DE3128091C2

DE3128091C2 - Schaltvorrichtung zum Entladen einer Kapazität

Info

Publication number: DE3128091C2
Application number: DE3128091A
Authority: DE
Inventors: Marino Guiseppe Carasso; Bernardus Henricus Jozef Eindhoven Cornelisen; Johannes Gerrit Van Santen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1981-07-16
Publication date: 1985-06-27
Also published as: GB2081017A; AU546067B2; CA1173520A; IT1138877B; JPH0254663B2; JPS5753980A; NL8004328A; US4402014A; GB2081017B; AU7343181A; DE3128091A1; IT8123146A0; FR2488085A1; FR2488085B1

Abstract

MOS-Schalter, insbesondere für eine Kamera, mit dem innerhalb der Zeilenrücklaufzeit das ganze optisch erzeugte Signal dadurch übertragen werden kann, daß periodisch eine feste Ladungsmenge von Drain auf Source rückübertragen wird.

Description

Die Erfindung be/ichi sich auf eine Halblcitcranord-

nung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. wie sie aus IEEE Electron Device Letters, EDL-I, Nr. 5(1980), S.86-88 bekannt ist.

Derartige Halbleiteranordnungen werden insbesondere in Aufnahmekameras verwendet, bei denen das aufzunehmende Bild in einer photoempfindlichen Schicht in ein Muster von Ladungspaketen Q₅ umgewandelt wird, die über verhältnismäßig lange Signalleitungen auf ein Ausleseglied übertragen werden. Eine derartige Kamera ist unter anderem in der DE-PS 27 04 193 der Anmelderin beschrieben. Die photoempfindliche Auftreff platte in dieser Anordnung ist auf einer Seite für das aufzunehmende Bild zugänglich und ist auf der anderen Seite mit einer Anzahl sich in der Spaltenrichtung erstreckender Signalstreifen versehen. Ober durch Feldeffekttransistoren gebildete Schalter sind die Signalstreifen mit einem waagerechten Ausleseregister in Form eines Ladungsübertragungsregisters, z. B. einer Eimerketlenspeicheranordnung (BBD) oder einer ladungsgekoppelten Anordnung (CCD) gekoppelt.

Die Übertragung der Signalladungen Q, von den Signalstreifen auf das Ausleseregister kann in einem beschränkten Zeitintervall T. vorzugsweise während der Zeilenrücklaufzeit stattfinden. Ein besonderer Wert für dieses Zeitintervaii bcrrägi !0 jisec.

Die üblichen Feldeffekttransistoren weisen bei den auftretenden Strömen im allgemeinen eine annähernd exponentiell /- V^-Kennimie auf, wobei / den Strom durch den Transistor und V_4n die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Zone darstellen. Wenn daher in dem Fall, daß die Transistoren eine Schwellwertspannung V,h = 0 aufweisen, V^₅ kleiner wird, wird der Strom exponentiell nach Null gehen. Dies hat zur Folge, daß die Übertragung der Ladungspakete (?i immer träger vor sich geht, weil während der Übertragung sich die Spannung der Source-Zone und damit auch V^ ändert. Da das Zeitintervall, das für die Übertragung von Ladung zur Verfügung steht, endlich ist, wird daher stets Ladung auf den Signalstreifen zurückbleiben. Diese Ladung und daher das Potential der Signalsireifcn ist von der Größe des Signals abhängig. Bei konstanter Belichtung über das ganze Bild werden sich die .Signalstreifen auf ein Potential U_s° einstellen, das derart ist. daß jedes Signalpaket Q_s°, dem Potential LV überlagert, innerhalb des Zeitintervalls Γ völlig übertragen wird. Bei einem schroffen Sprung in dem Bild, ζ. Β. zwischen einem Gebiet geringer Intensität und einem Gebiet hoher Intensität, werden die Signalstreifen erst nach einer Anzahl von Zeilen das neue Gleichgewichtspotential erreichen. Diese Anzahl hängt im allgemeinen von der Größe der Signale ab, aber wird insbesondere größer, je kleiner die Signale sind, und kann in besonderen Ausführungsformen sogar eine Größenordnung von 25 erreichen. Dadurch kann im aufgenommenen Bild bei dessen Wiedergabe auf z. B. einem Fernsehbildschirm vor allem bei niedriger Lichtintensität eine große Unscharfe zwischen Zeilen verschiedener Intensität eingeführt werden.

Die Tatsache, daß die Gleichgewichtsspannung LV der Signalstreifen von der Größe der Ladung Q_s und somit von der Lichtintensität abhängt, kann, wie gefunden wurde, auch in waagerechter Richtung eine Unscharfe infolge eines Übersprechens zwischen benachbarten Signalstreifen über Streukapazitäten herbeiführen.

Auch wenn andere photoempfindliche Auftreffplatten als die obenbeschriebenen verwendet werden, können infolge der exponentiellen /-V^-Kennlinie und der damit zusammenhängenden unvollständigen Ladungsübertragung sich ähnliche Probleme ergeben, wie z. B. bei Bildaufnahmevorrichtungen, in denen die photoempfindlichen Zellen je eine Photodiode und einen Feldeffekttransistor zum Selektieren und Auslesen der Zelle enthalten. Auch in Biidaufnahmevorrichtungen dieser Art können sich Probleme in bezug auf Unscharfe infolge unvollständiger und signalabhängiger Signaliadungen, wie oben beschrieben, ergeben.

