SE437438B - Forfarande for att driva en laddningskopplad halvledaranordning jemte laddningskopplad anordning for genomforandet av forfarandet - Google Patents

Description

10 3st HO_ 7-800104-7 i i á laddningsbärare i beroende av insignalspänning, vilken är relativt icke-linjär vid lägre insignalnivåer och relativt linjär vid högre ínsígnalnivåer. För att undanröja problemet med denna icke-linjära Hvçrfüríngfirnnktinn är organ anordnade, som är påverkade av'insig-i nalen och av en uppträdande styrspänning, för att i ingångspoten- tialbrunnen inmata en laddning, som inbegriper en förladdningskompo- nent till en nivå som motsvarar det icke-linjära området hos nämnda överföringsfunktion och dessutom inbegriper en signalkomponent. Vi- dare är organ anordnade för att från ingångspotentialbrunnen under lagringselektroden avlägsna signalkomponenten av den däri lagrade laddningen och för att förskjuta denna signalkomponent till CCD- -kanalen, medan i ingångspotentialbrunnen under lagringselektroden förladdningskomponenten kvarlämnas.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, där fig. l visar en kurva över antal alstrade laddningsbärare i beroende av insignalspänning för ett konventionellt drivet ingångssteg hos en laddningskopplad anordning med försänkt kanal (buried channel), fig. 2 visar en planvy-över en CCD-ingångskrets enligt uppfinningen, fig. 3 visar ett snitt längs linjen 3-3 i fig. 2, fig. H visar diagram över substratpotentialpro- filer som belyser verkningssättet för kretsen enligt fig. 2 och 3, fig. 5 visar diagram över vågformer, som kan utnyttjas för att driva kretsen enligt fig. 2 och 3,och fig. 6a och 6b visar kurvor som belyser verkningssättet för kretsen enligt fig. 2 och 3. iI US-patentskriften 3 986 198 beskrivs jämförelsevis bruaffia kretsar för inmatning av en laddningssignal i ett CCD-register, Den använda tekniken har blivit känd såsom "fyll-och-spill"-driftssättet.

Laddningssignalen inmatas från en emitterelektrod till en första po- tentialbrunn, vilket utgör fylldelen av cykeln.Därefter töms poten- tialbrunnen delvis, exempelvis genom att emitterelektroden drivs så- som kollektor. Under tömningsproceduren bibehålls en insignalpotential mellan den elektrod, under vilken potentialbrunnen är bildad, och en andra elektrod mellan denna elektrod och emitterelektroden. Den ladd- ning som förblir kvar i den första potentialbrunnen är en funktion av amplituden hos denna insignal och är relativt brusfri. iDet har visat sig att när den laddningskopplade anordningen är av typen med försänkt kanal resulterar det ovan beskrivna driftsät- tet,samtidigt som det är relativt brusfritt, i en relativt icke- _-linjär omvandling av ínsignalen till laddning (jämfört med den sig- nalomvandling som uppträder í en laddningskopplad anordning av yt- kanal-typen). överföríngskurvan för antal alstrade laddningsbärare i beroende av insignalspänning för en typisk laddningskopplad anord- še-i. ha... ..- . _ “GSR Qfififwïf HO Ü 78001044 ning med försänkt N-kanal visas i fig. 1. Det plana området 11 vid toppen representerar ingångspotentialbrunnens laddningskapacitet, vilken kan vara något större än kapaciteten hos varje förskjutnings- potentialbrunn längs huvuddelen av CCD-kanalen. Kapaciteten hos en dylik förskjutningspotentialbrunn representeras av den streckade linjen 13. 7 Kurvan innefattar ett jämförelsevis icke-linjärt område vid relativt låga signalnivåer (mellan Vz och VX volt) och ett jämförel- sevis linjärt område vid relativt höga signalnivåer (mellan VX och Vy volt). En ändring i signalnivå AVIN1 vid en relativt låg insignal- nivå omvandlas icke-linjärt till en laddningssignal i ingångspoten- tialbrunnen, medan en ändring i insignal AVIN2 vid en relativt hög insignalnivå omvandlas linjärt till en laddningssignal i ingángspo- tentialbrunnen. Det icke-linjära området beror exempelvis av den egenskapen hos en anordning med försänkt kanal att den försänkta kanalens kapacitans varierar mera såsom en funktion av laddnings- nivån vid lägre laddningsvärden än vid högre laddningsvärden. Det finns även mera komplexa effekter som påverkar graden av icke-lineari- tet.

