NL8501702A

NL8501702A - Ladingsgekoppelde inrichting.

Info

Publication number: NL8501702A
Application number: NL8501702A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1987-01-02
Also published as: US4726049A; EP0205221A1; JPS61288470A; DE3676878D1; CA1257393A; AU5858586A; EP0205221B1

Description

* · PEN Π.417 1 N.V. Philips Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Ladingsgékoppelde inrichting".

i

De uitvinding heeft betrekking op een ladingsgekqppelde inrich- j ting omvattende een aan een oppervlak van een halfgeleiderlichaam gede- j finieerd ladingstransportkanaal, en een ingangstrap voor het toevoeren van signaalafhankelijke ladingspakketten, net een ingangsdiode voor het 5 leveren van ladingsdragers, met een eerste elektrode, aangebracht boven het ladingstransportkanaal, voor het vormen van een ladingspakket van j i een vaste, signaalonafhankelijke, grootte, en met een tweede, een derde | en een vierde, boven het ladingstransportkanaal gelegen elektrode, waarbij de tweede, derde en vierde elektrode verbonden zijn met middelen 10 voor het aanleggen van spanningen zodanig dat een zich onder deze elektroden uitstrekkende potentiaalput geïnduceerd kan warden, waarin het ladingspakket van vaste grootte kan worden overgeheveld, welke middelen een spanningsbron omvatten, met behulp waarvan tussen de tweede en de vierde elektrode een signaalafhankelijk spanningsverschil kan worden 15 aangelegd waardoor onder de tweede en de vierde elektrode signaalafhankelijke hoeveelheden lading worden opgeslagen, waaruit ccnplementaire ladingspakketten kunnen worden gevormd door aan de derde elektrode een zodanige spanning aan te leggen dat onder deze elektrode een potentiaal-barrière ontstaat die de ladingspakketten onder de tweede en de vierde 20 elektrode van elkaar isoleert. Een dergelijke ladingsgekoppelde inrichting is bijvoorbeeld bekend uit de publicatie “A symmetrically Balanced Linear Differential Charge-Splitting Input for Charge-Coupled Devices" van Carlo H. Séquin et al., gepubliceerd in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-24, No.6 Juni 1977 pg. 746-750. Fig. 4 van;deze publica-25 tie toont een inrichting die geschikt is voor die toepassingen waarin van de twee, onder de tweede en vierde elektrode gevormde signaalafhankelijke ladingspakketten er slechts een ten behoeve vanverdere signaalbewerking verder getransporteerd wordt, terwijl het andere ladingspakket af gevoerd wordt. Cm deze bedrijfswijze mogelijk te maken is de inrichting voorzien 30 van een ingangstrap die, voorzover althans wat betreft het gedeelte dat de ingangsdiode en de eerste elektrode omvat, dwars op het overige deel van het ladingstransportkanaal staat. De tweede, derde en vierde elektroden zijn gelegen op de plaats waar beide delen samenkanen. De ladings- κ. n (, 7 7 Λ 9 vr- «j t' - o ij PHN 11.417 2 pakketten onder de tweede c.q. de vierde elektrode kunnen in verschillende richtingen verder getransporteerd worden, namelijk naar een af voer zone voor het ene pakket en naar een uitleesorgaan voor het andere pakket.

Bij deze configuratie moet de lading, om van het ene (verticale) 5 deel in het andere (horizontale) deel overgeheveld te worden, een nauw \wordt^ kanaal passeren waarvan de breedte bepaald ydoor de lengte van de tweede en de vierde elektrode. Doordat bij ladingsgekoppelde inrichtingen in het algemeen de breedte over lengte verhouding veel groter is dan 1, brengt het ladingstransport vanuit het verticale deel in het horizontale deel 10 een aanzienlijke snelheidsvermindering met zich mee. Dit betekent dat in het algemeen de frequentie waarmee deze inrichting kan worden bedreven, veel lager ligt dan de frequentie waarmee het normale ladingstransport in het horizontale deel bedreven zou kunnen worden. Het transport van het verticale naar het horizontale deel zou versneld kunnen worden door de 15 lengte van de tweede en de vierde elektrode veel groter te maken. Een dergelijke vergroting zou echter weer snelheidsverminderend voor het horizontale deel zijn.

