DE69529017T2

DE69529017T2 - Spannungserhöhungsschaltung und ihre Verwendung in einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE69529017T2
Application number: DE69529017T
Authority: DE
Inventors: Yasuhito Maki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: MY113172A; EP0684686B1; JPH07322606A; KR950034810A; EP0684686A3; KR100527606B1; DE69529017D1; US5777317A; EP0684686A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit einer Spannungserhöhungsschaltung (Boosterschaltung).
Fig. 10 zeigt ein Beispiel einer bereits früher vorgeschlagenen Boosterschaltung mit impulsgesteuerter Spannungserhöhung.
In der Anordnung von Fig. 10 sind (im folgenden kurz als MOS-Transistoren bezeichnete) MOSFETs M10n, deren Gate- und Drain-Elektroden miteinander verbunden sind, d. h. in sogenannter Diodenschaltung, z. B. in drei Stufen zwischen dem positiven Pol einer Versorgungsquelle 101 und dem Ausgang 102 der Schaltung angeordnet.
Ein Taktimpuls φ11 wird einem Ausgang N101 des MOS-Transistors M101 der ersten Stufe über einen Kondensator C11 zugeführt, und ein Taktimpuls φ12, dessen Phase derjenigen des Taktimpulses φ11 entgegengesetzt ist, wird dem Ausgang N102 des MOS-Transistors M102 der zweiten Stufe zugeführt.
Zwischen dem Ausgang N103 (dem Ausgang 12 der Schaltung) des MOS-Transistors M103 der dritten Stufe und Erde ist ein Lastkondensator CL angeordnet.
Die Spannungserhöhungsschaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau dient als Spannungserhöhungsschaltung zur Erzeugung einer Substratspannung Vsub, die die Spannung der Versorgungsquelle in Bildabtastvorrichtungen erhöht, die als lineare Sensoren (Zeilensensoren) oder Flächensensoren bekannt sind, und diese erhöhte Spannung Vout als Substratspannung Vsub entnimmt.
Bei diesen Festkörper-Bildabtastvorrichtungen besteht die Tendenz, daß die Spannung der Versorgungsquelle, die mit 5 V beginnt, auf 3 V oder weniger abfällt. Es ist jedoch eine Substratspannung Vsub von etwa 5 V erforderlich, um sicherzustellen, daß die Leistung der Bildabtastvorrichtung auch dann zur Verfügung steht, wenn die Spannung der Versorgungsquelle absinkt. Wenn die Spannung der Versorgungsquelle niedriger wird, wird deshalb eine Spannungserhöhungsschaltung zur Erzeugung der Substratspannung Vsub erforderlich, um die Spannung der Versorgungsquelle zu erhöhen und die Substratspannung Vsub zu erzeugen.
Wenn die Spannungsverstärkungsschaltung zur Erzeugung der Substratsspannung Vsub für eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung benutzt wird, bildet das Substrat (der Chip) der Festkörper-Bildabtastvorrichtung insgesamt eine Lastkapazität, und man benötigt große Kapazitätstreiber und Stromkapazitäten. Dies hat zur Folge, daß die Anstiegscharakteristik der Ausgangsspannung Vout der Spannungserhöhungsschaltung umzulänglich wird, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist.
Das Problem des langsamen Anstiegs ist nicht auf die Verwendung in Spannungserhöhungsschaltungen zur Erzeugung der Substratsspannung Vsub beschränkt, sondern tritt allgemein bei Anwendungen auf, bei denen große Kapazitätstreiber und Stromkapazitäten benötigt werden.
Bei der Spannungserhöhungsschaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau kann der Strom Ids durch die Drain- und Source-Elektrode der einzelnen MOS-Transistoren M101 bis M103 groß gemacht werden, um die Anstiegszeit für die Ausgangsspannung Vout der Spannungserhöhungsschaltung zu verkürzen. Um dies zu erreichen, muß die Schwellwertspannung Vth jedes der MOS-Transistoren M101 bis M103 verringert werden, indem entweder die Kanalbreite W größer oder die Kanallänge L kürzer gemacht wird.
In der Praxis ist es üblich, die Kanalbreite W groß zu machen. In diesem Fall muß jedoch der Kapazitätswert der Kondensatoren C11 und C12 usw. groß gemacht werden, damit das Potential der Boosterspannung Vout als Folge der Vergrößerung der Kapazität zwischen den Gate- und Source-Elektroden (Gate- und Drain-Elektroden) der einzelnen Transistoren M101 bis M103 nicht abfällt.
