8878A; AU511885B2; AU3216678A; FR2377127B1; DK149674B; SE7800104L; FI72410C; PL203913A1; CA1101994A; PL120630B1; FI72410B; JPS5829634B2

Description

RCA 7128? Ks/Ri ___ nnna η ο

U.S. Serial No: 758,184 Patentem»«· 280Q83O

Filed: January 10, 1977 " Dr. Dieter v. Bezold 1

- Dip!. - !nc. Pft-r Cd¹UtZ

* DipL-ln·¹. '.Voi«-^'.^3 H■■*!«.'slar

6 München S3, Pcstiac:i B60668

RCA Corporation
New York, N.Y.,V.St.v.A.

Verfahren und Einrichtung zur Eingabe von Signalen in eine ladungsgekoppelte Anordnung

Die Erfindung betrifft sogenannte CCD-Anordnungen (Charge Coupled Devices")» d.h. Anordnungen mit ladungsgekoppelten Elementen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Eingangskreis für eine solche Anordnung.

Eine ladungsgekoppelte Anordnung bekannten Typs besteht aus einem Substrat und einzelnen Elektroden, die gegenüber dem Substrat isoliert sind. Durch Anlegen mehrphasiger Spannungen an die Elektroden werden Potentialgruben im Substrat gebildet, um Ladungssignale zu speichern und längs dem aus ladungsgekoppelten Elementen bestehenden Kanal weiterzugeben. Die ladungsgekoppelte Anordnung enthält ferner eine Ladungsträgerquelle (Sourceelektrode) im Substrat. Zwischen der Sourceelektrode und dem CCD-Kanal befindet sich eine gegenüber dem Substrat isolierte Elektrodenanordnung, die auf ein Eingangssignal anspricht, um das Einführen von Ladung aus der Sourceelektrode in den CCD-Kanal zu steuern.

809828/0983

280Ü893

Gemäß der Erfindung enthält die besagte Elektrodenanordnung eine Speicherelektrode, um abhängig von einer angelegten Spannung eine Eingangs-Potentialgrube im Substrat zu bilden, die wesentlich größer ist als die Kapazität der Potentialgruben im CCD-Kanal. Die sogenannte Übertragungskennlinie (Ladungsübertragungsfunktion) der Eingangs-Potentialgrube, d.h. die Punktion der Anzahl eingeführter Ladungsträger abhängig von der Signalspannung, ist bei niedrigeren Eingangssignalpegeln relativ nichtlinear und bei höheren Eingangssignalpegeln verhältnismäßig linear. Um das Problem der genannten Nichtlinearität zu beseitigen, ist eine Anordnung vorgesehen, die auf das Eingangssignal und auf eine Steuerspannungsvorgabe anspricht, um in die Eingangs-Potentialgrube eine Ladung einzuführen, die eine Vorspannungskomponente bei einem dem nichtlinearen Bereich der besagten Übertragungskennlinie entsprechenden Pegel enthält und außerdem eine Signalkomponente enthält. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, um aus der unter der Speicherelektrode befindlichen Eingangs-Potentialgrube die Signalkomponente der darin gespeicherten Ladung herauszunehmen und an den CCD-Kanal weiterzugeben, während die Vorspannungskomponente der Ladung in der Eingangs-Potentialgrube unter der Speicherelektrode belassen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer graphischen Darstellung die Funktion der Anzahl erzeugter Ladungsträger abhängig von der Eingangssignalspannung für eine herkömmlich betriebene Eingangsstufe einer CCD-Anordnung mit "versenktem" Kanal;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße CCD-Eingangsschaltung ·

Fig. 3 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie 3-3 der Fig. 2;

- 3 809828/0983

28UÜ893

Pig. 4 ist eine schematische Darstellung von Potentialprofilen am Substrat zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach den Figuren 2 und 3;

Fig. 5 zeigt die Gestalt und die zeitliche Beziehung verschiedener Wellenformen für den Betrieb der Schaltung nach den Figuren 2 und 3;

