JPS5921181B2 - 電荷転送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷転送装置に関するものである。

半導体素子において半導体媒体中の電荷の局在した蓄積
量を電気的に制御し移動させることによりシフトレジス
タ動作が実現されてきた。そのような電荷は半導体素子
中で電荷をある段から隣の段へ転送する印加クロック電
圧により制御され半導体中で転送される。このような半
導体シフトレジスタは所謂電荷転送装置（ＣＴＤ）型で
ある。これらの装置はたとえば遅延線及び光学画像ピッ
クアップ装置として有用である。電荷転送装置は主とし
て二つに分類される。

すなわち、いわゆる″電荷結合装置″（ＣＣＤ）と集積
回路の分野のバケツリレー型装置（ＢＢＯ）である。い
ずれの型においても酸化膜で被覆された酸化膜の主表面
上に空間的に周期的に配置された金′ 属電極パターン
が集積されたＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体）形容量を
規定する。それによつて入力信号に応答し最初発生した
半導体中の局在した蓄積電荷（あるいはその一部）は電
極に印加された電圧パルス列（すなわちクロック）によ
り隣接ｊ したＭＯＳ容量間を順次半導体中で移動でき
る。信号電荷は最初そのようなＭＯＳ容量列の入力端に
ディジタル又はアナログ情報の流れに従い注入される。
たとえば刻時電圧パルス列の適当な瞬間においてＣＴＤ
の第１の転送位置に注入された制御された電荷の形とし
てである。もちろん現在の半導体電荷転送装置において
半導体媒体はシリコンで、酸化膜は二酸化シリコンであ
るが他の適当な半導体一絶縁膜の組合せも使用できるこ
とを理解すべきである。

ＣＴＤの場合の３酸化膜５という用語は任意のそのよう
な絶縁膜を指すものと言つて良い。一般に電荷転送装置
は入力信号、特にアナログ入力信号が半導体ウエハ基板
の局部的な表面チヤネル特性に依存した入力電荷をＣＴ
Ｄに導入するという欠点をもつ。

特に第１のＣＴＤ転送位置の近くにおける半導体の入力
ゲート領域中に表面ゞ反転２層を形成する閾値ゲート電
圧に依存する。従つて、二つの異なる半導体基板中に配
置された二つの異なるＣＴＤ（あるいは同じチツプ中に
配置されしかし互に離れている二つのＣＴＤ）中の入力
信号は二つのＣＴＤから異なる出力信号を発生する可能
性があり、これが通常である。この出力の不一致はたと
えば光画像センサ用などの半導体ＣＴＤアレイにおいて
は特に好ましくない。本発明はこの欠点が減少あるいは
除去された電荷転送装置の実現を目的とする。本発明に
よる電荷転送装置は該装置中の第１の転送位置へ電荷を
供給するための入力領域、該入力領域からあらかじめ決
められ入力信号には依存しない電荷を該位置へ転送する
ため該装置を駆動するとともに該位置から入力信号に依
存した量の電荷を除去しそれによつて該位置に該装置中
で続いて転送するための該入力信号に依存した電荷量を
残すための入力回路を含む。

装置は該入力領域と該位置との間に入力ゲート領域を含
んでも良く、該入力回路は該位置を制御するための電極
を駆動する手段、該電極を駆動する間の第１の時間周期
において該あらかじめ決められた入力信号に依存しない
電荷を該入力から該位置へ転送するための電荷注入パル
スを該電極に印加する手段及び入力信号依存電荷量が該
第１の周期に続いて該位置から該入力領域へ戻るよう該
ゲート領域を制御しながら該入力信号を入力ゲートに印
加する手段を含んで良い。