Wenn man so verfährt und diese Spannungserhöhungsschaltung z. B. als Spannungserhöhungsschaltung für die Erzeugung der Substratsspannung Vsub einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung verwendet wird, benötigt man viel Platz auf dem Substrat der Festkörper- Bildabtastvorrichtung, um die Spannungserhöhungsschaltung (auf dem Chip) ausbilden zu können, so daß die Miniaturisierung der Festkörper-Bildabtastvorrichtung behindert wird.
Das US-Patent US-A-5 276 646 offenbart eine Spannungserhöhungsschaltung, die aufweist:
einen Stromversorgungsanschluß,
einen Ausgangsanschluß,
ein Ventilelement mit mehreren Stufen, die in Reihe zwischen dem Stromversorgungsanschluß und dem Ausgangsanschluß angeordnet sind, wobei ihre Durchlaßrichtung von dem Stromversorgungsanschluß zu dem Ausgangsanschluß verläuft,
Mittel zum Anlegen eines ersten und eines zweiten Taktimpulssignals mit entgegengesetzten Phasen zwischen jede der Stufen des Ventilelements,
und ein Ventilelement zum Aufladen, das parallel zu dem erstgenannten Ventilelement in Durchlaßrichtung angeordnet ist
Gemäß vorliegender Erfindung ist eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung vorgesehen
mit einer Spannungserhöhungsschaltung die aufweist:
einen Stromversorgungsanschluß,
einen Ausgangsanschluß,
ein Ventilelement mit mehreren Stufen, die in Reihe zwischen dem Stromversorgungsanschluß und dem Ausgangsanschluß angeordnet sind, wobei ihre Durchlaßrichtung von dem Stromversorgungsanschluß zu dem Ausgangsanschluß verläuft,
Mittel zum Anlegen eines ersten und eines zweiten Taktimpulssignals mit entgegengesetzten Phasen zwischen jede der Stufen des Ventilelements,
und ein Ventilelement zum Aufladen, das parallel zu dem erstgenannten Ventilelement in Durchlaßrichtung angeordnet ist,
ferner mit einem Sensor mit einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Lichtempfängern zur Umwandlung von auftreffendem Licht in Ladungen, die der Menge des auftreffenden Lichts entsprechen, und zum Akkumulieren der Ladungen
und mit einem Ladungstransfer-Register zum Übertragen der aus den einzelnen Lichtempfängern ausgelesenen Ladungen, wobei das Ladungstransfer-Register so angeordnet ist, daß es die ersten und die zweiten Taktimpulssignale aufnimmt, so daß diese als Übertragungs-Taktsignale für die Ansteuerung des Ladungstransfer-Registers wirken.
Das Ventilelement für das Aufladen kann ein MOS-Transistor oder eine Diode sein.
Die Festkörper-Bildabtastvorrichtung kann einen Ladungsdetektor zum Detektieren der von dem Ladungstransfer-Register übertragenen Ladungen und zu deren Umwandlung in elektrische Signale aufweisen.
Die Spannungserhöhungsschaltung erhöht vorzugsweise die Spannung der Versorgungsquelle und erzeugt eine Substratspannung. Außerdem sind der Sensor, das Ladungstransfer-Register, der Ladungsdetektor und die Spannungserhöhungsschaltung vorzugsweise auf dem gleichen Substrat ausgebildet.
Zwischen dem Ausgangsanschluß der letzten Stufe des Ventilelements und Erde kann ein Lastkondensator angeordnet sein.
Wenn in Ausführungsbeispielen der Erfindung die Stromversorgung eingeschaltet wird, wird zunächst über das Ventilelement eine Last aufgeladen, weil das genannte Ventilelement zum Aufladen in Durchlaßrichtung zwischen Stromversorgung und dem Ausgang der Schaltung angeordnet ist, so daß es in Durchlaßrichtung vorgespannt und somit leitend wird.
Außerdem gefangen auch die mehreren Stufen des Ventilelements für die Spannungserhöhung in Durchlaßrichtung, so daß sie durch die anlaufende Stromversorgung leitend werden und der Ladevorgang, der die Spannungserhöhung der mehreren Stufen des Ventilelements begleitet, ebenfalls parallel durchgeführt wird und die Spannung zum Aufladen der Last deshalb rasch bis auf die Spannung der Versorgungsquelle ansteigt. Wenn die Spannung zum Aufladen der Last die Spannung der Versorgungsquelle überschreitet, wird das Ventilelement für das Aufladen, das die Aufladung bis zu diesem Punkt durchgeführt hat, in Sperrrichtung beansprucht, so daß es nichtleitend wird.
Das Aufladen mit dem Ventilelement wird deshalb nicht über diesen Punkt hinaus fortgeführt, und die Spannungserhöhung wird von den mehreren Stufen des Ventilelements zur Spannungserhöhung synchron mit einem Taktimpuls mit entgegengesetzter Phase durchgeführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung vor mit einer Spannungserhöhungsschaltung, die eine verbesserte Anstiegscharakteristik für die Boosterspannung aufweist, ohne daß die Größe der Schaltungselemente geändert werden muß.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Wellendiagramm, in welchem die Antwort-Wellenform für das erste Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird,