Figuren 6a und 6b

sind Schaubilder zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungen nach den Figuren 2 und 3·

In der USA-Patentschrift 3 986 198 sind relativ rauscharme Schaltungen für die Eingabe eines Ladungssignals in ein CCD-Register beschrieben. Die dabei angewandte Betriebsart ist unter der Bezeichnung "fill and spill"-Methode bekanntgeworden, was etwa soviel wie "Einfüllen und Abgießen" heißt. In der sogenannten Einfüllperiode des Betriebszyklus werden Ladungssignale aus einer Quellenelektrode (Sourceelektrode) in eine erste Potentialgrube gegeben. Anschließend wird die Potentialgrube teilweise geleert, z.B. indem man die Sourceelektrode als Senke (Drain) betreibt· Während des Entleerungsvorgangs wird zwischen der Elektrode, unter der die Potentialgrube gebildet ist,und einer zweiten Elektrode, die zwischen der letztgenannten und der Sourceelektrode liegt, eine Eingangssignalspannung aufrechterhalten. Die in der ersten Potentialgrube verbleibende Ladung ist eine Funktion der Amplitude dieses Eingangssignals und ist relativ frei von Stör- oder Rauschkomponenten.

Es wurde gefunden, daß der vorstehend beschriebene Betrieb im Falle eines CCD-Typs mit sogenanntem "versenktem" Kanal (buried channel CCD) zwar relativ rauschfrei ist, andererseits aber eine ausgeprägtere Nichtlinearität in der Übertragungsfunktion des Eingangssignals auf die Ladung bringt (im Vergleich zum Fall eines CCD-Typs mit Oberflächenkanal). Die für eine typische CCD-Anordnung mit versenktem, N-leitendem Kanal geltende Übertragungs-

- 4- 809828/0983

kennlinie, welche die Anzahl der erzeugten Ladungsträger abhängig von der Signalspannung wiedergibt, ist in Fig. 1 dargestellt. Der flache Bereich am oberen Ende stellt die Ladungskapazität (Fassungsvermögen) der Eingangs-Potentialgrube darj diese Kapazität kann etwas größer sein als das Fassungsvermögen jeder Übertragungs-Potentialgrube längs des Hauptteils des CCD-Kanals. Die Kapazität einer solchen Übertragungs-Potentialgrube ist mit der gestrichelten Linie 13 angedeutet.

Die in Fig. 1 gezeigte Kurve hat einen relativ nichtlinearen Bereich bei verhältnismäßig niedrigen Signalpegeln (zwischen V Volt und V) und einen relativ linearen Bereich bei verhältnismäßig hohen Signalpegeln (zwischen V und V). Eine Signaländerung AVj^ bei relativ niedrigem Eingangssignalpegel wird in nichtlinearer Weise in ein Ladungssignal in der Eingangs-Potentialgrube umgesetzt; eine Signal änderung AVj^o "bei relativ hohem Eingangssignalpegel wird linear in ein Ladungssignal in der Eingangs-Potentialgrube umgesetzt. Der nichtlineare Bereich einer mit versenktem Kanal gebauten Anordnung resultiert z.B. daraus, daß sich die Kapazität des versenkten Kanals als Funktion des Ladungsniveaus bei niedrigen Ladungswerten mehr ändert als bei höheren Ladungswerten. Daneben gibt es noch komplexere Effekte, die das Maß der Nichtlinearität beeinflussen.

In bestimmten Anwendungsfällen, z.B. wenn CCD-Verzögerungsleitungen eingesetzt werden, um analoge Signale wie etwa Fernsehbildsignale zu verzögern, ist der vorstehend beschriebene Betrieb natürlich höchst nachteilig. Es ist erwünscht, daß die CCD-Verzögerungsleitung das analoge Signal möglichst wenig verzerrt, und zu diesem Zweck sollte die Eingangsschaltung der CCD-Anordnung linear arbeiten.