駆動手段は該電極を駆動するためのクロツクパルスを供
給するのに適するもので良く、該クロツクパルスは該電
荷注入パルスの間続き該入力信号供給手段は該クロツク
パルスの間続く第２の周期間該入力ゲート電極に該入力
信号を供給するのに適しでいれば良いそれによつて該電
荷の入力信号依存量は該クロツクパルスが終る前に該位
置から該入力領域に逆転送される。好ましくは該第１の
時間周期は該継続時間の半分以下あるいは３分の１以下
であれば更に好ましい。入力信号供給手段は該入力信号
とバイアス電圧を該入力ゲート電極に供給するのに適し
ていれば良い。

該バイアス電圧の大きさは該駆動電圧と等しいことが好
ましい。装置は半導体基体を含み該入力領域はＰ−Ｎ接
合を該基体中に含む。

第１図を参照すると、半導体電荷転送装置１０はたとえ
ばｐ形シリコンの単結晶半導体基体１１を含む。

半導体基体１１の主底面とのオーム性接触を形成してい
る金属層１２は基体１１のバルクを電気的な接地ポテン
シヤルに保つための電極となつている。基体１１の主上
面は入力ダイオード電極層１４が基体１１中のｎ形局在
表面領域１１．５とオーム性接触を形成するための窓が
あけられている二酸化シリコン層１３により被覆されて
いる。酸化膜１３の露出した表面上には入力ゲート電極
１５とそれに続く電極１６．１，１６．２，１６．３，
１６．４等）のアレイが配置されている。これらのうち
電極１６．１はこの電極直下の基体１１の局在した表面
領域における第１の転送位置の電圧を制御する第１転送
電極である。すべての電極１４，１５，１６．１，１６
．２，１６．３上の任意の時刻における電位は電力源２
１により駆動される入力回路によつて制御される。入力
回路２０は出力端子（左から右へＤ，Ｃ，Φ１，Φ２，
Φ，）を含む。端子Ｄは電極１４に接続され端子Ｃは入
力ゲート電極１５に接続されている。端子（Φ１，Φ２
，Φ３）は周知の３相ＣＴＤ方式に従い電極（１６．１
，１６．２，１６．３，１６．４等）にそれぞれ接続さ
れている。装置１０の動作を説明するために電極層１４
はｎ形領域１１．５とともに電荷を基体１１中へ注入す
る入力源として働くことを注意しておく必要がある。