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm stationären Zustand für das erste Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer, Modifizierung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 zeigt die Struktur für ein Beispiel eines CCD-Zeilensensors, in dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist,
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt der wesentlichen Teile des CCD-Zeilensensors mit einer Spannungserhöhungsschaltung, die eine Substratspannung erzeugt,
Fig. 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 8 zeigt ein Wellendiagramm, aus dem die Antwort-Wellenform für das zweite Ausführungsbeispiel hervorgeht, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird,
Fig. 9 zeigt ein Zeitdiagramm im stationären Zustand für das zweite Ausführungsbeispiel,
Fig. 10 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines bereits früher vorgeschlagenen Beispiels,
Fig. 11 zeigt ein Wellendiagramm, aus dem die Antwort-Wellenform bei dem bereits früher vorgeschlagenen Beispiel hervorgeht, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird.
Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Spannungserhöhungsschaltung gemäß der Erfindung, die in einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung angeordnet ist. In der Anordnung von Fig. 1 sind z. B. drei Stufen mit MOS-Booster-Transistoren Mn, deren Gate- und Drain-Elektroden miteinander verbunden sind, in Reihe in Durchlaßrichtung von der Seite der Stromversorgung 1 zu dem Schaltungsausgang 2 als Ventilelement zwischen dem positiven Pol der Stromversorgung 1 und dem Schaltungsausgang 2 angeordnet.
Über einen Kondensator C1 wird ein Taktimpuls φ1 an den Ausgang N1 des MOS-Transistors M1 der ersten Stufe angelegt. Auf der anderen Seite wird ein Taktimpuls φ2, dessen Phase derjenigen des Taktimpulses φ1 entgegengesetzt ist, an den Ausgang N2 des zweiten MOS-Transistors M2 angelegt.
Zwischen dem Ausgang N3 (dem Schaltungsausgang 2) des MOS-Transistors M3 und Erde ist ein Lastkondensator CL angeordnet.
Zwischen dem positiven Pol der Stromversorgung 1 und dem Schaltungsausgang 2 ist ein MOS-Lade-Transistor M4 in Durchlaßrichtung von der Seite der Stromversorgung 1 zu der Seite des Ausgangs 2 der Schaltung angeordnet, d. h. die Gate- und Drain-Elektrode des MOS-Lade-Transistors sind mit dem positiven Pol der Stromversorgung 1 verbunden, und die Source-Elektrode ist mit dem Schaltungsausgang 2 verbunden.
Dieser MOS-Lade-Transistor M4 dient zum raschen Aufladen des Lastkondensators CL, wenn die Stromversorgung eingeschaltet und der Drain-Source-Strom Ids auf einen großen Wert gesetzt wird.
Der Drain-Source-Strom Ids des MOS-Transistors M4 wird auf einen großen Wert gesetzt, indem die Schwellwertspannung Vth des MOS-Transistors M4 durch Vergrößerung der Kanalbreite W oder Verkleinerung der Kanallänge L verringert wird.
Als nächstes wird der Spannungserhöhungsvorgang für die Spannungserhöhungsschaltung des ersten Ausführungsbeispiels erläutert, das den oben beschriebenen Aufbau hat.
Zunächst läuft die Stromversorgung an. (die Stromversorgung wird eingeschaltet), der MOS- Lade-Transistor M4 wird leitend, so daß er in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, und das Aufladen des. Lastkondensators CL über den MOS-Transistor M4 beginnt. Durch das Einschalten der Stromversorgung 1 werden auch die MOS-Booster-Transistoren M1 bis M3 in Durchlaßrichtung vorgespannt und werden leitend (laufen an), so daß das Aufladen, das den Spannungserhöhungsvorgang der MOS-Booster-Transistoren M1 bis M3 begleitet, gleichzeitig erfolgen kann.
Auf diese Weise kann die Boosterspannung Vout rasch ansteigen, wie dies durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt ist, weil der Lastkondensator CL übenden MOS-Lade- Transistor M4 beim Einschalten rasch aufgeladen werden kann. Die gestrichelte Linie in Fig. 2 zeigt die Antwort-Wellenform beim Einschalten für ein bereits früher vorgeschlagenes Beispiel.
