DE3615545C2 - Ladungsgekoppeltes Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Bauelement mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

CCD-Transversalfilter mit ausgangsseitiger Gewichtung enthalten eine angezapfte CCD-Verzögerungsleitung, um als Antwort auf eine Folge eingangsseitig zugeführter Signalproben unterschied­ lich verzögerte Ausgangssignale zu erhalten, die dann linear miteinander verknüpft werden. Diese lineare Verknüpfung umfaßt die Gewichtung der Ausgangssignale und deren additive oder sub­ traktive Vereinigung. Die in einem CCD-Transversalfilter ver­ wendete angezapfte CCD-Verzögerungsleitung muß an den auf­ einanderfolgenden Anzapfungen entlang ihrer Länge Ladungsmeß­ stufen benutzen, welche die Ladung in nichtlöschender Weise fühlen, so daß die gefühlten Ladungspakete nach dem Fühlvorgang noch weiter entlang der Verzögerungsleitung getaktet werden können.

Eine aus dem Aufsatz "Monolithisch integrierbare Filter in CTD- Technologie" von Wolfgang Rienecker in der Zeitschrift "Elektronik" (1980), Heft 2, Seiten 61 bis 68 bekannte Methode zum Anzapfen der Verzögerungsleitung besteht darin, in der Folge von Gate­ elektroden entlang der Länge der CCD-Verzögerungsleitung je­ weils "schwimmende" Gateelektroden (Elektroden mit schwimmendem Potential) vorzusehen. Diese schwimmenden Gateelektroden sind verbunden mit Gateelektroden von Feldeffekttransistoren (FETs) in Drain- oder Sourceverstärkerschaltung. Die FETs dienen als Elektrometer, welche die Amplitude der Ladungspakete fühlen, um Ausgangssignalproben in Form von Strom- oder Spannungswerten zu erhalten. Die erwähnten schwimmenden Gateelektroden müssen periodisch auf bekanntes Potential geklemmt werden, um den Gleichstrompegel der Elektrometer-Ausgangssignale wiederherzu­ stellen. Dieses Klemmen erfolgt gewöhnlich mittels eines jeweils eigenen Feldeffekttransistors für jede schwimmende Gateelektro­ de, wobei jeder dieser Transistoren als Torglied geschaltet ist, das von der zugeordneten schwimmenden Gateelektrode zu einer Quelle eines Rücksetzpotentials führt. Die Fläche unter der die schwimmende Gateelektrode bildenden Gatestruktur, die Gateelek­ trode des das Elektrometer bildenden Feldeffekttransistors und der Endkontakt zum Stromleitungskanal des die Klemmung zur Wie­ derherstellung des Gleichstrompegels bewirkenden Feldeffekt­ transistors haben beträchtliche Ausdehnung, somit bekommt die Kapazität C der Gatestruktur eine merkliche Größe, und infolge­ dessen ergibt sich am Elektrometerausgang jeder Anzapfung der CCD-Verzögerungsleitung ein wesentliches Johnson-Rauschen (das von der Größe C(½) abhängig ist).

Die rauschärmste Ladungsmeßstufe, die für CCDs zur Verfügung steht, ist das mit schwimmendem Diffusionsgebiet arbeitende Elektrometer, wie es etwa aus der US-PS 4 412 190 bekannt ist. Bei diesem Elektrometer ist die Gateelektrode des Elektrometer- FET an ein schwimmendes Diffusionsgebiet im CCD-Ladungsüber­ tragungskanal angeschlossen, und das Klemmen der Gateelektrode auf Bezugspotential zum Zwecke der Gleichstromwerthaltung er­ folgt durch FET-Wirkung zwischen der schwimmenden Diffusion selbst und einer Rücksetz-Draindiffusionszone, die mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der leitende Kanal für die Rücksetzklemmung wird im Ladungsübertragungskanal durch einen Rücksetzimpuls hervorgerufen, der an eine Rücksetz- Gateelektrode gelegt wird, welche zwischen der schwimmen­ den Diffusion und einer Rücksetz-Draindiffusion angeord­ net ist, die das Ende des leitenden Kanals bildet. Die mit der schwimmenden Diffusion verbundene Gateelektroden­ struktur ist kleiner, weil sie nicht ohmisch mit einer Kanalelektrode eines außerhalb des Ladungsübertragungs­ kanals liegenden Klemm-FET kontaktiert sein muß. Die Kapa­ zität C und somit das Johnson-Rauschen der Gatestruktur sind wesentlich kleiner als im Falle des mit schwimmender Gateelektrode arbeitenden Elektrometers.