De uitvinding beoogt onder meer een ladingsgekoppelde inrichting van de in de aanhef beschreven soort te geven, waarin deze frequentie-20 beperking wordt voorkomen.

De uitvinding berust op het inzicht dat het signaalafhankelijke ladingspakket dat onder de genoemde tweede elektrode is gevormd en niet meer ten behoeve van verdere signaalbewerking door de ladingsgekoppelde inrichting wordt getransporteerd, teruggeheveld kan worden naar het ge-25 bied onder de eerste elektrode.

Een ladingsgekoppelde inrichting volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat genoemde elektroden een tot vier achter elkaar zijn gerangschikt, zodanig dat de tweede elektrode tussen elektroden een en drie is gelegen, en dat middelen aanwezig zijn cm het onder de tweede 30 elektrode gevormde ladingspakket terug te hevelen naar het gebied onder de eerste elektrode voordat onder deze elektrode weer een ladingspakket van vaste grootte wordt gvormd.

Doordat het overtollige ladingspakket weer onder de eerste elektrode wordt opgeslagen, is een afzonderlijke af voer voor dit ladingspak-35 ket overbodig. De elektroden kunnen nu allen achter elkaar gerangschikt worden, waardoor de hierboven beschreven snelheidsbeperkingen worden vermeden.

Een belangrijke voorkeursuitvoering, is daardoor gekenmerkt dat v λ 7 >!\ F) ΡΚΝ 11.417 3

V

i 4 het signaalafhankelijke spanningsverschil tussen de tweede en de vierde elektrode verkregen wordt van een signaal S, dat in de vorm +S aan een van de genoemde elektroden en in de vorm -S aan de andere van de genoemde elektroden wordt toegevoerd.

5 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de bijgaande schematische tekening waarin

Fig. 1 een bovenaanzicht geeft van een deel van een ladingsge-koppelde inrichting volgens de uitvinding;

Fig. 2 een doorsnede van deze inrichting langs de lijn II-II in 10 Fig. 1 geeft;

Fig. 3 klokspanningen, die tijdens bedrijf aan de inrichting volgens Fig. 1 warden aangelegd als functie van de tijd t weergeeft;

Fig. 4 de bij deze klokspanningen in het ladingstransportkanaal optredende potentiaalverdelingen op verschillende tijdstippen weergeeft; 15 De uitvinding zal in het hiernavolgende toegelicht worden aan de hand van een n-kanaalinrichting, maar het zal zonder meer duidelijk zijn dat de uitvinding ook voor p-kanaal-inrichtingen toepasbaar is.

De inrichting cravat een halfgeleiderlichaam 1 van bijvoorbeeld silicium net althans een aan een oppervlak 2 grenzend oppervlaktegebied 3 20 van het p-type. In gebruikelijke uitvoeringsvormen zal het gehele lichaam 1 van het p-type zijn, maar dit is niet noodzakelijk. Op de gebruikelijke wijze is het ladingstransportkanaal 4 gedefinieerd door de in het oppervlaktegebied 3 aangebrachte oppervlaktezone 5 die hetzelfde geleidings-type heeft als en een hogere dotering dan het oppervlaktegebied 3 en een 25 kanaalbegrenzingszone voor het ladingstransportkanaal 4 vormt. In plaats van de zone 5, kunnen uiteraard ook andere, op zichzelf bekende kanaal-begrenzende middelen worden toegepast.

Het oppervlak 2 boven het ladingstransportkanaal is bedekt met een dunne dielèktrische laag 6 van bijvoorbeeld siliciumoxyde en/of 30 siliciumnitride of een ander geschikt materiaal of van de combinatie van geschikte dielektrische materialen.

