JPS5842630B2 - 電荷結合素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、リセットゲート付きのフローティング不純
物拡散層に一旦信号電荷を保持しこの電荷とフローティ
ング拡散層のもつ浮遊容量とで決まる電位変化をソース
フォロア等のバッファ回路で検出して出力するリセット
拡散層方式の電荷結合素子（ＣＣＤ）に関するものであ
る。

第１図に従来のリセット拡散層方式のＣＣＤの構成説明
図を示す。

同図ＡはＣＣＤ部分の平面図と結線の説明図、同図Ｂは
ＣＣＤ部分の断面図である。

図中１０１〜１０３はクロックパルス印加用端子（この
場合簡単のため全て説明は３相クロツクで行うが本質的
に２相または４相のクロックでも変りはない）で、端子
１０１には第１相、端子１０２にはそれより１２００位
相が遅れた第２相、端子１０３には更に１２００遅れた
第３相のクロックパルスを印加する。

１０４は出力制御電極用端子で、通常、クロックパルス
がフローティング拡散層に雑音を与えることを防止する
ため、この端子１０４に適当な直流バイアスを与えてク
ロックゲートと拡散層のデカップリングを行う。

１０５は信号電荷を次の信号電荷パルスが到来する直前
にリセットするためのリセットパルス印加用端子、１０
６はフローティング不純物拡散層用端子、１０７はリセ
ットされた電荷のドレイン端子、１０８は信号出力端子
、１１１は半導体基板、１１２はフローティング不純物
拡散層、１１３は絶縁膜、１１４は出力制御電極、１２
１は出力制御用ゲート直流バイアス電源、１２２はドレ
イン用直流電源、１２３はバッファ用ソースフォロアト
ランジスタ、１２４はソースフォロアの負荷抵抗である
。

第２図は、各ゲート下と不純物拡散層中のポテンシャル
と信号電荷の転送の様子を模式的に示したものであり、
同図中２０１はドレイン用不純物拡散層、２０２はＣＣ
Ｄのチャンネル中の信号電荷、２０３はフローティング
拡散層中の信号電荷、２０４は不純物拡散層中に常時存
在する電荷である。

図中の矢印は電荷の転送方向を示す。

第２図において、（１）→（２）→（３）→（４）の順
で時間は経過しており、（２）の瞬間にリセットゲート
が導通状態となり、フローティング拡散層１１２の電位
はドレイン電位に固定される。

次にリセットゲートがＯＦＦ状態になってから（３）の
ように次の電荷がフローティング拡散層１１２に転送さ
れ、この拡散層１１２のポテンシャルは再ひ上昇する。

このフローティング拡散の浮遊容量をｃＦとし、信号電
荷をＱｓとすると、出力信号としてとり出せる電位変化
Ｖｓは次の式で表わせる。

ＣＣＤを種々の信号処理機能素子として使用する場合、
素子としての信号対雑音比改善のため出力信号振幅をで
きるだけ大きくとる必要がある。

浮遊容量ＣＦのうちには、フローティング拡散層１１２
の面積に比例する成分ＣＦＤとその他（例えば拡散層と
バッファ用ソースフォロアのゲートを結ぶ配線のもつ容
量等）の成分ＣＦＰとに分けられ、従来は主に後者の影
響を少なくするためにＣＣＤのチャンネル幅（第１図中
の１３１）を大きくし、転送される信号電荷量Ｑ８と同
時に拡散層面積に比例するＣＦＤを大きくし、ＣＦＰを
一定に保つことにより最終的に出力電圧Ｖｓ／を大きく
している。

すなわち、 ただし、ｖ′ｓは新しい出力電圧、Ｑ′ｓは新しい信号
電荷、Ｃ２Ｆはフローティング拡散層の新しい容量、α
（〉１）はＣＣＤのチャンネル幅の増加の倍率である。

しかし、この方法ではチャンネル幅を非常に大きくする
必要があり、非常に細長いゲートを作ることになるので
、製作がそれだけ困難になり、しかも（２）式よりも明
きらかなとうりαをいくら大きくとっても となり、この上限を越えることができない。

そのためかならずしも十分な出力振幅を得ることができ
なかった。

したがって、この発明の目的は、十分大きい出力電圧を
得ることができるＣＣＤを提供することである。

第３図にこの発明の基本構成を示す。

Ａは平面図、Ｂは断面図である。

同図中３０１．３０２゜３０３は各々３相のクロックパ
ルス印加用端子、３０４は出力制御ゲート用端子、３０
５はリセットパルス用端子、３０６はフローティング不
純物拡散用端子、３０７は出力端子、３０８はドレイン
用端子、３１１は半導体基板、３１２はフローティング
不純物拡散層、３１３は絶縁膜、３１４は金属または高
導電性物質からなる出力制御電極である。

３２１は出力制御電極バイアス用直流電源、３２２はド
レイン用直流電源、３２３はバッファ用ソースフォロア
トランジスタ、３２４はソースフォロアの負荷抵抗であ
る。

この出力部の動作は従来のものとほぼ同一であるが、出
力制御電極３１４は図のように信号電荷転送方向に電極
幅が漸次減少するようにした構造をもっており、その先
に面積の小さなフローティング不純物拡散層３１２が付
いている。