動作中第２．１図に示されるように、端子Φ１及びΦ２
のクロツク電圧は時間の関数として印加される。Φ１の
能カクロツクパルス位相は時刻ＴＯに始まりＴ２に終る
、一方、Φ２の能動クロツクパルス位相はΦ１のクロツ
クパルス位相の終了時刻Ｔ２よりわずかに前に始まる。
第２．１図において、基準電圧レベルＲは任意のクロツ
ク周期の残りの（受動）位相に対応し、一方電圧レベル
Ｒ＋Ｐはパルス（能動）位相すなわち基準電圧とクロツ
クパルス電圧の和に対応する。図を簡単化するために、
刻時位相Φ３は第２．１図から省略されている。しかし
、当業者には周知のように、クロツク位相Φ３のパルス
位相はクロツクΦ２の能力パルス位相のわずか終了前に
始まることを理解する必要がある。これら各種のクロツ
ク位相すべてが電極１６．１，１６．２，１６．３，１
６．４等）に順次印加されている間のあるクロツク周期
中、入力ダイオード電極１４及び入力ゲート電極１５へ
の電圧は以下のように入力回路２０により供給される。
端子Ｄを経て入力ダイオード電極１４に印加される電圧
Ｖ。はすべての場合信号には依存しないことが望ましく
、この電圧はΦ，の能動パルス位相の始めの部分すなわ
ち典型的な場合電圧ＶＤ（第２．２図）がＲ以下に作ら
れるＴ。からｔ１の間を除くすべてのクロツクにおいて
Ｒ＋Ｐに等しいと有利である。しかし、Ｄは続いて注入
される電荷が電極１６．２直下の半導体中における第２
の転送位置を通つて直ちに流れるようあまり低くしない
方が有利である。動作を有利にするためにはｔ１はＴ。
からＴ２までの約半分以下にし約３分の１以下にするこ
とが望ましい。従つて、負方向パルス（典型的にはＰよ
りわずかに大）がΦ１の能動位相の始めの部分において
入力ダイオードに印加される。この負方向パルスと続い
て電極１６．１に印加されるΦ１の正方向クロツクパル
スの結果、入力ダイオード（局在した表面領域１１．５
）から電極１５下の表面ゲート領域中の基体１１内へ電
子が注入される。これらの注入された電子は（Φ１のク
ロツク電圧パルスにより）電極１６．１直下の第１の転
送位置へ運ばれるがその量はこの入力ゲート信号電圧が
ＲとＲ＋Ｐ（第２．３図）の間にある限り次に入力ゲー
ト電極１５に印加される入力信号には依存しない。クロ
ツクｔ１の後端子Ｄを経て電極１４に印加された負方向
パルスが終る。次に（第１の転送電極１６．１下）の第
１の転送位置中に集積された電子のある一部分は入力ダ
イオード（表面領域１１．５）へ逆転送される。その量
は特にクロツクｔ１からＴ２の間に入力ゲート電極１５
へ印加された入力ゲート信号電圧Ｖｃに依存する。一定
入力ゲート電圧Ｖｃ−ＳがクロツクＴ。からＴ２までの
間通して電極１５に印加されていると仮定すると２．３
図，第１の転送電極１６．１下に残る（そしてその後順
次電極１６．２，１６．３・・・・・・下の位置へ転送
される）電荷量は電圧準位Ｒ＋Ｐから電圧準位Ｓへの電
圧差（第２．３図）に直接比例する。特に、第１の転送
電極１６．１下に先に蓄積されていたすべての電荷は、
入力ゲート信号電圧ＶｃをタロツクＴ。ないしＴ２の間
Ｒ＋Ｐに等しくしそれによりＣＴＤｌＯを通つて更に転
送される信号電荷が残らないならば表面領域１１．５に
逆転送される。従つて、ＴＯないしＴ２の間入力ゲート
電極１５に印加される電圧が最初局在領域１１．５から
電極１６．１下の基体中の領域へ転送された電荷のどれ
ほどが次に表面領域１１．５へ逆転送されるかを決定す
る。信号電圧準位Ｓと（更にシフトレジスタ転送される
ための）第１の転送位置中に残る入力信号電荷Ｑとの間
には簡単な関係がある。ＴＯないしＴ２の時間中入力ゲ
ート電極１５に印加される信号電圧準位Ｓを用いると、
Ｑ−Ｃ（Ｒ＋Ｐ−Ｓ） である。

ここで、Ｃは電極１６．１が酸化膜１３及びこの電極直
下の半導体基体１１の領域と形成する金属一酸化膜一半
導体構造の容量である。従つて、もし電圧準位ＳがＲ＋
Ｐならば更にＣＴＤ転送するための電荷は第１の転送位
置に残らないがもしＳがＲに等しいとクロツクｔ１の終
了時までに第１の転送位置に入力ダイオードから最初に
転送された本質的に全ての電荷（全信号電荷）は残りの
ＣＴＤを経て順次転送されるためにこの第１の転送位置
に残る。更に、Ｒ及びＲ＋Ｐ間の電圧準位Ｓに応答する
電荷量はＳ−（Ｒ＋Ｐ）の大きさに直接比例し、それに
よつて電荷Ｑは信号電圧準位Ｓを連続的に表わすことに
なる。そして、入力ゲート１．５下の入力ゲート半導体
領域の表面チヤネル特性には依存しない。従つて、Ｒ＋
Ｐに等しい電圧レベルＶｃをバイアス準位と考え、それ
からのずれを信号と考えることができる。この電荷Ｑが
第１の運送電極１６．１へ転送された後電荷は通常の電
荷転送装置の原理に従い順次電極（１６．２，１６．３
，１６．４等）へ移動される。電極（１６．１，１６．
２，１６．３，１６．４等）は少くとも基体１１の動作
電荷転送表面領域上において形状的に同一であると有利
である。更に、入力ゲート電極１５は同様に第１の転送
電極１６．１と幾何学的に同一である。ｎ形領域１１．
５は（制御不可能な電荷の多注入を防ぐため）半導体基
体１１に対し常に逆バイアスすると有利であることに注
意すべきである。入力信号中の雑音を減すため第１の転
送電極にはクロツク電圧の第１の位相に対応した他の電
極とは独立にクロツクパルスを印加すると有利である。