In der US-Patentschrift 4 330 753 ist ein Weg beschrieben, wie man von der Ausgangsstufe eines Ladungsübertragungs- Bauelementes Informationssignale gewinnen kann, die "re­ lativ rauschfrei" sein sollen. Hierbei wird das Ausgangs­ signal der regelmäßig abfragenden Elektrometerstufe durch ein Bandpaßfilter gesendet, um die Seitenbänder einer Zwei­ seitenband-Amplitudenmodulation abzutrennen, die eine Har­ monische der Taktfrequenz der Elektrometerstufe flankieren. Diese Seitenbänder werden dann synchrondemoduliert, und zwar unter Verwendung eines schaltenden Demodulators, der mit der Harmonischen der Taktfrequenz betrieben wird, um die Seitenbänder herunter in das Basisbandspektrum zu verlagern. Diese Synchrondemodulation unterdrückt das Flimmerrauschen (1/f-Rauschen) im Basisbandspektrum des Ausgangssignals der Elektrometerstufe.

Es wurde versucht, ein mit schwimmender Diffusion arbei­ tendes Elektrometer mit Video-Taktfrequenz zu betreiben, ohne die schwimmende Diffusion zurückzusetzen, jedoch geschah dieser Betrieb nicht in Verbindung mit einer nach­ folgenden Synchrondemodulation. Der Betrieb ohne Rückset­ zung der schwimmenden Diffusion oder ohne Synchrondemodu­ lation des Elektrometer-Ausgangssignals führt zu einem Ver­ schmieren von Ladungspaketen auf nachfolgende Ladungspakete. Dieser Schmiereffekt rührt daher, daß die Ladungsübertragung bei fehlender Rücksetzung der schwimmenden Diffusion mangelhaft ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten Verschmierungsprobleme zu lösen und den Nachteil störenden Rauschens infolge des Betriebspotentials freier Gatezonen zu vermeiden, ohne dazu eine komplizierte Schaltung zu benötigen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Der Erfinder hat wohl erstmalig die Erkenntnis gewonnen, daß der erwähnte Schmiereffekt zwar das Basisbandspektrum insbe­ sondere in den niedrigeren Frequenzen verdirbt, andererseits aber die spektrale Zusammensetzung in den Seitenbändern der Taktfrequenz der Elektrometerstufe nicht merklich beeinträch­ tigt. In der US-PS 4 556 851 wird zwar vorgeschlagen, die schwimmende Diffusion auf ein kanalinternes Potential anstatt auf ein Rücksetz-Drainpotential zurückzusetzen: die Schmier­ erscheinungen im Ausgangssignal des Elektrometers werden dann durch eine niedrige Frequenzen unterdrückende Filterung besei­ tigt, und das Filterausgangssignal wird mit der Taktfrequenz der Elektrometerstufe synchrondemoduliert, um ein verschmie­ rungsfreies Ausgangssignal zu erhalten. Bei der Erfindung ist aber die schwimmende Diffusion eines mit Schwimmdiffusion arbei­ tenden Elektrometers an einer Anzapfungsstelle in einer takt­ gesteuerten CCD-Verzögerungsleitung angeordnet. Das Ausgangs­ signal des Elektrometers wird mit einer Harmonischen der Elektro­ meter-Taktfrequenz demoduliert, um ein besseres Ausgangssignal von der CCD-Verzögerungsleitung zu erhalten. Die Demodulation kann z. B. als Synchrondemodulation mit Hilfe eines Schalters erfolgen, der mit einer Harmonischen der Elektrometer-Takt­ frequenz betrieben wird.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird insbesondere er­ reicht

