DE2822746C2

DE2822746C2 -

Info

Publication number: DE2822746C2
Application number: DE2822746A
Authority: DE
Inventors: Luc La Tronche Fr Audaire; Gerhard Sassenage Fr Merckel; Guy Grenoble Fr Rigaux
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1989-10-26
Also published as: FR2392392A1; JPS549587A; DE2822746A1; FR2392392B1; GB1596475A; US4241262A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Ladungsverschiebeanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einer Ladungsverschiebeanordnung, die im Englischen als CCD oder Charge-Coupled Device oder als BBD oder Bucket Brigade Device bezeichnet wird, handelt es sich um eine Halbleiterschaltung, in der eine elektrische Ladung an einem Ende eingegeben, dann durch eine Gruppe von Steuersignalen beliebig bis zum anderen Ende verschoben und dort entnommen wird. In gewissen Fällen und insbesondere bei der Ausführung der Ladungsverschiebeanordnung als Filter ist es erforderlich, die Menge an in einem Punkt der Ladungsverschiebeanordnung gespeicherten Ladungen zu messen, und zwar nichtdestruktiv.

Eine Ladungsverschiebeanordnung (im folgenden auch mit der englischen Abkürzung CCD bezeichnet) ist ein integriertes System, das ein p- oder n-dotiertes Halbleiter substrat, welches mit einer dünnen Isolierschicht bedeckt ist, deren Dicke in der Größenordnung von 0,1 µm liegt, und leitende Elektroden aufweist, die auf der Isolierschicht regelmäßig angeordnet sind. Solche Systeme gehören daher zur Familie der MOS-Schaltungen, da ihre Struktur vom Metall-Oxid-Halblieter-Typ ist, oder, allgemeiner, zur Familie der MIS-Schaltungen vom Metall-Isolator-Halbleiter- Typ.

Die gespeicherten und verschobenen Ladungen in einer CCD bestehen aus Minoritätsträgern, die in Potentialmulden festgehalten werden, welche unter gewissen Elektroden erzeugt werden, wenn diese auf passende Potentiale gebracht werden. Zum Verschieben dieser Ladungen von einer Elektrode zur nächsten wird die Potentialmulde von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode verschoben. Die Verschiebungsrichtung wird festgelegt, indem entweder eine zusätzliche Elektrode oder dotierte Gebiete in dem Substrat oder aber feste Ladungen, unterschiedliche Oxiddicken usw. derart vorgesehen werden, daß die Potentialmulden einen unsymmetrischen Verlauf aufweisen.

Eine CCD enthält je nach Lage des Falles drei, zwei oder sogar nur eine einzige Taktleitung, und zwar entsprechend der Art der Einrichtungen, die die Unidirektionalität der Ladungsverschiebung bewirken. Im folgenden werden, lediglich aus Erläuterungsgründen, nur CCDs mit drei Taktleitungen betrachtet, die auch als 3-Phasen-CCD bezeichnet werden, wenn auf die Anzahl der Taktimpulse statt auf die Anzahl der sie übertragenden Verbindungen Bezug genommen wird.

Bezüglich weiterer Einzelheiten über solche Ladungsverschiebeanordnungen wird auf den Aufsatz von W. S. Boyle und G. E. Smith "Charge Coupled Semiconductor Devices" verwiesen, der in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", April 1970, S. 587 bis 593, veröffentlicht worden ist.

Bezüglich der Anordnungen vom BBD-Typ wird auf den Aufsatz von F. L. J. Sangster und K. Teer "Bucket-Brigade-Electronics- News Possibilities for Delay, time-Axis Conversion and Scanning" verwiesen, der in der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Band SC-4, Nr. 3, Juni 1969, S. 131 bis 136, veröffentlicht worden ist.

Ein Anwendungfall dieser Anordnung ist die Ausführung als Filter für elektrische Signale. In diesem Fall kann eine besondere CCD mit geteilten Steuerelektroden (Gateelektroden) benutzt werden, in welcher gewisse Verschiebeelektroden zweigeteilt sind, wobei die beiden Teile im allgemeinen ungleiche Längen haben. In einem solchen Filter ist es erforderlich, die unter jedem Teil der geteilten Steuerelektrode gespeicherte Ladung zu messen, ohne sie zu löschen.

Es sind bereits Ladungsverschiebeanordnungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt (Aufsatz von K. R. Hense und T. W. Collins "Linear Charge-Coupled Devise Signal-Processing Techniques" in der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Band SG-11, Nr. 1, Februar 1976, S. 197-202, die diese Funktion erfüllen. Ihr Prinzip wird im folgenden noch ausführlicher angegeben, an dieser Stelle sei aber bereits angegeben, daß sie das auf einer Taktleitung übertragene Ladungsverschiebesignal während des Verschiebungstaktes ausnutzen und daß dieses Signal entweder durch Ladungsverstärker oder durch Schaltungen mit festpunktloser Steuerelektrode gemessen wird. Diese Ladungsverschiebeanordnungen arbeiten aber nicht zufriedenstellend. In dem ersten Fall können nämlich die Leistungen, die von dem Verstärker hinsichtlich der Betriebsgeschwindigkeit verlangt werden, nicht mit einem in der für die CCDs angewandten Technologie integrierten Verstärker erzielt werden; daraus folgt, daß die Meßschaltung auf einem unabhängigen Träger außerhalb des Chips der CCD hergestellt werden muß. In dem zweiten Fall ist es erforderlich, den Zyklus der an die CCD angelegten Spannungen zu ändern, um ihn an die Schaltung mit festpunktloser Steuerelektrode anzupassen, wobei diese Anpassung zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der CCD führt.

Es sind zwar bereits eine Schaltung zur Messung des Ladezustands eines Akkumulators (DE-PS 24 05 151) und eine Schaltungsanordnung zur Auslösung eines elektrischen Schaltvorganges in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Elektrizitätsmenge (DE-AS 20 41 800) bekannt, diese eignen sich jedoch nicht zur Messung der Ladung in einer Ladungsverschiebeanordnung. Das Messen der Ladung in einer Ladungsverschiebeanordnung ist nämlich ein ganz besonderes Problem, weil die Ansprechzeit der Meßschaltung zehnmal kürzer sein muß als die Anstiegszeit des zu messenden Signals, welche in der Größenordung von 100 ns liegt, was weiter unten noch näher begründet ist. Die Meßschaltung muß daher eine Ansprechzeit von 10 ns haben. Diese Forderung erfüllt weder die bekannte Schaltung zum Messen des Ladezustands eines Akkumulators noch die bekannte Schaltungsanordnung zur Auslösung eines elektrischen Schaltvorganges in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Elektrizitätsmenge.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladungsverschiebeanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 so auszubilden, daß sie leicht in der für Ladungsverschiebeanordnungen geeigneten Technologie hergestellt und somit auf dem CCD-Trägerchip untergebracht werden kann, ohne daß eine Modifizierung der Taktsignale der Ladungsverschiebeanordnung erforderlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch den bekannten Aufbau einer 3-Phasen-Ladungsverschiebeanordnung oder -CCD,

Fig. 2 eine erste bekannte Meßschaltung für die in einer CCD gespeicherte Ladung;

Fig. 3 eine zweite bekannte Meßschaltung für die in einer CCD gespeicherte Ladung;

Fig. 4 das Prinzipschaltbild der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung,

Fig. 5 vier Diagramme zur Erläuterung der Betriebsweise der Ladungsverschiebeanordnung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung,

Fig. 7 vier Diagramme zur Erläuterung der Betriebsweise der Ladungsverschiebeanordnung nach Fig. 6,

Fig. 8 schematisch eine Ausführungsform mit einer Meßschaltung in Form einer CCD,

Fig. 9 schematisch eine Ladungsverschiebeanordnung, die als Transversalfilter ausgeführt ist,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der als Transversalfilter ausgeführten Ladungsverschiebeanordnung und

Fig. 11 noch eine weitere Ausführungsform der als Tansversalfilter ausgeführten Ladungsverschiebeanordnung.

Bei der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung wird in deren Meßschaltung die Spannung integriert, welche an den Klemmen eines zwischen die Taktleitung und die Verschiebeelektrode eingefügten Widerstandes während des Anlegens des Ladungsverschiebesignals auftritt. Zum Integrieren enthält die Meßschaltung einen MOS-Transistor mit einer Source-, einer Gate- und einer Drainelektrode, der Widerstand ist zwischen die Gateelektrode und die Sourceelektrode geschaltet, und ein Kondensator ist mit der Drainelektrode verbunden.

Eine 3-Phasen-CCD ist in Fig. 1 gezeigt. Sie enthält ein Halbleiter substrat 2 (beispielsweise aus n-dotiertem Silizium), das von einer dünnen Isolierschicht 4 (beispielsweise aus Siliziumoxid) bedeckt ist, auf der metallische Elektroden 6 angeordnet sind. Die Einrichtungen, mit denen diese Elektroden auf geeignete Potentiale gebracht werden, bestehen aus einer Anordnung 8 aus drei Generatoren, die als Signale jeweils Spannungsimpulse (oder -phasen) R₁, R₂, R₃ liefern, welche über drei Taktleitungen L₁ bzw. L₂ bzw. L₃ übertragen werden.

Die Unidirektionalität der Ladungsverschiebung wird durch die Verwendung einer Verschiebeelektrode erreicht, der ein Verschiebesignal zugeführt wird. Im folgenden wird zur Vereinfachung der Bezeichnungen angenommen, daß das Verschiebetaktsignal das Signal R₂ ist, welches durch die Leitung L₂ übertragen wird.