Vid vissa tillämpningar såsom exempelvis CCD-fördröjningselement, som utnyttjas för att fördröja analoga signaler, såsom videosignaler inom televisionstekniken, är det ovan beskrivna verkningssättet natur- ligtvis i hög grad ofördelaktigt. Det är önskvärt att CCD-fördröj- ningselementet inför så lite distorsion som möjligt i den analoga signalen och för att uppnå detta bör ingångskretsen till den ladd- ningskopplade anordningen arbeta på ett linjärt sätt. I Det är även viktigt att ett CCD-fördröjningselement, såsom be- skrivits ovan, icke upptager en alltför stor yta på halvledarsubstratet Den laddningskopplade anordningen är konstruerad att ha en sådan ka- nalbredd och sådana elektrodytor att de potentialbrunnar, som bildas med hjälp av flerfasspänningarna, endast kan lagra så mycket ladd- ning, som kan alstras av en insignal med den största förväntade ampli- tuden (antagande något praktiskt värde såsom 10-12 volt eller dylikt hos flerfasspänningen). Om CCD-elektrodytorna görs större betyder detta att varje CCD-fördröjningselement blir större och detta betyder i sin tur att färre dylika CCD-fördröjningselement kan erhållas från en enda skiva (i praktiken tillverkas många fördröjningselement sam- tidigt på samma skiva och utskärs sedan eller åtskiljspå något annat sätt från varandra). Detta är oekonomiskt och ökar kostnaden för var- je element. Dessutom uppvisar fördröjningselement med större yta PooR QUALITY H0 vsoo1o4-7- H högre kapacitans, vilket medför att det är svårare att driva dem vid högre frekvenser (högfrekvens-flerfasspänningar) och leder till högre effekrförbrukning 1 ccn-arivkrersarna.