Das Aufladen des Lastkondensators wird fortgesetzt, und wenn die Ladespannung die Spannung der Versorgungsquelle Vdd überschreitet, wird der MOS-Lade-Transistor M4 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der leitende Zustand beendet wird.
Anschließend findet die normale Spannungserhöhungsfunktion mit Hilfe der MOS-Booster- Transistoren M1 bis M3 statt. Diese normale Spannungserhöhungsfunktion wird anhand des Zeitdiagramms von Fig. 3 beschrieben.
Wenn der Taktimpuls φ1 niedrigen Pegel hat (d. h. low ist), sind die Gate- und Drain-Elektrode des MOS-Transistors M1 mit dem positiven Pol der Spannungsversorgung 1 verbunden. Die Spannung V1 am Ausgang N1 ist deshalb um einen Betrag Vx&sub1; niedriger als die Spannung Vdd der Stromversorgung. Dieser Wert Vx&sub1; ist der Spannungsabfall, der durch die Schwellwertspannung Vth&sub1; des MOS-Transistors M1 verursacht wird.
Wenn unter diesen Bedingungen der Taktimpuls φ1 über den. Kondensator C1 zugeführt wird, wird die Spannung V1 am Ausgang N1 des MOS-Transistors M1 nur um den Spitzenwertanteil des Taktimpulses φ1 erhöht.
Auf der anderen Seite ist die Phase des Taktimpulses φ2 derjenigen des Taktimpulses φ1 entgegengesetzt. Wenn der Pegel des Taktimpulses φ2 niedrig ist, wird deshalb die Spannung V2 an dem Ausgang N2 des MOS-Transistors M2 genau um Vx&sub2; niedriger als die Spannung V1 am Ausgang N1. Die Spannung Vx&sub2; ist der Spannungsabfall, der auf die. Schwellwertspannung des MOS-Transistors M2 zurückzuführen ist.
Wenn in diesem Zustand der Taktimpuls φ2 über den Kondensator C2 zugeführt wird, wird die Spannung am Ausgang N2 des MOS-Transistors M2 nur um den Spitzenwertanteil des Taktimpulses φ2 erhöht.
Die Spannung V2 am Ausgang N2 wird von dem MOS-Transistor M3 und dem Lastkondensator CL geglättet und an dem Schaltungsausgang 2 als erhöhte Spannung Vout entnommen. Die erhöhte Spannung Vout ist um einen Betrag Vx&sub3; kleiner als die Spannung V2 an dem Ausgang N2. Der Wert Vx&sub3; ist hier die Erniedrigung der Spannung aufgrund der Schwellwertspannung Vth&sub3; des MOS-Transistors M3.
Durch den MOS-Lade-Transistor M4, dessen Gate- und Drain-Elektrode mit dem positiven Pol der Stromversorgung 1 verbunden sind und dessen Source-Elektrode mit dem Schaltungsausgang 2 verbunden ist, kann in einer Spannungserhöhungsschaltung mit impulsgesteuerter Spannungserhöhung, wie oben beschrieben wurde, dafür gesorgt werden, daß die Boosterspannung Vout rasch ansteigt, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, weil der Lastkondensator CL über den MOS-Lade-Transistor M4 rasch aufgeladen wird.
Außerdem kann eine Spannungserhöhungsschaltung realisiert werden, bei der die Boosterspannung Vout rasch ansteigt, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, ohne daß die Baugröße der MOS-Booster-Transistoren M1 bis M3 und die Kapazitätswerte der Kondensatoren C1 und C2 vergrößert werden, indem der Drain-Source-Strom Ids des MOS-Lade- Transistors M4 groß gemacht wird. Da die Transistoren klein sind und die Kondensatoren kleine Kapazität haben, kann in der Schaltungsstruktur Platz gespart werden.
Das vorangehende Ausführungsbeispiel wurde für den Fall beschrieben, daß als Ventilelement der MOS-Transistor M4 in Diodenschaltung verwendet wurde. Wie Fig. 4 zeigt, kann auch eine Diode D1 verwendet werden, deren Anode mit dem positiven Pol der Stromversorgung 1 und deren Kathode mit dem Schaltungsausgang 2 verbunden ist.
Spannungserhöhungsschaltungen, bei denen MOS-Transistoren als Ventilelement für die Spannungserhöhung benutzt werden und bei denen der MOS-Transistor M4 als Diode geschaltet ist, haben jedoch Vorteile in Bezug auf die Herstellung der Schaltung, wie das erste Ausführungsbeispiel zeigt. Bei MOS-Transistoren treten jedoch häufiger Änderungen auf als bei Dioden. Die Benutzung einer Diode D1 als Ventilelement für die Spannungserhöhung liefert deshalb eine Kennlinie mit weniger Änderungen, wie dies in dem Beispiel von Fig. 4 gezeigt ist.
