JPS5829634B2 - 電荷結合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電荷結合装置（以下ＣＣＤと略称する）の
改良に関し、特にその入力回路に関する。

従来法による電荷結合装置は、基板と基板に対して絶縁
された電極とを備えている。

その電極に供給される多相電圧は蓄積用基板内に電位井
戸を形成し、また、電荷信号をチャンネルの長手方向に
沿って伝送させる。

電荷結合装置は、また、基板内にソース電極を備えその
ソース電極とＣＣＤチャンネル間にあって基板に対して
絶縁された電極手段が入力信号に応答して、ソース電極
からＣＣＤチャンネルへの電荷の導入を制御するように
なっている。

この発明によれば、上記電極手段が、ＣＣＤチャンネル
内の電位井戸よりも実質的に容量の大きい入力電位井戸
を供給電圧に応答して基板内に形成するための蓄積電極
手段を備えている。

この入力電位井戸の信号電圧対発生電荷担体数で表わし
た変換関数は低い入力信号レベルでは比較的非直線的で
あるが高い入力信号レベルでは比較的直線的である。

この非線形変換関数によって生ずる問題を解決するため
に、入力信号と制御電圧の出現に応答して、上記変換特
性の非直線領域に相当するあるレベルのバイアス成分並
びに信号成分を含む電荷を入力電位井戸へ導入する手段
が設けられている。

また、蓄積電極内に蓄積された電荷の信号成分をその蓄
積電極の下の入力電位井戸から転送するとともに、その
電荷のバイアス成分をその蓄積電極の下の入力電位井戸
に保持させる手段も設けられている。

以下、図を参照してこの発明の実施例を詳細に説明する
。

米国特許第３９８６１９８号明細書には、ＣＣＤレジス
タに電荷信号を導入するための比較的雑音障害のない回
路が記載されている。

これに使用された技術は、フィル・アンド・スピル（充
満・流出）モードの動作として知られるようになった。

電荷信号を動作サイクルの充満期間中にソース電極から
第１電位井戸へ導入し、次に、例えばソース電極をドレ
ンとして動作させることによって、その電位井戸を部分
的に空にするが、この空にする間、入力信号電位をその
電位井戸の上側の電極と、その電極とソース電極との間
にある第２電極との間に維持する。

第１電位井戸に残る電荷はこの入力信号の振幅の関数で
あって比較的雑音が少ない。

ＣＣＤが埋込みチャンネルＣＣＤである時には、上述の
動作は比較的低雑音であるが、入力信号の電荷への変換
特性が（表面チャンネルＣＣＤで生ずる信号の変換特性
に比べて）比較的非直線的である。

第１図には、代表的な埋込みＮチャンネルＣＣＤの変換
特性が信号電圧対発生電荷担体数で示されている。

その頂部の平坦な領域１１は入力電位井戸の電荷容量を
表わすが、これはＣＣＤチャンネルの主要部分に沿う各
転送電位井戸の電荷容量よりも僅かに大きい。

その転送電位井戸の容量は点線１３で示されている。

この曲線は比較的低い信号レベル（Ｖ２ と゛へとの間
）で比較的非直線的な領域を含むが、比較的高い信号レ
ベル（ヘ とｖｙとの間）で比較的直線的な領域を含む
。

比較的低い入力信号レベルにおける信号レベルの変化△
ｖＩＮ１は入力電位井戸内で非直線的に電荷信号に変換
され、比較的高い入力信号レベノヘおける入力信号変化
△ＶＩＮ２は入力電位井戸内で直線的に電荷信号に変換
される。

この非直線領域は、例えば、埋込みチャンネルの容量が
電荷の高いときより電荷の低いときの方が大きく電荷レ
ベルの関数として変化するという埋込みチャンネル装置
の特性から生ずる。