In het geval datde inrichting behoort tot het type inrichtingen met begraven kanaal (bccd of pccd) kan in het ladingstransportkanaal 4 bijvoorbeeld door middel van ionenimplantatie een dunne n-type laag 7, 35 in Fig. 2 met onderbroken lijnen weergegeven worden aangebracht. Deze laag kan weggelaten worden in het geval van een oppervlakte ccd (seed).

Zoals uit het bovenaanzicht volgens Fig. 1 blijkt, vertoont het ladingstransportkanaal een breder en een minder breed gedeelte. Het S5 0 17 0 2 ! .

PHN 11,417 4 brede gedeelte, behoort tot de ingang, waarop nog nader wordt ingegaan. Het minder brede gedeelte vormt het eigenlijke ladingstransportkanaal tussen ingang en uitgang (niet weergegeven). Het ladingstransport in dit gedeelte wordt gestuurd door 4-phase klokspanningen (3^, 02, en 04 die 5 aan de op de oxidelaag 6 aangebrachte klokelektroden 8,9,10,11,12,13,14 en 2 worden aangelegd.

De ingangstrap omvat een in het p-type oppervlaktegebied 3 aangebrachte n+ oppervlaktezone 16 die dient voor het leveren van elektroden die nodig zijn voor het vormen van signaalafhankelijke ladingspakketten.

10 Deze zone, die in het hierna volgende met ingangsdiode wordt aangeduid, is voorzien van een slechts schematisch weergegeven aansluiting 17. Via deze aansluiting wordt de klokspanning 0^ aan de ingangsdiode toegevoerd.

Tussen de ingangsdiode 16 en de klokelektrode 8 zijn vier elektroden 18-21 gelegen, die hierna als eerste, tweede, derde en vierde elek-15 trode zullen worden aangeduid, en die de volgende functies hebben: De eerste elektrode, d.i. de elektrode 18 dient cm een potentiaalkuil (voor elektronen) in het onderliggende deel van het kanaal 4 te induceren waarin een ladingspakket van een vaste en signaalonafhankelijke grootte kan worden opgeslagen. Zoals hierna nog zal worden toegelicht, wordt dit vaste 20 ladingspakket gevormd door middel van de op zichzelf bekende z.g. "fill and spill" methode, ten behoeve waarvan tussen de ingangsdiode 16 en de elektrode 18 een verdere elektrode 23 is aangebracht, die is voorzien van middelen 24 voor het induceren van een potentiaalbarrière tussen de ingangsdiode 16 en de te induceren potentiaalkuil onder de elektrode 18. De 25 middelen 24 omvatten in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld een spanningsbron door middel waarvan tussen de elektroden 18 en 23 een vast potentiaalverschil kan worden aangelegd, waarbij de elektrode 18 met de positieve klem van de spanningsbron 24 en de elektrode 23 met de negatieve klem zijn verbonden. In plaats van de spanningsbron 24 kunnen ook an-30 dere, op zichzelf bekende, middelen voor het vormen van de gewenste poten-tiaalbarrières worden toegepast, zoals een geschikt gekozen dikte van de oxidelaag 6 onder de elektrode 23 of een ionenimplantatie in het kanaal 4 onder de elektrode 23 . De elektroden 18, 23 worden geklokt met de klokspanning 04· 35 De elektroden 19, 20 en 21 dienen om het genoemde ladingspakket van vaste grootte te verdelen in twee complementaire, signaalafhankelijke ladingspakketten. Deze ladingspakketten worden gevormd onder de elektroden 19 en 21 en onderling gescheiden door middel van de elektrode 20.

8501702 PHN 11.417 5

Daartoe wordt tussen de elektroden 19 en 21 een spanning aangelegd die afhankelijk is van het in te voeren signaal S. In Fig. 1 is dit schematisch door de bron 25 weergegeven, waarvan de positieve pool met elektrode 19 en de negatieve pool met elektrode 21 zijn verbonden. Uiteraard 5 kan de spanningsbron 25 ook andersan aangesloten zijn of aan een pool aan een vaste spanning liggen. De elektrode 20 wordt met de klokspanning β^ geklokt.

