DE3028727A1

DE3028727A1 - Ruecksetzschaltung mit unterdruecktem ruecksetzrauschen, insbesondere fuer eine floating-diffusion-ausgangsstufe einer ladungsverschiebeanordnung (ccd)

Info

Publication number: DE3028727A1
Application number: DE19803028727
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 8000 München Mauthe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1982-02-25

Description

Rucksetzschaltung mit unterdrücktem Riicksetzrauschen,
insbesondere für eine "Floating Diffusion"-Ausgangsstafe einer Ladungsverschiebeanordnung (CCD) Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rücksetzschaltung mit unterdrucktem Rücksetzrauschen, insbesondere fur eine "Floating Diffusion"-AusgangsstuSe einer Ladungsverschiebeanordnung (CCD), bei der vor jedem Bewertungsvorgang die Kapazität der Ausgangs stufe über einen als Rücksetztransistor wirkenden Schalttransistor auf eine vorgegebene Referenzspannung vorgeladen wird, wozu dem Gate des Rücksetztransistors ein Rücksetztaktimpuls zugeführt wird.
Bei bekannten Iadungsverschiebeanordnungen (CCD) wird als Ausgang ein sog. Floating Diffusion-Ausgang benutzt. Die Kapazität eines solchen Ausgangs wird in aller Regel vor jedem Bewertungsvorgang titer einen Schalttransistor -allgemein Resettransistor genannt- auf eine feste Referenzspannung URD vorgeladen. Zu diesem Zweck wird an das Gate des genannten Schalttransistors ein Rücksetztaktimpuls OP gelegt, dessen Amplitude mindestens um die Einsatzspannung des Rücksetztransistors über der betreffenden Versorgungsspannung URD liegt. Dabei wird der Rücksetztransistor oder Resettransistor voll durchgeschaltet, doh. im Sättigungsbereich betrieben. Dadurch wird ein schneller tadungsausgleich erreicht. Nachteiligerweise teilt sich jedoch die unter dem Resetgate liegende Kanalladung beim Abschalten des Resettransistors ungleich auf Drain und Source auf.
Dadurch entsteht am CCD-Ausgang eine Rauschladung, die um den Faktor 3 bis 5 über dem E2C-Rauschen (die Rauschladung einer geschalteten Kapazität ist 2/3 KTC) liegt, vgl. beispielsweise J.E. Carnes, W.F. Kosonocky, P.A. Levine: Measurements of Noise in Charge-Ooupled Devices, RCA Review, Vol. 31, Dec. 1973. Wird eine Kapazität aber dem Schalttransistor geladen, tritt Rauschen auf, da der Transistor einen thermisch rauschenden Kanalwiderstand hat.
Um dieses beim Rücksetzen entstehende Rauschen zu unterdrucken, muß dafür gesorgt werden, daß.sich keine Kanalladung unter dem Resettransistor sammeln kann. Dies kann dadurch geschehen, daß der Resettransistor in seinem Sättigungsbereich betrieben wird, wobei die Taktimpulsamplitude kleiner als die betreffende Betriebs.pannung URD gewählt wird. Die zu erzeugende Referenzspannung wind dann durch die Amplitude des Rücksetztaktimpulses OR bestimmt. Ein Rauschen entsteht dabei jedoch durch Amplitudenschwankungen dieser Taktspannung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rücksetzschaltung mit unterdrücktem Rücksetzrauschen, insbesondere für eine Ausgangs stufe der obengenannten Art zu schaffen, bei der der genannte Nachteil vermieden ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Rücksetzschaltung gemäß dem Oberbergriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die dadurch gekennzeiobnet ist, daß in dem Bereich zwischen Drain und Souroe des Rticksetz(Reset)-Transistors source-seitig neben dem Resetgate ein zusätzliches Gate angeordnet ist, daß dieses zusätzliche Gate fest auf ein Gleichpotential UDC gelegt ist, daß zwischen dem Referenzpotential URD, der R!icksetztaktimpuls-Amplitude U dem Gleichpotential UDC die Beziehung URD > UOR > UDC besteht und daß unter dem Reset-Gate ein Oberflächenpotential OSGR und unter dem zusätzlichen Gate ein Oberflächenpotential O SDC entsteht, genügend der 3eziehung URD > OSGR > OSDC.
Durch die erfindungsgemäße Rücksetzschaltung wird das Rücksetzrauschen bei Floating-Diffusion-Ausgangsstufen trotz ggf. vorhandener Amplitudenschwankungen der Rücksetztaktimpuls-Amplitude verhindert.
Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand mehrerer, eine bekannte Rücksetzschaltung und Ausfahrungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Riicksetzschaltung betreffender Figuren im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer bekannten Rücksetzschaltung und das dazugehörige Ladungsprofil in dem Zustand, in dem die Klemme R auf hohem Potential liegt.
Fig. 2 zeigt wiederum den Aufbau der Rücksetzschaltung gemäß Fig. 1 mit dem zugehörigen Ladungsprofil in dem Zustand, in dem die Klemme R, auf niedrigem Potential liegt.
Fig. 3 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Rücksetzschaltung mit dem zugehörigen Ladungsprofil in dem Zustand, in dem die Klemme R auf hohem Potential liegt.
Fig. 4 zeigt wiederum den Aufbau der erfindungsgemäßen Rücksetzschaltung gemäß Fig. 3 mit dem da zugehörigen Ladungsprofil in dem Zustand,' in dem die Klemme R auf niedrigem Potential liegt.
Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 den Aufbau einer bekannten Rucksetzschaltung, bei der anschließend an eine.
Ladeverschiebungsanordnung CCD ein Ausgang A angeordnet ist, der gemeinsam mit einem Reset-Gate, das an einer Klemme R liegt, und einem Reset-Drain RD den zuvor genannten Schalttransistor oder Resettransistor bildet. Die Kapazität des Ausgangs A wird in dieser bekannten Schaltungsanordnung vor jedem Bewertungsvorgang über diesen Schalttransistor oder Resettransistor auf eine feste Referenzspannung URD vorgeladen. Dazu wird an sein Gate ein Riicksetztaktimpuls über die Klemme OR gelegt, dessen Amplitude mindestens um die Einsatzspannung über der Versorgungsspannung für das Reset-Drain UHD liegt. Dabei wird der Resettransistor voll durchgeschaltet und arbeitet im Triodengebiet. Es erfolgt ein schneller Ladungsausgleich.
Wie bereits erwähnt, ist bei dieser Schaltungsanordnung jedoch nachteilig, daß sich die unter dem Reset-Gate liegende Kanalladung beim Abschalten ungleich auf Drain und Source aufteilt. Dadurch entsteht am COD-Ausgang A eine Rauschladung QR vgl. Fig. 2, die um den Faktor 3 bis 5 über dem sog. E2C-Rauschen, dem Rauschen eines geschalteten Kondensators, liegen kann. Unter der Bezeichnung "0sn wird in Fig. 1 u.2 und ebenso in Big. 3 u. Fig. 4 das Oberflächenpotential, nämlich das Potential am Uebergang vom Substrat zu der SiO2-Schicht verstanden.
Fig. 3 zeigt, wie bereits erläutert, ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der erfindungsgemäßen Ausgangsschaltung mit dem dazugehörigen Ladungsprofil in dem Zustand, in dem die Klemme QIB auf hohem Potential liegt. Es ist zu erkennen, daß in dem Bereich zwischen Drain und Source des Resettransistors source-seitig neben dem Reset-Gate ein zusätzliches Gate angeordnet ist, das mit einer Klemme DC verbunden ist. Erfindungsgemäß liegt dieses zusätzliche Gate fest auf einem Gleichpotential U1)0, wobei die Beziehung zwischen dem Referenzpotential URD, der Rücksetztaktimpuls-Amplitude UR und dem Gleichpotential UDa mit U> UOR > UDO erfüllt sein muß. Mit dem gezeigten Aufbau der erfindun'gsgemäßen Ausgangaschaltung und unter Einhaltung der genannten Beziehung zwischen den drei Potentialen wird sichergestellt, daß sich in dem Zustand, in dem an der Elemme R des Reset-Gate der Rücksetztaktimpuls liegt, unter dem Reset-Gate keine Ladung ansammelt. Unter dem zusätzlichen Gate tritt ein durch das Gleichpotential UDC hervorgerufenes Oberflächenpotential auf, das eine Potentialbarriere darstellt. Bei angelegtem Reset-Takt fließen von A aber das zusätzliche Gate solange Ladungsträger, bis das Potential von A die Potentialbarriere erreicht. Weder unter1Reset-Gate noch dem zusätzlichen Gate sammelt sich Ladung.
Aus Fig.. 4 ist nun zu erkennen, daß mit Abschalten des Rcksetztaktinipulses weder unter dem zusätzlichen Gate noch unter dem Ausgang s eine Ladungsveranderung auftritt, demnach also auch lein Rücksetz-Rauschen erzeugt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beziehung UBD, UOR > UDc durch eine Festlegung das Referentzpotentials URD, des Gleichpotential3 UDC und der Rticksetztaktimpuls-Amplitude UCR mittels einer Auswahl entsprechender Spannungswerte erfüllt ist.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß eine der Wirkung der Beziehungen URD > UOR > UDO entsprechende Wirkung der Rücksetzschaltung dadurch erzielt wird, daß für das Reset-Gate und das zusätzliche Gate unterschiedliche Isollerschichtdicken der Isolierschict zwischen dem Reset-Gate bzw. dem zusätzlichen Gate und dem Substrat vorgesehen sind. Eine entsprechende Wirkung kann gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung auch dadurch erzielt werden, daß unter dem Reset-Gate und dem zusätzlichen Gate unterschiedliche Implantationszonen, vorzugsweise durch unter schiedlich starke Dotierungen vorgesehen - sind.