また、非直線の程度に影響する更に複雑な効果もある。

例えば、テレビジョンの映像信号のようなアナログ信号
を遅延するために使用されるＣＣＤ遅延線に応用する場
合には、上述の動作は、もちろん著しく不利となる。

そのＣＣＤ遅延線はアナログ信号に対してできるだけ歪
みを少なく、また、このためにＣＣＤに対する入力回路
を直線的に動作させることが望ましい。

また、上述したようなＣＣＤ遅延線は半導体基板上にあ
まり広い領域を占有しないことも重要である。

ＣＣＤはそのチャンネル幅と電極面積とを、多相電圧に
応答して形成される電位井戸が予期される最も大きな振
幅の入力信号（実際の値を想定すると例えば１０〜１２
Ｖ程度の多相電圧）によって生成され得る程度の電荷を
蓄積できるように設計される。

ＣＣＤ電極面積をこれ以上大きくすると、各ＣＣＤ遅延
線がさらに大きくなり、従って単一ウェハから得られる
ＣＣＤ遅延線の数がさらに少なくなる（実際には、多数
の遅延線を同じウェハ上に同時に形成した後他の方法で
互いに切断分離する）。

これは不経済であって、各線の費用がかさむ。

更に、遅延線の面積が太きくなると、遅延線の容量が増
し、高い周枝数（高周波の多相電圧）での動作が一層困
難となり、また、ＣＣＤ駆動回路における電力消費量は
一層太きくなる。

第２図および第３図は上述の問題を解決するこの発明の
実施例の回路を示す。

このＣＣＤはＰ型シリコン基板１０およびその基板表面
のソース電極Ｓを有する。

このソース電極はＰ型基板内にＮ型拡散したものからな
る。

層Ｂは基板表面上のＮ型シリコン薄層からなり、その基
板とＰＮ接合１２を形成している。

層Ｂは当業者によく理解されるように、ソース拡散層Ｓ
よりもドープ量が少ない。

ＣＣＤ入力電極はＧ１ 、Ｇ２ 、Ｇ３の順に設けられ
た３個のゲート電極と、それに続く多相電極１４゜１６
．１８，２０．・・・からなる。

これらの電極はすべて例えば多結晶シリコンで形成され
たもので、しかも２層重合型とすることができる。

もちろん、他の材料や他の形状の構造を用いることも可
能であって、そうしてもこの発明の範囲を逸脱すること
はない。

チャンネル停正拡散（図示せず）によって形成し得るＣ
ＣＤチャンネルは入力電極Ｇ１゜Ｇ２ 、Ｇ３の下方に
あって比較的広く、また、点線で示すようにＣＣＤの主
要部分に向って先細り状態で幅が次第に狭くなっている
。

ＣＣＤのこの主要部分（図示せず）は数百個のＣＣＤ段
（実際には５００個以上であって、１段当り４個の電極
を持っている）を含む。

図示の実症例では、第２図にそれぞれ幅２ＷとＷで示す
ように、ＣＣＤチャンネルの広い方の部分はＣＣＤチャ
ンネルの主要部分の２倍の幅を持っている。

とのＣＣＤの動作を第４図および第５図に示す。

例示のために、時間ｔ。

では第４図のａに示すように電極Ｇ２の下の電位井戸に
は電荷が存在しないものと仮定する。

この時、φ１は低いので、第１のφ１電極１４の下には
電位障壁２０が、また電極１６の下には浅い電位井戸２
２ができる。

この浅い井戸は、電極１６が電極１４の電圧に比べて正
の直流電圧偏倚で維持されるために生ずるものである。

この偏倚手段は電池１５として図示されている。

Ｖ３はこの時比較的低いレベルにあるので、電極Ｇ３の
下には電位障壁２４ができる。

続いてｖ２は比較的高い直流レベルに維持されるので、
電位井戸２６が蓄積電極Ｇ２の下にできる。

この井戸は入力電位井戸と考えられる。

Ｖｌ もまた直流レベルにあるが、ｖ２はど大きい正
ではない。

この電圧と信号電圧ＶＩＮが電極Ｇ１ へ供給されるか
ら、電極Ｇ１ の下には、高さが直流レベルｖ１ト信号
レベルＶＩＮとの和の関数となる電位障壁が引続いて存
在する。

