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Verfahren zum Betrieb einer mit einem Vorschalt-Tiefpaß
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versehenen Ladangsverschiebeanordnung.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer mit
einem Vorschalt-Tiefpaß versehenen Ladungsverschiebeanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein Vorschalt-Tiefpaß, der einer Ladungsverschiebeanordnung (CTD)
zugeordnet ist, hat die Aufgabe, das Frequenzspektrum am CTD-Eingang so weit zu
begrenzen, daß eingangsseitig anliegende Störsignale, deren Frequenz sich etwa um
den Wert der Taktfrequenz des CTD oder eines Vielfachen davon von dem Frequenzbereich
des zu übertragenden Nutzsignals unterscheidet, am Ausgang des C2D möglichst wenig
in Erscheinung treten. Das Herunterspiegeln solcher Störsignale in das Frequenzband
des Nutzsignals wird im englischen Sprachgebrauch auch als ftaliasingff bezeichnet.
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Die Vorschalt-Tiefpässe sind Jedoch#in integrierter Form nurmit einem
großen Flächenbedarf zu realisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer Ladungsverschiebeanordnung anzugeben, das es ermöglicht, die zur Durchführung
desselben dienende Tiefpaß-OT1>-Schaltung auf einer möglichst kleinen Halbleiterfläche
zu realisieren. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausgestaltung des Verfahrens
nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht, Der mit dem Verfahren nach
der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß durch die alleinige
Anhebung der Taktfrequenz der Eingangs stufe bei einer Beibehaltung der CTL-Taktfrequenz
im Bereich des CED-
Ubertragungskanals und der Ausgangs stufe die
Wirksamkeit des Vorschalt-Tiefpasses stark erhöht wird, wobei sich der Flächen-
und der Beistungs-Bedarf der Ladungsverschiebeanordnung nur geringfügig erhöhen.
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Die Ansprüche 2 bis 6 sind auf eine Ladungsverschiebeanordnung zur
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und auf bevorzugte Weiterbildungen derselben
gerichtet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Eingangs stufe einer zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Ladungsverschiebeanordnung, Figo 2 den
örtlichen Verlauf des Oberflächenpotentials der Eingangs stufe in Richtung der Elektrodenreihe
zu einem Zeitpunkt ti, Bigo 3 den auf die gleichen Orte der Oberfläche der Eingangstufe
bezogenen Verlauf des Oberflächenpotentials zu einem späteren Zeitpunkt t2, Fig.
4 ein Taktprogramm zum Betrieb der Eingangs stufe nach Fig. 1, Fig. 5 eine Weiterbildung
der Eingangsstufe nach Fig. 1, Fig. 6 einen zeitlich der Fig. 2 entsprechenden Verlauf
des Oberflächenpotentials für die Eingangs stufe nach Fig. 5 und Fig. 7 einen zeitlich
der Fig. 3 entsprechenden Verlauf des Oberflächenpotentials für die Eingangsetufe
nach Fig. 5.
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In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 1 eines vorgegebenen Leitungstyps
dargestellt, der z. 3. aus p-dotiertem Silizium besteht. Seine Grenzfläche la ist
mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht 2, z. B. aus SiO2, bedeckt. An
der Grenzfläche 1a befindet sich ein n-leitendes Gebiet 3, das durch einen Diffusions-
oder Implanta-
tions-Vorgang erzeugt wird. Der neben diesem Gebiet
liegende Bereich des Halbleiterkörpers 1 wird von einer ersten, zweiten und dritten
Elektrode 4, 5 und 6 überdeckt, die jeweils auf der isolierenden Schicht 2 angeordnet
sind. Dem Gebiet 3 wird über seinen dargestellten Anschluß eine Taktspannung ##:D
zugeführt, während die Elektrode 4 über ihren Anschluß mit einer konstanten Spannung
UR beschaltet ist. Der Elektrode 5 wird über ihren Anschluß ein Eingangssignal u5
zugeführt, während die sogenannte Torelektrode 6 mit dem Anschluß des Gebiets 3
verbunden ist0 Die Schaltungsteile 3 bis 6 gehören zu der Eingangsstufe EST einer
auf dem Halbleiterkörper 1 integrierten Ladungsverschiebeanordnung (CTD). An die
Eingangs stufe schließen sich eine Reihe von erschiebeelektroden an, die ebenfalls
auf der isolierenden Schicht 2 angeordnet sind. Jeweils vier aufeinanderfolgende
Verschiebeelektroden, z. B. 7 bis 10, sind über ihre Anschlüsse jeweils mit einer
von vier gegeneinander phasenverschobenen Takt spannungen #1 bis P14 beschaltet.