加えて、第１の転送電極１６．１に印加される電圧はク
ロツクパルスではなくＤＣ電圧に選びＤＣ準位はやはり
入力信号の雑音準位を下るためほぼＲ＋Ｐに等しくする
ことが可能である。その場合クロツクＴ。は電極１６．
４から始まり３電極毎に印加されるクロツクパルスΦ１
の始めを測定すれば良い。電圧準位Ｒの典型的な値は約
０ないし５ボルトでＲ＋Ｐは１０ないし１５ボルトであ
る。

従つて、典型的な場合Ｐは約１０ボルトである。クロツ
クＴＯないしｔ１間の電圧ＶＤの負方向パルスはＶＤを
典型的な場合１又は２ボルト準位Ｒより低くするが、Ｖ
Ｄ自身は約１ボルト以下になつてはならずそれにより注
入された電荷が電極１６．２下の第２の転送位置を通つ
てただちに流れるのを防止する。本発明を具体例によつ
て述べたがもちろん各種の変形も導出できる。

たとえば当業者には周知の適当な修正をすることにより
上述の３相方式の代りに２相クロツクＣＴＤを用いるこ
ともできる。たとえば、アプライド・フイジツクス，レ
ターズ第２０巻，１１号，４１３４１４頁（１９７２年
６月１日）の［アンダーカツト分離を用いた２相階段酸
化膜ＣＣＤシフトレジスタ」を参照されたい。本発明は
また第１図に示された電荷結合装置ではなくバケツーリ
レ一形装置に応用できる。更に、米国特許第３，７３９
，２４０号あるいはベル，システム，テクニカル，ジヤ
ーナル第５２巻，２号，１４７−１８１頁中の１６４−
１６６頁（１９７３年２月）に発表された「電荷転送装
置における不完全電荷転送の基本的な比較」に述べられ
ているような他の形の電荷転送装置Ｃ４Ｄは本発明によ
り人力信号電荷注入が改善され得る。たとえば、米国特
許第３，６５１，３４９号に記載されている様に多段電
極を電荷転送装置用に使うことができる。そのような場
合、たとえば２段電極を使うと二つの入力ゲートができ
第１転送電極がそれに続く、第１の入力ゲートは入力ゲ
ート１５用として上に述べた電圧を受けるが第２の入力
ゲートは第１転送電極として同様あるいは大きい電圧パ
ルスを受ける。これは第１転送電極と同時に始るが第１
の転送電極ほどは長時間持続しない。また、ｎ形及びｐ
形半導体は印加電圧を適当に変化させることにより入れ
かえることができ、シリコン以外の他の半導体たとえば
ゲルマニウムを本発明を実施するのに使用することもで
きる。最後に、ＴＯからＴ２までの信号電圧準位は一定
である必要はなく、その場合電荷Ｑを発生するための実
効的な信号は該信号電圧の関数となる。以上本発明を要
約すると次のようになる。

１ 入力ゲート領域に電荷を供給し、次に印加電圧に応
答して第１の転送位置に電荷を転送することができる入
力源領域を有する半導体信号電荷転送装置用制御回路で
次のものから成る。

（ａ）第１の転送位置における電位を制御する電極にク
ロツク電圧パルスを印加する第１の回路（ｂ）あらかじ
め決められ信号に依存しない電荷を該ダイオードから第
１の転送位置へ転送するのに十分なクロツク電圧パルス
の継続時間の第１の時間周期において入力源に電荷注入
電圧パルスを印加する第２の回路。