• a) daß der Nachteil störenden Rauschens infolge des Betriebs potentialfreier Gatezonen, wie im Falle des oben erwähnten Aufsatzes in der Zeitschrift "Elektronik" 1980, Seiten 61 bis 68, vermieden wird und
• b) keine komplexe Schaltung für ein periodisches Rücksetzen jeder einzelnen potentialfreien Diffusionszone mehr benötigt wird,
• c) daß trotzdem die Verschmierungsprobleme gelöst werden, die bei der Ableitung des Baisbandsignals aus nicht zurückge­ setzten potentialfreien Diffusionszonen mit Hilfe eines Synchrondetektors auftreten, der auf Seitenbänder der Takt­ frequenz reagiert.

Weiterbildungen der Erfindung beziehen sich etwa auf mehrfach angezapfte CCD-Verzögerungsleitungen, bei denen jede Anzapfung jeweils ein mit schwimmender Diffusion ar­ beitendes Elektrometer bildet und bei denen die Ausgangs­ signale der Elektrometer mit einer Harmonischen der Elek­ trometer-Taktfrequenz synchrondemoduliert werden. Ausfüh­ rungsformen der Erfindung sind außerdem Transversalfilter, die solche mehrfach angezapften CCD-Verzögerungsleitungen benutzen.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen CCD- Transversalfilters mit ausgangsseitiger Gewichtung;

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines anderen erfindungsgemäßen CCD-Transversalfilters mit ausgangsseitiger Ge­ wichtung;

Fig. 3, 4 und 5 zeigen als andere Ausführungsformen der Erfindung Modifikationen hinsichtlich der an­ gelegten Spannungen an Gateelektroden, die den schwimmenden Diffusionen der Elektrometer in den Filtern nach den Fig. 1 und 2 am nächsten liegen.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält eine CCD-Verzögerungs­ leitung 5, deren Vorwärts-Taktsteuerung mit einer Fre­ quenz f_c erfolgt. Die Gateelektroden für die Phase Φ₁ und für Gleichspannung DC sind schematisch als Elektrodenkon­ struktionen in einer ersten Polysiliziumschicht dargestellt. Die Gateelektroden für SIG1, Φ₂ und für Φ_R seien in einer zweiten Polysiliziumschicht gebildet, wie ebenfalls sche­ matisch dargestellt. Die Gateelektroden für SIG2 und die Phase Φ₃ seien, wie schematisch gezeigt, in einer dritten Polysiliziumschicht gebildet. Der Ladungsübertragungska­ nal der CCD-Verzögerungsleitung 5 kann entweder als Ober­ flächenkanal oder als sogenannter "verdeckter" Kanal (buried channel) im Halbleitersubstrat gebildet sein, wo­ bei die zweitgenannte Alternative im allgemeinen zu be­ vorzugen ist, um Probleme zu vermeiden, die sich infolge von Oberflächen-Rekombination ergeben können. Bei der Aus­ führungsform nach Fig. 1 ist als Beispiel eine dreiphasi­ ge Taktsteuerung mit aufeinanderfolgenden Taktphasen Φ₁, Φ₂ und Φ₃ gewählt, und der Rücksetzimpuls Φ_R kann das Äquivalent der Phase Φ₂ sein. Für die Beschreibung sei angenommen, daß der Ladungsübertragungskanal n-leitend in einem p-leitenden Substrat ist.

