NL8102719A - Halfgeleiderinrichting omvattende een 4-phasen ccd. - Google Patents

Description

/ W, ft ft EHN 10078 1 N.V. Philips’ Gloeilampenfahrieken te Eindhoven.

"Halfgeleiderinrichting cmvattende een 4-phasei ccd".

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting cmr vattende een 4-phasen ladingsgekcppelde inrichting met een halfgeleider-lichaam waarvan een oppervlak is voorzien van een rij van elektroden waar-aan klokspanningen kunnen warden aangelegd ten behoeve van het qpslaan en 5 overdragen van elektrische ladingspakketten, welke elektroden een aantal groepen van vier cmvatten, waarbij de eerste elektrode van elke groep is verbonden met een eerste kloklijn, de tweede met een tweede kloklijn, de derde met een derde kloklijn en de vierde met een vierde kloklijn, waarbij de laatste elektrode van de rij is verbonden met een afzonderlijke aanslui-10 ting en gelegen is naast een uitleestrap, waarvan de capaciteit voldoende groot is cm een maximaal ladingspakket dat onder twee naburige elektroden kan warden opgeslagen, te bevatten.

In gebruikelijke ladingsgekoppelde inrichtingen wordt de uitleestrap gevormd door de uitgang. De gebruikelijke uitgangsstruktuur omvat een 15 uitganszone of diode die meestal is verbonden met de poortelektrode van een MDST-volger en via een weerstand of een reset-schakelaar op een be-paalde potentiaal wardt gezet. De laatste elektrode die voor de uitgangs-zone ligt wordt gewoonlijk uitgangspoort genoemd en wordt bij voorkeur op een vaste potentiaal gezet. Deze potentiaal ligt, in het geval van een 20 n-kanaal CCD dicht bij de meest negatieve potentiaal van de transportklok-spanningen, en in het geval van een p-kanaal CCD dicht bij de ireest posi-tieve potentiaal van de klokspanningen. Hierdoor kan de overspraak van de klokspanningen op het uitgangssignaal verminderd warden. Bovendien wardt, doordat elke lading in de uitgangsdiode wordt opgeslagen, de uitgangsca-25 paciteit beperkt gehouden.

Er dient cpgemerkt te worden dat de uitleestrap niet noodzake-lijkerwijs hoeft samen te vallen met de uitgangsstruktuur van de inrichting, maar dat tussen de uitleestrap en de uitgang nog een deel van het register kan zijn gelegen. Bovendien kan de uitgangscapaciteit in plaats 30 van door een diode ook door een MOS-capaciteit worden gevormd waarvan de geisoleerde poort met de MDSTrvolger is verbonden.

Bij de canventionele wijze van bedrijf van een 4-phasen CCD kan per vier elektroden 1 ladingspakket waarvan de grootte o.a. bepaald wardt 8102719 -¾ ΡΗΝ 10078 2 door de grootte van de elektrode worden verwerkt. In het boek "Charge Transfer Devices" van C.H. Sequin en M.F. Tcnpsett, uitgegeven door Academic Press, New York, 1975, pg* 64/65 wordt aangegeven hoe het ladings'vermogen (signaalgrootte) verdubbeld kan worden door toepassing van 5 overlappende klokspanningen waardoor steeds onder twee naast elkaar gele-gen elektroden lading kan warden qpgeslagen. De uitvinding beoogt in het bijzonder een aan deze wijze van bedrijving aangepaste uitlees- of uitgangsstruktuur aan te geven waarmee een verbeterde uitlezing ’ran de ladings-pakketten kan worden verkregen.

10 Een ladingsgekqppelde inrichting van de in de aanhef cmschreven soort is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de voorlaatste, voor de uitleestrap gelegen, elektrode met het onderliggende deel van het halfgeleiderlichaam een capaciteit vormt die eveneens voldoende hoog is cm het genoemde maximale ladingspakket te kunnen bevatten alvorens la-15 ding naar de uitleestrap wordt overgedragen.

Ter verduidelijking van het inzicht waarop de uitvinding is ge-baseerd zal eerst worden besproken wat er gebeurt in een gebruikelijke uitgangsstruktuur, bij toepassing van overlappende klokspanningen.