Es ist außerdem wichtig, daß eine CCD-Verzögerungsleitung der vorstehend beschriebenen Art nicht zu viel Platz auf dem Halbleitersubstrat beansprucht. In der CCD-Anordnung werden die Breite

809828/0983

*- 28Ü0393

des Kanals und die Flächengröße der Elektroden so bemessen, daß die durch die Mehrphasenspannungen gebildeten Potentialgruben gerade nur so viel Ladung speichern können wie durch die größte zu erwartende Amplitude des Eingangssignals erzeugt werden kann (vorausgesetzt die Mehrphasenspannung hat irgend einen brauchbaren Wert (z.B. 10 bis 12 VoIt)). Eine Vergrößerung der Flächen der CCD-Elektroden würde bedeuten, daß Jede CCD-Verzögerungsleitung größer wird und daß man somit weniger CCD-Verzögerungsleitungen von einem einzigen Halbleiterscheibchen gewinnen kann (in der Praxis werden nämlich viele Verzögerungsleitungen zur gleichen Zeit und auf demselben Halbleiterscheibchen fabriziert und dann jeweils abgeschnitten oder sonstwie voneinander getrennt). Dies ist verschwenderisch und erhöht die Kosten für jede einzelne Verzögerungsleitung. Außerdem haben großflächigere Verzögerungsleitungen stärkeres kapazitives Verhalten, wodurch ihr Betrieb mit hohen Frequenzen (hochfrequente Mehrphasenspannungen) erschwert wird und eine größere Verlustleistung in den Ansteuerschaltungen für die CCD-Anordnung erforderlich ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eine erfindungsgemäße Schaltung, welche die vorstehend genannten Probleme löst. Die dargestellte CCD-Anordnung enthält ein P-leitendes Siliziumsubstrat 10 und eine an der Substratoberfläche gebildete Sourceelektrode S. Diese Sourceelektrode bestehe aus einer N-leitenden Diffusion im P-leitenden Substrat. Die Schicht B ist ein dünner Überzug aus N-leitendem Silizium an der Substratoberfläche und bildet mit dem Substrat einen PN-Übergang 12. Die Schicht ^B ist wie üblich weniger hoch dotiert als die Source-Diffusion S. Die CCD-Eingangselektroden bestehen aus drei Gateelektroden G,-, G₀ und G-, (in dieser Reihenfolge), denen Mehrphasenelektroden ΐϊ, 16, 18, 20 usw. folgen. Diese Elektroden können z.B. alle aus Polysilizium bestehen und sich in zweischichtiger Anordnung überlappen. Natürlich sind auch andere Materialien und andere Konstruktionsformen möglich, die von der Erfindung gleichfalls umfaßt werden. Der

809828/0983

28Ü0893

CCD-Kanal, der durch besondere Diffusionsgebiete (nicht dargestellt) am Rand begrenzt sein kann, ist unterhalb der Eingangselektroden G^, G₂ und G, relativ breit und verjüngt sich dann auf eine geringere Breite im Hauptteil der CCD-Anordnung, wie es mit den gestrichelten Linien angedeutet ist. Dieser (nicht dargestellte) Hauptteil der CCD-Anordnung kann einige hundert CCD-Stufen umfassen (in einer praktischen Ausführungsform sind es mehr als fünfhundert Stufen mit jeweils vier Elektroden pro Stufe). Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann der breitere Teil des CCD-Kanals doppelt so breit wie der Hauptteil des CCD-Kanals sein, wie es mit den Breiten-Maßen 2w und w in Fig. 2 angedeutet ist.