Diese zuletzt genannten beiden Weiterbildungen der Erfindung erlauben vorteilhafterweise, daß die Drain-Elektrode und das zusätzliche Gate miteinander durch eine äußere Verbindung an derselben Versorgungsspannungsklemme liegen können.
Kennzeichnend für eine andere Weiterbildung der Erfindung ist, daß das Reset-Gate und das zusätzliche Gate aus Poly-Silizium bestehen, wobei das Reset-Gate vorzugsweise aus Poly-Si2-Schicht teilweise überlappend über dem als PoIy-Si1-Schicht ausgefuhrt;en zusätzlichen Gate nach an sich bekannten Herstellungsverfahren angeordnet ist. Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Reset-Gate und das zusätzliche Gate in Aluminium nach einem an sich bekannten Herstellungsverfahren ausgeführt sind.
Die erfindungsgemäße Ausgangsschaltung ist nicht nur au: Laanngsverschiebeanordnnngen (COD), sondern auch auf andere Schaltungsanordnungen vorteilhaft anwendbar, bei denen ein Floating-Diffusion-Ausgang vorgesehen ist.
7 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprüche: 1. Rücksetzschaltung mit unterdrücktem Rücksetzrauschen, insbesondere für eine "Floating Diffusion"- Ausgangsstufe einer Ladungsverschiebeanordnung (CCD), bei der vor jedem Bewertungsvorgang die Kapazität der Äusgangsstufe über einen als Rucksetztransistor wirkenden Schalttransistor auf eine vorgegebene Referenzspannung vorgeladen wird, wozu dem Gate des Rücksetztransistore ein Rücksetztaktimpuls zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in dem Bereich zwischen Drain und Source des Eücksetz(Reset)-Iransistors source-seitig neben dem Reset-Gate ein zusätzliches Gate angeordnet ist, daß dieses zusätzliche Gate fest auf ein Gleichpotential (UDc) gelegt ist, daß zwischen dem Referenzpotential (-RD) der Rücksetztaktimpuls-Amplirude (UR) und dem Gleichpotential (UDC) die Beziehung URD? UOR > UDC besteht und daß unter dem Reset-Gate ein Oberflächenpotential (OSGR) und unter dem zusätzlichen Gate ein Oberflächenpotential (OSDC) entsteht, genügend der Bezishung URD > OSGR > OSDC.
2. Riicksetzschaltung nach Anspruch 1, d a d u.r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Beziehung URD > UOR > UDG durch eine Festlegung des Referenzpotentials des des des Gleichpotentials (UDO) und der Rücksetztaktimpuls-Amplitude (UR) mittels einer Auswahl entsprechender Spannungswerte erfüllt ist.
3.. Rücksetzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine der Wirkung der Beziehung URD> UR> UDC entsprechende Wirkung der Rücksetzschaltung dadurch erzielt wird, daß für das Reset-Gate und das zusätzliche Gate unterschiedliche Isolierschichtdicken der Isolierschicht zwischen dem Reset-Gate bzw.

dem zusätzlichen Gate und dem Substrat vorgesehen sind.
4. Rücksetzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t -, daß eine der Wirkung der Beziehung URD> UXR? UDC entsprechende Wirkung der Rücksetzschaltung dadurch erzielt wird, daß unter dem Reset-Gate und dem zusätzlichen Gate unterschiedliche Implantationszonen, vorzugsweise durch unterschiedlich starke Dotierungen vorgesehen sind.
5. Rücksetzschaltung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drain-Blektrode und das zusätzliche Gate miteinander durch eine äußere Verbindung an derselben Versorgungsspannungsklemme liegen.
6. Rücksetzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Reset-Gate und das zusätzliche Gate aus Poly-Si2-Schicht teilweise überlappend über dem als o1y-Si1-Schicht ausgeführten zusätzlichen Gate nach an sich bekannten Herstellungsverfahren angeordnet ist.
7. REcksetzschaltung nach einem der Ansprüche 1-5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Reset-Gate und das zusätzliche Gate in Aluminium nach einem an sich bekannten Herstellungsverfahren ausgeführt sind.