Door het aanleggen van dergelijke klokspanningen kan steeds onder 20 2 naburige elektroden lading worden opgeslagen, zodat de ladingspakketten het dubbele kunnen bedragen van ladingspakketten wanneer op vier lege "errmers" steeds slechts βέη voile emmer kan voorkcmen. De dubbele ladingspakketten kunnen in de richting van de uitgang warden getransporteerd en kcmen tenslotte in het gebied onder de laatste twee elektroden voor de 25 uitgangspoort. golang onder beide elektroden een potentiaal minimum aan-wezig is kan het hele ladingspakket nog worden qpgeslagen. Op een bepaald ogenblik echter verdwijnt het potentiaalminimum onder de eerste elektrode waardoor het dubbele-ladingspakket wordt opgezameld onder de tweede elektrode, d.i. de voorlaatste elektrode, gezien vanuit de uitgangsdiode.

30 Wanneer het ladingspakket een maximale grootte heeft, kan nu al lading via de potentiaalbarri^re onder de uitgangspoort naar de uitgangsdiode strcmen, totdat de potentiaal onder de voorlaatste elektrode het niveau van de potentiaal onder de uitgangspoort heeft bereikt. De rest van de lading zal naar de uitgangsdiode worden overgeheveld wanneer de klok-35 spanning op de voorlaatste elektrode wordt veranderd.

In de gebruikelijke uitgangsstruktuur, zal het ladingspakket dus verdeeld over de tijd in de uitgangscapaciteit terecht kcmen, wat voor de verdere signaalverwerking vaak ongunstig is.

8102719 ΡΗΝ 10078 3 Ϊ-

Door toepassing van een uitgangsstruktuur volgens de uitvinding kan het maximale (dubbele) ladingspakket order de genoende voorlaatste elektrode warden cpgeslagen bij een geschikt gekozen, vaste spanning op de uitgangspoort, en op elk geschikt geacht moment in zijn geheel naar 5 de uitgangsdiode of uitleescapaciteit warden overgeheveld.

Een eenvoudige voorkeursuitvoering is daardoor gekenmerkt dat de capaciteit die de voorlaatste elektrode met het halfgeleiderlichaam vomit groter is dan 2x de capaciteit die de voorgaande elektroden met het halfgeleiderlichaam vormen. In deze uitvoeringsvorm kan, bij een gebruik-10 te klokspanning, onder de uitgangspoort een iets lagere potentiaalbarridre warden gevormd dan onder de voorgaande elektroden terwijl toch alle lading onder genoemde voorlaatste elektrode blijft.

Bij voorkeur wordt, cmdat de grootte van de capaciteiten weer be-palend is voor de frequentiekarakteristiek van de inrichting, de voor-15 laatste electrode zodanig gevormd dat hij een capaciteit vomit die ten boogste 3x groter is dan de capaciteit die de voorgaande elektroden met het halfgeleiderlichaam vormen.

De uitvinding zal nader warden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de bijbehorende schematische tekening waarin 20 Pig. 1 een dwarsdoorsnede voorstelt van een 4-phasen CCD volgens de uitvinding;

Pig. 2a een schema geeft van de tijdens bedrijf aangelegde klok-spanningen φ en de hierbij cptredende uitgangsspanning Vo;

Fig. 2b de klokspanning 0r geeft die bij een bekende 4-phasen 25 CCD tijdens bedrijf wordt gebruikt en de hierbij optredende uitgangsspanning Vo.

Fig. 1 stelt, schematisch, een dwarsdoorsnede voor van een deel van een ladingsgekoppelde inrichting volgens de uitvinding, en wel dat deel dat voor de uitvinding van belang is en een uitleestrap cravat die in 30 het anderhavige uitvoeringsvoorbeeld samenvalt met de uitgang van de ladingsgekoppelde inrichting. Het niet in de tekening getoonde deel, dat een elektrische ingang kan cravatten, kan van een conventionele opbouw zijn.

De hier beschreven ladingsgekoppelde inrichting is van een type 35 waarin het ladings transport -althans in hoofdzaak- via het inwendige van het lichaam 1 plaatsvindt, welk type in de literatuur vaak bekend staat als peed of bccd. Hoewel de uitvinding ook van toepassing is op z.g. qp-pervlakte ccd’s, biedt de uitvinding bijzondere voordelen bij de toepas- 81 02 7 1 9 * fy> PHN 10078 4 sing van dergelijke tulk-ccd's vanwege het verhoogde ladingsventogen (charge handling capability) dat bij conventionele bulk-ccd's relatief laag is.

De inrichting cravat een halfgeleiderlichaam 1 dat in een speci-5 fieke uitvoeringsvorm van silicium is, maar dat ook van een ander ge-schikt halfgeleidennateriaal, zeals Ga As kan zijn.