Fig. 5 zeigt eine Strukturansicht eines Beispiels einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung, bei der eine Spannungserhöhungsschaltung mit dem vorangehend beschriebenen Aufbau als Spannungserhöhungsschaltung zur Erzeugung der Substratspannung Vsub benutzt wird. Als Festkörper-Bildabtastvorrichtung ist in diesem Beispiel eine Anwendung in einem CCD-Zeilensensor dargestellt, die Anwendungen sind jedoch keineswegs auf CCD-Zeilensensoren beschränkt, es sind vielmehr auch Anwendungen bei Festkörper-Bildabtastvorrichtungen möglich, die andere Flächensensoren als CCDs enthalten.
Wie Fig. 5 zeigt, besitzt der CCD-Zeilensensor eine Sensorzeile 12 mit mehreren Lichtempfängern 11, die aus Fotodioden usw. aufgebaut sind, die das einfallende Licht akkumulieren und in eine der Lichtmenge entsprechende Ladung Umwandeln, und einem Ladungstransfer-Register 14, bestehend aus einer CCD zur Übertragung von Signalladungen, die von den einzelnen Lichtempfängern 11 der Sensorzeile 12 über ein Lesegatter 13 ausgegeben werden.
Das Lesegatter 13 liest die Signalladungen, die in den einzelnen Lichtempfängern 11 der Sensorzeile 12 akkumuliert werden, unverzüglich aus, wenn der Ausleseimpuls φROG angelegt wird. Die Signalladung wird durch eine Zweiphasen-Ansteuerung übertragen, bei der Zweiphasen-Übertragungstakte φH1 und φH2 verwendet werden. In der letzten Stufe des Ladungstransfer-Registers 14 ist ein Ladespannungswandler (Ladungsdetektor) 15 vorgesehen, der für das Detektieren der übertragenen Signalladungen und zu ihrer Umwandlung in eine Spannung z. B. eine schwimmende Diffusionsstruktur aufweist. Die Ausgangsspannung des Ladespannungswandlers 15 wird über den Puffer 16 als CCD-Ausgangssignal an dem Ausgang 17 ausgegeben.
Die oben beschriebene Spannungserhöhungsschaltung dient bei dem CCD-Zeilensensor mit der vorerwähnten Struktur als Spannungserhöhungsschaltung 18 zur Erzeugung der Substratspannung Vsub zur Erhöhung der Spannung der Versorgungsquelle Vdd und zur Erzeugung einer Substratspannung Vsub. Diese als Vsub-Generator dienende Spannungserhöhungsschaltung 18 ist (auf dem Chip) auf dem gleichen Substrat. 19 ausgebildet wie die Sensorzeile 12 und das Ladungstransfer-Register 14 und verwendet Zweiphasen-Takte φH1 und φH2 als Taktimpulse φ1 und φ2.
Es ist auch möglich, die Spannungserhöhungsschaltung nicht nur als Spannungserhöhungsschaltung 18 zur Erzeugung der Substratspannung Vsub zu benutzen, sondern die Betriebsspannungen der Stromversorgung auch an andere Schaltungen, z. B. an den Puffer 16, zu liefern.
Fig. 6 zeigt eine strukturelle Querschnittszeichnung, aus der wesentliche Teile der Spannungserhöhungsschaltung zur Erzeugung der Substratspannung Vsub 18 erkennbar sind, die zusammen mit dem CCD-Zeilensensor auf dem Chip ausgebildet ist.
In der Anordnung von Fig. 6 ist in einem P-Graben auf einem N-Siliziumsubstrat 19 ein Lichtempfänger 11 ausgebildet, der aus einer P&spplus;-Löcher-Akkumulierungsschicht 22 auf einer N&spplus;- Ladungs-Akkumulierungsschicht 21 besteht. Neben dem Lichtempfänger 11 sind ein Lesegatter 13, das aus einer N-Verunreinigungs-Region 23 besteht, die an ihrem oberen Ende mit einer Gate-Elektrode 24 versehen ist, und ein Ladungstransfer-Register ausgebildet, das aus einer N&spplus;-Verunreinigungs-Region besteht, die an ihrem oberen Ende mit einer Transferelektrode 24 ausgestattet ist.
Ein MOS-Transistor der letzten Stufe (der MOS-Transistor M3 in Fig. 1) mit einer N-Verunreinigungs-Region 28 als Source-Region, einer N-Verunreinigungs-Region 29 als Drain-Region und einer Gate-Elektrode 30, die über und zwischen den Regionen 28 und 29 angeordnet ist, ist in einem separaten P-Graben 27 ausgebildet, der getrennt von dem P-Graben 20 ausgebildet ist.
Von der Source-Region 28 des MOS-Transistors M3 der letzten Stufe wird eine Boosterspannung abgegriffen. Diese Boosterspannung wird dann als Substratspannung Vsub verwendet und an die nichtflüchtige N&spplus;-Region 31 angelegt, die auf der Oberflächenseite des N-Siliziumsubstrats 19 ausgebildet ist.
Wenn die oben beschriebene Spannungserhöhungsschaltung als Spannungserhöhungsschaltung 18 zur Erzeugung der Substratspannung Vsub verwendet wird, kann diese Spannungserhöhungsschaltung eine große Kapazität mit einem kleinen MOS-Transistor aufladen, wobei dies auf dem Chip erreicht werden kann und die Chipgröße ebenfalls klein gehalten werden kann.