Die Arbeitsweise der CCD-Anordnung ist in den Figuren 4· und 5 veranschaulicht. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß zum Zeitpunkt t_Q in der Potentialgrube 26 unter der Elektrode G₂ keine Ladung vorhanden ist, wie es das Bild 4· (a) in Fig. 4· zeigt. Zu diesem Zeitpunkt ist (j>^ niedrig, so daß unter der ersten (JL-Elektrode 14· eine Potentialbarriere 20 und unter der Elektrode 16 eine flache Potentialgrube 22 vorhanden ist. Die flache Grube entsteht, weil das Potential der Elektrode 16 um einen Gleichspannungsbetrag gegenüber dem Potential der Elektrode 14· in positiver Richtung versetzt gehalten wird. Dies ist schematisch durch die Batterie 15 angedeutet. V^ ist im hier betrachteten Zeitpunkt auf einem relativ niedrigen Wert, so daß unter der Elektrode G, eine Potentialbarriere 24- vorhanden ist. V₂ wird ständig auf einem relativ hohen Gleichspannungswert gehalten, so daß sich unter der Speicherelektrode G₂ eine Potentialgrube 26 befindet. Diese Grube ist als die sogenannte "Eingangs"-Potentialgrube anzusehen. V. ist ebenfalls ein Gleichspannungswert, der jedoch weniger positiv als V₂ ist. Diese Spannung und die Signalspannung V_1n werden der Elektrode G^ angelegt. Somit ist ständig unter der Elektrode G^ eine Potentialbarriere, deren Höhe eine Funktion des Gleichspannungswert V₁ plus dem Signalpegel V_1n ist. Die Spannung V_g ist zum Zeitpunkt t_Q verhältnismäßig

— 7 — 809828/0983

positiv, so daß die Diffusion S als Senke oder "Drain" für Ladungsträger wirkt·

Zum Zeitpunkt t,, ist die Spannung V₅ relativ negativ, so daß die Diffusion S als Quelle ("Source") für Ladungsträger arbeitet. Diese Ladungsträger (Elektronen) füllen nun die Potentialgrube 26 auf das Niveau 30.

Zum Zeitpunkt tp ist die Spannung Vg auf ihrem positiveren Wert, wodurch die Diffusion S als Drain wirkt. Es ergießt sich nun ein Teil der in der Grube 26 vorhandenen Ladung zurück über die Barriere 28 in das Diffusionsgebiet S. Die in der Potentialgrube 26 verbleibende Ladung enthält eine Komponente, die dem Signal proportional ist, und eine weitere Komponente, die proportional der Differenz zwischen den Gleichspannungswerten Yy. und V₂ ist. In der Zeichnung ist die in der Grube 26 enthaltene Ladung auf zwei verschiedene Arten schraffiert dargestellt. Der eine Teil 32 dieser Ladung bleibt ständig in dieser Grube und ist mit "Vorspannung" bezeichnet· Der andere, mit "Signal" bezeichnete Teil 34 der Ladung wird aus der Grube "abgeschöpft" und entlang dem CCD-Register weitergegeben, wie es noch erläutert werden wird.

Zum Zeitpunkt t, ist V* relativ positiv, so daß die Höhe der Barriere 24· wesentlich niedriger als zum Zeitpunkt tp ist. Die an die Speicherelektrode Gg gelegte Spannung Y^ bleibt dieselbe, wie bereits erwähnt. Zum Zeitpunkt t, ist auch die zur Phase 1 gehörende Spannung (L hoch, so daß unter den φ^.-Elektroden 14 und 16 jeweils eine Potentialgrube 36 bzw. 38 entsteht. Da die Elektrode 16 positiver vorgespannt ist als die Elektrode 14, ist die Grube 38 unter der Elektrode 16 tiefer als die Grube 36 unter der Elektrode 14. (Im vorliegenden Fall ist eine Einrichtung 15 dargestellt, die eine Offsetspannung zwischen den beiden Elektroden erzeugt, um eine asymmetrische Potentialgrube zu bilden. Es sind jedoch auch andere Strukturen möglich. Eine

809828/0983

280Ü893

dieser Mögliclikeiteii besteht darin, anstelle der beiden Elektroden 14- und 16 eine einzige Elektrode zu verwenden und unter einem Teil derselben ein geeignetes Ionenimplantat vorzusehen.) Die Spannung (L hat zum Zeitpunkt t, eine wesentliche höhere Amplitude als die Spannung V^, so daß das Grubenpotential 20 höher ist als das Grubenpotential 24-, d.h. das Niveau 20 erscheint als Grube gegenüber dem Niveau 24-. Bei diesen Bedingungen wird ein Teil der in der Potentialgrube 26 befindlichen Ladung aus dieser Grube abgeschöpft und in die Grube 38 weitergegeben. Der übrige Teil der Ladung, d.h. die Vorspannungsladung 32, bleibt weiter in der Potentialgrube 26. Der Teil 34- der Ladung, der vorher in der Grube 26 war und nun in der Grube 38 ist, wird anschließend mittels der beiden Phasenspannungen (J>., (J^ in herkömmlicher Weise entlang dem CCD-Register weitergereicht.