Zum Messen der Ladung, die unter einer Elektrode einer solchen Anordnung gespeichert ist, sind zwei Schaltungen vorgeschlagen worden, die das Signal R₂ ausnutzen, das der Verschiebeelektrode zugeführt wird. Diese bekannten Schaltungen sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. In Fig. 2 wird eine CCD 10 durch eine Anordung 12 aus drei Schaltungen gesteuert, von denen eine Verschiebesignale R₂ liefert, die an jede dritte Elektrode angelegt werden. Die Schaltung zum Messen der in der CCD gespeicherten Ladung enthält einen Verstärker 16 und einen Kondensator 18 in Gegenkopplungsschaltung. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 16 empfängt eine Referenz spannung V _ref. Der invertierende Eingang wird auf das Potential der Taktleitung gebracht, das in dem dargestellten Fall fest ist: manche CCDs sind nämlich so aufgebaut, daß das Potential von gewissen Taktleitungen fest ist, was insbesondere bei der CCD der Fall ist, die in der US-PS 40 05 377 beschrieben ist. Es sei außerdem auf den oben erwähnten Aufsatz von K. R. Hense und T. W. Collins, "Linear Charge-Coupled Device Signal- Processing Techniques", verwiesen. Es sei außerdem beachtet, daß die Schaltungen dieser Art das periodische Rücksetzen des Kondensators 18 auf null erfordern, damit dieser nicht den Betrieb der CCD stören kann, von welcher eine Elektrode direkt mit dem Kondensator verbunden ist.

Der Verstärker 16 ist ein Ladungsverstärker, der aus einem Operationsverstärker besteht. Er hat die Aufgabe, die durch den Phasengenerator R₂ an die Verschiebeelektrode der CCD abgegebene Ladung zu verstärken, die ein Abbild der Ladung ist, welche unter der schraffierten Elektrode der CCD gespeichert ist.

Damit die durch eine solche Schaltung vorgenommene Messung genau ist, ist es erforderlich, daß die Ansprechzeit des Verstärkers wenigstens zehnmal kleiner ist als die des zu messenden Signals, die in der Größenordnung von 100 ns liegt. Ein Verstärker mit einer Anstiegszeit von 10 ns kann aber in der für die CCDs geeigneten Integrationstechnik nicht hergestellt werden. Er muß daher als eine unabhängige Schaltung außerhalb des Integrationschips der CCD hergestellt werden.

Bei der bekannten Schaltung von Fig. 3 handelt es sich um eine Schaltung mit festpunktloser Steuerelektrode. Sie enthält einen Transistor 20, der zwischen einer Leitung 21, die an einer Gleichspannung liegt, und der Verschiebeelektrode einer CCD 22 angeordnet ist. Die Gateelektrode dieses Transistors ist mit der Leitung L₂ verbunden, welche das Signal R₂ überträgt. Die Elektrode der CCD ist durch ein elektrisches Ersatzschaltbild dargestellt, d. h. durch einen Kondensator 26, dessen Wert von der Ladungsmenge abhängig ist, die unter der Oberfläche des Halbleiters angehäuft ist. Die Schaltung enthält außerdem einen Transistor 28. Die Spannung V₂ erscheint an den Klemmen des Kondensators 26. Die Spannung V₃ erscheint am Ausgang. Die Anordnung ist auf dem Chip der CCD integriert, in der die Ladung zu messen ist.

Diese Schaltung arbeitet folgendermaßen. Der Transistor 20 verhält sich zwischen der Leitung 21 und der Elektrode wie ein Schalter. Der Transistor 28 liest die Spannung V₃ zwischen der Taktleitung und dem Substrat der CCD, das im allgemeinen an Masse liegt. Wenn der Transistor 20 durch Anlegen des Impulses R₂ leitend wird, nimmt die Spannung V₂ den Wert der Gleichspannung der Leitung 21 an. Wenn der Transistor 28 nicht mehr leitend ist, bleibt die angelegte Spannung praktisch unveränderlich, es wird aber eine elektrische Ladung unter die Elektrode der CCD, d. h. in den Kondensator 26 eingegeben, wodurch der Wert der Spannung V₂, der an den Klemmen des Kondensators 26 gelesen werden kann, verschoben wird. Diese Verschiebung Δ V₂ ist proportional zu der integrierten Ladungsmenge in dem Kondensator 26 der CCD. Die durch den Transistor 28 gelesene Spannung V₃ ist das Abbild der Spannung V₂ und infolgedessen auch das Abbild der gespeicherten Ladung.

Damit die Ladungsverschiebung in der CCD unter den üblichen Bedingungen weitergehen kann, muß die Spannung V₂ wieder auf null gebracht werden. Die Schaltung benötigt daher einen für die CCD spezifischen Verschiebephasenzyklus. Diese Modifizierung ist für die Leistungen der CCD im allgemeinen von Nachteil.

Die im folgenden beschriebene Meßschaltung beseitigt diese Nachteile.