Die CCD-Verzögerungsleitung 5 ist mit einer Sourcediffu­ sion 10 versehen, die mit der Taktfrequenz f_c impulsbe­ aufschlagt wird und Teil einer nach dem Prinzip des "Füllens und Abgießens" arbeitenden Eingangsstufe 6 an deren eingangsseitigem Ende bildet. Die CCD-Verzögerungs­ leitung 5 enthält ferner in Abständen entlang ihrer Län­ ge schwimmende Diffusionsgebiete 11, 12, 13, 14 und 15 (im folgenden kurz "Schwimmdiffusionen" genannt) sowie eine Draindiffusion 16 an ihrem ausgangsseitigen Ende. Der Ladungsübertragungskanal zwischen jedem Paar aufeinan­ derfolgender Exemplare der Schwimmdiffusionen 11 bis 15 ist durch eine Folge von Gateelektroden überkreuzt, die dafür sorgen, daß die Signalproben, die in Form von La­ dungspaketen unter den erwähnten Schwimmdiffusionen er­ scheinen, charakteristisch verzögert werden. Ferner ist eine Reihe von Feldeffekttransistoren (FETs) 21, 22, 23, 24 und 25 vorgesehen, die vom Typ mit isolierter Gate­ elektrode sind. Die Gateelektroden dieser FETs sind je­ weils in ohmischem Kontakt mit zugeordneten Exemplaren der Schwimmdiffusionen 11, 12, 13, 14 und 15 verbunden, und ihre Source- und Drainelektroden sind so angeschlos­ sen, daß die FETs als Elektrometer arbeiten. Durch die gezeigte spezielle Elektrometer-Anschlußweise werden die FETs 21 bis 25 als Sourcefolger betrieben, d. h. als Ver­ stärker in Drainschaltung. Im einzelnen sind die Drain­ elektroden der FETs 21 bis 25 und auch die Draindiffusion 16 ohmisch mit Leitungen verbunden, die an eine Quelle eines Betriebspotentials +V angeschlossen ist. Zur Reali­ sierung der speziellen Elektrometerschaltungen sind außer­ dem die Sourceelektroden der FETs 21 bis 25 über zugeord­ nete Source-Lastwiderstände 31, 32, 33, 34 und 35 mit dem Substratpotential (als Masse dargestellt) verbunden.

Es sei angenommen, daß sich die FETs 21 bis 25 und ihre Sourcefolger-Anschlußteile auf demselben Halbleitersub­ strat befinden wie die angezapfte CCD-Verzögerungsleitung 5, wie bei üblichen, Schwimmdiffusions-Elektrometer bil­ denden Ausgangsstufen für CCDs. Die Sourcefolger-Ausgangs­ anschlüsse der FETs 21, 22, 23, 24 und 25 führen zu Ein­ gangsanschlüssen zugeordneter, außerhalb des Substrats liegender Pufferverstärker 41, 42, 43, 44 und 45, deren jeder eine Spannungsverstärkung um wenige Male bringt. Die Pufferverstärker 41 bis 45 können außerdem dafür sor­ gen, daß sich niedrige Quellenimpedanzen für die Ansteue­ rung von Synchrondetektoren 51, 52, 53, 54 und 55 erge­ ben, die den Verstärkern in Kaskade nachgeschaltet sind.

Die Synchrondetektoren 51 bis 55 enthalten typischerwei­ se schaltende Demodulatoren, die unter Steuerung durch eine Impulskette Φ_s mit einer Taktfrequenz schalten, die in harmonischer Beziehung zur Frequenz f_c steht. Die Takt­ frequenz der Impulskette Φ_s kann z. B. der ersten Harmoni­ schen von f_c entsprechen. Die Synchrondetektoren 51 bis 55 sind von einem solchen Typ, daß sie auf niedrigere Frequenzen im Basisbandspektrum der Elektrometer-Ausgangs­ signale, die von den Sourceelektroden der Elektrometer- FETs 11 bis 15 zugeführt werden, praktisch keine Antwort liefern. Beispielsweise können die Synchrondetektoren 51 bis 55 schaltende Demodulatoren enthalten, die gegen das Basisbandspektrum der von den Pufferverstärkern 41 bis 45 zugeführten Eingangssignale abgeglichen sind. Als anderes Beispiel können die Synchrondetektoren 51 bis 55 jeweils ein das Basisband unterdrückendes Filter enthalten, dem ein unabgeglichener (unsymmetrischer) schaltender De­ modulator nachgeschaltet ist. Eine wiederum andere Mög­ lichkeit wäre, jeden der Synchrondetektoren 51 bis 55 aus einem das Basisband unterdrückenden Filter und einer nachgeschalteten Abfrage- und Halteschaltung zu bilden, die in Reaktion auf die Φ_s-Impulse abfragt.

