JPH031548A - 電荷転送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、電荷結合素子（ＣＣＤ。

Ｃｈａｒｇｅ　　Ｃｏｕｐｌｅｄ　　Ｄｅｖｉｃｅ）を
用いた電荷転送装置に係り、特に信号入力部に表面チャ
ネルＣＣＤ方式を用い、信号転送部および信号出力部に
埋め込みチャネルＣＣＤ方式を用いた電荷転送装置に関
する。

（従来の技術） ＣＣＤを用いてアナログ信号を伝送する電荷転送装置を
半導体集積回路内に構成する場合、信号入力部、信号転
送部および信号出力部に埋込みチャネルＣＣＤ方式を採
用することにより、高い転送効率、高いサンプリングレ
ート、高い信号対雑音比が得られる。

しかし、この埋込みチャネルＣＣＤ方式の問題点として
しばしば挙げられるのが、特に信号入力部における線形
性の劣化であり、この改善を図るために、信号人力部を
表面チャネルＣＣＤ方式とした表面チャネルＣＣＤ入力
方式を採用することも少なくない。

ここで、従来の表面チャネルＣＣＤ入力方式を採用した
Ｎチャネル電荷転送装置の動作原理について説明する。

第７図は、電荷転送装置の構成を簡略化して示すと共に
、動作時における基板内のポテンシャル変化の様子を示
しており、第７図中のクロツタ発生回路８０から出力す
る一対のクロックφｌおよびφ２のタイミング関係およ
び電位を第８図に示している。

即ち、半導体基板表面に、入力ソース領域用の高濃度不
純物（Ｎ＋）拡散領域７０が形成されると共に、これよ
り離れた位置に電荷注入用井戸を形成するための不純物
（Ｎ）拡散領域７５が形成され、これに隣接して埋込み
チャネル形成用の低濃度不純物（Ｎ−）拡散領域７６お
よび不純物（Ｎ）拡散領域７７が交互に電荷転送方向に
形成されている。半導体基板上には、ゲート絶縁膜（図
示せず）を介して第１の入力ゲート電極７１〜第４の入
力ゲート電極７４が順に形成されると共に、転送電極７
８および蓄積電極７９の対が電荷転送方向に複数組形成
されている。この第１の人力ゲート電極７１〜第３の入
力ゲート電極７３は、Ｎ十拡散領域７０とＮ拡散領域７
５との間の表面チャネル上に位置しており、第４の入力
ゲート電極７４は、Ｎ拡散領域７５上に位置している。

また、各対の転送電極７８および蓄積電極７９は、それ
ぞれ対応してＮ−拡散領域７６およびこれに隣接するＮ
拡散領域７７の上に位置している。なお、転送電極７８
および蓄積電極７９は共通に接続されており、第３の入
力ゲート電極７３および第４の入力ゲート電極７４は共
通に接続されている。

クロック発生回路８０は、第８図に示すように互いにほ
ぼ逆相である２相のクロックφ１およびφ２を出力し、
このクロックφ１を第１の入力ゲート電極７１および奇
数番目の各対の転送電極７８および蓄積電極７９に供給
し、クロックφ２を第３の入力ゲート電極７３および第
４の入力ゲート電極７４および偶数番目の各対の転送電
極７８および蓄積電極７９に供給する。つまり、第１の
入力ゲート部７１には第３の入力ゲート部７３および第
４の入力ゲート部７４とはほぼ逆相のクロックが印加さ
れ、この第３の入力ゲート部７３および第４の入力ゲー
ト部７４には同相のクロックが印加される。そして、第
２の入力ゲート電極７２には直流電位Ｖｘ（例えばｖ　
ｃｅｔＩｉ源電位）が与えられ、入力ソース領域用のＮ
十拡散領域７０には直流バイアスと共にアナログ信号人
力Ｖｉｎが与えられる。

上記構成において、クロックφｌおよびφ２のレベル関
係（低レベル“Ｌ″と高レベル“Ｈ”との関係）が第８
図中に示す時点ｔｌ、ｔ２．ｔ３゜ｔ４に対応する基板
内のポテンシャルおよび電荷は第７図中に示すように変
化する。