Ihr Prinzip basiert auf der Änderung der scheinbaren Kapazität der CCD gegenüber der Verschiebeelektrode, wenn während des Anlegens des Verschiebetaktsignals eine Ladung zu dieser Elektrode geleitet oder von dieser Elektrode weggeleitet wird. Von der Verschiebeelektrode her gesehen erscheint nämlich die CCD wie eine Anordung aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, von denen der erste, der einen festen Wert C _ox hat, der zwischen die Elektrode und das Substrat eingefügten Oxidschicht entspricht, während der zweite, der einen veränderlichen Wert C _s hat, der oberflächlichen Verarmungszone entspricht, die sich wie eine in Sperrichtung betriebene Diode verhält, deren Kapazität von der Vorspannung abhängig ist. In einer CCD ist diese Vorspannung die Potentialdifferenz, die zwischen der Oxid-Halbleiter-Grenzfläche und dem Substrat auftritt. Diese Potentialdifferenz ist aber von der durch die CCD in dieser Zone gespeicherten Ladung abhängig. Diese Kapazitätsänderung verursacht die Änderung der Ladezeitkonstante der Elektrode, wobei diese Zeitkonstante durch das Produkt aus der Kapazität und dem Wert eines mit der Elektrode in Reihe geschalteten Widerstandes festgelegt ist. Wenn die an den Klemmen dieses Widerstandes auftretende Spannung integriert wird, hängt die erhaltene Größe von der Zeitkonstante ab und spiegelt somit schließlich die durch die CCD gespeicherte Ladungsmenge wider.

Die Meßschaltung ist gemäß Fig. 4 einer CCD 30 zugeordnet. Eine einzige Elektrode dieser CCD ist in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes dargestellt, welches zwei Kondensatoren, einen mit dem festen Wert C _ox und einen mit dem veränderlichen Wert C _s, enthält und einen Ersatzkondensator 31 mit der Kapazität C₂ bildet. Die Meßschaltung enthält einen Widerstand 32 mit dem Wert R, der mit der Taktleitung L₂, welche das Ver schiebesignal R₂ überträgt, verbunden ist, einen MOS-Transistor 34, der eine Sourceelektrode s, eine Gateelektrode g und eine Drainelektrode d aufweist, und einen Kondensator 36 mit der Kapazität C _m, welchem eine Nullrücksetzeinrichtung 37 zugeordnet ist. Das Ausgangssignal der Meßschaltung wird an der Verbindung S abgenommen. Die Punkte a und b bezeichnen die Enden des Widerstandes 32, qs bezeichnet die in dem Speicherkondensator C _s ge speicherte Ladung (d. h. die zu messende Ladung), qm bezeichnet die Ladung des Kondensators 36, V _gs bezeichnet die Spannung zwischen der Gateelektrode g und der Sourceelektrode s des Transistors 34 und I _ds den zwischen der Drainelektrode d und der Sourceelektrode s fließenden Strom.

Diese Schaltung arbeitet folgendermaßen: Die Zeitkonstante τ der Schaltung, die aus dem Widerstand 32 mit dem Wert R und dem Ersatzkondensator 31 mit dem Wert C₂ gebildet ist, ist gleich RC₂. Der Kondensator 31 wird aus zwei in Reihe angeordneten Kondensatoren mit den Werten C _ox bzw. C _s gebildet, wobei der letztgenannte Wert von der gespeicherten Ladungsmenge qs abhängig ist. Es gilt somit:

Zwei verschiedenen Werten q′s und q″s der gespeicherten Ladungsmenge entsprechen zwei Werte τ′ und τ″ der Zeitkonstante τ, mit τ″<τ′, wenn gilt q″ _s<q′ _s.

Die Entwicklung der elektrischen Größen, die in der Schaltung von Fig. 4 erscheinen, kann anhand der Diagramme von Fig. 5 verfolgt werden.

Fig. 5a zeigt die Entwicklung der Potentiale, die in den Punkten a bzw. b auftreten. Das Potential in dem Punkt a ist dasjenige, das aus dem Anlegen des Taktsignals R₂ resultiert. Es sei angemerkt, daß dieses Potential nicht konstant ist, wie im Stand der Technik, der in Fig. 2 gezeigt ist. Die Entwicklung des Potentials in dem Punkt b ist für zwei Werte τ′ und τ″ der Zeitkonstante dargestellt, mit τ″<τ′. Die Differenz zwischen den Potentialen in den Punkten a und b bildet die an den Transistor 34 angelegte Spannung V _gs. Sie ist in Fig. 5b für die beiden Zeitkonstanten τ′ und τ″ dargestellt. Bei dem Transistor 34 wird vorausgesetzt, daß er eine Schwellenspannung V _s besitzt, unterhalb welcher kein Strom von der Sourceelektrode zur Drainelektrode fließt. Für diejenigen Werte der Spannung V _gs, die größer als V _s sind, ändert sich der Strom I _ds in der in Fig. 5c angegebenen Weise für dieselben beiden Zeit konstanten. Die Ladung qm, die das Integral des Stroms I _ds in dem Kondensator 36 darstellt, ändert sich in der in Fig. 5d dargestellten Weise. Der Endwert, der für den Wert τ″ der Zeitkonstante erhalten wird, ist größer als derjenige, der dem Wert τ′ der Zeitkonstante entspricht. Wenn die in dem Kondensator C _s gespeicherte Ladung qs zunimmt, nimmt deshalb die in dem Kondensator 36 gespeicherte Ladung qm ebenfalls zu.