Het lichaara 1 cravat een substraat 1a van het ene geleidingstype, bijvoorbeeld het p-type, dat door middel van epitaxie of ionenimplantatie voorzien is van een n-type oppervlaktelaag over de gehele dikte waarvan 10 een verarmingsgebied kan worden gevormd t.b.v. bulk transport van elek-tronen.

Op het oppervlak 2 van het halfgeleiderlichaam is een reeks elek-troden 3-11 aangebracht bijvoorbeeld in een qp zichzelf gebruikelijke overlappende, 2-laagspoly configuratie. Uiteraard kunnen de elektroden 15 ook en een 3.1aags poly techniek worden uitgevoerd. Bovendien kunnen bij-voorbeeld de elektroden 3,5,7,9 en 11 ook van M zijn.. Ook kan in plaats van polykristallijn silicium ten behoeve van de elektroden, een metaalsi-licide worden toegepast.

Tussen. het halfgeleiderlichaam 1 en de elektroden 3-12 is een 20 dielectricum 13 gelegen dat, in de hier beschreven specifieke uitvoering een laag van siliciumoxide met een dikte van ongeveer 1000 A kan cravatten, . maar dat ook lagen van andere materialen, bijvoorbeeld siliciumnitride kan cravatten. In andere uitvoeringen, in het bijzonder waarbij voor de elektroden een geschikt metaal is gekozen, kan de sperrende laag 13 in het 25 beschreven uitvoeringsvoorbeeld ook vervangen worden door een gelijkrich-tende, in de sperrichting voor te spannen Schottky-overgang.

Qm de inrichting geschikt te maken voor 4-phasen bedrijf, zijn de elektroden 3—12 gegroepeerd in groepen van vier, waarbij de elektroden 4 en 8 zijn doorverbonden met een eerste kloklijn 14, de elektroden 5 en 9 30 met een tweede kloklijn 15, de elektroden 6 en 10 met een derde kloklijn 16, en de elektroden 3,7 en 11 met de vierde kloklijn 17.

Volgend op de elektrode 11 is een uitleestrap aangebracht, die, in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld, samenvalt met de uitgang via wel-ke de ladingspakketten uit de inrichting worden afgevoerd. In andere uit-35 voeringsvoorbeelden echter kan de uitleestrap ook v66r de uitgang zijn gelegen en hiervan zijn gescheiden door een deel van het register. De uitgang (of uitleestrap) is van een conventionele opbouw en cravat, een gebied 18 waarin de uit te lezen ladingspakketten worden opgezameld. Dit gebied r 81 02 7 1 9 EHN 10078 5 dat enerzijds is verbonden met de poort van een volgerschakeling 19 voor het uitlezen van de uitgangsspanning Vo, anderzijds via een MOST schake-laar 20 met een spanningsfaron die de referentiespanning Vr levert. De MOST schakelaar 20 cmvat het gebied 18 als bran, de elektrode 21 als geisoleer-5 de poortelektrode, en de met de spanningsbron Vr verbonden zone 22 als af-voerzone.

Zoals nog nader zal worden toegelicht kunnen aan de klokspannings-elektroden 3-11 zodanige klokspanningen worden aangelegd dat tel- kens onder twee, naburige elektroden lading kan worden opgeslagen. De ca-10 paciteit van het uitleesgebied is zodanig gekozen dat bij de aangelegde spanningen een dergelijk ladingspakket geheel in het gebied 18 kan worden opgeslagen. Volgens de uitvinding vormt de voorlaatste elektrode 11, die voor het gebied 18 is gelegen, met het cnderliggende deel van het halfge-leiderlichaam 1b een capaciteit die eveneens voldoende hoog is cm een 15 dergelijk ladingspakket te kunnen bevatten alvorens de lading wordt over-gedragen naar het gebied 18. Chi voortijdig transport naar de zone 18 te voorkcmen is de capaciteit die de elektrode 11 met het gebied 1b vormt groter gekozen dan de scm van de capaciteiten die elk tweetal naburige elektroden van de redes 3-10 met het gebied 1b vormen.

20 De capaciteit die de elektrode 11 met het gebied 1b vormt, kan op verschillende wijzen die elk afzonderlijk of in caribinatie met elkaar kunnen worden toegepast, worden ingesteld. Zo kan ter plaatse van de elektrode 11 bijvoorbeeld de doteringsconcentratie verhoogd worden, waardoor het ladingspakket dichter bij het oppervlak 2 wordt opgeslagen. In het 25 onderhavige uitvoeringsvoorbeeld echter is de vergroting van de capaciteit verkregen door geschikte keuze van de dimensies van de elektrode 11.