Außerdem ist die Weise, in der die Signalladungen Q₅. die in Bildsensoren durch Erzeugung von Ladung infolge von Absorption von Strahlung entstehen, gebildet werden, für die Erfindung nicht wesentlich und daher könnte die Erfindung außer in Kameras auch mit Vorteil in Vorrichtungen anderer Art angewandt werden, in denen in einem verhältnismäßig kleinen Zeitintervall Signalladungen von einem ersten Kondensator auf einen zweiten Kondensator übertragen werden müssen. Auch können die beschriebenen Probleme bei Anwendung anderer Schalter als Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode auftreten, so daß die Erfindung nicht auf diese Feldeffekttransistoren beschränkt werden soll. Es sei noch bemerkt, daß in der DE-OS 26 42 209 beschrieben ist, wie in einem Bildsensor sogenannte »Nachläufer«, die nicht in 10 μ5 übertragen sind, abgeführt werden können, um so ein Verschmieren des Bildes zu vermeiden. Die gegebene Lösung kann jedoch zu unerwünschten Sigr.aiveriusten führen.
Weiter ist aus der DE-OS 26 06 308 ein xy-Sensor bekannt, bei dem die Ladung dadurch verlustlos über Ausleseleitungen transportiert wird, daß eine MOS-Leitung verwendet wird, an deren Ende unterschiedliche Potentiale angelegt werden. Eine solche Lösung ist jedoch nicht immer anwendbar.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Feldeffektanordnung anzugeben, mit der eine Signalladung Q₅ innerhalb eines vorher bestimmten Zeitintervalls Γ völlig übertragen werden kann, wobei das Potential des ersten Kondensators nach Übertragung von Q_s grundsätzlich ganz signalunabhängig ist.

Die genannte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Bildaufnahmevorrichtung mit Schaltern nach der Erfindung,

Fig.2 und 5 Spannungssignale, die beim Betrieb in einer Vorrichtung nach F i g. 1 auftreten,
F i g. 3 schematisch eine MOS-Kennlinie.
Fig.4 einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung,

F i g. 6 Potentialprofile, die beim Betrieb in der Vorrichtung nach F i g. 4 auftreten, und

Fig. 7 schematisch eine zweite Bildaufnahmei'orrichtung nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild einer Bildaufnahmevorrichtung, die, mit Ausnahme der Schalter 17Ί, 17'2, \7'i in der bereits genannten DE-PS 27 04 193 im Namen der Anmelderin, beschrieben ist.

Die Vorrichtung enthält ein zweidimensionales Muster photoempfindlicher Elemente 41n, 4Ii2, 41n, 4I22, 4I32 usw. in einer photoempfindlichen Auftreffplatte 5. Diese Elemente sind schematisch durch Kondensatoren dargestellt.Die Auftreffplatte 5 ist derart in einer Aufnahmeröhre montiert, daß die Rückseite der Auftreff-

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platte von einem Elektronenstrahl 6 abgetastet werdon kann und daß die Vorderseite für einfallende Strahlung Li, Li, Li usw. zugänglich ist.

Die Vorderseite der Auftreffplatte 5 ist mit Signalelektrodenstreifen 4|, 4₂, 4₃ versehen, von denen in der Zeichnung drei dargestellt sind, aber deren tatsächliche Anzahl in praktischen Beispielen einige Hundert betragen kann. Die Signalstreifen 4i, 42, 4j, die spaltenweise mit den Elementen 41n, 41_]2, 4I₂₂ usw. gekoppelt sind, sind über die Schalter 17'j, 17'₂,17'₃ mit dem Schieberegister 19' verbunden, das im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Eimerkettenspeicher (BBD) besteht, aber z. B. auch eine CCD enthalten könnte. Die Ausgangsstufe des Eimerkettenregisters wird durch eine Source-Folgerschaltung mit einem Feldeffekttransistor 62 und einer Ausgangsklemme 20 gebildet.

Die Transistoren 50, 52, 54, 56, 58 und 61 des Registers 19' sind, gleich wie der Transistor 62, hier beispielsweise vom n-Kanal-Typ.

Die Gate-Elektroden der Transistoren des Eimerkettenregisters sind wechselweise mit den Taktleitungen S$ und 56 und über diese Taktleitungen mit der Taktspannungsquelle 21' verbunden. Das Register 19' ist außerdem mit einer Anzahl von Paralleleingängen 18), IS₂,18j usw., versehen, die über die Schaltvorrichtungen 17Ί, 17'₂,17'j usw. mit den Signalelektrodenstreifen 4|, 4₂,43 usw. verbunden werden können.

Die Bildinformation, die in der photoempfindlichen Auftreffplatte erzeugt wird, kann über die Streifen 4 und die Schaller 17' in den Kondensatoren 53,57 und 60 des Eimerkettenregisters geschoben werden.