Die Elektroden 7 bis 10 gehören zum ersten der Eingangsstufe EST folgenden OTD-Element.
Es schließen sich weitere CTD-Elemente an. Der Bereich an der Grenzfläche des Halbleiterkörpers
1 unterhalb der Elektroden 7 bis 10 usw. stellt den CTD-t#ertragungskanal dar.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 wird nachfolgend anhand
der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Oberflächenpotentialverläufe und #s2 und
der Spannungs-Zelt-Diagramme nach Fig. 4 näher beschrieben. Fig. 4 zeigt dabei den
zeitlichen Verlauf der Takt spannung ~ED und die Zeitfunktionen der Takt spannungen
#1 bis ~4.
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Zum Zeitpunkt t1, also zwischen zwei Taktimpulsen ~ED, weist das Oberflächenpotential
#s1 im Bereich von EST und der Elektrode 7 gemäß Fig. 2 ohne Berucksichtigung der
eingeflossenen Ladung einen Verlauf P1 bis P5 auf. P1 ist
dabei
ein sehr kleiner Potentialwert, P2 das durch die Referenzspannung UR definierte
Potential, P3 der durch das Eingangs signal u5 hervorgerufene, signalabhängige Potentialwert,
P4 ein wegen der Verbindung zwischen der Torelektrode 6 und dem Gebiet 3 minimaler
Potentialwert, der wegen der isolierenden Schicht 2 den Potentialwert Pl noch unterschreitet,
und P5 der beim Auftreten eines Takt-.
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impulses #1 unterhalb der Elektrode 7 vorhandene Wert von ~s1 Auf
den horizontalen Achsen der Figuren 2 und 3 bedeutet der Betrag x jeweils den Abstand
eines koordinatenmäßig erfaßten Punktes von dem linken Rand des Gebiets 3 gemessen
in einer geraden Linie unterhalb der Elektroden 4 bis 7. Der kleine Wert P1 des
Oberflächenpotentials #s1 im Bereich von 3 bedeutet, daß die oberflächenseitigen
Halbleiterbereiche unterhalb der Elektroden 4 und 5 mit aus 3 austretenden Elektronen
überschwemmt werden. Das noch kleinere Potential P4 bedeutet jedoch andererseits
eine Potentialschwelle, die die ausgetretenen Elektronen nicht überwinden können.
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Zum Zeitpunkt t2 weist das Gebiet 3 einen Potentialwert von P12 an
der Grenzfläche 1a auf, so daß die in Fig. 2 durch die schraffierte Fläche oberhalb
von P2 dargestellten Ladungsträger wieder in das Gebiet 3 zurückfließen0 Gleichzeitig
verändert sich auch das Oberflächenpotential unterhalb der Torelektrode 6 auf einen
Wert P42, wobei die signalabhängige Ladungsmenge, die in Fig. 2 durch die doppelt
schraffierte Fläche B7 unterhalb von 5 und zwischen den horizontalen Linien P2 und
P3 veranschaulicht wird, nach Wegfall der Potentialschwelle P4 in die unterhalb
von 7 gebildete Potentialsenke P5 gelangt, was durch den Pfeil 11 angedeutet wird.
Während jedes Taktimpulses ~1 gelangen also so viele Ladungspakete F1 in die Potentialsenke
P5, wie Taktimpulse #ED innerhalb der Impulsdauer DA vorhanden sind, im dargestellten
Beispiel also vier. Die Anzahl der Taktimpulse ~ED innerhalb von DA ergibt dabei
den Grad der Überabtastung des an der Elektrode 5 liegenden Eingangs-
signals
us. Obwohl die den Verschiebeelektroden zugeführten Takt spannungen ~1 bis #4 und
die mit diesen gleichfrequenten Takt spannungen, die zum Betrieb der in herkömmlicher
Weise ausgebildeten Ausgangsstufe des CTD verwendet werden, eine wesentlich kleinere
Taktfrequenz aufweisen, ergibt sich praktisch eine solche Störbefreiung, als ob
die gesamte Ladungsverschiebeanordnung mit der hohen Taktfrequenz von ~ED betrieben
werden würde. Die in P5 gesammelten Ladungspakete werden dabei in herkömmlicher
Weise über den CTD-Übertragungskanal zur Ausgangsstufe übertragen und in dieser
im allgemeine31 in Ausgangsspannungsimpulse umgesetzt0 Nach einer Schaltungsvariante
ist es auch möglich, die Torelektrode 6 und das Gebiet 3 mit getrennten Taktspannungen
anzusteuern.
