DE19620641C1 - Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung - Google Patents
Bidirektionale, horizontale LadungsübertragungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine
bidirektionale horizontale Ladungsübertragungs
einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
die sich für einen Spiegelbildsensor eignet und Signal
ladungen in entgegengesetzter Richtung übertragen kann.
Im allgemeinen muß ein horizontaler Ladungsübertragungskanal schnell
getaktet werden, um innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts Ladungen
auslesen zu können, die in paralleler Form aus vertikalen Ladüngsüber
tragungskanälen kommen.
Aus diesem Grunde wird im Gegensatz zum vertikalen Ladungsüber
tragungskanal der horizontale Ladungsübertragungskanal zweiphasig
getaktet.
Eine konventionelle horizontale ladungsgekoppelte Einrichtung (nach
folgend als HCCD beschrieben) mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1 ist z. B. aus Electronic Engineering, Dezember 1980,
S. 31 bis 40, bekannt und wird im weiteren unter Bezugnahme auf
die Zeichnung im einzelnen erläutert.
Die Fig. 1A zeigt einen Querschnitt durch einen Aufbau einer
konventionellen HCCD, während in Fig. 1B deren Potentialprofile zu
erkennen sind.
Die konventionelle HCCD enthält eine P-Typ Wanne in einem N-Typ
Halbleitersubstrat, während sich eine BCCD 1 in einem vorbestimmten
Bereich der P-Typ Wanne befindet, wobei die BCCD 1 als horizontaler
Ladungsübertragungskanal verwendet wird. Bei der BCCD 1 handelt es
sich um eine vergrabene ladungsgekoppelte Einrichtung (Buried Charge
Coupled Device). Auf der auf dem N-Typ Halbleitersubstrat liegenden
BCCD 1 befindet sich eine Gateisolationsschicht 3 auf deren gesamten
Oberfläche; Polygates 4a und 4b befinden sich der Reihe nach abwech
selnd nebeneinanderliegend auf der Gateisolationsschicht 3 und sind
gegeneinander elektrisch isoliert. Darüber hinaus liegen unterhalb der
jeweiligen Polygates Barrierenbereiche 2 innerhalb der BCCD 1. Die
jeweiligen Polygates 4a, 4b sind paarweise elektrisch miteinander
verbunden und empfangen jeweils ein Taktsignal HO1 oder HO2. Ein
jeweiliger Barrierenbereich 2 kommt dabei unter jeweils einem Polygate 4b
zu liegen, während den Polygates 4a ein solcher Barrierenbereich 2 nicht
gegenüberliegt.
Entsprechend der Fig. 1B bildet die konventionelle HCCD mit dem oben
beschriebenen Aufbau infolge der Barrierenbereiche 2 stufenförmige
Potentialwannen zur Ladungsübertragung in einer Richtung, auch wenn
derselbe Takt angelegt wird. Da sich der Boden der Potentialwanne in
einem energiemäßig niedrigen Zustand befindet, werden in ihr Elektronen
gesammelt. Das bedeutet, daß sich Elektronen an der unteren Seite der
Potentialwanne des (vierten) Polygates ansammeln, das zum Zeitpunkt
t=1 mit dem Taktsignal HO2 versorgt wird.
Zum Zeitpunkt t=2 wird eine hohe Spannung an das erste und das zweite
Polygate angelegt, um den Energiepegel der unteren Seiten des ersten und
zweiten Polygates herabzusetzen. Darüber hinaus wird eine niedrige
Spannung an das dritte und vierte Polygate geliefert, um deren Energie
pegel anzuheben.
Allerdings können die im Bereich der unteren Potentialwanne des vierten
Polygates gesammelten Elektronen infolge des unterhalb des dritten
Polygates vorhandenen Barrierenbereichs 2 nicht nach links wandern.
Wird der Energiepegel des fünften und sechsten Polygates allmählich
herabgesetzt, um die Barrierenschicht rechts vom vierten Polygate zu
beseitigen, so können Elektronen zu den unteren Seiten des fünften und
sechsten Polygates wandern, die jetzt einen niedrigen Energiepegel
aufweisen.
Wird dann die Vorspannung des fünften und sechsten Polygates
hinreichend angehoben, bildet sich die stufenförmige Potentialwanne
erneut aus, um den Platz der sich gesammelten Elektronen von der
unteren Seite des vierten Polygates zur unteren Seite des sechsten
Polygates zu verschieben.
Zum Zeitpunkt t=3 werden das erste, das zweite, das fünfte und das
sechste Polygate mit einer niedrigen Spannung versorgt, während am
dritten, vierten, siebten und achten Polygate eine hohe Spannung anliegt,
so daß dasselbe Ergebnis wie bei t=0 erhalten wird.
Eine Periode des Taktpulses umfaßt das Intervall von t=1 bis t=3.