Die Vorrichtung der hier beschriebenen Art unterscheidet sich im wesentlichen nur durch die Schalter 17' von der in der oben genannten DE-PS 27 04 193 beschriebenen Vorrichtung, in der die Schaltvorrichtungen durch übliche Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode gebildet werden.

Für eine detailliertere Beschreibung der Bauart und der Wirkung der Kamera sei daher auf diese Patentschrift verwiesen.

Hier werden im wesentlichen nur diejenigen Elemente genannt, die für eine deutliche Beschreibung der Erfindung unentbehrlich sind.

In Fig.2 sind die Amplituden der Signale S\ bis Si₂ und des Bildsignals PS, wie sie in der bekannten Vorrichtung auftreten, als Funktion der Zeit t dargestellt.

Mittels des Elektronenstrahls 6 wird die Rückseite der Auftreffplatte 5 auf die Spannung U_c (z. B. —5 V) aufgeladen. In F i g. 2 bezeichnet A das Steuersignal, das die Abtastung der Auftreffplatte 5 durch den Elektronenstrahl steuert. TH bezeichnet eine Zeilenperiode und umfaßt eine Zeilenrücklaufzeit Tb und eine Zeilenabtastzeit Ts- Die Signalelektrodenstreifen 4|, 4₂; 43 usw. liegen annahmeweise am Anfang einer Zeilenrücklaufzeit an Bezugspotential, z. B. 0 V.

Während der Integrationsperiode kann Licht auf die photoempfindliche Auftreffplatte einfallen, wodurch die Kondensatoren 41n, 4I]₂, 4I₂₂ usw. entladen werden können, wie in F i g. 1 schematisch durch die Leckwiderstände 42ii, 42i₂ usw. dargestellt ist, deren Größe von der Intensität Li, L₂, L3 usw. abhängig ist. Beim Abtasten durch einen Elektronenstrahl 6 zu den Zeitpunkten t\, f₂, h treten auf den Signalelektrodenstreifcn 4|, 4₂, 4j die Potentialsenkungen U\, Ui bzw. L/3 in bezug auf das Bezugspotential auf. die den Signalladungen Qt, <?₂ bzw. Qs in den Streukapazitäten 40i, 4O₂ bzw. 4O3 entsprechen. Zu einem Zeitpunkt r* fängt die Zeilenrücklaufzeit oder Zeilenaustastzeit ΤΉ an. die zu einem Zeitpunkt ti endet. In der Zeit T_B tritt zwischen den Zeitpunkten i-, und f6 ein Impuls in dem Signal S5 auf, während zu gleicher Zeit die Schalter 17' geschlossen werden (schematisch durch den Impuls im Signal Si dargestellt), um die Signale an den Kondensatoren 40i, 4O₂, 4Oj auf das Eimerkettenregister 19' übertragen zu können.

Für das Schieberegister 19' gilt, daß zwischen den Zeitpunkten U und f₅ die Kapazitäten 51, 53, 55, 5739 und 60 auf je 3 V aufgeladen sind, was aus dem Vorhandensein der Spannung —3 V in den Signalen Ss und S_b und des Massenpotentials 0 V in den Signalen S? bis S₁₂ folgt. Der Impuls im Signal Sa,, das an die Gate-Elektroden der Transistoren 17' angelegt wird, und der Impuls im Signal S% zwischen den Zeitpunkten fs und /_b weisen eine Spannung von +0 V auf. Die Spannung von 0,7 V an den Gate-Elektroden der Transistoren 17', 17Ί bewirkt, daß bei einer genügend hohen Spannung an den Drain dieser Transistoren die Spannung an der Source, d. h. an dem mit ihr verbundenen Signalelektrodcnstreifen 4|, 4₂, 4j oder noch anders gesagt, die Spannung an den Kondensatoren 4Oi. 4O₂. 4Oj auf das Massenpoiential 0 V, und nicht weiter, zunehmen kann. Die Spannung von 0,7 V ist nämlich die Schwellwenspannung. die zu 1-schen den Gate-Elektroden und den Sources der Transistören 17' vorhanden sein muß, um diese Transistoren in den leitenden Zustand zu bringen und in diesem Zustand zu halten. Die zu dem Zeitpunkt t% auftretende Impulsflanke mit einem Spannungssprung von —3 V bis + 0,7 V im Signal S5 ergibt über die Kapazitäten 53, 57 und 60 einen gleichen Spannungssprung von 3,7 V an den Drains der Transistoren 17Ί, 17'₂. Zusammen mit der Spannung von 0,7 V an den Gate-Elektroden bewirken die Spannungen in den Signalen Sn, Sw und Si₂. daß die Kapazitäten 40|, 4O₂, 4O3 der Signalstreifen 4|, 4₂ bzw. 43 auf Massenpotential 0 V (Signale Si, S₂ und S3 in F i g. 2 zu /5) von den Kapazitäten 53,57 und 60 (Signale Se, Sio und Si₂) her aufgeladen werden können. Die den Spannungssenkungen U\, L/₂, L/3 an den Kapazitäten 40i,40:> bzw. 4O3 entsprechenden Ladungszustände können aus den Kapazitäten 53,57 bzw. 60 ergänzt werden und dort die Spannungssenkungen U\. U'; und {/'■ ergeben, die U\, LZ₂ bzw. Ui entsprechen.