Die Änderungen dieser verschiedenen Größen können quantitativ folgendermaßen genau angegeben werden:

Die Schaltung, die aus dem Widerstand 32 mit dem Wert R und dem Kondensator 31 mit dem Wert C₂ besteht, empfängt einen Spannungsimpuls R₂, der exponentiell ansteigt und dessen Anstiegszeit durch den Verschiebesteuertakt festgelegt ist. Wenn angenommen wird, daß die Anstiegszeitkonstante des Ver schiebetaktsignals gleich RC₂ ist, was der optimale Fall ist, hat die an den Klemmen des Widerstands R abgegriffene Spannung V _gs folgende Form:

wobei t die Zeit und V _h die Amplitude der Verschiebeimpulse ist.

Für den Strom I _ds, der sich aus dem Anliegen dieser Spannung zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode des MOS- Transistors 34 ergibt, der im Sättigungsbetrieb arbeitet, kann geschrieben werden:

wobei
Z₁ die Breite der Gateelektrode des Transistors 34 ist,
L₁ ihre Länge
μ die Beweglichkeit der Ladungsträger,
C _o die Kapazität der Gateelektrode pro Oberflächen einheit, und
V _s die Schwellenspannung des Transistors 34.

Die gespeicherte Ladung in dem Kondensator mit dem Wert C₁ ist das Integral dieses Stroms zwischen den Zeitpunkten, in welchen die Spannung V _gs größer ist als die Spannung V _s. Die Spannung V₁, die an den Klemmen des Meßkondensators 36 für eine bestimmte Ladung erscheint, ist umgekehrt proportional zu der Oberfläche dieses Kondensators. Wenn dieser Kondensator aus einem Belag mit der Länge L₂ und der Breite Z₁, die gleich der der Gateelektrode des Transistors 34 ist, besteht, gilt im wesentlichen:

mit
x₁ = t₁/RC₂
x₂ = t₂/RC₂
wobei t₁ und t₂ die Zeiten darstellen, zwischen denen gilt V _gs<V _s (vgl. Fig. 5b).

Schließlich werden, wenn man die Parameter R, C₂, V _s, μ kennt, für die Längen L₁ und L₂ Werte gewählt, welche folgende Gleichung erfüllen:

In einer etwas anderen Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist, enthält die Meßschaltung außerdem einen Verstärker 40 mit der Verstärkung -1, der zwischen die Taktleitung L₂ und die Sourceelektrode s des MOS-Transistors 34 geschaltet ist. Die anderen Elemente bleiben unverändert und tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 5.

Das Vorhandensein des Verstärkers 40 modifiziert die Arbeitsweise der Schaltung, die den Diagrammen von Fig. 7 entspricht, in welchen die Bezeichnung und die dargestellten Größen die gleichen wie in Fig. 5 sind. Das Potential des Punktes a, der hinter dem Verstärker 40 angeordnet ist, bildet sich in der entgegengesetzten Richtung zu dem Potential des Punktes b aus (Fig. 7a). Die Spannung V _gs (Fig. 7b) zeigt einen Verlauf, der sich von dem von Fig. 5b ziemlich unterscheidet, wobei der Strom I _ds aber eine analoge Form hat. Es ist zu erkennen, daß in dieser Ausführungsform die Ladung qm für den Wert τ″ der Zeitkonstante kleiner ist, als für den Wert τ′, was bedeutet, daß sich die gemessene Ladung qm, im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform, in zu der gespeicherten Ladung qs entgegengesetzter Richtung ändert.

Nach dieser Beschreibung sollen die wesentlichen Einrichtungen der Ladungsverschiebeanordnung nochmals zusammengefaßt dargestellt werden. Wenn die Taktleitung auf veränderlichem Potential ist, ist der in dem Widerstand fließende Strom die Überlagerung von zwei Strömen, dem Ladestrom des Kondensators, der durch die Elektrode der CCD gebildet wird und dessen Messung nutzlos ist, und dem Strom, der mit der Ladungsverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden verknüpft ist und bei dem es sich um den Nutzstrom handelt. Diese beiden Ströme haben vergleichbare Amplituden. Einer der Gründe der Verwendung der Schaltung von Fig. 2 allein bei Taktleitungen mit konstantem Potential besteht darin, daß in diesem Fall der erste Strom verschwindet und nur der Nutzstrom gemessen wird.