Die Ausgangssignale der Synchrondetektoren 51 bis 55 werden in einem Netzwerk 56 linear miteinander kombiniert, um die Gesamtantwort des Filters auf dessen Eingangssigna­ le zu erzeugen. Das Filtereingangssignal wird als Pulsmo­ dulation in Überlagerung mit einer der Gleichspannungen zugeführt, die an die Gateelektroden 7 und 8 der nach dem Prinzip des "Füllens und Abgießens" (fill-and-spill) ar­ beitenden Eingangsstufe 6 gelegt werden. Jeder Impuls dieser Pulsmodulation überlappt die Impulse der Frequenz f_c, die vom Impulsgenerator 20 an die Sourcediffusion 10 gelegt werden. Die Füll- und Abgieß-Eingangsstufe 6 wird in herkömmlicher Weise betrieben.

Das lineare Kombiniernetzwerk kann z. B. eine Gewichtung und nachfolgende additive Vereinigung vornehmen, wie sie zur Realisierung eines Tiefpaß-Transversalfilters ge­ braucht wird. Das Kombiniernetzwerk 56 kann z. B. aber auch gewichten und anschließend sowohl additiv als auch subtraktiv kombinieren, wie man es für ein Bandpaß-Trans­ versalfilter braucht.

Das in Fig. 1 dargestellte Filter ist ein Ausführungs­ beispiel mit dreiphasiger Taktsteuerung. Die kurzen Gate­ elektroden 61 bis 65 folgen direkt nach den Schwimmdiffu­ sionen 11 bis 15 und empfangen eine Gleichspannung DC, um eine elektrostatische Abschirmung der Schwimmdiffusio­ nen gegenüber dem Taktsignal der Phase Φ₂ zu bewirken, das an die Gateelektroden 66 bis 70 gelegt wird. Die lan­ gen Gateelektroden 71 bis 75, die Gleichspannung DC emp­ fangen, rufen Barrieren hervor, über welche die Ladungs­ pakete hinweggezwungen werden, wenn die Taktphase Φ₃ auf negative Spannung geht, um den jeweiligen Ladungsinhalt dieser Pakete unter die Schwimmdiffusionen 11 bis 15 fließen zu lassen. Die jeweils nach den Schwimmdiffusio­ nen 11 bis 15 als erstes nachfolgenden taktgesteuerten Elektroden 66 bis 70 sollten während dieses Übergangs der Φ₃-Taktphase negative Spannung haben, um die Ladungspa­ kete unter den Schwimmdiffusionen zu halten.

Die Synchrondetektoren 51 bis 56 sprechen nicht auf Ba­ sisbandkomponenten von Ladungspegeländerungen an, sondern nur auf diejenigen Ladungspegeländerungen, die weiter von der Nullfrequenz entfernt liegen; daher erhöht eine Ver­ längerung der Elektrometer-Abfragezeiten das Filteraus­ gangssignal nicht in linearer Weise. So ist die Φ₂-Takt­ phase geeignet für die an die Rücksetz-Gateelektrode 76 gelegten Φ_R-Rücksetzimpulse, und man braucht kein geson­ dertes Leitungssystem für besondere Φ_R-Impulse. Außerdem eignet sich die Φ₂-Taktphase zur Beaufschlagung der er­ sten taktgesteuerten Gateelektroden 66 bis 69, die den Schwimmdiffusionen 61 bis 64 jeweils nachfolgen.