Der Spannungssprung in den Signalen Sj und S-, /um Zeitpunkt tu bewirkt, daß die Schalter 17',. 17';. 17'_; gesperrt werden und ein gleich großer Spannungssprung in den Signalen Sg, Si 0 und Si₂ auftritt.

Zum Zeitpunkt r? beginnt die Zeilenabtastzcil T_s mit einerseits wiederum einer Zeilenabtastung der Schicht 5 durch den Elektronenstrahl 6 und andererseits der Übertragung der Signale U\, U'2, U'i zwischen den Kapazitäten 51.53,55,57,59 und 60 unter dem Einfluß der Impulse, die in den Signalen Sf₁ und S5 auftreten. Die Signale U\, U'2, U'i werden auf an sich bekannte Weise vom Register 19' transportiert und können dem Ausgang PS entnommen werden.

In der hier beschriebenen bekannten Vorrichtung werden die Signalelektrodenstreifen 4|, 4₂, 43 bei der Übertragung der Signalladungen von den Kondensatoren 40i, 4O₂,4O3 auf das Schieberegister 19' auf Bezugspotential gebracht, wobei die Bezugsspannung durch die Schwellwenspannung der Transistoren 17Ί, I7'₂, 17'3 gegeben wird. Derartige MOS-Transistoren weisen (im Unicr-Mikroampcrebercich) eine Strom-Spannungskennlinic auf, die einen mehr oder weniger expo-

b5 nentiellen Verlauf hat, wie in F i g. 3 durch die Kurve A dargestellt ist. In dieser Figur ist auf die Ordinate der Strom und auf die Abszisse die Gate-Spannung abzüglich der Schwellwenspannung (für einen n-Kanal-

MOST) aufgetragen, wobei V₁. die Spannung der Gate-F.lcktrode in bezug auf das Source-Gebiet bezeichnet. Während der Übertragung von Ladung ändert sich das Potential der Sourcc-Elektroden der Transistoren derart, daß V_e— V,_h nach Null geht. Dies bedeutet, daß der Strom auch nach Null geht und daß, wenn die Transistoren wieder gesperrt werden, nicht die ganze Menge Ladung übertragen ist. Das Bezugspotential der Signalclektrodenstreifen ist dann nicht mehr gleich der Schwellwertspannung der Transistoren, sondern ist mehr oder weniger signalabhängig. Infolge von Streukapazitäten zwischen den Signalelektrodenstreifen 4|, 4₂. 4i können Änderungen in der Bezugsspannung an einem Streifen sich außerdem an benachbarten Streifen auswirken. Um diese und andere mögliche Nachteile wenigstens größtenteils zu vermeiden, sind in der Vorrichtung nach der Erfindung statt Feldeffekttransistoren Schalter 17' verwendet, die in Fi g. 4 im Schnitt gezeigt und im Schaltbild nach F i g. 1 durch je eine Feldeffektanordnung mit drei Gate-Elektroden dargestellt sind.

Es sei bemerkt, daß der Schalter nach der Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, für die Anwendung in einer Kamera geeignet ist, aber auch mit Vorteil in anderen Systemen verwendet werden kann, bei denen ein schneller Ladungstransport erforderlich ist.

Fig.4 zeigt im Schnitt eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper 1 mit einem Schalter, mit dem im allgemeinen innerhalb der Zeilenaustastzeit im Falle einer Kamera ein Ladungssignal von dem Kondensator C, auf den Kondensator C/ übertragen werden kann. Die Kondensatoren C und Qi. die nicht notwendigerweise auf dem Halbleiterkörper 1 integriert zu sein brauchen, sind h Fig.4 nur durch gestrichelte Linien angegeben.

Der Schalter enthält zwei Klemmen 2 und 3, die mit G bzw. C₁/ verbunden sind oder verbunden werden können und die eine Source- bzw. Drain-Elektrode einer Feldeffektanordnung mit isolierten Steuerelektroden Ci, Ci und C3 bilden. Die Vorrichtung enthält in einer besonderen Ausführung einen p-leitenden Halbleiterkörper aus Silicium, aber es ist einleuchtend, daß auch von einem η-leitenden Halbleiterkörper ausgegangen werden kann und daß sich die Erfindung auch nicht auf die Anwendung von Silicium beschränkt, sondern daß auch andere Halbleitermaterialien mit Vorteil verwendet werden können.

Der Siliciunikörpcr 1. der einen für integrierte MOS-Schaltungcn üblichen spezifischen Widerstand von 0.3—5 ti ■ cm aufweisen kann, ist an der Oberfläche 4 mil η-leitenden Oberflächenzonen 5 und 6 versehen, die ein Source- bzw. Draingebiet bilden.

Die Klemmen 2 und 3 sind mii dem Source- bzw. dem Draingebiet über die Source- bzw. Drain-Elektroden 7 bzw. 8 aus z. B. Silicium verbunden, die mit den Zonen 5 bzw. 6 kontaktiert sind.