In dit verband dient qpgemerkt te worden dat onder "elektrode" voomame-lijk die delen van de geleidersporen begrepen dienen te worden die direct boven het ladingstransportkanaal 1b zijn gelegen en als qpslag/transport 30 elektrode werkzaam zijn* Die delen van de geleidersporen die, in projec-tie gezien, niet boven het ladingstransportkanaal zijn gelegen, of die delen, van de elektroden 3,5,7,9 en 11 van de 2e laag poly die de 1e-laags polyelektroden 4,6,8 en 10 overlappen worden niet tot het effectieve deel van de elektroden gerekend.

35 In het in Fig. 1 getoonde voorbeeld zijn de elektroden 3-10 on- geveer even groot. De elektrode 11 is tenminste 2x groter dan de elektroden 3-10. Om enerzijds te voorkcmen dat een te grote afmeting van de elektrode 11 de transportsnelheid van de inrichting nadelig gaat beinvloeden, 8102719

*· V

PHN 10078 6 anderzijds een gewenste keuzevrijheid mogelijk te maken van de spanningen die aan de elektrode 12 wordt aangelegd, is de elektrcde 11 ongeveer 2.5 maal zo groot gemaakt als de elektroden 3-10.

Voor de werking van de inrichting wordt verwezen naar de figu-5 ren 2a en 3, waarbij Pig. 2a de klokspanningen φ^ - φ^, de klokspanning 0r op de elektrode 21, en de uitgangsspanning Vo geeft, en Eig.3 de hier-bij in het halfgeleiderlichaam qptredende potentiaalverdeling. Ter verge-lijking geeft Fig. 2b de spanning 02 en de uitgangsspanning Vo bij een 4-phasen CCD met een gebruikelijke uitgangsstruktuur.

10 In het hier beschreven uitvoeringsvoorbeeld, een CCD met een n- type bulkkanaal, waarin de ladingspakketten in de vorm van elektronen door de laag 1b warden verplaatst, wordt de lading opgeslagen onder de elektroden met de meest positieve spanning. De klokspanningen φ^, φ^, φ^ en overlappen elkaar tenminste 90° in phase, zoals in Fig. 2a is aangege-15 ven, waardoor op elk tijdstip tenminste twee naburige elektroden "aan" staan en de capaciteiten van 2 naast elkaar gelegen elektroden per ladings-pakket kunnen warden gebruikt. Op het tijdstip to zijn bijvoorbeeld φ^ en p2 positief, p3 en φ^ negatief. In Fig. 3 is aangegeven, dat op dit tijdstip een, gearceerd weergegeven ladingspakket is opgeslagen onder de elek-20 troden 8 en 9. Dit ladingspakket bedraagt bij toepassing van overlappende klokelektroden het dubbele ten opzichte van ladingspakketten, die, bij niet-overlappende klokspanningen van dezelfde amplituden, onder sleets έέη elektrode kunnen warden opgeslagen.

Op t1 staan 02 611 P3 positief, terwijl φ4 en φ^ negatief zijn; 25 in deze situatie bevindt genoemd ladingspakket zich onder de elektroden 9 en 10 (zie Fig. 3).

Op t2 zijn 03 en φ^ positief, en φ^ negatief,. Het ladingspakket . is nu opgeslagen onder de elektroden 1'en 11.

Op t3 zijn P4 en φ^ positief en 02 en φ^ negatief. Het gehele 30 ladingspakket bevindt zich alleen onder de elektrode 11. Wanneer de -effectieve- oppervlakte van de elektrode 11 tenminste 2x zo groot zou zijn dan die van de elektroden 3-10, zou, bij de voile negatieve spanning op de elektrode 12, het gehele ladingspakket al onder de elektrode 11 kunnen warden opgeslagen zonder dat het ladingspakket al gedeeltelijk naar 35 het uitleesgebied 18 overloopt. Doordat de oppervlakte van de elektrode 11 nog groter is gekozen, n.l. ongeveer 2.5 x zo groot als die van de voor-gaande elektroden, zal de onder de elektrode 11 gegenereerde potentiaal-put niet geheel gevuld warden. Hierdoor is het mogelijk op de elektrode 12 81 02 7 1 9 EHN 10078 7 niet de voile negatieve spanning te zetten, maar een iets lagere zodat de potentiaalbarriere onder de elektrode 12 iets lager is dan onder de elek-trode 10, zonder dat er lading overloopt naar het gebied 18. Zolang de spanning op de elektrode 11 niet verandert kan het gebied 18 gebruikt 5 warden voor het uitlezen van een voorgaand signaal, eveneens gearceerd weergegeven.