即ち、時点ｔｌにおいては、入力ソース領域用のＮ十拡
散領域７０下にはＰｌのポテンシャルを持つ電荷Ｑが充
満されている。このポテンシャルｐｔは入力信号の直流
バイアスの値によって決定され、この時点ｔｌでの電荷
の転送は行われない。

次に、時点ｔ２においては、第１の入力ゲート電極７１
下のポテンシャルは第２の入力ゲート電極７２下のポテ
ンシャルより高い位置へ移動し、第１の入力ゲート電極
７１下および第２の入力ゲート電極７２下はポテンシャ
ルＰＬを持つ電荷で充満される。同時に、奇数番目の転
送電極７８および蓄積電極７９下のポテンシャルは高い
位置へ移動じ、前段から電荷が転送される。次に、時点
ｔ３においては、第１の入力ゲート電極７１下のポテン
シャルは再び低い位置へ移動し、電荷はポテンシャルＰ
Ｌを保ちつつ、入力ソース領域用のＮ十拡散領域７０下
に戻されるものと、第２の入力ゲート電極７２下に戻さ
れるものとに二分される。同時に、奇数番目の転送電極
７８および蓄積電極７９下のポテンシャルは再び低い位
置へ移動し、電荷は蓄積電極７９下に蓄積される。次に
、時点ｔ４においては、第２の入力ゲート電極７２下に
蓄積されていた電荷は第４の入力ゲート電極７４下へ注
入される。同時に、偶数番目の転送電極７８および蓄積
電極７９下のポテンシャルは高い位置へ移動し、前段か
ら電荷が転送される。以下、上記したような時点ｔ１〜
ｔ４のサイクルの動作と同様な動作が繰返され、信号電
荷の注入および転送が繰返し行われる。

第９図は、第１の入力ゲート電極７１〜第４の入力ゲー
ト電極７４に印加されるゲート電圧ＶＧとそれぞれのゲ
ート電極下に形成されるポテンシャルＰＷの関係を示す
。ここで、ゲート電圧ＶＧがあるゲート電圧ＶＧｘ以下
の時には、ゲート電圧ＶＧとポテンシャルＰＷとの関係
（電荷転送特性）は非線形となり、逆に、ゲート電圧Ｖ
Ｃがあるゲート電圧ＶＧｘ以上の時には、ゲート電圧Ｖ
ＣとポテンシャルＰＷとの関係は線形となる。

ところで、従来は、例えば９ＶのＶｃｃ電源電位を用い
、クロックφｌおよびφ２の”Ｈ“レベルをＶｃｃ電源
電位とする場合には、第２の入力ゲート電極７２に印加
される直流電位バイアスを適切な値に設定することによ
り、信号入力部での電荷転送を第９図中に示した線形領
域Ｉの範囲内で行うことが可能であり、信号入力部にお
ける線形性が劣化することなく、信号転送部への電荷の
注入が可能である。

しかし、低消費電力化を図るために低いＶｃｃ電源電位
でも動作可能な電荷転送装置を実現しようとする場合、
従来の電荷転送装置の構成のままでクロックφｌおよび
φ２の“Ｈ“レベルをＶｃｃ電源電位にしたとしても、
この“Ｈ”レベルの電位が従来よりも低くなる。換言す
れば、第１の入力ゲート電極７１、第３の入力ゲート電
極７３、第４の入力ゲート電極７４に印加されるクロッ
クの″Ｈ＃レベルが従来よりも低くなるので、この第１
の入力ゲート電極７１、第３の入力ゲート電極７３、第
４の入力ゲート電極７４下での電荷転送の一部あるいは
全部が第９図中に示した非線形領域Ｈの範囲内で行われ
ることになり、信号人力部における線形性が劣化するこ
とになるいう問題が生じる。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように従来の表面チャネルＣＯＤ入力方式を採
用した電荷転送装置は、低い電源電位で動作させること
に伴って入力ゲート部に印加するクロックの″Ｈ２レベ
ルが低くなり、この入力ゲート部での電荷転送の一部あ
るいは全部が電荷転送特性の非線形領域の範囲内で行わ
れることになり、信号入力部における線形性が劣化する
という問題がある。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、そ
の目的は、低い電源電位を使用する場合でも信号入力部
における線形性が劣化することなく動作可能になり、低
消費電力化を図り得る電荷転送装置を提供することにあ
る。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、信号入力部に表面チャネル電荷結合素子方式
を用い、信号転送部に埋込みチャネル電荷結合素子方式
を用いた電荷転送装置において、前記信号入力部に印加
されるクロックは、“Ｈ”レベルが電源電位以上になる
ように昇圧回路により昇圧されたクロックであることを
特徴とする。