Die Oberfläche 4 des Halbleiterkörpers ist mit einer Isolierschicht 9 überzogen, die auf übliche Weise als eine Schicht aus Siliciumoxid angebracht werden kann, aber die auch andere dielektrische Materialien, wie Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid, enthalten kann. Die Schicht 9 weist wenigstens in dem von den Zonen 5 und 6 begrenzten Gebiet eine Dicke von etwa 70 nm — 100 nm auf. Außerhalb des in F i g. 4 dargestellten wirksamen Gebietes kann die Oxidschicht 9, die dann als Feldoxid dient, eine viel größere Dicke aufweisen, wie in Halbleiteranordnungen mit Feldeffekttransistoren allgemein gebräuchlich ist.

Auf der Isolierschicht 9 ist zwischen dem Sourcc-Gebiet 5 und dem Draingebiet 6 eine erste Gate-F.lektrodc G\ angebracht, deren Funktion mit der der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors vergleichbar ist und mit der der Schalter nach Wunsch geöffnet oder geschlossen werden kann.

Nach der Erfindung enthält der Schalter Mittel CG:.,. Gib, 10), mit deren Hilfe während der Übertragungszeit T(ti—tt) periodisch eine feste Ladungsmenge ζ>, auf G mit einer derartigen Frequenz η rückübertragen werden kann, daß in einem Zeitintervall t < T eine Gleichgewichtssituation erreicht wird, in der die pro Zeiteinheit (see) aus G übertragene Menge Ladung gleich der pro Zeiteinheit rückübertragene Ladungsmenge ist. In dieser Gleichgewichtssituation wird das Potential der Kapazität G nicht mehr von der Anfangsladung (Signal) Q_h, sondern im wesentlichen noch von η und O, abhängen.

Die Gate-Elektrode Gi weist zwei miteinander verbundene Teile Gi₁₁, Gib auf. Unter Gi_a sind Mittel 10 vorhanden, mit deren Hilfe beim Anlegen einer Span· nung an Gi in dem Halbleiterkörper ein asymmetrisches Potentialprofil mit einer Potentialmulde unter Gi_a. in der die rückzuübertragende Ladung Q₁ gespeichert werden kann, und mit einer Potentialsperre unter Gib erhalten wird.

Das asymmetrische Potentialprofil unter der Elektrode Gi kann durch verschiedene an sich aus der Technik der ladungsgekoppelten Anordnungen bekannte Verfahren, z. B. durch Anbringung zweier Oxidschichten unter den Elektroden Gi^ und Gib mit verschiedenen

jo Dicken, erhalten werden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 wird die Asymmetrie durch den Unterschied in Dotierung in dem Halbleiterkörper unter den Elektrodenteilen Gi_a und Gib gebildet, der durch das Anbringen der n-!eitenden Zone 10 unter dem Elektrodenteil G_2a erhalten wird. Die Dotierungskonzentration der Zone 10 kann zum Erhalten einer Potentialmulde mit der gewünschten Tiefe und damit einer Ladung Q, mit der gewünschten Größe mit Hilfe von Ionenimplantation passend gewählt werden und beträgt z. B.

10¹²-10"· Atome/cm³.

Obgleich man in einer Anzahl von Anwendungen mit den Ruckübertragungsmitteln Gi₁₁, Gib, 10 auskommen kann, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzliche Mittel vorhanden, mit deren Hilfe die Potentialmulde unter der Elektrode Gi* wenn sie leer ist, bevor Ladung von G auf Qi übertragen wird, nachgefüllt wird. Diese Mittel, die hier zwischen Gi und dem Draingebiet 6 liegen, enthalten eine dritte isolierte Gatc-Elcklrode Gi. In bezug auf die Struktur entspricht die Elektrode Gj der Elektrode Gi und enthält, gleich wie Gi, zwei miteinander verbundene Teile G^ und Gib- Unter dem Teil Gu ist ein n-lcitendes Gebiet !! mit der gleichen Dotierungskonzentration wie die Zone 10 angebracht. Die lateralen Abmessungen von Gs^ und der Zone 11 werden vorzugsweise mindestens gleich oder größer als die von Gi_a, 10 gewählt Dadurch kann beim Anlegen einer geeigneten Spannung unter G?_a eine — gefüllte — Potentialmulde gebildet werden, die als Behälter für die Lieferung der Ladung Q, verwendet werden kann.

ω Die Gate-Elektroden Gi. Gi und Gj sind, wie in Fig. 1 dargestellt ist, über die Signalleitungen Sau Sai bzw. Sai mit der Taktspannungsquelle 21 gekoppelt. F i g. 5 zeigt schematisch die Signale 541,542 und S^, die das Signal Sa in F i g. 2 ersetzen.

In F i g. 5 sind wieder die Zeitpunkte fs und fb angegeben, die innerhalb der Zeilenaustastzeit T_fl liegen und die das Zeitintervall bestimmen, während dessen Signalladung von den Signalstreifen 4i.42,4j auf das Eimerkei-

tenregister 19' übertragen wird. Das Signal S^ in F i g. 2 '< wird in der Aufnahmevorrichtung nach der Erfindung

durch das Signal S41 in F i g. 5 ersetzt, das an die Gate-Elektrode G\ angelegt wird. Aus dem Verlauf von S^ ist ersichtlich, daß der Ladungstransport nicht kontinuierlich, sondern unterbrochen vor sich geht, wie nachstehend noch näher auseinandergesetzt wird.