Die Erfindung besteht darin, die Überlagerung der beiden Ströme zu messen, indem beachtet wird, daß der erste von ihnen immer derselbe ist und daher nur eine Gesamtverschiebung aller Meßsignale verursacht.

Es sei hinzugefügt, daß der Fachmann immer bestrebt ist, eine konstante Referenzspannung zu suchen, wenn ein Signal verstärkt werden soll (was in der Schaltung von Fig. 2 erfolgt). Die Erfindung bricht mit diesem Bestreben, indem als Referenzspannung die veränderliche Spannung gewählt wird, die in Fig. 5a dargestellt ist.

Da die zum Aufbauen der Meßschaltung in der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung benutzten Einrichtungen hauptsächlich ein MOS-Transistor und ein Kondensator sind, die in der für CCDs geeigneten Technologie hergestellt werden können, ist es vorteilhaft, die Meßschaltung in CCD-Form herzustellen, und zwar auf dem Träger der zu messenden CCD selbst. Wie weiter oben angegeben, ist diese Ausführungsform bei den bekannten Schaltungen, die einen Differenzverstärker mit großer Verstärkung benützen, der durch eine Integrierkapazität zur Schleife geschaltet ist, unmöglich.

Diese Ausführungsform der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt.

Die CCD, bei welcher die Ladung gemessen werden soll, die sie unter jeder der in P₂ vereinigten Steuerelektroden speichert, trägt wieder die Bezugszahl 30. Die Meßschaltung enthält einen zwischen die Taktleitung L₂ und eine der Verschiebeelektroden eingefügten Widerstand 32 und eine Meß-CCD 44, die ein Halb leitersubstrat 46 enthält, welches gleich dem der zu messenden CCD ist, ein dotiertes Gebiet 48 (das beispielsweise p-dotiert ist, wenn das Substrat n-dotiert ist), eine Eingangselektrode 50, die mit dem Widerstand 32 und mit der Verschiebeelektrode der zu messenden CCD verbunden ist, wobei die Anordnung 48-50 der Sourceelektrode eines MOS-Transistors äquivalent ist; eine erste Elektrode 52, die mit der Taktleitung L₂ verbunden ist und als Gateelektrode dient; eine Elektrode 54, die den Speicherkondensator bildet; Elektroden 56, welche Einrichtungen zur Verschiebung der in die Anordnung eingegebenen Ladung bilden; ein zweites dotiertes Gebiet 58; und schließlich eine Elektrode 60, wobei die Anordnung 58-60 als Drainelektrode dient.

Vorteilhafterweise können die Taktphasen der Meß-CCD 44 mit den Taktphasen der CCD 30 synchron sein. Zu diesem Zweck genügt es, die Elektrode 54 mit der geeigneten Taktleitung der CCD 30 zu verbinden. Das Meßsignal ist dann an dem Ausgang der Meß-CCD 44 in Zeitpunkten verfügbar, die mit den Phasen R₁ oder R₂ oder R₃ der Haupt-CCD synchron sind, je nach der Anzahl der Steuerelektroden der Meß-CCD 44.

Es ist zu erkennen, daß in dieser Ausführungsform die Nullrück setzeinrichtungen mit den Verschiebeeinrichtungen vereinigt sind, was ein weiteres besonderes Merkmal der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung gegenüber denen des Standes der Technik ist, die in der oben genannten US-PS 40 05 377 und in dem o. g. Aufsatz von Hense und Collins beschrieben sind, bei denen zusätzliche Einrichtungen zum Nullrücksetzen vorgesehen werden müssen.

Ein weiteres Merkmal der Ladungsverschiebeanordnung nach der Erfindung ist die Ausnutzung der Speicherung und des Nullrücksetzens der Eingangsstufe einer CCD für die Verstärkung. Diese Ausnutzung ist nicht üblich, denn gewöhnlich wird eine Spannung, die eine Funktion der einzugebenden Information ist, während einer konstanten Abtastzeit angelegt, während der die Eingangsspannung sich praktisch nicht entwickelt; hier wird eine schnell veränderliche Spannung während der gesamten Änderungszeit angelegt, wobei die Abtastperiode (Taktperiode der CCD) deutlich größer ist als die Zeit des Vorhandenseins des Nutzsignals.