（作用） この電荷転送装置おける動作原理は、前述した従来の電
荷転送装置と比べて、基本的な動作は同様であるが、信
号入力部には”Ｈ”レベルが電源電位以上になるように
昇圧されたクロックが印加されているので、信号入力部
ではポテンシャルのより高いところで信号電荷が取扱わ
れるようになる。

従って、低消費電力化を図るために低い電源電位を使用
し、昇圧されたクロックの“Ｈ″レベル従来の電ｉｍ電
位に対して例えばほぼ同じになるように昇圧すれば、信
号入力部における電荷転送を完全に線形領域の範囲内で
行うことが可能であり、信号入力部における線形性が劣
化することはない。なお、前記信号転送部に印加される
クロックの“Ｈ＃レベルを電源電位にすると、このクロ
ックの“Ｈ”レベルの電位は従来よりも低くなるが、信
号転送部は埋め込みチャネルＣＣＤ方式を用いているの
で、線形性が劣化しない。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図は、表面チャネルＣＣＤ人力方式を採用した電荷
転送装置の構成を簡略化して示すと共に、動作時におけ
る基板内のポテンシャルおよび電荷の変化の様子を示し
ており、第７図を参照して前述した従来の電荷転送装置
と比べて、（１）クロック発生回路１０から前記したよ
うな一対のクロックφ１．φ２および、これらと同様の
互いにほぼ逆相の二相の一対のクロックφ１′、φ２′
が出力し、この一対のクロックφ１′、φ２′がパルス
昇圧凹路１１に入力し、ここで“Ｈ”レベルがＶ　ｃｃ
電源電位以上になるように昇圧された互いにほぼ逆相の
二相のクロックφｌ“およびφ２′が前記一対のクロッ
クφ１およびφ２に代わって信号入力部の第１の人力ゲ
ート電極７１および第３の人力ゲート電極７３、第４の
入力ゲート電極７４に印加されている点が異なり、その
他は同じであるので第７図中と同一符号を付している。

即ち、第１図において、半導体基板表面に、人力ソース
領域用の高濃度不純物（Ｎ＋）拡散領域７０が形成され
ると共に、これより離れた位置に電荷注入用井戸を形成
するための不純物（Ｎ）拡散領域７５が形成され、これ
に隣接して埋込みチャネル形成用の低濃度不純物（Ｎ″
″）拡散領域７６および不純物（Ｎ）拡散領域７７が交
互に電荷転送方向に形成されている。半導体基板上にゲ
ート絶縁膜（図示せず）を介して第１の入力ゲート電極
７１〜第４の入力ゲート電極７４が順に形成されると共
に、転送電極７８および蓄積電極７９の対が電荷転送方
向に複数組形成されている。

この第１の入力ゲート電極７１〜第３の入力ゲート電極
７３は、Ｎ十拡散領域７０とＮ拡散領域７５との間の表
面チャネル上に位置しており、第４の入力ゲート電極７
４は、Ｎ拡散領域７５上に位置している。