Zum Zeitpunkt f₅ sind auch die Signale S₄₂ und S43 positiv. Die Werte von S41, S42 und S43 können vom Fachmann auf einfache Weise derart gewählt werden, daß im Halbleiterkörper das in F i g. 6a gezeigte Potentialprofil erhalten wird. In dieser Figur entsprechen s und ddem Source-Gebiet 5 und dem Draingebiet 6 in Fi g. 4, während die in F i g. 6 mit Gi, G₂ und G3 bezeichneten Gebiete den unter den Gate-Elektroden Gi, G7 bzw. G3 liegenden Teilen des Halbleiterkcrpers entsprechen. Die Gebiete in G2 und G3, die in F i g. 6 schraffiert dargestellt sind, entsprechen den η-dotierten Gebieten 10 bzw. 11 in Fig.4 und stellen Ladungspakete dar, die in den durch die Dotierung erhaltenen Potentialmulden gespeichert sind. In der in Fig.6a gezeigten Situation kann Ladung (in Form von Elektronen) von s zu d fließen, die mit dem Pfeil in F i g. 6a schematisch angegeben ist.

Während des Ladungstransports nimmt der Potentialpegel von S ab, wodurch der Ladungstransport träger vor sich gehen wird. Zur Vermeidung dieses Problems und mit diesem zusammenhängender Probleme wird der Transport unterbrochen und wird das Potential von G2 derart weit herabgesetzt, daß das unter G? gespeicherte Ladungspaket auf 5 rückübertragen wird. Zur Illustrierung dieses Vorgangs ist in F i g. 6b das Potentialprofil zum Zeitpunkt f_B dargestellt.

In dem nächsten Schritt könnte der Ladungstransport von 5 zu d, wie in Fig.6a dargestellt, fortgesetzt werden. In diesem Falle wird die (leere) Potentialmulde unter G2 wieder mit Ladung ausgefüllt, wodurch sich das Potential in der Potentialmulde wieder ändert. Da der Verstärkungsfaktor

{Vds) .

— — 1 = c

des Transistors, dessen Source durch die Zone 5. dessen Gate durch Gi und dessen Drain durch die Potentialmulde gebildet wird, nicht unendlich groß ist, ergibt diese Spannungsänderung eine Rückwirkung auf S. Bei einem besonderen Verstärkungsfaktor von 10 und einem Kapazitätsverhältnis zwischen s und der Potentialmulde unter G₂ von etwa 100 wird ein Zehntel der etwa hundertmal größeren Spannungsänderung unter G₂ auf den Eingang des Transistors rückwirken. um diese Rückwirkung und auch die Rückwirkung von d auf s wenigstens größtenteils zu vermeiden, ist zwischen G₂ und d das Gebiet G3 angebracht. Zum Zeitpunkt fs wird an G3 eine derartige positive Spannung S43 angelegt, daß unter Gi das in F i g. 6a dargestellte Potentialprofil erhalten wird, wobei das Potential unter Gj etwas tiefer als unter C₂ liegt, während an der Stelle der η-dotierten Zone 11 unter Gj eine Potentialmulde gebildet wird, die mit Ladung gefüllt ist In Fig.6a ist dieses Ladungspaket schraffiert dargestellt.

Nach der Übertragung der Ladung unter G₂ auf die in Fig.6b dargestellte Weise wird der Ladungstransport von .ν zu d nicht wieder angefangen, sondern wird zunächst eine positive Spannung ;in G> angelegt, während die Spannung .V₄1 an Cm herabgesetzt wird. I·" i g. be zeigt das Potentialprofil in dem Schalter zum Zeitpunkt f* Das Ladungspaket unter Gj kann nun in die Potentialmulde unter G₂ fließen und diese ausfüllen. Zum Zeitpunkt im sind die Signale S»i, S«2 und 5<j wieder gleich denen zum Zeitpunkt fs, so daß wieder Ladung auf die in F i g. 6a dargestellte Weise von szu dfließen kann. Während des Ladungstransports wird sich das Potential unter G-; wenigstens praktisch nicht ändern, so dab Ruckkopplung auf s vermieden wird. Etwaige Rückkopplung von G3 auf S kann als ein Effekt zweiter Ordnung vernachlässigt werden.

Die Übertragung der Signalladung Q von den Signalstreifen 4t, 4j, 4j auf das Schieberegister 19' kann auf die hier beschriebene Weist fortgesetzt und periodisch /ur Rückübertragung von Losung unterbrochen werden.