Die hier beschriebene Schaltung ist vorteilhaft verwendbar, um die Ladung zu messen, die in einer als Transversalfilter mit zwei geteilten Steuerelektroden ausgeführten CCD gespeichert ist. Ein solches Filter ist in Fig. 9 schematisch dargestellt. Es hat einen Eingang 70, eine Elektrodenanordnung 72, Taktschaltungen 74, 76 und 78, die mit Taktleitungen L₁, L₂, L₃ verbunden sind, von denen jede mit jeder dritten Elektrode verbunden ist. Die dargestellte CCD gehört zu demjenigen Typ von CCDs, die Verschiebeelektroden enthalten, welche aus einer zweigeteilten Steuerelektrode bestehen, wobei die Breiten der Steuerelektroden und damit die Kapazitäten ungleich sind. Diese Steuerelektroden tragen die Bezugszahl 80. Jeder Steuerelektrodenteil ist mit der Taktleitung L₂ verbunden, die daher aus zwei Halbleitungen besteht, welche mit der Taktschaltung 76 verbunden sind.

Zur Theorie der Arbeitsweise eines solchen Filters wird bezüglich näherer Einzelheiten auf den Aufsatz von D. D. Buss, D. R. Collins u. a. "Transversal Filtering Using Charge Transfer Devices" verwiesen, der in der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Band SC-8, Nr. 2, April 1973, S. 133 bis 145, erschienen ist.

In jeder der beiden Halbleitungen L₂, die mit den zweigeteilten Steuerelektroden 80 verbunden sind, ist eine Ladungsmeßschaltung angeordnet. Die beiden Meßschaltungen tragen die Bezugszahlen 82 und 84. Ihre Ausgänge sind in einer Schaltung 86 vereinigt, die eine Addier- oder eine Subtrahierfunktion erfüllen kann, gegebenenfalls mit einer gewissen Ver stärkung.

Zwei Ausführungsformen sind in den Fig. 10 und 11 für den bereits beschriebenen Fall dargestellt, in welchem die Meßschaltung die Form einer CCD hat.

In der ersten Ausführungsform (Fig. 10) sind die beiden Meß-CCDs gleich. Sie tragen die Bezugszahlen 90 und 92. Sie sind mit zwei Widerständen 94 und 96 verbunden, die in die Halbleitungen L₂ eingefügt sind. Eine Taktschaltung 98 gibt ein Verschiebetaktsignal R₂ an die beiden Teile einer der Verschiebeelektroden der Filter-CCD 100 ab. Eine Taktschaltung 102, die ein Signal R₁ über eine Leitung L₁ abgibt, dient sowohl zur Steuerung der Meß-CCDs 90 und 92 als auch zur Steuerung der Filter-CCD 100. Die Ausgänge der Meß-CCDs 90, 92 sind mit den Plus- und Minuseingängen eines Differenzverstärkers 104 verbunden, dessen Ausgang S ein Differenzsignal liefert. Die Verwendung eines solchen Differenzverstärkers ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß für eine Filter-CCD Ausdrücke zu berechnen sind, in denen die Differenz der unter zwei Teilen ein und derselben Steuerelektrode gespeicherten Ladungen vorkommt.

In der zweiten Ausführungsform (Fig. 11) sind die beiden Meß-CCDs zu einer einzigen Meß-CCD 103 mit zwei Eingangselementen zusammengefaßt, von denen das erste aus einem dotierten Gebiet 105 und einer Steuerelektrode 106 und das zweite aus einem dotierten Gebiet 108 und einer Steuerelektrode 110 besteht. Weitere Einrichtungen werden wie in der vorangehenden Ausführungsform benutzt, nämlich eine Taktschaltung 98, die die beiden Halbleitungen L₂ versorgt, und zwei Widerstände 94 und 96. Das erste Eingangselement der Meß-CCD 103 ist mit dem Widerstand 94 verbunden, während das zweite Element mit dem Widerstand 96 über einen Verstärker 111 mit der Verstärkung -1 verbunden ist. Das Ausgangssignal wird über ein dotiertes Gebiet 112 abgegeben, das als Ausgangsdiode dient. Diese Periode wird über einen MOS-Transistor 114 passend vorgespannt, der mit einer Leitung 116 verbunden ist, die sich auf einem passenden Potential befindet. Ein MOS-Transistor 118 gestattet, das Ausgangssignal der Meß-CCD zu lesen.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung ergibt sich aus dem, was bereits weiter oben dargelegt worden ist, da die Meß-CCD 103 mit ihrem Eingangselement 105, 106 wie die in Fig. 4 dargestellte Schaltung arbeitet und da dieselbe Meß-CCD mit ihrem Eingangselement 108, 110 wie die in Fig. 6 dargestellte Schaltung arbeitet. Da die Ladungsänderungen für diese beiden Ausführungsformen in Gegenphase sind, ist das Ausgangssignal der Meß-CCD 103 eine Funktion der Differenz der unter jedem Steuerelektrodenteil der CCD 100 gemessenen La dungen.