Die an die Gateelektroden 71 bis 75 gelegte Gleichspan­ nung DC ersetzt im Transversalfilter nach Fig. 1 fast vollständig die Φ₁-Phase, weil die aufeinanderfolgenden Anzapfungspunkte im dargestellten Fall nur jeweils um eine CCD-Ladungsübertragungsstufe auseinanderliegen. Lä­ gen die Anzapfungspunkte zwei Ladungsübertragungsstufen auseinander, dann wäre jede Kaskade aus einer Φ₂-Gate­ elektrode und einer nachfolgenden Φ₃-Gateelektrode zu ersetzen durch die Folge einer Φ₂-Gateelektrode, einer Φ₃-Gateelektrode, einer Φ₁-Gateelektrode, einer Φ₂-Gate­ elektrode und einer Φ₃-Gateelektrode. Wenn die aufeinan­ derfolgenden Anzapfungspunkte um eine noch größere Anzahl von Ladungsübertragungsstufen auseinanderliegen, dann sind natürlich entsprechend mehr sich regelmäßig wiederholende Zyklen von Φ₁-, Φ₂- und Φ₃-Elektroden dazwischen vorhanden.

Die Fig. 2 zeigt eine Alternative zum CCD-Transversalfil­ ter nach Fig. 1, bei welcher die von den Pufferverstärkern 41 bis 45 gelieferten verstärkten Elektrometer-Ausgangs­ signale in einem Netzwerk 57 linear miteinander kombiniert werden, um ein Eingangssignal für einen einzigen Synchron­ detektor 58 zu bilden. Der Synchrondetektor 58 schaltet unter Steuerung durch die Φ_s-Impulskette, die mit einer Folgefrequenz gleich einer Harmonischen (z. B. der ersten Harmonischen) von f_c geliefert wird, um eines der harmo­ nischen Teilspektren vom linearen Kombiniernetzwerk 57 in das Basisband zu verlagern und auf diese Weise die Ge­ samtantwort des Filters zu liefern.

Mit dem Transversalfilter nach Fig. 2 wird das Problem vermieden, Umwandlungsverstärkungen von Synchrondetektoren einander anpassen zu müssen, und außerdem wird eine An­ zahl von Synchrondetektoren eingespart. Das Transversal­ filter nach Fig. 1 hat jedoch einen größeren Dynamikbe­ reich, weil dort einzelne Signalkanäle parallel laufen, bis erst in der allerletzten Stufe die lineare Kombination vorgenommen wird.

Wenn sowohl positive als auch negative Filtergewichte be­ nutzt werden müssen, kann beim Transversalfilter nach Fig. 1 interessanterweise die Polarität der Filtergewich­ te durch die Synchrondetektoren 51 bis 55 festgelegt wer­ den. Hierzu werden diejenigen Synchrondetektoren, die po­ sitive Filtergewichte liefern sollen, durch die Φ_s-Impuls­ kette geschaltet, während diejenigen Synchrondetektoren, die negative Gewichte bringen sollen, durch eine Impuls­ kette geschaltet werden, die gegenüber der Φ_s-Impulskette phasenverschoben ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Abwandlung, die bei einem Filter nach Fig. 1 oder auch nach Fig. 2 möglich ist und an je­ dem der Schwimmdiffusions-Elektrometer des Filters vor­ genommen werden kann. Gemäß der Fig. 3 hat jede Schwimm­ diffusion 80 eine vorangehende Gateelektrode 81, an die statt einer Gleichspannung eine Taktsteuerspannung Φ₁′ gelegt wird. Diese Taktsteuerspannung ist eine "flachere" Taktspannung als Φ₁, d. h. sie erscheint mit verminderter Amplitude, hat aber die gleiche Phase.