Die Bedeutung der vorstehend beschriebenen Betriebsweise wird besser erkennbar, wenn man die Fig. 6a betrachtet. Das dort gezeigte Schaubild ist in kleinerem Maßstab als die Fig. 1 gezeichnet (die gestrichelte Linie 13, die in beiden Figuren das gleiche Ladungsniveau bedeuten könnte, ist in Fig. 1 etwa doppelt so weit vom Nullniveau der Ladung entfernt wie im Falle der Fig. 6a), jedoch sind gleiche Teile des Schaubildes mit jeweils denselben Bezugszahlen bezeichnet. Die Potentialgrube 26 (Fig. 4-) behält ständig eine Vorspannungsladung (32 in Fig. 4-), die mit der gestrichelten Linie 15 in Fig. 6a dargestellt ist. Diese gestrichelte Linie definiert den Anfang des relativ linearen Bereichs der Übertragungskennlinie. Jede Ladung, die dieser Potentialgrube abhängig von einem Eingangssignal Vj_n hinzugefügt wird (die Ladung 34- in Fig. 4-) ist eine im wesentlichen lineare Funktion dieses Eingangssignals, weil hier im linearen Bereich der Kennlinie gearbeitet wird. Außerdem ist die Struktur so getroffen, daß ein voller Dynamikbereich erhalten wird. Anders ausgedrückt: weil die Eingangs-Potentialgrube (die Grube unter der Elektrode Gg) in einer Region liegt, wo der Kanal breit ist, ist ihr Fassungsvermögen relativ groß — ungefähr doppelt so groß wie das Fassungsvermögen der Übertragungs-Potentialgruben im

- 9 809828/0983

2SÜÜ893

Hauptteil der CCD-Anordnung (die Eingangs-Potentialgrube unter der Elektrode G^ kat ungefähr das doppelte Fassungsvermögen einer Grube unter einer Elektrode wie z.B. 42 in den Figuren 2 und 3)· Das heißt, obwohl die Potentialgrube 26 unter der Speicherelektrode G₂ nur eine Menge an Signalladung aufnehmen kann, die lediglich einen Teil ihrer Kapazität ausmacht (bei maximalem Wert des Eingangssignals belegt die Signalladung nur etwa die Hälfte der Grube, während die andere Hälfte von der Vorspannungsladung ausgefüllt wird), kann das aus dieser Potentialgrube 26 abgeschöpfte Ladungssignal im Falle maximalen Eingangssignalpegels immer noch die Grube unter der Elektrode 42 bis auf praktisch ihr volles Fassungsvermögen füllen. Somit arbeitet die beschriebene CCD-Anordnung linear über praktisch die volle Kapazität der Übertragungs-Potentialgruben im Halbleiterkörper der CCD-Anordnung, so daß diese Anordnung einen größeren nutzbaren Dynamikbereich hat.

Die Übertragungsfunktion einer typischen Übertragungs-Potentialgrube (z.B. einer unter der Elektrode 42 in den Figuren 2 und 3 liegenden Grube) abhängig von dem an die Elektrode G gelegten Eingangssignal V™ ist iⁿ Fig. 6b dargestellt. Die gestrichelte Linie 13 gibt das volle Fassungsvermögen der Übertragungsgrube an. Man erkennt, daß der Betrieb über nahezu die gesamte Kennlinie ziemlich linear ist (in der Praxis hat sich gezeigt,daß bei extrem niedrigen Werten des Eingangssignals Vj^ eine gewisse kleine Nichtlinearität auftritt, wie sie bei 17 angedeutet ist, deren Ursache jedoch noch nicht völlig geklärt ist.)