また、６対の転送電極７８および蓄積電極７９は、それ
ぞれ対応してＮ−拡散領域７６および、これに隣接する
Ｎ拡散領域７７の上に位置している。なお、上記６対の
転送電極７８および蓄積電ｔｆｆ７９は共通に接続され
ており、第３の入力ゲート電極７３および第４の入力ゲ
ート電極７４は共通に接続されている。入力ソース領域
用のＮ十拡散領域７０には従来通り直流バイアスと共に
アナログ信号人力Ｖｉｎが与えられ、前記第２の入力ゲ
ート電ｔ！！１Ｉ７２には従来通り直流電位Ｖｘが与え
られ、奇数番目の６対の転送電極７８および蓄積電極８
９には従来通りクロックφｌが印加され、偶数番目の６
対の転送電極７８および蓄積電極７９には従来通りクロ
ックφ２が印加される。

そして、本実施例では、第１の入力ゲート電極７１には
クロックφ１“が印加され、第３の入力ゲート電極７３
および第４の入力ゲート電極７４にはクロックφ２”が
印加される。

第２図は、各クロックφ１．φ２．φ１′φ２′、φｌ
”、φ２５のタイミング関係および電位を示している。

ここで、Ｖｃｃ＋Ｖａは昇圧電位を示している。

上記実施例の電荷転送装置において、第２図中に示す時
点ｔ１．ｔ２．ｔ３．ｔ４に対応する基板内のポテンシ
ャルおよび電荷は第１図中に実線で示すように変化し、
第１の入力ゲート電極７１〜第４の入力ゲート電極７４
に印加されるゲート電圧ＶＧと、それぞ°れのゲート電
極下に形成されるポテンシャルＰＷの関係は第９図に示
したようになる。

即ち、上記実施例の電荷転送装置における基本的な動作
は、第７図を参照して前述した従来の電前転送装置と同
様であるのでその説明を省略するが、信号入力部には“
Ｈ“レベルがＶＣＣ電源電位以上になるように昇圧され
たクロックφ１”およびφ２″が印加されているので、
信号入力部ではポテンシャルのより高いところで信号電
荷が取り扱われている点が従来の電荷転送装置と異なる
。

従って、上記実施例の電荷転送装置によれば、低消費電
力化を図るために低いＶＣＣ電源電位を使用した場合、
信号入力部に印加されるクロックφ１“およびφ２”の
“Ｈ”レベルが従来のＶＣｃ電源電位に対して例えばほ
ぼ同じになるように昇圧すれば、信号入力部における電
荷転送を完全に第９図中の線形領域■の範囲内で行うこ
とが可能であり、信号入力部における線形性が劣化する
ことはない。

また、前記信号転送部に印加されるクロックφ１および
φ２の“Ｈ”レベルをＶｃｃ電源電位にすると、このク
ロックφ１およびφ２の”Ｈ”レベルの電位は従来より
も低くなるが、信号転送部は埋込みチャネルＣＣＤ方式
を用いているので、線形性が劣化しない。

また、上記実施例の電荷転送装置によれば、従来と同様
のＶｃｃ電源電位（例えば９Ｖ）を用い、クロックφ１
およびφ２の′Ｈ“レベルをＶｃｃ電源電位にした場合
にも、信号入力部には“Ｈ“レベルがＶｃｃ電源電位よ
りも高レベルのクロックφ１“およびφ２”が印加され
るので、信号入力部における線形性は良好である。

なお、前記第３の人力ゲート電極７３および第４の人力
ゲート電極７４は共通に接続されているので、これらに
印加すべきクロックφ２”を出力するための昇圧回路部
が１個で済み、しかも、第３の入力ゲート電極７３およ
び第４の人力ゲート電極７４に対する印加クロックのタ
イミングを一致させることが容易になる。

また、第１図中、実線で示したポテンシャルおよび電荷
は、第２の入力ゲート電極７２にＶＣＣ電′源電位が印
加される上記実施例に対応しているが、他の実施例とし
て、第２の入力ゲート電極７２にｖｃｃ電？Ｒ電位以上
に昇圧された適切な直流電位を印加すれば、ポテンシャ
ルおよび電荷は第１図中に点線で示すようになる。この
ようにすれば、第２の入力ゲート電極７２下に蓄積され
た入力電荷のうち、“Ｈ＃レベルのクロックφ２ｍが第
３の入力ゲート電極７３および第４の人力ゲート電極７
４に印加された時の第３の入力ゲート電極７３下のポテ
ンシャルより低い電荷のみ転送するモードを実現できる
ようになり、線形性がよく、転送効率が高い電荷転送装
置を実現できる。