Die Fig. 4 und 5 zeigen andere Möglichkeiten, wie die Schwimmdiffusions-Elektrometer der Filter nach den Fig. 1 und 2 abgewandelt werden können. Auf jede Schwimm­ diffusion 80 folgt dort eine taktgesteuerte geteilte Gate­ elektrodenstruktur. Diese geteilte Gateelektrodenstruktur besteht aus einer kurzen Gateelektrode 82 und einer nach­ folgenden längeren Gateelektrode 83. Die Gateelektrode 82 erfährt die gleichen Taktspannungsänderungen wie die Gate­ elektrode 83, induziert jedoch in dem unter ihr liegenden Teil des Ladungsübertragungskanals ein Barrierenpotential im Vergleich zu demjenigen Teil des Kanals, der unter der Gateelektrode 83 liegt. Hiermit soll verhindert werden, daß Ladung nach der Übertragung auf die Schwimmdiffusion 80 zurückfließt. In der Fig. 4 wird dies dadurch erreicht, daß die Gateelektrode 82 näher am Halbleitersubstrat ange­ ordnet ist als die Elektrode 83. Im Falle der Fig. 5 wird das Ergebnis mit Hilfe einer Einrichtung 84 erreicht, die für einen Gleichspannungsoffset zwischen den Gateelektro­ den 82 und 83 sorgt und schematisch als Gleichspannungs­ quelle dargestellt ist. Man kann alternativ auch so vor­ gehen, daß man an die Gateelektrode 82 eine Taktspannung Φ₂′ legt, die höhere Amplitude als Φ₂ hat und weiter in positive Richtung ausschlägt, um die Übertragung von La­ dung aus der Schwimmdiffusion 80 zu unterstützen.

Es sind noch mehrere weitere Abwandlungen dieser Trans­ versalfilter möglich, die ein auf dem Gebiet der CCD- Filter bewanderter Durchschnittsfachmann nach Lektüre der vorstehenden Beschreibung vornehmen kann. So können in anderen erfindungsgemäßen CCD-Filtern statt der be­ schriebenen dreiphasigen Taktsteuerung auch einphasige, zweiphasige oder andere mehrphasige Taktsteuerungen ange­ wandt werden.

Für eine phasenlineare Filterung können gewisse Signale natürlich auch vor ihrer Gewichtung miteinander kombi­ niert werden anstatt danach. Ein Paar von Filtern, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 oder 2 beschrieben wurden, kann mit gegenphasigen Eingangssignalen beliefert werden, um positiv gewichtete und negativ gewichtete Anzapfungs­ signale zu erzeugen, ähnlich wie sie bei CCD-Filtern, die Elektrometer mit schwimmenden Gateelektroden enthal­ ten, durch die Verwendung geteilter Gateelektroden er­ halten werden. Die Ausgangsgewichte des Filters können auch durch Bemessung der Dimensionen der Elektrometer- FETs festgelegt werden, wenn man diese Elemente in Source­ verstärkerschaltung anstatt in Drainverstärkerschaltung betreibt.

Bei iterativen CCD-Filtern kann man die in der vorliegen­ den Beschreibung offenbarten nichtlöschenden Schwimmdiffu­ sions-Elektrometer dazu verwenden, Ladungspakete zu füh­ len, die in einer zur Schleife geschlossenen CCD-Verzöge­ rungsleitung umlaufen. Gleiches gilt für Kurzzeit-Serien­ speicher in CCD-Bauweise, die eine zur Schleife geschlos­ sene CCD-Verzögerungsleitung enthalten. In solchen Anwen­ dungsfällen kann das Schwimmdiffusions-Elektrometer wahl­ weise entweder löschend oder gemäß der Erfindung nicht­ löschend betrieben werden. Dieser wahlweise Betrieb läßt sich einfach dadurch ermöglichen, daß man seitlich neben der geschlossenen CCD-Verzögerungsleitung nächst dem Ort der Schwimmdiffusion eine Rücksetz-Gateelektrode und eine Rücksetz-Drainstruktur vorsieht.