Im Gleichgewichtszustand ist die Ladungsmenge, die pro Zeiieiriiicii rÜCiCÜberträgen Wird, gleich grob wie UiO Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit von s zu d fließt. Die Frequenz der Rückübertragung wird derart gewählt, daß eine Gleichgewichtssituation mit I_n. V_n (siehe Fig. 3) erhalten wird, in der die Impedanz des Schalters genügend niedrig ist, um jedes Signal, ungeachtet seiner Größe, innerhalb der Zeilenaustastzeit zu übertragen. Diese Frequenz kann vom Fachmann auf einfache Weise, je nach den besonderen Bedingungen in einem praktischen Fall, gewählt werden. In einer praktischen A'isführungsform, bei der C, etwa 1 pF betrug und Uii· 1 ■'■·. übertragene Ladungsmenge stets 10 fC war, stellte sieh heraus, daß sehr befriedigende Ergebnisse bei einer Frequenz von 1 MHz erzielt werden konnten, d. h. wenn zwischen fs und ft, (F i g. 5) etwa zehnmal Ladung utif .S" rückübertragen wurde. Dadurch, das innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer fs—/_e das ganze Signalpaket von .v auf d übertragen werden kann, können Bilder mit Intensitätsunlerschieden in senkrechter Richtung mit großer Schärfe umgewandelt werden, während in waagerechter Richtung eine erheblich bessere Schärfe erhalten werden konnte, infolge der Tatsache, daß die Signalstreifen 4|. 4₂. 4j jeweils auf eine genau definierte Endspannung (V₀) eingestellt werden konnten, so daß Streuübersprecheffekte zwischen den Streifen praktisch nicht auftraten.

Außer in der hier beschriebenen Kameraröhre kann ein Schalter nach der Erfindung auch in Kameras eines anderen Typs, wie z. B. in Kameras mit einer Bildaufnahmevorrichtung der schematisch in F i g. 7 dargestellten Art. verwendet werden. Die Vorrichtung enthält eine an sich bekannte Matrix in Zeilen und Spalten angeordneter photoempfindlicher Elemente 70, die je eine Diode Dund einen Feldeffekttransistor Tenthalten. Das eine Hauptelektrodengebiet der Transistoren T ist mit den Dioden und das andere Hauptelektrodengebiet mit den Leseieitungen 7i verbunden. Die Gate-Eiekirodcn der Transistoren sind mit Selektionisleitungcn 72 verbunden, die von einem Schieberegister 73 angesteuert werden können. Wenn eine der Leitungen 72 selektiert wird, können die in den Dioden D der betreffenden Zeile gespeicherten Signalladungen über die zugehörigen Transistoren Tauf die Leseleitungen 71 übertragen werden. Für die Übertragung der Signale von den Lei-

bo tungen 71 auf eine Ausleseleitung 74 sind zwischen den Leitungen 71 und der Leitung 74 Schalter 75 angebracht, die in bezug auf Bauart und Wirkung den Schaltern 17Ί, 17'₂,17'3 im vorhergehenden Ausführungsbeispiel entsprechen. Die Schalter 75 sind mit einer Takt-

h5 spannungsquelle 76 verbunden, wie an die Gatc-Rlcktroden der Schalter Spannungen der in Fig.5 dargestellten Art anlegt.

Die Schalter 75 können, gleich wie im vorhergehen-

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den Ausführungsbeispiel, parallel mit einem CTD-Rcgister verbunden sein, wobei die Signale an den Signalleitungen 71 gleichzeitig übertragen werden können. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Schalter 75 gemeinsam mit dem Ausgang 74 verbunden und werden daher nacheinander angesteuert.

Es dürfte einleuchten, daß die Erfindung nicht auf die obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann noch viele Abwandlungen möglich sind. So könncn statt Silizium auch andere geeignete Halbleitermaterialien, wie Ge oder A'"B^V-Verbindungen, z. B. GaAs, verwendet werden. Auch können statt der implantierten Zonen 10 und 11 andere aus der CTD-Technik bekannte Mittel zum Erhalten von Potentialmulden mit der ge- is wünschten Tiefe, wie verschiedene Oxiddicken und/ oder Vorschaltspannungsquellen zwischen den Elektroden Gj, und C2/, und zwischen den Elektroden Gj₈ und Cih, verwendet werden. Weiter können an die Elektroden C₂., und dt. gleich wie an den Elektrodensatz G₃,,, Gih, cin/.elne Taktspannungen angelegt werden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen enthalten die Schalter einen Obcrflächcnkanal. Stattdessen sind a'rx-r auch Ausführungsformen mit einem vergrabenen Kanal, entsprechend CCD¹S mit einem vergrabenen Kanal, möglich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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■J