Pig. 2 och 3 visar en krets enligt uppfinningen med hjälp av vilken de ovannämnda problemen löses. Den laddningskopplade an- ordningen innefattar ett kiselsubstrat 10 av P-typ och en emítter- elektrod S vid substratytan. Denna emitterelektrod kan bestå av ett N-diffusionsområde i P-substratet. Ékiktet B består av ett tun$ la- ger av N-ledande kisel vid substratytan och bildar en PN-övergång 12 med substratet. Skiktet B är på i och för sig känt sätt mindre starkt_dopat än emitterdiffusionsområdet S. CCD-ingångselektroderna utgörs av tre styrelektroder Gi, G2 och G3, i denna ordning, följda -av flerfaselektroder 1%, 16, 18, 20 etc. Dessa elektroder kan alla exempelvis bestå av polykisel och vara av den överlappande två- skiktstypen. Andra material och andra utföranden är naturligtvis K möjliga och ligger inom ramen för föreliggande uppfinning. CCD- -kanalen, vilken kan vara definierad av kanalstoppdiffusioner (icke visat) är relativt bred under ingångselektroderna G1, G2 och G3 och avsmalnar till en mindre bredd för huvuddelen av den laddningskopplade anordningen, såsom är markerat genom streckade linjer. Denna huvuddel (icke visad) av den laddningskopplade anordningen kan omfatta flera hundra CCD-steg-(över 500 i ett praktiskt utförande med fyra elek- .troder per steg). I det visade utföringsexemplet kan den bredare delen av CCD-kanalen vara dubbelt så bred som huvuddelen av CCD-kanalen .såsom indikeras av bredderna 2w respektive wii fig. Z, Årbetssättet för den laddningskopplade anordningen framgår av fig. 4 och 5. Det antages för illustreringsändamål att vid tidpunkten to ingen laddning uppträder i potentialbrunnen 26 under elektroden G2 såsom visas i fig. 4(a). Vid denna tidpunkt är spänningen-o1 låg, så att en potentialbarriär 20 förefinnes under den första Q1-elektroden 14 och en grund potentialbrunn 22 under elektroden 16. Den grunda potentialbrunnen erhålles genom att elektroden 16 bibehålles på en offsetlikspänning, som är positiv i förhållande till spänningen på elektroden 14. Detta'indikeras schematiskt genom batteriet 15. Spän- " ningen V3 har en relativt låg nivå vid denna tidpunkt, varigenom en potentialbarriär 24 förefinnes under elektroden G3. Spänningen V2 hålls kontinuerligt på en relativt hög likspänningsnivå så att en potentialbrunn 26 uppträder under lagringselektroden G2. Denna poten- tialbrunn kan betraktas såsom "ingångspotentialbrunnen". Spänningen V1 representerar även en likspänningsnivå men är mindre positiv än QS 7800104-7 spänningen V2. Denna spänning V1 och signalspänningen VIN påtrycks på elektroden G1. Följaktligen uppträder det kontinuerligt under elektroden G1 en potentialbarriär 28, vars höjd är en funktion av likspänningsnivân V1 plus signalnivân VIN. Spänningen VS är relativt positiv vid tidpunk- ten to så att diffusionsområdet S verkar såsom en kollektor för ladd- ningsbärare. att diffu- sionsområdet S verkar såsom en emitter för laddningsbärare. Dessa ladd- ningsbärare (elektroder) fyller nu potentíalbrunnen 26 till nivån 30; Vid tidpunkten t1 är spänningen VS relativt negativ så Vid tidpunkten t2 antager spänningen VS sitt mera positiva värde, vilket medför att diffusionsområdet S verkar såsom kollektor. Därvid er- hålles en tillbakaspillning av en del av laddningen i brunnen 26 över barriären 28 in i området S. Den resterande laddningen i potentialbrunnen 26 innefattar dels en komponent som är proportionell mot signalen och dels en komponent som är proportionell mot skillnaden i likspänningsnivå~ er mellan spänningarna V1 och V2. I fig. 4 är laddningen.i potentialbrun- nen 26 skrafferad på tvâ olika sätt. Den ena delen 32 av denna laddning kommer kontinuerligt att förbli kvar i denna brunn och betecknas "för- laddning". Återstoden 3U av laddningen, betecknad "signa1", kommer att "avskummas" från brunnen och förskjutas vidare i CCD-registret, såsom kortfattat kommer att förklaras i det följande, Vid tidpunkten ta är spänningen V3 relativt positiv så att bar- riärens 24 höjd är avsevärt lägre än vid tidpunkten t2. Den på elektroden G2 påtryckta spänningen V2 förblir lika, såsom redan nämnts. Vid tidpunk° ten ta är även FAS-1-spänningen +1 hög, varigenom potentialbrunnarna 36 och 38 uppträder under ö1-elektroden 14 respektive 16. Eftersom elektrod- en 16 är mera positivt förspänd än elektroden 14 är potentialbrunnen 38 under elektroden 16 djupare än brunnen 