Der vorstehend beschriebene im wesentlichen lineare Betrieb wird erreicht, ohne übermäßige Substratfläche zu benötigen. Bei einer praktischen Ausführungsform besteht der Hauptteil der CCD-Anordnung aus mehr als fünfhundert Stufen (mehr als zweitausend Elektroden), und die Kanalbreite, die Elektrodenflächen sowie die Substratflächen aller Stufen, mit Ausnahme der ersten Stufe, bleiben unverändert. Die Elektroden 14, 16, 18 und 20 dieser

- 10 -

809828/0983

ersten Stufe haben vergrößerte Flächen, ferner ist eine zusätzliche Gateelektrode G-, vorhanden, und die Sourceelektrode sowie die beiden ersten Gateelektroden haben vergrößerte Fläche. Insgesamt gesehen ist der erforderliche Größenzuwachs der CCD-Anordnung unbedeutend, er beträgt nur einen Bruchteil eines Prozents. Während vorstehend zu Erläuterungszwecken ein zweiphasiger Betrieb unterstellt wurde, kann die Erfindung natürlich gleichermaßen gut bei Betriebsarten mit drei, vier oder noch mehr Phasen angewendet werden. Auch ist die Erfindung für CCD-Anordnungen geeignet, die statt des gezeigten P-leitenden Substrats ein N-leitendes Substrat enthaltai,wobei die Oberflächenschicht sowie das Sourcegebiet P-leitend sind. Natürlich müssen in diesem Fall die Betriebsspannungen entsprechend geändert werden. Schließlich können auch die Wellenformen anders aussehen als im gezeigten typischen Fall· Zum Beispiel hat im dargestellten Fall die Spannung V, dieselbe Form wie die Welle (J^. Ein zufriedenstellender Betrieb läßt sich aber auch mit einer Wellenform für VV erreichen, die eine andere Gestalt als die Wellenform (L hat. V^ sollte niedrig sein, wenn Vg niedrig ist, jedoch kann V, hoch gehen, bevor (L hoch wird,

Obwohl nicht eigens dargestellt, können beim hier beschriebenen System die in der Deutschen Patentanmeldung P 27 33 675.0-53 (US-Anmeldung 708,351) oder die in der Deutschen Patentanmeldung P 27 33 674.9-53 (US-Anmeldung 708,397) offenbarten Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, daß die Sourceelektrode' während des Einfüll- und Abgießvorgangs auf den richtigen Potentialen arbeitet.

809828/098

Le e rs e i te

Claims

2800393

Patentansprüche

1.) Verfahren zum Betreiben einer ladungsgekoppelten Anordnung, in der die Übertragungskennlinie einer Eingangs-Potentialgrube, welche die Anzahl der erzeugten Ladungsträger als Funktion der Eingangssxgnalspannung wiedergibt, in einem ersten Eingangssignalbereich zwischen einem ersten und einem zweiten Signalpegel V^, und Vo ^Te~ lativ nichtlinear ist und in einem zweiten Eingangssignalbereich zwischen dem zweiten und einem dritten Signalpegel V, verhältnismäßig linear ist, wobei der dritte Signalpegel höher als der zweite und der zweite Signalpegel höher als der erste ist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß in die Eingangs-Potentialgrube (26) eine Vorspannungsladung (32) eingebracht wird, deren Höhe derjenigen Anzahl von Ladungsträgern entspricht, die durch ein Eingangssignal mit im wesentlichen dem zweiten Signalpegel Vo erzeugt werden würde;

b) daß zu der Vorspannungsladung in der Eingangs-Potentialgrube eine Anzahl von Ladungsträgern (34·) hinzugefügt wird, die proportional einem Eingangssignal ist, dessen Amplitude im Bereich von Null bis (^V3~"^V2^ -¹^S* 5

c) daß aus der besagten Potentxalgrube nur derjenige Teil der darin befindlichen Ladung abgeschöpft wird, der die Vorspannungsladung übersteigt;

d) daß die abgeschöpfte Ladung entlang der Länge der ladungsgekoppelten Schaltungsanordnung übertragen wird, indem sie in Potentialgruben (z.B. 42) weitergereicht wird, deren Kapazitäten wesentlich kleiner als diejenige der Eingangs-Potentialgrube aber noch ausreichend