したがって信号電荷は液体をじょうごで集める要領で小
さなフローティング不純物拡散層３１２に集められる。

そして明きらかにこのフローティング不純物拡散層３１
２の浮遊容量ＣＦは面積が小さくなっている分だけ小さ
くなっており、ＣＣＤのチャンネル幅をβ倍にし、リセ
ット付拡散層の面積を一定におさえることにより出力信
号振幅をβ倍することができる。

すなわち、 ｖ／ｓはこの方法による出力電圧振幅で、（３）式より
従来のβ倍となっていることが分る。

第３図中３３１はリセットゲート付拡散層の幅、３３２
はＣＣＤ本体のチャンネル幅であって、これらの比がβ
である。

また、本方式で重要なことは、ＣＣＤ本体の出力端にお
いて信号電荷の転送チャンネルが漸次細くなっている点
であるから、出力制御電極３１４を台形状にする代りに
、第４図に示すようにチャンネル部分の半導体極性と逆
極性の不純物高濃度層によってチャンネル幅を規定する
所謂チャンネルストッパ不純物層方式では、このチャン
ネルストッパ層を漏斗状にすればよい。

同図中４０１〜４０３は３相クロツク用端子、４０４は
出力制御用端子、４０５はリセット用端子、４０６はリ
セットゲート付フローティング拡散層からの配線端子、
４０８はドレイン端子、４１５はチャンネルストッパ不
純物層である。

次に、上記のＣＣＤチャンネル幅と、リセットゲート付
フローティング拡散層の幅の比βを非常に大きくとると
、このフローティング拡散層の電位変化は大きくなり、
電荷転送特性が劣化したり、出力制御電極の作る電位障
壁を越して電荷が逆流したりする。

この電荷の逆流現象は信号の周波数特性を劣化させるた
め避ける必要がある。

−この逆流現象を模式的に示したのが第５図である！同
図中５０１〜５０３は３相クロツク用端子、５０４は出
力制御電極用端子、５０５はリセット電極用端子、５０
６はリセットゲニト付フローティング拡散層、５０８は
ドレイン用拡散層、５１１は信号電荷、５１２は拡散層
部の常時存在する電荷である。

第５図（２）の矢印のように逆流現象が起る。これを防
止するためには、第６図のように出力制御電極下の電位
に傾斜をつければよい。

同図中６０４は出力制御電極用端子で、出力制御電極は
チャンネルに電位傾斜を作るため高導電率部分６０６と
抵抗性部分６０７からなり、直流電圧６２１を両端の高
導電率部分６０６に印加して電極内に電位傾斜を作って
いる。

６１２はフローティング拡散層内に蓄積された信号電荷
、６１１は出力制御電極下のチャンネル部分に蓄積され
た信号電荷、６１３は拡散層に常時存在する電荷である
。

このように、出力制御電極下のチャンネルに電位傾斜を
つけることは単に電荷の逆流を防止するためだけでなく
、徐々にテーパをつけるために結果的に信号電荷の転送
距離が長くなった出力制御電極下のチャンネル部分で、
電位傾斜による信号電荷のドリフトにより速やかに信号
電荷を転送させることができ、この部分の転送特性の劣
化を防止する働きもする。

特にＣＣＤの駆動クロック周波数が高くなり、高速の電
荷転送が要求される場合、このドリフト作用は有効とな
る。

以上のように、この発明によれば、出力電圧を十分大き
くすることができるため、ＳＮ比を改善することができ
、内部雑音の問題を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＣＣＤの信号出力部の構成図、第２図は
第１図に示した従来例の動作説明図、第３図はこの発明
の一実施例の構成図、第４図は他の実施例の構成図、第
５図は第３図または第４図に示したＣＣＤの極端な使い
方をした場合の動作説明図、第６図はこの発明の他の実
施例の説明図である。 ３１２・・・・・・フローティング不純物拡散層、３１
４・・・・・・出力制御電極、６０６・・・・・・高導
電率部分、６０７・・・・・・抵抗性部分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板上で信号電荷の転送を行なうチャンネル
   領域と、このチャンネル領域の信号電荷出力端に接続さ
   れた浮遊高導電性不純物拡散層と、この浮遊高導電性不
   純物拡散層をソースとし、前記半導体基板上に形成され
   た電界効果トランジスタによる信号電荷リセットゲート
   とを備え、前記チャンネル領域が、チャンネル幅が均一
   な第一のチャンネル部分と、この第一のチャンネル部分
   と前記浮遊高導電性不純物拡散層に接続されチャンネル
   幅が前記第一のチャンネル部分のチャンネル幅から転送
   方向に収束する第二のチャンネル部分から成るとともに
   、前記浮遊高導電性不純物拡散層の幅が前記第二のチャ
   ンネル部分の出力端のチャンネル幅と同一であることを
   特徴とする電荷結合素子。