Die nichtlöschenden Schwimmdiffusions-Elektrometer gemäß der Erfindung können dazu benutzt werden, die Pegel photo­ elektrisch erzeugter Ladung in einem Ladungsübertragungs­ kanal zu fühlen, ebenso wie die Pegel elektrisch injizier­ ter Ladung. In solchen Anwendungsfällen insbesondere, sowie auch in Fällen, wo die Ladungspegel niedrig sind und es keine eigene Vorspannungsladung gibt, ist es wünschenswert, sogenannte "Fette-Null"-Vorspannungsladun­ gen zu verwenden. Dies geschieht, damit die Ladungsüber­ tragung über die Schwimmdiffusion vollständig genug ist, um Nachzieheffekte in den harmonischen Spektren der Elektrometer-Ausgangssignale zu vermeiden, die synchron­ demoduliert werden. Eingangsstufen, die nach dem Füll- und Abgießprinzip arbeiten, können solche Fette-Null- Vorspannungen mitgeben, wobei die Rauschpegel so niedrig sind, daß sie vom Johnson-Rauschen der Elektrometer über­ deckt werden. Nachzieheffekte können auch in den Synchron­ detektor-Ausgangssignalen unterdrückt werden, indem man den Synchrondetektor so anordnet, daß er die Ausgangssig­ nalspannung des Elektrometers nur während Zeitspannen ab­ fragt, in denen Ladungspakete an die Schwimmdiffusion ge­ geben werden. Eine Synchrondemodulation bei einer Harmoni­ schen der Taktfrequenz der Ladungsübertragung ist ein Differenziervorgang, der nur für Änderungen im Ladungs- Pegel an der Schwimmdiffusion empfindsam ist. Die Hin­ übertragung von Ladung an die Schwimmdiffusion ist immer praktisch vollständig. Die Übertragung der Ladung von der Schwimmdiffusion weg, die in ihrer Natur einen Eimerketten­ prozeß darstellt, ist weniger gründlich, insbesondere für Ladungen niedriger Amplitude. Durch Unterdrückung der Ant­ wort des Synchrondetektors auf die von der Schwimmdiffu­ sion wegführende Ladungsübertragung läßt sich der auf die mangelhafte Ladungsübertragung zurückzuführende Nachzieh- oder Schmiereffekt vermeiden. Die von der Schwimmdiffusion wegführende Ladungsübertragung ist in ihrer Natur ein über eine einzelne Stufe gehender Eimerkettentransfer, und da­ her werden die Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungs­ grades solcher Transfers im allgemeinen auch hilfreich bei Realisierung der vorliegenden Erfindung sein.

Claims (3)

1. Ladungsgekoppeltes Bauelement mit einer ladungsgekop­ pelten, getakteten Verzögerungsleitung, die über ihre Länge eine Folge von potentialfreien Zonen aufweist, und mit einer entsprechenden Anzahl von Feldeffekttransistoren, deren jeder mit seiner Gateelektrode an je eine dieser Zonen angeschlossen ist und mit seinem Kanal zur Erzeugung eines Elektrometer-Aus­ gangssignals geschaltet ist, das den Ladungspegel in der zuge­ hörigen potentialfreien Zone angibt, dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Zonen potentialfreie Diffusionszonen sind, von denen nur die letzte der Folge periodisch auf ein Bezugs­ potential zurückgesetzt wird,
und daß die Elektrometer-Ausgangssignale einem mit einer Ober­ welle der Taktfrequenz der Verzögerungsleitung betriebenen Synchrondetektor zugeführt werden zur Lieferung verschmierungs­ freier Ausgangssignale.

2. Ladungsgekoppeltes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchrondetektor aus einer Mehrzahl von n Einzeldetektoren (51 bis 55) besteht, deren jeder ein jeweils anderes der Elektrometer-Ausgangssignale detektiert und ein ent­ sprechendes Ausgangssignal erzeugt, und daß die n Synchron­ detektor-Ausgangssignale in einem Netzwerk (56) linear zum Aus­ gangssignal des gesamten Bauelementes kombiniert werden.

3. Ladungsgekoppeltes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchrondetektor eine Kombinations­ schaltung (57) zur linearen Kombination der Elektrometer-Aus­ gangssignale aufweist und die solchermaßen kombinierten Signale zur Erzeugung des Ausgangssignals des Bauelementes detektiert.