36 under elektroden 1H. (Fastän för exemplifieringsändamål ett organ 15 för alstring av en offsetspänning mellan två elektroder är visat 1 och för bildande av en asymmetrisk po- tentíalbrunn, är även alternativa utföranden möjliga. En möjlighet är att utnyttja en enda elektrod i stället för de båda elektroderna 14 och 16 och anordna en avpassad jonimplantering därinunder,) Spänningen ö1 har avsevärt högre amplitud än spänningen V3 vid tidpunkten t3, varigenom brunnpotentialen 20 är högre än (uppträder såsom en potentialbrunn i för- hållande till) brunnpotentialen 2%. På grund av dessa förhållanden "avskummas" en del av laddningen i potentialbrunnen 25 från denna brunn och förskjuts till brunnen 38. Återstoden av laddningen, dvs. förlagd- ningen 32, förblir kvar i potentialbrunnen 26. Den del 3% av HO 78001 OÅr-'YW 6 . 'laddningen, som förut befann sig i brunnen 26, och nu förefinnes i brunnen 38 förskjuts successivt vidare i CCD-registret med hjälp av de båda fasspänningarna Q1 och dz på konventionellt sätt, Meningen med det beskrivna driftsättet kommer nu att klarläggas _under hänvisning till fig. 6a. Denna figur är ritad i mindre skala än fig. 1 (antages att den streckade linjen 13 representerar samma laddningsnivå i båda figurerna, ligger i fig. 1 denna streckade_linje (på cirka dubbla avståndet från noll-laddningsnivân jämfört_med samma linje i fig. 6a), men samma beteckningar används för att ange motsva- rande delar av kurvan. Potentialbrunnen 26 (fig. H) bibehåller konti- nuerligt en förladdning (32 i fig. 4), vilken representeras av den streckade linjen 15 i fig. 6. Denna streckade linje definierar bör- jan av det relativt linjära området av överföringskurvan. Varje ladd- ning som adderas till denna potentialbrunn såsom svar på en ingångs- signal VIN resulterar i en i huvudsak linjär omvandling av denna insignal till laddning (34 i fig. 4), eftersom operationen sker i det linjära området av kurvan. Dessutom är konstruktionen sådan att ett fullständigt dynamikområde erhålles. Med andra ord, eftersom in- gångspotentialbrunnen (brunnen under elektroden G2) ligger i ett område där kanalen är bred, är dess kapacitet relativt stor; appro- ximativt dubbelt så stor som kapaciteten hos CCD-förskjutningsbrun-_ ' narna i huvuddelen av den laddningskopplade anordningen (ingångs- brunnen under elektroden G2 har approximativt dubbla kapaciteten jämfört med en brunn under en elektrod 42 i fig. 2 och 3). Detta betyder att fastän potentialbrunnen 26 under lagringselektroden G2 endast är disponibel för mottagning av signalladdning till en del av dess totala kapacitet (antag att när insignalen har sitt maximala värde belägger den endast halva brunnen, varvid förladdningen beläg- ger återstoden av brunnen), kan den laddningssignal som "avskummas" _frân denna potentialbrunn 26 ändå fylla brunnen under elektroden H2 till i huvudsak dess totala kapacitet vid maximal insignalnivå. Den beskrivna laddningskopplade anordningen arbetar sålunda linjärt över i huvudsak hela kapaciteten hos förskjutningspotentialbrunnarna i CCD-kroppen och har därför ett större användbart dynamikomrâde. Överföringsfunktionen för en typisk förskjutningspotentialbrunn, såsom en brunn under elektroden H2 i fig. 2 och 3, relaterad till den på elektroden G1 påtryokta insignalen VIN, visas i fig. Gb. Förskjut- ningspotentialbrunnens fulla kapacitet representeras av den streckade linjen 13. Observera att operationen är helt linjär över nästan hela kurvan. (Man har i praktiken funnit att vid extremt låga nivåer för a få f; -gq/:flgf ef: :Mmmm n* 3 fb' ggn-Inna »u w! lO '7800104-7 insignalen VIN en viss olinearitet erhålles, såsom visas vid 17, men orsaken därtill är ännu icke helt klarlagd.) Den i huvudsak linjära operation, som beskrivits ovan, uppnås utan krav på extra substratyta. I ett praktiskt utförande omfattar* huvuddelen av den laddningskopplade anordningen över 500 steg (över 2000 elektroder) och kanalbredden, elektrodytorna och substratytorna förblir oförändrade för alla förutom det första av dessa steg. Elek- troderna 14, 16, 18 och 20 i det första steget har utökade ytor, en extra styrelektrod G3 utnyttjas och emitterelektroden och de första två styrelektroderna har utökade ytor. Den totala erforderliga stor- leksökningen för den laddningskopplade anordningen är icke signifikant och uppgår endast till en bråkdel av en procent.