Dies trägt zur Kompaktheit des CCD-Zeilensensors bei und ermöglicht auch eine Verringerung der Versorgungsspannungen.
Fig. 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Spannungserhöhungsschaltung, die in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung angeordnet ist. In diesem Schaltungsdiagramm sind diejenigen. Teile, die Teilen von Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet eine Struktur mit einer größeren Zahl von MOS-Booster-Transistoren, so daß z. B. MOS-Transistoren Mn in fünf Stufen in Reihe geschaltet sind, um eine höhere Boosterspannung Vout zu erzeugen.
In Fig. 7 sind MOS-Booster-Transistoren M11 bis M15 mit ihren Gate- und Drain-Elektroden zusammengeschaltet und zwischen dem positiven Pol der Stromversorgung 1 und dem Schaltungsausgang 2 angeordnet, so daß sie ein Ventilelement bilden, das in Durchlaßrichtung zwischen der Stromversorgung 1 und dem Schaltungsausgang 2 angeordnet ist.
Jedem der Ausgänge N11 und N13 der MOS-Transistoren M11 und M13 der ersten und dritten Stufe (der ungeradzahligen Stufen mit Ausnahme der fetzten Stufe) wird über Kondensatoren C1 bzw. C3 ein Taktimpuls φ1 zugeführt. Auf der anderen Seite wird jedem der Ausgänge N12 und N14 der MOS-Transistoren M12 und M14 der zweiten und vierten Stufe (der geradzahlig numerierten Stufen) ein Taktimpuls φ2 zugeführt, dessen Phase derjenigen des Taktimpulses φ1 entgegengesetzt ist.
Zwischen dem Ausgang N15 (dem Schaltungsausgang 2) des MOS-Transistors M15 der fünften Stufe und Erde ist ein Lastkondensator CL angeordnet.
Ein MOS-Lade-Transistor M16, dessen Gate- und Drain-Elektrode miteinander verbunden sind, ist zwischen dem positiven Pol der Stromversorgung 1 und dem Schaltungsausgang 2 als Ventilelement angeordnet. Er ist in Durchlaßrichtung zwischen der Stromversorgung 1 Schaltungsausgang 2 angeordnet, d. h., die Gate- und Drain-Elektrode des MOS-Transistors M16 sind mit der positiven Elektrode der Stromversorgung 1 verbunden und die Source- Elektrode ist mit dem Schaltungsausgang 2 verbunden.
Als nächstes wird der Ladevorgang der Ladeschaltung in dem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert, die den oben beschriebenen Aufbau hat. Zunächst läuft die Stromversorgung an (die Stromversorgung wird eingeschaltet), der MOS-Lade-Transistor M16 wird leitend, d. h. in Durchlaßrichtung vorgespannt, und das Aufladen des Lastkondensators CL über den MOS-Lade-Transistor M16 beginnt. Außerdem werden durch das Einschalten der Stromversorgung 1 auch die MOS-Booster-Transistoren M11 bis M15 in Durchlaßrichtung vorgespannt und leitend (laufen an), so daß das Aufladen, das die Spannungsverstärkungsoperation der MOS-Booster-Transistoren M11 bis M15 begleitet, simultan durchgeführt werden kann.
Da der Lastkondensator CL über den MOS-Lade-Transistor M6 beim Einschalten rasch aufgeladen werden kann, kann kann die. Boosterspannung Vout auf diese Weise rasch ansteigen, wie dies durch die durchgezogene Linie in Fig. 8 dargestellt ist.
Wenn man die Antwort-Wellenform beim Einschalten der Stromversorgung in dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 mit der Antwort-Wellenform beim Einschalten der Stromversorgung indem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 8 vergleicht, erkennt man, daß die Anstiegsgeschwindigkeit der Boosterspannung Vout größer wird, wenn die Zahl der MOS- Lade-Transistoren M1 bis M5 groß gemacht wird.
Das Aufladen des Lastkondensators wird fortgesetzt, und wenn die Ladespannung die Versorgungsspannung Vdd überschreitet, wird der MOS-Lade-Transistor in Sperrichtung vorgespannt, sodaß er nichtleitend (ausgeschaltet) wird.
Anschließend erfolgt die Spannungserhöhungsoperation durch MOS-Booster-Transistoren M11 bis M15 stationären Zustand. Die Spannungserhöhungsoperation stationären Zustand wird anhand des Zeitdiagramms in Fig. 9 beschrieben.
Zunächst ist die Spannung V11 an dem Ausgang N11 des MOS-Transistors M11 der ersten Stufe um die Spannung Vx&sub1;&sub1;, das ist der Spannungsabfall aufgrund der Schwellwertspannung Vth&sub1;&sub1; des MOS-Transistors M11, niedriger als die Spannung der Versorgungsquelle Vdd.