De werking van de ladingsgekoppelde inrichting wordt beschreven aan de hand van de potentiaaldiagrairmen volgens Fig. 4, die in het ladings- 10 transportkanaal optreden bij het aanleggen van de klokspanningen volgens Fig. 3a. In Fig. 4a is, ten behoeve van de plaatsbepaling in het diagram, schematisch de ingangstrap van de inrichting en een deel van het daarop volgende ladingstransportkanaal 4 weergegeven. Zoals gebruikelijk is de positieve potentiaal naar beneden uitgezet. Het potentiaalniveau onder de 15 elektroden bij OV spanning aan de elektroden is in de diagrarmen door de onderbroken lijn weergegeven en wordt verder als referentieniveau aangeduid. Aangenomen wordt dat het halfgeleiderlichaam 1 of althans het op-pervlaktegebied 3 aan een negatieve spanning, bijv. van -3,5 Volt ligt.

De klokspanningen β^ en β^, 02, en β^ variëren rondom het nul niveau.

20 De klokspanning β^ is synchroon met β^, maar kan in amplitude hiervan verschillen. Op het tijdstip t^ is <2>4 positief en β^ negatief. Onder de elektrode 18 wordt een potentiaalkuil geïnduceerd, die, door de negatieve spanning op de ingangsdiode 5, wordt gevuld met een overmaat aan ladingsdragers. In de tekening is de lading door de arcering symbolisch 25 weergegeven. Onder de elektroden 8 en 11, 12 die op een positieve spanning staan, zijn ladingspakketten 27 resp. 28 opgeslagen die voor het tijdstip t^ zijn ingevoerd. Onder de elektroden die met β^ zijn verbonden, en op een negatieve potentiaal staan, zijn potentiaalbarriêres gevormd die de ladingspakketten in het kanaal 4 van elkaar isoleren.

3Q Opgemerkt wordt dat de potentiaalniveau's onder de elektroden 19 en 21 een weinig verschillend zijn aangegeven t.g.v. het cm te zetten signaal S.

Op tijdstip t2 is β^ naar boven referentieniveau gestegen, wat betekent dat in het potentiaaldiagram de potentiaal van de ingangsdiode 35 onder de onderbroken lijn kant te liggen. De toegevoerde overmaat van ladingsdragers stroomt terug naar de ingangsdiode 15. In de potentiaalkuil onder de elektrode 18 blijft een ladingspakket 29 achter waarvan de grootte vast is en alleen bepaald wordt door de hoogte van de barrière

7 f· O

11 o) \J 3 ' -J J*.

PHN 11,417 6 onder de elektrode 23. De ladingspakketten 27 en 28 blijven onder de met 04 geklokte elektroden 8 en 12. De elektroden 10 en 14 die met 02 worden i geklokt blijven negatief waardoor onder deze elektroden een barrière aanwezig blijft. Onder de klokelektrcden 9 en 13/ evenals onder elektrode 5 20 die met 0^ en 0^ worden geklokt, is het potentiaalniveau naar referen- tieniveau teruggekeerd.

Op tj is de ingangsdicde op het meest positieve niveau aangekomen. Tegelijk is positief geworden terwijl 0^ is teruggegaan naar o V.

Het pakket 29 is, althans gedeeltelijk overgeheveld naar de potentiaal-10 kuil onder de elektrode 20. De ladingspakketten 27 en 28 t.o.v. de toestand cp t2 een plaats opgeschoven.

Op t^ is 0^ negatief. Onder de elektroden die met 0^ zijn verbonden is nu een potentiaalbarrière gevormd. De lading 29 die op tj, t2 onder elektrode 18 was opgeslagen, bevindt zich nu onder elektrode 20.