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Die bisher beschriebene Singangsstafe EST hat die Sigenschaft, daß
bei einer n-fachen Überabtastung des Eingangssignals auch die mit jeder signalabhängigen
Ladung in die Potentialsenke P5 eingebrachte Grundladungsmenge in P5 nmal vorhanden
ist. Diese n-fache Grundladung, die zur Verbesserung der Linearität bei der eingangsseitigen
Signalabtastung benötigt wird, ist jedoch vielfach in den weiteren Teilen des CTD
nicht mehr erwünscht, da für ihre obertragung zusätzlich Fläche benötigt wird. Mit
einer Weiterbildung der Eingangsstufe gemäß Fig. 5 gelingt es, diese Grundladung
unmittelbar nach der Abtastung des Eingnngssignals Us wieder abzuziehen, so daß
sie in den nachfolgenden CTD-Stufen nicht mehr auftritt. Zu diesem Zweck ist die
Torelektrode 6 in zwei Teilelektroden 61 und 62 aufgeteilt, von denen die Teilelektrode
61 auf einer dünneren isolierenden Schicht 21 aufgebracht ist als die Teilelektrode
62, die auf einer Schicht 22 liegt0 Zweckmäßigerweise wird die Teilelektrode 61
zusammen mit den ELektroden 4, 7 und 9 aus unterschiedlichen Teilen einer ersten
elektrisch leitenden Belegung, z. B. aus polykristallinem,
hochdotierten
Silizium, gebildet, während die Teilelektrode 6-2 zusammen mit den Elektroden 5,
8 und 10 aus unterschiedlichen Teilen einer zweiten, oberhalb der ersten liegenden
und gegen diese isolierten, elektrisch leitenden Belegung, z. B. aus polykristallinem,
hochdotierten Silizium, erzeugt wird. Dies ist jedoch in Fig. 5 aus Gründen einer
übersichtlichen Darstellung nicht gezeigt.
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2 6, in der der Verlauf des Oberflächenpotentials # s11 sum Zeitpunkt
t1 ohne Berücksichtigung der eingeflossenen Ladung verdeutlicht ist, läßt zum Unterschied
von ige 2 erkennen, daß ein Teil FIG der doppelt schraffierten Fläche F1, der mit
einer dichteren Doppelschraffur versehen ist, eine Grundladung darstellt. Dabei
wird davon ausgegangen, daß das Eingangs signal u5 lediglich eine Schwankung des
Pegels P3 innerhalb des Pegelbereiches PS verursacht. Zum Zeitpunkt t2 ergibt sich
dann nach Fig. 7 ein Verlauf #s2' des Oberflächenpotentials, der im Gegensatz zu
Fig. 3 eine Potentialschwelle P422 gegenüber dem Potential P421 unterhalb von 61
erkennen läßt. Die Fläche der Teilelektrode 61 läßt sich nun so dimensionieren,
daß gemäß Fig. 7 gerade der auf die Grundladung entfallende Teil FIG der Fläche
F1 durch die Schwelle P422 zurückgehalten wird, während der signalabhängige Teil
F1-F1G in den Übertragungskanal des CTD gelangt. Der gleiche Effekt läßt sich erreichen,
wenn die Elektrodenteile 61 und 62 auf einer isolierenden Schicht gleicher Dicke
angeordnet sind, jedoch unterhalb von 61 ein schwächer dotierter Bereich 1c des
Halbleiterkörpers 1 vorgesehen ist, Für die Erfindung besteht eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit
im Bereich der integrierten CTD-Filter, insbesondere der Transversalfilter. Bei
diesen erfordert nämlich ein wirkungsvoller Vorschalt-Tiefpaß ohne die erfindungsgemäße
Anhebung der Taktfrequenz für die Eingangsstufe der Ladungsverschiebeanordnung,
die in diesem Fall ein Bestandteil des Transversalfilters ist, vielfach eine größe-
re
Halbleiterfläche als das Transversalfilter selbst.
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6 Patentansprüche 7 Figuren
L e e r s e i t e