Wenn unter diesen Bedingungen über den Kondensator C1 der Taktimpuls φ1 zugeführt wird, wird die Spannung V11 an dem Ausgang N11 des MOS-Transistors M11 um einen Wert erhöht, der gleich der Wellenhöhe des Taktimpulses φ1 ist.
Die Spannung V12 an dem Ausgang N12 des MOS-Transistors M12 ist dann um die Spannung Vx&sub1;&sub2;, das ist der Spannungsabfall aufgrund der Schwellwertspannung Vth&sub1;&sub2; des MOS- Transistors M12, kleiner als die Spannung V11 an dem Ausgang N11.
Wenn in dieser Situation über den Kondensator C2 der Taktimpuls φ2 zugeführt wird, wird die Spannung V12 an dem Ausgang N12 des MOS-Transistors M12 um einen Wert erhöht, der gleich der Wellenhöhe des Taktimpulses φ2 ist.
Die Spannung V13 an dem Ausgang N13 des MOS-Transistors M13 der dritten Stufe ist dann um die Spannung Vx&sub1;&sub3;, das ist der Spannungsabfall aufgrund der Schwellwertspannung Vth&sub1;&sub3; des MOS-Transistors M13, niedriger als die Spannung V12 an dem Ausgang N12.
Wenn in dieser Situation über den Kondensator C3 der Taktimpuls φ1 zugeführt wird, wird die Spannung V13 an dem Ausgang N13 des MOS-Transistors M13 um einen Wert erhöht, der gleich der Wellenhöhe des Taktimpulses φ1 ist.
Danach ist die Spannung V14 an dem Ausgang N14 des MOS-Transistors. M14 der vierten. Stufe um die Spannung Vx&sub1;&sub4;, das ist der Spannungsabfall aufgrund der Schwellwertspannung Vth&sub1;&sub4; des MOS-Transistors M14, kleiner als die Spannung V13 an dem Ausgang N13.
Wenn in dieser Situation über den Kondensator C14 der Taktimpuls φ2 zugeführt wird, wird die Spannung V14 an dem Ausgang N14 des MOS-Transistors M14 um einen Wert erhöht, der gleich der Wellenhöhe des Taktimpulses φ2 ist.
Die Spannung V14 an dem Ausgang N14 wird von dem MOS-Transistor M15 und dem Ladekondensator CL geglättet und an dem Ausgang 2 als Boosterspannung Vout ausgegeben. Die Boosterspannung Vout ist um einen Betrag Vx&sub1;&sub5; kleiner als die Spannung V14 am Ausgang N14. Hier ist Vx&sub1;&sub5; die Spannungsabsenkung, die durch die Schwellwertspannung Vth&sub1;&sub5; des MOS-Transistors M15 verursacht wird.
Durch Erhöhung der Stufenzahl der MOS-Booster-Transistorstufen läßt sich eine höhere. Boosterspannung Vout erreichen.
Wenn man die Spannungserhöhungsschaltung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel als Spannungserhöhungsschaltung zur Erzeugung der Substratspannung Vsub in der Festkörper-Bildabtastvorrichtung von Fig. 5 verwendet, läßt sich die erforderliche Substratspannung Vsub von etwa 5 V, mit der sich die Leistung der Festkörper-Bildabtastvorrichtung realisieren läßt, auch dann mühelos erreichen, wenn die Spannung der Versorgungsquelle für die Festkörper-Bildabtastvorrichtung z. B. um etwa 1,5 V reduziert ist.
Es ist auch möglich, anstelle des als Diode geschalteten MOS-Transistors M6 in der in Fig. 4 dargestellten Modifizierung des ersten Ausführungsbeispiels eine Diode D1 zu verwenden.
Die Zahl der MOS-Booster-Transistorstufen ist keineswegs auf die drei Stufen des ersten oder die fünf Stufen des zweiten Ausführungsbeispiels beschränkt. Es sind auch zwei Stufen, vier Stufen oder sechs Stufen oder mehr möglich, wobei eine um so höhere Boosterspannung entnommen werden kann, je größer die Zahl der MOS-Booster-Transistorstufen ist.
Wie oben beschrieben wurde, läßt sich in Ausführungsbeispielen der Erfindung durch die Anwendung einer Konstruktion, bei der in einer Boosterschaltung mit impulsgesteuerter Spannungserhöhung zwischen der Versorgungsquelle und dem Schaltungsausgang ein Ventilelement in Durchlaßrichtung angeordnet ist, die Anstiegskennlnie der Boosterspannung verbessern, ohne daß die Größe der Schaltungselemente angepaßt werden muß, da die Last beim Einschalten der Versorgungsquelle über das Ventilelement rasch aufgeladen werden kann.
Mit Spannungserhöhungsschaltungen gemäß der Erfindung kann eine On-Chip-Konstruktion angewendet werden, und in Anwendungen von. Festkörper-Bildabtastvorrichtungen kann die Chipgröße klein gehalten werden, da mit Hilfe kompakter Schaltungselemente eine große Kapazität aufgeladen werden kann.
Dies trägt deshalb zur Kompaktheit der Festkörper-Bildabtastvorrichtung bei und ist mit der Erniedrigung der Versorgungsspannung kompatibel.