15 Tegelijk hebben de potentiaalkuilen waarin de pakketten 27 en 28 zijn opgeslagen zich uitgebreid tot onder de met 02 verbonden klokeléktroden 10, 14.

Op t5 is weer gezakt naar o V, zodat de ladingspakketten 27, 28 worden opgeslagen onder de met 02 verbonden elektroden 10 en 14 en 20 t.o.v. de situatie op tg weer een plaats zijn verschoven. Het ladings-pakket 29 kan zich uitbreiden over een potentiaalkuil die het gebied onder de elektroden 19, 20 en 21 bestrijkt. De hoeveelheid lading die onder de elektroden 19 en 21 is opgeslagen in deze situatie hangt af van de diepte van de potentiaalkuil onder de elektroden 19 resp. 21, en daanree van de 25 grootte van het signaal S.

Vanaf het tijdstip tg wordt 0^ negatief, waardoor het potentiaalniveau onder de elektrode 20 stijgt, en de lading die onder de elektrode 20 was opgeslagen zich verdeelt over de potentiaalkuilen onder de elektroden 19 en 21, Op het tijdstip tg is het ladingspakket 29 opgedeeld in 30 twee ladingspakketten 30 en 31, die onderling zijn gescheiden door de potentiaalbarrière 32 onder elektrode 20. De grootten van de ladingspakketten 30 en 31 zijn complementair en afhankelijk van het signaal S. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld waarin, bij wijze van voorbeeld het niveau onder elektrode 19 wat hoger is aangegeven dan onder elektrode 21, 35 zal het ladingspakket 30 het grootste zijn.

In het volgende stadium van bedrijf, zal slechts het ladingspakket 30 verder door het ladings transpor tkanaal getransporteerd worden.

Op het tijdstip t^ is 0^ o V. Het ladingspakket 31 wordt daardoor weer 8501702 PHN 11.417 7 althans ten dele teruggeheveld In het gebied onder de elektrode 18, terwijl het ladingspakket 30 zich uitbreidt ander de klokelektrcde- 8 die eveneens net wordt geklokt. Het ladingspakket 30 kan op de zelfde wijze als de ladingspakketten 27 en 28 verder door het ladingstransport-5 kanaal 4 getransporteerd worden. Het ladingspakket 31 wordt niet afgevoerd, maar gevoegd bij de overmaat van ladingsdragers die door de in-gangsdiode 16 aan het begin van de nieuwe cyclus wordt toegevoerd ten behoeve van de vorming van een nieuw ladingspakket 29 van vaste grootte. Doordat het ladingspakket 31 geen afzonderlijke af voer vereist maar ooder 10 de elektrode kan worden teruggeheveld, kunnen de elektroden 18-21 op een rij achter elkaar worden gerangschikt, en kunnen vertakkingen in liet ladingstransportkanaal, waarbij in het ladingstransport hoeken worden geïntroduceerd, worden vermeden. De inrichting is hierdoor in het bijzonder geschikt voor hoogfrequent toepassingen. Hierbij dient te worden 15 opgemerkt dat de omzetting van het signaal S in een overeenkomstig ladingspakket plaatsvindt op de helling van de klok β^ rond het tijdstip tg, en daarmee frequentieonafhankelijk is. Wanneer derhalve die tijdsintervallen waarin de klokken β^....,β^ constant zijn, kleiner worden, zal, bij gelijke helling van de flank van de klokken, dit op de signaalvcrming 20 geen invloed hebben. In Fig. 3b zijn als functie van de tijd hoogfrequent klokken β^ β^ - β^ weergegeven die een praktisch sinus vormig verloop hebben. De signaalvorming vindt hier op dezelfde wijze als bij de klokken volgens Fig. 3a, plaats op de neergaande flank van β^ rondom het aan gegeven tijdstip tg. Bij gelijke hellingen van de flanken zijn de omstandig-25 heden waaronder het signaalafhankelijke ladingspakket wordt gevormd althans praktisch identiek aan elkaar, en derhalve onafhankelijk van de klokfrequentie.