Op t4 staat cp de elektrode 21 een positieve spanning 0r waar-door de transistor 20 aan is en het gebied 18 wordt verbonden met de re-setspanning Vr. Het ladingspakket dat in het gebied 18 is opgeslagen wordt 10 nu via de transistor 20 verwijderd, waardoor het gebied 18 weer gereed is an het ladingspakket dat zich aider de elektrode 11 bevindt, op te slaan. Tegelijk met de klokpuls 0rkrijgt de ingang van de source-volger-schakeling 19 het nulsignaal V .

Op t5 is de spanning φ^ cp de elektrode 11 ook negatief, zodat 15 de potentiaal onder de elektrode 11 stijgt. Doordat de barriere onder elektrode 12 iets lager is dan onder de elektrode 10 strocmt de lading in het gebied 18 en veroorzaakt daar een door de source-volger te meten uit-gangssignaal Vo. De signaalgrootte wordt door Vs voorgesteld.

Voor het uitlezen van het signaal staat het gehele tijdinterval 20 tussen 2 klokpulsen 0r ter beschikking doordat het hele signaal onverdeeld in het gebied 18 wordt overgeheveld op een tijdstip dat bepaald wordt door φ^. Ter vergelijking hiermee is in Fig. 2b de situatie weergegeven die op-treedt bij een gebruikelijke uitgangsstruktuur waarbij de elektrode 11 de-zelfde of ongeveer dezelfde afmetingen heeft als de elektroden 3-10. In 25 dit geval kan al een -klein- deel van de lading weglcpen als elektrode 11 (P^)positief en elektrode 9 {φ^) negatief wordt vanwege de iets lagere spanning cp elektrode 12. (tg). Voordat elektrode 10 (φ^) negatief wordt moet nu eerst het gebied 18 gereset warden (t^). Pas hierna kan op de elektrode 10 (03) de negatieve klok worden gezet (tg). Bij een maximaal 30 ladingspakket gaatde helft van het ladingspakket nual over naar het gebied 18. De rest van de lading gaat over cp t9 wanneer φ^ negatief wordt. Het signaal kcrat dus verdeeld in de tijd in het uitgangsgebied 18. Daardoor is het beschikbare tijdsinterval waarin uitaelezen kan worden kleiner. Bo-vendien dienen extra maatregelen gencmen te worden cm uit de uitgangsspan-35 ning Vo het signaal te halen. In tegenstelling hiermee wordt het hele ladingspakket in de richting volgens de uitvinding overgeheveld op een tijdstip dat enkel door de klokspanning cp de elektrode 11 wordt bepaald.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het 8102719 PHN 10078 8

J

___________hier gegeven uitvoeringsvoorbeeld maar dat binnen het kader van de uit- vinding voor de vakman nog veel varieties mogelijk zijn. Zo kan de uit-vinding met voordeel eveneens in oppervlakte ladingsgekoppelde inrich-tingen warden toegepast. Verder kan de capaciteit van de elektrode 11 ook 5 op andere manieren dan door vergroting van de dimensies, al dan niet in caribinatie met elkaar worden vergroot, zoals door middel van plaatselijke dotering van het halfgeleiderlichaam, de dikte van de oxidelaag, of door plaatselijk een ander dielectricum dan oxide, zoals siliciumnitride, met een grotere dielektrische constante aan te brengen.

10 15 20 25 30 35 81 0 2 7 1 9

Claims (4)

1. 2. Halfgeleiderinrichting volgens coiclusie 1, met het kenmerk, dat de voorlaatste elektrode van de rij van elektroden met het onderliggende halfgeleiderlichaam een grotere capaciteit vormt dan de twee genoemde 20 naburige elektroden.
2. 3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de elektroden die voor de voorlaatste elektrode zijn gelegen, in opper-vlakte ongeveer even groot aan elkaar zijn en dat de voorlaatste elektrode in cppervlakte tenminste tweemaal groter is.
3. 4. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de voorlaatste elektrode in oppervlak ten hoogste ongeveer driemaal groter is dan de elektroden gelegen voor de voorlaatste elektrode.
4. 5. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorgaande con clusies, met het kenmerk, dat de vier genoemde kloklijnen zijn verbonden 30 met middelen voor het aanleggen van klokspanningen aan de elektroden waarbij klckspanningen die aan naburige elektroden worden aangelegd elkaar tenminste 90° in plaats overlappen. 35 8102719