Die hier beschriebene Ladungsverschiebeanordnung eignet sich besonders zum Minimieren der Aus wirkungen von technischen Unzulänglichkeiten bei der Herstellung von Filtern. Es ist bekannt, daß diese Unzulänglichkeiten Fehler verursachen, die die in dem Filter aufgezeichnete Impulsantwort beeinflussen. Zum Minimieren dieser Fehler besteht eine Methode darin, eine Linearkombination von n auf derselben CCD aufgezeichneten Impulsantworten zu bilden. Da die Ausgangssignale der n Meß-CCDs synchron sein sollen, um in jedem Zeitpunkt kombiniert werden zu können, ist es zweckmäßig, die Ausgangssignale der n Filter derart zu verzögern, daß sie gleichzeitig erscheinen. Die hier beschriebene Ladungsverschiebeanordnung gestattet, diese Ver zögerungsoperation bequem auszuführen, indem einfach auf die Anzahl der Steuerelektroden jeder Meß-CCD eingewirkt wird. Es sei angemerkt, daß die Erläuterung der Arbeitsweise, die für den Fall einer CCD angegeben worden ist, direkt auf ein BBD anwendbar ist, dessen Steuerelektrodenmetallisierungen diejenigen einer CCD mit zwei Taktleitungen sind. Die Diode, die in der CCD durch ein elektrisches Feld induziert wird, ist in dem BBD durch eine Anode ersetzt, die bei der Fertigung der Anordnung hergestellt wird.

Claims

1. Ladungsverschiebeanordnung, die Ladungsverschiebeelektroden aufweist, welche mit einer Taktleitung (L₂) verbunden sind, die ein Ladungsverschiebesignal überträgt, und eine Schaltung zum Messen der unter wenigstens einer Verschiebeelektrode gespeicherten Ladung, mit einem Widerstand (32), der zwischen die Taktleitung (L₂) und die Verschiebeelektroden eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung außerdem enthält:
einen MOS-Transistor (34), der eine Sourceelektrode (s), eine Gateelektrode (g) und eine Drainelektrode (d) aufweist, wobei die Sourceelektrode (s) mit dem der Taktleitung (L₂) benachbarten Ende (a) des Widerstands (32) und die Gateelektrode (g) mit dem der Verschiebeelektrode benachbarten Ende (b) des Widerstands (32) verbunden ist, und
einen Kondensator (36), der mit der Drainelektrode (d) des MOS-Transistors (34) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (40) mit der Verstärkung -1 in die Sourceverbindung des MOS-Transistors (34) eingefügt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (36) eine Nullrücksetzeinrichtung (37) zugeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Messen der unter wenigstens einer Verschiebeelektrode gespeicherten Ladung außer dem Widerstand (32) eine Meßladungsverschiebeanordnung (44) aufweist mit:
einem Halbleitersubstrat (46), welches gleich dem der Ladungsverschiebeanordnung (30) ist, deren Ladungen gemessen werden sollen,
einem dotierten Gebiet (48),
einer Eingangselektrode (50), die mti dem Widerstand (32) und der Verschiebeelektrode verbunden ist, wobei die aus dem dotierten Gebiet (48) und der Eingangselektrode (50) bestehende Anordnung als Sourceelektrode (s) des MOS-Transistors dient,
einer ersten Elektrode (52) die mit der Taktleitung (L₂) verbunden ist und als Gateelektrode (g) dient,
einer Elektrode (54), die den Speicherkondensator bildet, weiteren Elektroden (56), welche Einrichtungen zur Verschiebung der in die Anordnung (30) eingegebenen Ladung bilden;
einem zweiten dotierten Gebiet (58), und
noch einer weiteren Elektrode (60), wobei die aus dem zweiten dotierten Gebiet (58) und der noch weiteren Elektrode (60) bestehende Anordnung als Draineelektrode (d) dient.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ihre Ausführung als Transversalfilter mit zweigeteilten, Verschiebeelektroden bildenden Steuerelektroden (80) und durch zwei Meßschaltungen (82, 84), die jeweils mit jedem der beiden Teile einer Steuerelektrode verbunden sind.

6. Anordnung anch Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch zwei Meßladungsverschiebeanordnungen (90, 92), von denen die eine mit einem der Teile einer zweigeteilten Steuerelektrode und die andere mit dem anderen Teil der zweigeteilten Steuerelektrode verbunden ist, wobei der Ausgang der beiden Meßladungs verschiebeanordnungen (90, 92) mit einem Differenzverstärker (104) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 6, gekennzeichnet durch eine einzige Meßladungsverschiebeanordnung (103) mit zwei parallel geschalteten Eingangselementen (105, 106; 108, 110), wobei eines dieser Elemente direkt mit einem von zwei Widerständen (94, 96) verbunden ist, und das andere Element über einen Verstärker (111) mit der Verstärkung -1 mit dem anderen Widerstand (96) verbunden ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßladungsverschiebeanordnung (44, 103) oder die Meßladungsverschiebeanordnungen (90, 92) Taktschaltungen (76, 98, 102) besitzen, die mit den Taktschaltungen der Ladungsverschiebeanordnungen, deren Ladung gemessen werden soll, synchron sind.