Zoals uit het bovenaanzicht blijkt is het ingangsgedeelte van het kanaal 4 breder dan het volgende deel van het kanaal. Op deze wijze 30 kan bereikt worden, dat ook al wordt slechts een gedeelte van het vaste ladingspakket 29 voor de verdere signaalverwerking gebruikt, toch een groter relatief deel van de ladingscpslag capaciteit van het kanaal 4 gebruikt wordt. In plaats van door een breder ingangsgedeelte kan dit ook op andere wijze verkregen worden, zoals bijvoorbeeld door een geschikte 35 keuze van de in het ingangsgedeelte aangelegde spanningen.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het hier gegeven uitvoerIngsvcorbee ld maar dat binnen het kader van de uitvinding voor de vakman nog veel variaties mogelijk zijn. Zo kan in de p S 0 1 7 ή 9 ! PHN 11.417 8 ¥ <· hier beschreven uitvoeringsvorm ook het verschil tussen twee signalen cmgezet worden in een ladingspakket, door het ene signaal aan de elektrode 19 en het andere signaal aan de elektrode 21 toe te voeren.

5 10 15 20 25 30 35 $5 s η 1 7 fi 9

Claims

1. Ladingsgekoppelde inrichting omvattende een aan een oppervlak van een half geleider lichaam gedefinieerd ladingstransportkanaal, en een ingangstrap voor het toevoeren van signaalafhankelijke ladingspakketten, met een ingangsdiode voor het leveren van ladingsdragers, met een eerste 5 elektrode, aangebracht boven het ladingstransportkanaal, voor het vormen van een ladingspakket van een vaste, signaalonafhankelijke, grootte, en met een tweede, een derde en een vierde, boven het ladings transportkanaal gelegen elektrode, waarbij de tweede, derde en vierde elektrode verbonden zijn met middelen voor het aanleggen van spanningen zodanig dat een zich 10 onder deze elektroden uitstrekkende potentiaalput geïnduceerd kan worden, waarin het ladingspakket van vaste grootte kan warden overgeheveld, welke middelen een spanningsbron omvatten, met behulp waarvan tussen de tweede en de vierde elektrode een signaalafhankelijk spanningsverschil kan warden aangelegd waardoor onder de tweede en de vierde elektrode signaal-15 afhankelijke hoeveelheden lading kan worden opgeslagen, waaruit complementaire ladingspakketten bunnen worden gevormd door aan de derde elektrode een zodanige spanning aan te leggen dat onder deze elektrode een potentiaalbarriêre ontstaat die de ladingspakketten aider de tweede en de vierde elektrode van elkaar isoleert, met het kenmerk, dat genoemde elek-20 troden een tot vier achter elkaar zijn gerangschikt, zodanig dat de tweede elektrode tussen elektroden een en drie is gelegen, elektrode drie tussen elektrode twee en elektrode vier, en dat middelen aanwezig zijn om het onder de tweede elektrode gevormde ladingspakket terug te hevelen naar het gebied onder de eerste elektrode voordat onder deze elektrode 25 weer een ladingspakket van vaste grootte wordt gevormd.

2. Ladingsgekoppelde inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het signaalafhankelijke spanningsverschil tussen de tweede en de vierde elektrode verkregen wordt van een signaal S, dat in de vorm +S aan een van de genoemde elektroden en in de vorm -S aan de andere van de 30 genoemde elektroden wordt toegevoerd.

3. Ladingsgekoppelde inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het ladingstransportkanaal ter plaatse van het ingangsgedeel-te onder de eerste, tweede, derde en vierde elektrode, een grotere breedte heeft dan het hierop volgende gedeelte van het ladings transportkanaal. 35

4. Ladingsgekoppelde inrichting volgens een of meer van de voorgaan de conclusies, met het kenmerk, dat de eerste elektrode is verbonden net de klokelektrode die, gezien in de ladingstransportinrichting, naast en volgend op, de vierde elektrode is aangebracht. S3 317 0 2