Claims

1. Festkörper-Bildabtastvorrichtung

mit einer Spannungserhöhungsschaltung (18), die aufweist:

einen Stromversorgungsanschluß,

einen Ausgangsanschluß (Vout),

ein Ventilelement mit mehreren Stufen (M1-M3), die in Reihe zwischen dem Stromversorgungsanschluß und dem Ausgangsanschluß angeordnet sind, wobei ihre Durchlaßrichtung von dem Stromversorgungsanschluß zu dem Ausgangsanschluß verläuft,

Mittel zum Anlegen eines ersten und eines zweiten Taktimpulssignals (φ1, φ2) mit entgegengesetzten Phasen zwischen jede der Stufen des Ventilelements,

und ein Ventilelement (M4; D1; M16) zum Aufladen, das parallel zu dem erstgenannten Ventilelement in Durchlaßrichtung angeordnet ist,

ferner mit einem Sensor (12) mit einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Lichtempfängern (11) zur Umwandlung von auftreffendem Licht in Ladungen, die der Menge des auftreffenden Lichts entsprechen, und zum Akkumulieren der Ladungen

und mit einem Ladungstransfer-Register (14) zum Übertragen der aus den einzelnen Lichtempfängern (11) ausgelesenen Ladungen, wobei das Ladungstransfer-Register so angeordnet ist, daß es die ersten und die zweiten Taktimpulssignale aufnimmt, so daß diese als Übertragungs-Taktsignale für die Ansteuerung des Ladungstransfer-Registers (14) wirken.

2. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Ladungsdetektor (15) zum Detektieren der von dem Ladungstransfer-Register (1) übertragenen Ladungen und zu deren Umwandlung in elektrische Signale.

3. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Sensor (12), das Ladungstransfer-Register (14), der Ladungsdetektor (15) und die Spannungserhöhungsschaltung (18) auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind.

4. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Spannungserhöhungsschaltung (18) eine Versorgungsspannung (Vdd) erhöht und eine Substratspannung (Vsub) erzeugt.

5. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Ventilelement für das Aufladen ein MOS-Transistor (M4, M16) ist.

6. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Ventilelement für das Aufladen eine Diode ist.

7. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, mit einem Lastkondensator (CL), der zwischen dem Ausgangsanschluß der letzten Stufe des Ventilelements und Erde angeordnet ist.