電圧ｖ８ は時間ｔ。では比較曲玉であるから、拡散層
Ｓは電荷担体のためのドレンとして作用する。

時間ｔ１ において、電圧ｖ８は比較曲数であるので、
拡散層Ｓは電荷担体のソースとして動作する。

この時、これらの電荷担体（電子）は電位井戸２６をレ
ベル３０まで満たす。

時間ｔ２において、電圧ｖ８ はさらに大きい正の値に
なり、拡散層Ｓをドレンとして動作させる。

この時、井戸２６内にある電荷のあるものは障壁２８を
越えて領域Ｓへ逆方向に流出する。

電位井戸２６内の残りの電荷は信号に比例した一方の成
分と、Ｖｌ とＶ２との間の直流レベルの差に比例し
た他方の成分とを含んでいる。

図において、井戸２６内の電荷は２つの異なる方向の線
形で示されている。

この電荷の一方の部分３２はこの井戸内に引続いて残る
ものであって、「バイアス」と記されている。

また、「信号」と記された電荷の残りの部分３４は、井
戸からすくい取られて、後で簡単に説明される後方のＣ
ＣＤレジスタへ転送される。

時間ｔ３において、ｖ３は比較的正になるので、障壁２
４の高さは時間ｔ２の時よりも十分に低くたる。

蓄積電極Ｇ２に供給される電圧ｖ２はすでに述べたよう
にそのまに同じである。

時間ｔ３では、また、位相１の電圧φ１が高いので、電
位井戸３６．３８がφ１電極１４．１６の下にそれぞれ
存在する。

電極１６は電極１４よりも更にバイアスされているので
、電極１６の下の井戸３８は電極１４の下の井戸３６よ
りも更に深い。

（この説明のために、２個の電極の間に電圧偏倚を与え
る手段１５が非対称な電位井戸を生成するためのものと
して示されているが、代りの構造のものでも可能である
。

例えば１４．１６のような２個の電極の代りに単一の電
極を用い、その一方の電極の下に適当なイオン注入を施
すこともできる）φ１電圧は時間ｔ３でｖ３電圧よりも
振幅が十分大きいので、井戸電位２０は井戸電位２４よ
りも高い（井戸電位２４に対する電位井戸２０として現
われる。

）。これらの条件に応じて、電位井戸２６の電荷の一部
分はこの井戸からすくい取られて井戸３８へ転送される
。

その電荷の残り、すたわちバイアス電荷３２は電位井戸
２６内にそのまま残る。

以前に井戸２６内にあって現在井戸３８内にある電荷の
部分３４は、続いて２つの位相電圧φ１ 。

φ２によって普通の方法で後方のＣＣＤレジスタへ転送
される。

このような動作の重要性は第６ａ図を参照すればさらに
よ〈理解できる。

この図は第１図よりも尺度を縮めて描かれている（点線
１３が双方の図で同じ電荷レベルを表わしているとすれ
ば、第１図の点線は第６ａ図の同じ線よりも零電荷レベ
ルからほぼ２倍遠く離れていることが判る）が、図中の
同様部分には同じ参照数字が使用されている。

電位井戸２６（第４図）は、第６図の点線１５で示され
たバイアス電荷（第４図の３２）を引続き保持する。

この点線は変換曲線の比較的直線的な領域の始まりを画
定する。

動作がこの特性曲線の直線領域内にあるため、入力信号
ｖＩＮＶＣ応答してこの電位井戸に加えられる電荷はす
べてこの入力信号から電荷（第４図の３４）へのほぼ線
形の変換を生ずる。

その上、この構造は完全動的範囲が得られるものである
。

言い換えれば、入力電位井戸（電極Ｇ２の下の井戸）は
チャンネルが広い領域内にあるので、その容量は比較的
太きく、ＣＣＤの主要部分内のＣＣＤ転送井戸の約２倍
の容量である（電極Ｇ２の下の入力井戸は第２図と第３
図の４２のような電極の下の井戸の約２倍の容量を持つ
）。