第３図は、パルス昇圧回路１１の一具体例として、クロ
ックφ２”昇圧回路部を示している。即ち、Ｖｃｃｔ源
電位と接地電位ＶＳＳとの間に、それぞれドレイン・ゲ
ートが接続された第１のＮチャネルＭＯ３）ランジスタ
Ｎ１および第２のＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２が
直列に接続されている。この２個のトランジスタの直列
接続点３０と昇圧出力ノード３１との間に第３のＮチャ
ネルＭＯＳトランジスタＮ３が接続され、この昇圧出力
ノード３１にブートストラップ用の容ｉｃの一端が接続
されている。そして、第３のトランジスタＮ３のゲート
にクロックφ１′が入力し、容量Ｃの他端にクロックφ
２′が入力する。

クロックφ２”昇圧回路部において、２個のトランジス
タＮ１およびＮ２の直列接続点３０の電位ＶａはＶｃｃ
電源電位が２個のトランジスタＮ１およびＮ２により抵
抗分割された一定値に保たれている。クロックφｌ′が
“Ｈ”　レベル、クロックφ２′が″Ｌ＃レベルの時、
第３のトランジスタＮ３はオンし、容量Ｃは前記電位ｖ
ａに充電される。次に、クロックφＩ′が“Ｌ“レベル
、クロックφ２′が“Ｈ”レベルになると、第３のトラ
ンジスタＮ３はオフになり、昇圧出力ノード３１の電位
ｖｂはＶｃｃ＋ｖａの電位まで昇圧される。これにより
、昇圧出力ノード３１には、クロックφ２′と同相で“
Ｌ”　レベルの電位がＶａ。

“Ｈ″レベル電位がＶｃｃ＋Ｖａの昇圧されたクロック
φ２”が出力することになる。

一方、クロックφｌ“昇圧回路部は、上記と同様に構成
されるが、第３のトランジスタＮ３のゲートにクロック
φ２′が入力し、容量Ｃの他端にクロックφ１′が入力
する。

なお、パルス昇圧回路は上記具体例に限らず、各種の変
形実施が可能である。

また、クロック発生回路１０から一対のクロックφｌ、
φ２のみを出力させ、これを分岐させて一対のクロック
φ１′、φ２′の代わりにパルス昇圧回路１１に人力さ
せるようにしてもよい。

また、上記各実施例において、第２の入力ゲート部およ
び／あるいは第４の入力ゲート部をＮ＋拡散領域で形成
するように変形してもよく、この変形例を第４図乃至第
６図に示す。

第４図の電荷転送装置は、第１図に示した電荷転送装置
と比べて、第２の入力ゲート電極（第１図７２）下に相
当する基板部分にＮ十拡散領域４１を形成し、このＮ＋
拡散領域４１に直流電位Ｖｘ（あるいはＶＣＣ電源電位
以上に昇圧された直流電位）を印加し、第２の入力ゲー
ト電極（第１図７２）を省略した点が異なり、その他は
同じであるので第１図中と同一符号を付しており、第２
図中に示す時点ｔｌ、ｔ２．ｔ３．ｔ４に対応する基板
内のポテンシャルおよび電荷は図示のように変化する。

第５図の電荷転送装置は、第１図に示した電荷転送装置
と比べて、第４の入力ゲート電極（第１図７４）下に相
当する基板部分およびＮ拡散領域７５部分にＮ十拡散領
域５１を形成し、このＮ＋拡散領域５１にクロックφ２
”を印加し、第４の入力ゲート電極（第１図７４）を省
略した点が異なり、その他は同じであるので第１図中と
同一符号を付しており、第２図中に示す時点ｔｌ、ｔ２
゜ｔ３．ｔ４に対応する基板内のポテンシャルおよび電
荷は図示のように変化する。