50

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es

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, insbesondere in Kameras, mit einer Schaltungsvorrichtung (17') auf einem Halbleiterkörper (1) durch die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls endlicher Zeitdauer T(ts bis te) iterativ eine Ladungsmenge Q* die ein Signal darstellt, von einem ersten Kondensator (C₁) auf einem zweiten Kondensator (Cd) übertragen werden kann, bei der die Schaltungsvorrichtung (17') vom Feldeffekttyp ist und ein Source- und ein Drain-Gebiet (5 bzw. 6) enthält, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Kondensator (C_s bzw. Cd) gekoppelt und voneinander durch ein Kanalgebiet getrennt sind, das mit einer Gate-Elektrode (Gi) versehen ist, um den Stromdurchgang durch das Kanalgebiet zu steuern, und bei der Mittel (Gi, 21') vorhanden sind, mit deren Hilfe während des genannten Zeitintervalls T n-ma) (n> !) eine Ladungsmenge Q, auf den ersten 2» Kondensator (C\) rückübertragen wird, welche Mittel eine hinter der Gate-Elektrode (G\) angeordnete zweite Gate-Elektrode (G2) enthalten, die dazu dient, in dem darunterliegenden Teil des Kanalgebietes eine Potentialmulde zur Speicherung der festen Ladungsmenge Q, zu induzieren, die durch das Anlegen einer geeigneten Spannung (Sn, F i g. 5) an die zweite Gate-Elektrode (Gi) mit einer Frequenz n/Tauf den ersten Kondensator (C₁) rückübertragen werden kann, wobei π und die feste Ladungsmenge Qi derart gewählt sind, daß in einem Zeitraum t < T, wobei t vom Anfang des Ladungstransports an gemessen wird, eine Gleichgewichtssituation erreicht wird, in der die aus dem Kondensator (C₅) abfließende Ladungsmenge praktisch gleich der auf den ersten Kondensator rückübertragenen Ladungsmenge Qi ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (Gz) vorhanden sind, mit deren Hilfe die Potentialmulde unter der /weiten Gate-Elektrode (Gt) nach Rückübertragung der Ladungsmenge Q, auf das Source-Gebiet wieder mit Ladung gefüllt werden kann, bevor wiederum Ladung von dem Sourcc-Gebiet auf das Drain-Gebiet übertragen wird, welche Mittel eine dritte Gate-Elektrode (G₃) zwischen der zweiten Gate-Elektrode (Gi) und dem Drain-Gebiet enthalten, mit deren Hilfe in den darunterliegenden Teil des Halbleiterkörpers eine zweite Potentialmulde induziert werden kann, in der Ladung mit mindestens der Größe der festen Ladungsmenge Qi gespeichert werden kann.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Q, höchstens etwa ein Zehntel des Höchstwertes von Q_s beträgt.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von EIementen (41) vorhanden ist, in denen Information in Form elektronischer Ladung erzeugt und/oder gespeichert werden kann, und daß weiter Selcktionsmittel (6) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die genannten Elemente selektiv mit der mit der Schalt- ω vorrichtung verbundenen Elektrode von C₅ zur Übertragung der in den Elementen gespeicherten Information auf C, gekoppelt werden können.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (10) b5 vorhanden sind, mit deren Hilfe beim Anlegen einer Spannung an die zweite Gate-Elektrode in dem Teil des Halbleiterkörpers unter der /weiten Gatc-Elcktrode ein asymmetrisches Potentialprofil mit einer Potentialmulde in der Nähe des Randes der zweiten Gate-Elektrode auf der Seite des Source-Gebietes erhalten wird.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein an der Stelle der Potentialmulde liegendes Gebiet (10) enthalten, dessen Dotierungskonzentration von der angrenzender Oberflächenteile des Halbleiterkörpers verschieden ist

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gebiet (10) an der Stelle der Potentialmulde unter der zweiten Gate-Elektrode durch eine mit Verunreinigungen implantierte Zone gebildet wird.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß Mitlei (II) vorhanden sind, mit deren Hilfe beim Anlegen einer Spannung an die dritte Gate-Elektrode im darunterliegenden Teil des Halbleitcrkörpers ein asymmetrisches Potentialprofil mit einer Potentialmulde unter und nahe bei dem Rand der dritten Gate-Elektrode auf der Seile des Source Gebietes gebildet wird.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein an der Stelle der zu bildenden Potentialmulde liegendes Oberflächengebiet (11) enthalten, dessen Dotierungskonzentration von der angrenzender Teile des Halbleiterkörpers verschieden ist.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Elektrode von C einen streifenförmigen Leiter (4) enthält, der zusammen mit den zugehörigen informationsenthaltcnden Elementen einen Teil einer Bildaufnahmcvorrichtung bildet, die eine Anzahl ähnlicher streifenförmiger Leiter (4) und zugehöriger informationshaiiigi-r Elemente (41) enthält, wobei die informaiionshalienden Elemente durch ein Mosaik in Zeilen und Spülten angeordneter photo-empfindlieher Zellen gebildet werden.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch W, dadurch gekennzeichnet, daß sich die streifenförmigen Leiter parallel zu der Spaltenrichtung des Mosaiks erstrecken und je für sich mit einer zugehörigen Schaltvorrichtung(17) verbunden sind.

11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtungen (17), die auf einer Seite mit den streifenförmigen Leitern (4) verbunden sind, auf der anderen Seite mit Paralleleingängen eines Ladungsübertragungsregisters (19) verbunden sind, wobei die Signalladungen Qs pro Zeile über die Schaltvorrichtungen parallel auf das Ladungsübertragungsregister übertragen und über das Ladungsübertragungsregister /u einem Ausgang (57) transportiert werden können, um in Serie entnommen zu werden.

12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter η und Qi derart gewählt sind, daß f kleiner als oder gleich der Zeilenrücklauf/eit ist.

13. Bildaufnahmekamera mit einer Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12.