- 12 809828/0983 n^Gu!;M- !MSPSCTED

-\- 2600893

groß sind, um eine dem maximalen Eingangssignalpegel V^-Vp entsprechende Ladung zu speichern.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinzufügung der dem Eingangssignal proportionalen Anzahl von Ladungsträgern zur Vorspannungsladung dadurch erfolgt, daß zunächst eine größere Anzahl solcher Ladungsträger in die Eingangs-Potentialgrube (26) hinzugegeben wird und daß anschließend abhängig vom Eingangssignal eine ausreichende Anzahl von Ladungsträgern aus der Eingangs-Potentialgrube herausgenommen wird, um in der Potentialgrube noch so viele Ladungsträger gespeichert zu lassen, wie es der Summe der Vorspannungsladung und der dem Eingangssignal proportionalen Anzahl entspricht.

Ladungsgekoppelte Anordnung mit einem aus ladungsgekoppelten Elementen bestehenden Kanal, der ein Substrat und demgegenüber isolierte Elektroden aufweist, denen Mehrphasenspannungen anlegbar sind, um im Substrat Potentialgruben für die Speicherung und Weitergabe von Ladungssignalen längs des Kanals zu bilden, ferner mit einer Sourceelektrode im Substrat sowie mit einer Elektrodenanordnung, die gegenüber dem Substrat isoliert und zwischen der Sourceelektrode und dem Kanal angeordnet ist und auf ein Eingangssignal anspricht, um das Einführen von Ladung aus der Sourceelektrode in den Kanal zu steuern, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Elektrodenanordnung (G,,, G₂, GO eine Speicherelektrode (G₂) enthält, um abhängig von einer angelegten Spannung (V₂) eine Eingangs-Potentialgrube (26) im Substrat (10) zu bilden, die wesentlich größer als die Kapazität der im Kanal gebildeten Potentialgruben (z.B. 38) ist und deren Übertragungskennlinie (Fig. 1), welche die Anzahl der erzeugten Ladungsträger als Punktion der Signalspannung wiedergibt, bei niedrigeren

- 13 809828/09S3

Eingangssignalpegeln (V₂-V_x) relativ nichtlinear und bei höheren Eingangssignalpegeln (V -V) ver-

x y

hältnismäßig linear ist;

b) daß eine Einrichtung (G,,) vorgesehen ist, die auf das Eingangssignal (Vjjj) und auf eine Steuerspannung (V,.) anspricht, um in die Eingangs-Potentialgrube eine Ladung (30) einzubringen, welche eine Vorspannungskomponente (32) mit einer dem nichtlinearen Bereich der Übertragungskennlinie entsprechenden Höhe und eine Signalkomponente (34-) enthält;

c) daß eine Einrichtung (G^) vorgesehen ist, um aus der unter der Speicherelektrode gebildeten Potentialgrube die Signalkomponente der darin gespeicherten Ladung herauszunehmen und sie an den Kanal weiterzugeben, während sie die Vorspannungskomponente der Ladung in der Potentialgrube unter der Speicherelektrode beläßt.

4·. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Typ ist, bei dem der Kanal versenkt ist ("buried ehannel" CGI!).

5. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der auf das Eingangssignal und auf die Steuerspannung ansprechenden Einrichtung eine Steuerelektrode (G,.) enthalten ist, an die das besagte Signal gelegt wird und die gegenüber dem Substrat (10) isoliert und zwischen der Speicherelektrode (Go) und der Sourceelektrode (S) angeordnet ist, und daß die Steuerspannung zwischen die Sourceelektrode und die Steuerelektrode gelegt ist und während eines ersten Zeitintervalls (t^) einen ersten Wert hat, bei dem sich die Potentialgrube (26) unter der Speicherelektrode mit Ladung füllt, und während eines folgenden ZeitIntervalls (t₂) einen anderen Wert (28) hat,

- 14- -

809828/0983

bei dem ein Teil der Ladung wieder abfließt, so daß in der besagten Potentialgrube diejenige Ladung verbleibt, welche die Signalkomponente (34-) und die Vorspannungskomponente (32) enthält·

6. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine derartige Auslegung der Speicherelektrode (G₂), daß die Tiefe der Eingangs-Potentialgrube (26) mindestens das Doppelte der Größe· der im Kanal befindlichen Potentialgruben ausmacht.

7. Eingangsschaltung für eine ladungsgekoppelte Anordnung, gekennzeichnet durch:

a) ein Halbleitersubstrat (10);

b) eine im Substrat gebildete Soureeelektrode (S);

c) einen in "versenkter" Bauweise im Substrat gebildeten ladungsgekoppelten Kanal (CCD-Kanal), der einen an die Soureeelektrode angrenzenden ersten Bereich (Breite 2W), eine den größten Teil der ladungsgekoppelten Anordnung ausmachenden und wesentlich schmaleren dritten Bereich (Breite w) sowie einen sich verjüngenden zweiten Bereich aufweist, mit dem der erste Bereich in den dritten Bereich übergeht;

d) eine erste, eine zweite und eine dritte Elektrode (G^, G₂, G,), die sich über dem ersten Bereich befinden und gegenüber dem Substrat isoliert sind, wobei die zweite Elektrode (G₂) eine Speicherelektrode ist und wobei die erste Elektrode (G_x.) zwischen der Speicherelektrode und der Sourceelektrode liegt und wobei die dritte Elektrode (G,) zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Bereich des Kanals liegt;

e) eine Einrichtung (V₂) zum Anlegen einer Spannung an die zweite Elektrode, so daß eine Potentialgrube (26)

609828/0983

28Q0893

im Substrat geschaffen wird;

f) eine Einrichtung (V,.) zum Anlegen eines Eingangs signals an die erste Elektrode;

g) eine Einrichtung (Vg), um zwischen der Sourceelektrode und der ersten Elektrode eine Potentialdifferenz zu bilden, die zunächst einen solchen Wert hat, daß die besagte Potentialgrube mit Ladung gefüllt wird, und die dann einen solchen Wert hat, daß ein Teil der Ladung zurück in die Sourceelektrode fließt, um in der Potentialgrube eine Ladung zurückzulassen, welche eine Signalkomponente (34-) und eine Vorspannungskomponente (32) enthält, wobei letztere einen wesentlichen Teil der Potentialgrube beansprucht;

h) eine Einrichtung (V,,), um die dritte Elektrode während mindestens der Periode (t_Q, t^, t₂) der Füllung der Potentialgrube auf einem solchen Potential zu halten, daß eine Barriere (24) im Substrat gebildet wird;

i) eine über dem dritten Bereich des Kanals liegende Anordnung von Elektroden (14-, 16, 18, 20), die auf Mehrphasenspannungen (φ., φρ) ansprechen, um im Substrat Potentialgruben (38» usw.) zu bilden, deren Kapazitäten wesentlich kleiner sind als die Kapazität der Potentialgrube unter der zweiten Elektrode, aber ausreichend groß, um die Signalkomponente zu speichern und weiterzugeben;

3) eine Einrichtung (V^) zum Indern des der dritten Elektrode angelegten Potentials auf einen solchen Wert, daß der den Vorspannungspegel übersteigende Teil der Ladung in der Potentialgrube unter der zweiten Elektrode über die erniedrigte Potentialbarriere (24) unter der dritten Elektrode fließen kann;

k) eine im besagten zweiten Bereich des Kanals vorgesehene Einrichtung (42, usw.), um die über die erniedrigte Potentialbarriere fließende Ladung (34) in den dritten Bereich des Kanals zu übertragen.

809828/09Ö3