第６図の電荷転送装置は、第１図に示した電荷転送装置
と比べて、第２の入力ゲート電極（第１図７２）下に相
当する基板部分にＮ十拡散領域６１を形成すると共に、
第４の入力ゲート電極（第１図７４）下に相当する基板
部分およびＮ拡散領域７５部分にＮ十拡散領域６２を形
成し、Ｎ十拡散領域６１に直流電位Ｖｘ（あるいはｖｃ
ｅ電源電位以上に昇圧された直流電位）を印加し、また
、Ｎ十拡散領域６２にクロックφ２″を印加し、第２の
入力ゲート電極（第１図７２）および第４の人力ゲート
電極（第１図７４）を省略した点が異なり、その他は同
じであるので第１図中と同一符号を付しており、第２図
中に示す時点ｔｌ。

ｔ２．ｔ３．ｔ４に対応する基板内のポテンシャルおよ
び電荷は図示のように変化する。

［発明の効果］ 上述したように本発明の電荷転送装置によれば、低い電
源電位を使用する場合でも信号入力部における線形性が
劣化することなく動作可能になり、低消費電力化に伴う
様々な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電荷転送装置の一実施例を示す構成説
明図、第２図は第１図中の各クロックのタイミング関係
および電位を示すタイミング図、第３図は第１図中のパ
ルス昇圧回路の一部の一具体例を示す回路図、第４図乃
至第６図はそれぞれ第１図の電荷転送装置の変形例を示
す構成説明図、第７図は従来の電荷転送装置の一例を示
す構成説明図、第８図は第７図中の各クロックのタイミ
ング関係および電位を示すタイミング図、第９図は第１
図の電荷転送装置および第７図の電荷転送装置における
人力ゲート電極に印加されるゲート電圧ＶＣとゲート電
極下に形成されるポテンシャルＰＷの関係を示す特性図
である。 １０・・・クロック発生回路、１１・・・パルス昇圧回
路、４１，５１，６１，６２．７０・・・Ｎ十拡散領域
、７１・・・第１の入力ゲート電極、７２・・・第１の
入力ゲート電極、７３・・・第３の入力ゲート電極、７
４・・・第４の°人力ゲート電極、７５．７７・・・Ｎ
拡散領域、７６・・・Ｎ−拡散領域、７８・・・転送電
極、７９・・・蓄積電極、φ１．φ２・・・クロック、
φ】”φ２２・・・昇圧されたクロック、Ｖｉｎ・・・
アナログ入力信号、Ｖｘ・・・直流電位。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 第２図 第３図 ｔ２　ｔ３　ｔ４ 第８図 一デート嘴ソｉＶＧ 第 ９図 浮 舞

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面チャネル電荷結合素子方式の信号入力部と、
   この信号入力部から注入された電荷を転送する埋込みチ
   ャネル電荷結合素子方式を用いた信号転送部を具備し、
   前記信号入力部は、不純物拡散領域と第１の入力ゲート
   部および第２の入力ゲート部および第３の入力ゲート部
   および第４の入力ゲート部が順に形成され、前記不純物
   拡散領域には入力信号および直流バイアスが印加され、
   前記第１の入力ゲート部には第３の入力ゲート部および
   第４の入力ゲート部とはほぼ逆相のクロックが印加され
   、第２の入力ゲート部は所定の直流電位が印加され、第
   ３の入力ゲート部および第４の入力ゲート部には同相の
   クロックが印加される電荷転送装置において、 前記信号入力部に印加されるクロックは、“Ｈ”レベル
   が電源電位以上になるように昇圧回路により昇圧された
   クロックであることを特徴とする電荷転送装置。
2. （２）前記信号転送部に印加されるクロックは、“Ｈ”
   レベルが電源電位になるクロックであることを特徴とす
   る請求項１記載の電荷転送装置。
3. （３）前記第２の入力ゲート部に印加される直流電位は
   、電源電位以上に昇圧された直流電位であることを特徴
   とする請求項１または２記載の電荷転送装置。
4. （４）前記第３の入力ゲート部および第４の入力ゲート
   部は共通に接続されていることを特徴とする請求項１ま
   たは２または３記載の電荷転送装置。