これは、蓄積電極Ｇ２の下の電位井戸２６がその容量の
小部分でしか信号電荷を受は入れるために利用できない
（入力信号が最大値の時、それが井戸の半分だけを占有
するとすれば、バイアス電荷はその井戸の残り部分を占
有する）としても、この電位井戸２６からすくい取られ
る電荷信号はそれでもなお、電極４２の下の井戸を最大
入力信号レベルでほぼその全容量まで満たすことができ
ることを意味する。

従って、このＣＣＤはＣＣＤ本体内の転送電位井戸のほ
ぼ全容量にわたって直線的に動作し、従って、より広く
て有効な動的範囲を有する。

第２図と第３図の電極４２の下にあるような代表的な転
送電位井戸の変換関数が、電極Ｇに供給される入力信号
ｖＩＮに関連して第６０図に示され、転送井戸の全容量
が１３で示されている。

動作はほとんど全特性にわたって全く直線的であること
がわかる。

（実際には、極端に低い入力信号ＶＩＮ レベルにおい
てごくわずかな非直線性力１７で示すように導入される
ことが見られるが、その理由はまだ十分には解っていな
い） 上述したほぼ線形の動作は、余分な基板面積を必要とせ
ずに達成される。

実際の設計において、ＣＣＤの主要部分は５００個以上
（電極２０００個以上）の段からなり、またこれらの段
の最初のものを除くすべてのチャンネル幅、電極面積、
基板面積はそのままで変化していない。

この最初の段の電極１４．１６，１８．２０は面積が増
加し、１個のゲート電極Ｇ３が付加されて用いられ、ま
たソース電極と最初の２個のゲート電極は面積が増加さ
れる。

このＣＣＤに必要な寸法の総合的な増加は重要な意味は
なく、１幅にもならない。

説明では２和動作を想定しているけれども、この発明は
３相、４相またはそれ以上の多相動作に対しても同様に
適用できることはいうまでもない。

また、説明したＣＣＤはＰ型基板を使用しているけれど
も、Ｐ型表面層とＰ型ソース領域を使用しているＮ型基
板装置にも同様に適用できることも勿論である。

当然、動作電圧は適当に変える必要がある。

更に、代表的な波形が示されているけれども、それを変
形することも可能である。

例えば、図では電圧ｖ３は波形φ１ と同じ形状を有す
るが、適当な動作はＶｌ と相違した形状のｖ３によっ
ても得られる。

ｖ３はｖｓが低い時には低くなげればたらないが、ｖ３
はφ１が高くなる前に高くすることができる。

説明はしなかったけれども、上記の方式は、ソース電極
が充満・流出動作の間確実に適当な電位で動作するよう
に次の２件の出願のいずれかの明細書記載の技法を使用
することができる。

これらは、１９７６年７月２６日付でレブイン等（Ａ。

Ｌｅｖｉｎｅ ＋Ｄ −Ｊ 、 Ｓ ａｕｅｒ ）Ｋよ
って出願された、−゛′低雑音ＣＣＤ入力回路′″と題
する米国特許願第７０８３５１号（特開昭５３−１５７
７９号対応）および第７０８３９７号（特開昭５３−１
５７８０号対応）である。