Det bör observeras att fastän för exemplifieringsändamål två- fasdrift antagits uppfinningen lika väl är tillämpbar på trefasdrift, fyrfasdríft. eller drift i högre faser. Man bör även observera att fastän den visade laddningskopplade anordningen utnyttjar ett substrat av P-typ är den lika väl tillämpbar på anordningar med N-substrat ut- nyttjande P-ledande ytskikt och ett P-ledande emitterområde. Avpassade ändringar av driftspänningarna erfordras naturligtvis därvid. Dessutom är, fastän typiska vågformer är visade, modifieringar möjliga. Exem- pelvis är spänningen V3 visad att ha samma form som vågen #1. Korrekt drift kan emellertid fortfarande uppnås med spänningen V3 uppvisande en annan form än ö1. Spänningen V3 bör vara låg när VS är låg, men V3 kan bli hög innan q>1 blir hög.

Claims (5)

'TBOIMÛQ-T i s Patentkrav

1. Förfarande för att driva en laddningskopplad halvledar- anordning av den typ som har en ingångspotentialbrunn-överförings- funktion för antal alstrade laddningsbärare i beroende av insignal- spänning som är relativt icke-linjär i ett första ínsignalområde mellan en första signalnívâ V1 och en andra signalnivâ V2 och som är relativt linjär i ett andra insignalområde mellan nämnda andra nivå V2 och en tredje signalnivâ V3, varvid den första, andra och tredje nivån har successivt högre värden, varjämte ingångspotential- brunnen tillföres ett mot ínsignalen proportionellt antal laddnings-_ bärare, samt en i denna potentialbrunn innesluten laddning extraheras och förflyttas i potentialbrunnarna belägna längs fortsättningen av' halvledaranordningens kanal, k ä n n e t e c k n a t av följande för- faringssteg: I att en förladdning placeras i ingångspotentialbrunnen till en nivå motsvarande det antal laddningsbärare, som skulle alstras såsom svar på en insignal med i huvudsak den andra signalnivån V2; att till nämnda förladdning i ingångspotentialbrunnen ett antal laddningsbärare adderas, som är proportionellt mot en insignal vars amplirud ligger ifcöríbäaet no1ifi1rv3-v2; _ p att från íngångspotentialbrunnen endast den del av laddningen däri som överskrider förladdningen förskjuts därifrån; samt att denna förskjutna laddning överförs längs den laddnings- kopplade anordningen genom att den förflyttas i potentialbrunnar av mindre kapacitet än ingångspotentialbrunnen men ändå av tillräcklig kapacitet för att lagra en laddning.motsvarande den maximala insig- nalnivån V3-V2. 7 _ ' 7 g

2. Förfarande enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att förfaringssteget för att till förladdningen addera ett antal laddningsbärare, som är proportionellt mot insignalen, består i att först addera ett större antal dylika laddningsbärare till ingångspo- tentialbrunnen och därefter, i beroende av insignalen, avlägsna från ingångspotentialbrunnen ett tillräckligt antal laddningsbärare för at. c i nämnda brunn ett antal laddningsbärare skall kvarlämnas som mot- svarar förladdningen plus det antal som är proportionellt mot insig- nalen.

3. Laddníngskopplad anordning för genomförande av förfa- randet enligt kravet 1, i vilken anordning ingår en i ett substrat (10) befintlig kanal, som har en förlängning av given bredd (W), och med från substratet isolerade kanalelektroder (t.ex. #2), på _¿___._ I* 399 raw-see; _ '_ :i ____;*_lf:"_'--_L___'>'~ __ ,_, p w . I. nä 7Éš§¿;så\ 9 '780010lv7 vilka elektroder flerfasspänningar (Q1, dz) är pâtryckbara för bildande i substratet av kanalpotentialbrunnar (t.ex. 38) för lag- ring och förflyttning av laddningssignaler längs nämnda kanal, var- jämte i anordningen även ingår en emitterelektrod (S) i substratet jämte mellan emítterelektroden och kanalelektroderna belägna ingångs- elektroder (G1, G2, G3) pâverkbara av en insignal för att styra in- matningen av laddning från emitterelektroden till kanalen, vilka in- gångselektroder innefattar en lagringselektrod (G2), som är påverk- bar av en pâtryckt spänning i och för bildande av en ingángspotential- brunn (26), k ä n n e t e c k n a d av att bredden av den av ingångs- elektroderna (G1, G2, G3) styrda delen av kanalen är större än kanal- fortsättningens givna bredd (W), varigenom laddningskapaciteten hos ingângspotentialbrunnen (26) är större än laddningskapaciteten hos respektive kanalpotentialbrunn. H.

Laddningskopplad anordning enligt kravet 3, k ä n n e-_ t e c k n a d av att bredden (2W) av den av ingångselektroderna (G1, G2, G3) styrda delen av kanalen är dubbelt så stor som nämnda givna bredd (W).

5. Laddningskopplad anordning enligt kravet 3 eller U, k ä n n e t e c k n a d av att kanalens bredd från den av ingångs- elektroderna (G), G2, G3) styrda delen'gradvis avtar till nämnda givna bredd (W). i POOR QUALITY