及び（ｃ）ゲート領域における電圧を制御する入力１ゲ
ート電極にクロツクパルスの間続く（つまり注入パルス
の間続く）第２の時間周期中バイアス電圧と信号電圧を
加えたパルスを印加しそれによつて、信号に依存しない
電荷のある量が第１の時間周期に続きかつ該信号電圧に
従いクロツク電圧パルスの終了前に第１の転送位置から
入力源まで逆転送されるようにする第３の回路である。

２前記第１項記載された制御回路において該バイアス電
圧の準位は本質的にクロツク電圧パルスの準位に等しい
。

３ 前記第２項に記載された制御回路において時間周期
はクロツク電圧パルス継続時間の約２分の１である。

４前記第３項に記載された制御回路において、時間周期
は該継続時間の約３分の１以下である。

５ 前記第２項に記載された制御回路において、入力源
は半導体中にＰ−Ｎ接合を含む。

６ 前記第１項に記載された制御回路において時間周期
は該継続時間の約３分の１以下である。

７ 前記第１項に記載された制御回路において、入力源
は半導体中にＰ−Ｎ接合を含む。

８半導体装置で次のものから成る。

（ａ）入力ゲート領域へ電荷を供給し次に電圧に応答し
第１転送位置へ電荷を転送することができる入力源を有
する半導体電荷転送装置。

（ｂ）第１の転送位置における電位を制御する電極にク
ロツク電圧パルスを印加する第１の回路。（ｃ）あらか
じめ決められた信号に依存しない電荷パルスを該ソース
から第１の転送位置へ転送するのに十分なクロツク電圧
パルスの継続時間の第１の時間周期中入力ダイオードに
電荷注入電圧パルスを印加する第２の回路、及び（ｄ）
クロツクパルスの間続く（すなわち注入パルスの間続く
）第２の周期中ゲート領域における電圧を制御する入力
ゲート電極にバイアス電圧と信号電圧を加えたパルスを
印加しそれにより該信号に依存しない電荷のある量が第
１の時間周期に続きしかも該信号電圧に従いクロツク電
圧パルスの終了前に第１の転送位置から入力源へ逆転送
するような第３の回路である。

９前記第８項に記載された半導体装置において、該バイ
アス電圧の大きさはクロツク電圧パルスのそれに本質的
に等しい。

１０；前記第９項に記載された半導体装置において、時
間周期はクロツク電圧パルスの継続時間の約２分の１以
下である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う半導体シフトレジスタ装置と入力
信号回路を一部断面で示した概略図。 第２．１，２．２及び２．３図は第１図の回路の動作を
説明するため電圧と時間の関係をプロツトした図である
。対応表

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電荷転送素子（例えば１０）と該素子を駆動する入
   力回路（例えば２０）とを有する電荷転送装置であつて
   、前記電荷転送素子は、入力源領域（例えば１１．５）
   、第１転送位置（例えば１６．１）及び該入力源領域と
   該位置との間に設けた入力ゲート領域（例えば１５）を
   有し、前記入力回路は、前記第１転送位置の電位を制御
   する電極（例えは１６．１）を駆動する手段（例えばΦ
   ＿１）、該電極の駆動期間の第１の時間間隔（例えばｔ
   ＿０−ｔ＿１）に電荷注入パルスを前記入力源領域に供
   給して入力信号に依存しない所定量の電荷量を該入力源
   領域から該第１転送位置に転送せしめる手段（例えばＤ
   ）、及び該入力信号を入力ゲート電極（例えば１５）に
   供給して前記入力ゲート領域の電位を制御する手段（例
   えばＣ）を含み、動作中に、前記電荷量のうちの入力信
   号に依存する量は、前記素子中での次の転送のため、前
   記電荷量のうちの入力信号に依存する量を前記第１の転
   送位置に残すように、前記第１の周期に続いて該第１の
   転送位置から前記入力源領域に逆転送されることを特徴
   とする、電荷転送装置。