【図面の簡単な説明】

第１図は通常の動作をする埋込みチャンネルＣＣＤ入力
段における入力信号電圧対発生電荷担体数の図表、第２
図、はこの発明の実施例のＣＣＤ入力回路の平面図、第
３図は第２図の線３−３に沿う断面図、第４図は第２図
と第３図の回路動作を説明するための基板縦断面の電位
を示す図、第５図は第２図と第３図の回路の１駆動に使
用される信号波形のタイミングを示す図、第６ａ図およ
び第６ｂ図は第２図および第３図の回路動作を説明する
ための図表である。 １０・・・基板、１４，１６，１８．２０・・・電極、
２４・・・電位障壁、２６・・・入力電位井戸、３０・
・・電荷、３２・・・バイアス成分、３４・・・信号成
分、３８・・・電位井戸、４２・・・電極、φ１ 、φ
２・・・多相電圧、８・・・ソース電極、Ｇ１．Ｇ２．
Ｇ３・・・第１、第２、第３電極、ＶＩＮ・・・入力信
号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板と、その基板から絶縁され、多相電圧を印加す
   ることによって電荷結合装置チャンネルの長手方向に沿
   い電荷信号の蓄積および伝達用の電位井戸を上記基板内
   に形成する電極群とを含むその電荷結合装置チャンネル
   と、上記基板内のソース電極と、上記基板から絶縁され
   、上記ソース電極と上記電荷結合装置チャンネルとの間
   にあり、入力信号に応答して上記ソース電極から上記電
   荷結合装置チャンネルへの電荷の導入を制御する電極手
   段とを具備し、上記電極手段は、印加電圧に応答して上
   記基板内に、上記電荷結合装置チャンネル内の電位井戸
   よりも実質的に大きな容量を持ち、低入力信号レベルで
   比較的非線形であるが高入力信号レベルで比較的線形の
   信号電圧対発生電荷坦体数の変換関数を有する入力電位
   井戸を形成する蓄積電極手段を含み、さらに上記入力信
   号と制御電圧に応答して、上記変換特性の非線形領域に
   相当するレベルのバイアス成分と信号成分とを含む電荷
   を上記電位井戸に導入する手段と、上記蓄積電極の下の
   上記入力電位井戸からそこに蓄積された電荷の信号成分
   を取り出してこれを上記電荷結合装置チャンネルへ転送
   すると共にその電荷のバイアス成分をその入力電位井戸
   内に保留する手段とを具備する電荷結合装置。 ２ 半導体基板と、該基板内のソース電極と、該ソース
   電極に隣接した第１領域、電荷結合装置の主要部分を成
   す上記第１領域より実質的に幅の狭い第３領域および第
   １領域と第３領域とを接続する第２の先細り領域を備え
   た上記基板内の電荷結合装置埋込みチャンネルと、上記
   第１領域を覆いかつ上記基板に対して絶縁された第１、
   第２および第３の電極とを含み、上記第２の電極は蓄積
   電極をなし、上記第１の電極は上記蓄積電極と上記ソー
   ス電極との間に設置され、上記第３の電極は上記第２の
   電極と上記電荷結合装置チャンネルの上記第２領域との
   間に設置され、さらに、上記第２の電極に電圧を供給し
   て上記基板内に電位井戸を作る手段と、上記第１の電極
   に入力信号を供給する手段と、上記ソース電極と上記第
   １の電極との間に、上記電位井戸を電荷で充満させるよ
   うな値の電位差を印加し、しかる後に、その電荷の一部
   を上記ソース電極へ戻して信号成分と上記井戸の相当な
   部分を占有するバイアス成分とを含む電荷を上記電位井
   戸内に残すような値の電位差を供給する手段と、上記第
   ３の電極を少なくとも上記電位井戸を電荷で充満させて
   いる間上記基板内に障壁を形成するような電位に維持す
   る手段と、上記第２領域を覆い、多相電圧に応答して上
   記第２の電極の下の電位井戸よりも実質的に小さいが上
   記信号成分を蓄積しかつ伝達するに十分な容量を有する
   電位井戸を上記基板内に形成する電極と、上記第３の電
   極への印加電位を変えてその下の電位障壁を低くし、上
   記第２の電極の下の上記電位井戸内の電荷の上記バイア
   スのレベルを超過する部分がこの低くなった電位障壁を
   超えて流れるようにする手段と、上記電荷結合装置チャ
   ンネルの上記第３領域内にあって、上記低くなった電位
   障壁を超えて上記チャンネルの上記第３領域へ流れる上
   記電荷を転送する手段とを含む電荷結合装置の入力装置
   。