Während dieser einen Periode wandern Elektronen von der unteren Seite
des vierten Polygates zur unteren Seite des achten Polygates.
Beim konventionellen HCCD, das zweiphasig mit den Taktsignalen HO1
und HO2 angesteuert wird, ist es jedoch nachteilig, daß sich die Barrieren
schicht bei jedem der Polygates I und II ausbildet, also unter jedem Poly
gate 4b, um einen Ladungstransport in nur einer Richtung durch den
zweiphasigen Takt zu ermöglichen. Die konventionelle HCCD läßt sich
daher nicht als Spiegelbildsensor verwenden, bei dem ein bidirektionaler
Ladungstransport nötig ist.
Darüber hinaus ist aus der DE 44 33 869 A1 die Weiterbildung
einer konventionellen HCCD bekannt, bei der bidirektionaler
Ladungstransport möglich ist. Dieser wird dadurch ermöglicht, daß
jeder Gate-Elektrode ein MOS-Schalttransistor zugeordnet ist. Nach
teilig an dieser bekannten HCCD ist ihr aufwendiger Aufbau.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Über
tragungseinrichtung so weiterzubilden, daß ein bidirektionaler Ladungs
transport auf einfache Weise möglich ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent
anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach
der Erfindung enthält einen Ladungsübertragungsbereich in einer
Oberfläche eines Halbleitersubstrats: eine Mehrzahl von wiederholt
angeordneten ersten, zweiten, dritten und vierten Polygates oberhalb des
Ladungsübertragungsbereichs; und eine Isolationsschicht zur Isolation
der Polygates auf dem Ladungsübertragungsbereich. Die erfindungs
gemäße Ladungsübertragungseinrichtung zeichnet sich dabei dadurch
aus, daß unterschiedliche Signalpegel eines ersten Taktsignals an die
ersten und zweiten Polygates einerseits sowie unterschiedliche Signal
pegel eines zweiten Taktsignals an die dritten und vierten Polygates
andererseits anlegbar sind, wodurch sich einerseits jeweils unterschied
liche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs
bilden, die an den unteren Seiten der das erste Taktsignal erhaltenen
Polygates liegen, während sich andererseits jeweils unterschiedliche
Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs bilden, die
an den unteren Seiten der das zweite Taktsignal erhaltenen Polygates
liegen.
Bei der Erfindung erfolgt also eine Dualisierung einer an die Polygates
angelegten Spannung zur Bildung einer Potentialstufe, so daß es nicht
erforderlich ist, eine Barrierenschicht mittels eines Ionenimplantations
prozesses herzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A einen Querschnitt durch eine konventionelle HCCD;
Fig. 1B Potentialprofile der konventionellen HCCD;
Fig. 2 einen Querschnitt zur Erläuterung des Aufbaus einer
HCCD nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3A und 3B Potentialprofile der erfindungsgemäßen HCCD.
Eine bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Struktur einer HCCD nach
der vorliegenden Erfindung, während die Fig. 3A und 3B Potentialprofile
der erfindungsgemäßen HCCD erkennen lassen.
Um eine bidirektionale, horizontale Ladungsübertragung zu ermöglichen,
werden bei der Ladungsübertragungseinrichtung nach der vorliegenden
Erfindung Vorspannungen an die Polygates angelegt, um Potential
barrierenschichten zu erzeugen, und zwar ohne Implantation von Ionen,
z. B. Borionen, im Bereich der unteren Seiten eines im Ladungsüber
tragungsbereich liegenden Polygates.
Die Vorspannung zur Erzeugung einer Potentialbarriere kann von außen
zugeführt oder durch Interne Spannungsaufteilung erzeugt und dann
angelegt werden.
Die bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach
der vorliegenden Erfindung weist den nachstehend beschriebenen Aufbau
auf.
Zunächst wird auf einem N-Typ Halbleitersubstrat eine P-Typ Wanne
gebildet. In einem vorbestimmten Bereich der P-Typ Wanne kommt dann
eine BCCD 20 zu liegen, die als Kanal zur Übertragung von Signalladungen
in beiden Richtungen dient. Mehrere erste, zweite, dritte und vierte
Polygates 22a und 22b liegen abwechselnd nebeneinander auf einer
Gateisolationsschicht 21, die ihrerseits auf der BCCD 20 zu
Gateisolationszwecken angeordnet ist.
Wie die Fig. 2 erkennen läßt, sind innerhalb der BCCD 20 keine Barrieren
schichten durch Ionenimplantation gebildet, um einen stufenförmigen
Potentialverlauf infolge unterschiedlicher Potentialpegel zu erhalten. Aus
diesem Grunde kann ein bidirektionaler Ladungstransport durchgeführt
werden, und zwar über eine geeignete Taktsteuerung, wie nachfolgend
beschrieben wird.
Das erste und das zweite Polygate werden mit Signalen unterschiedlicher
Pegel während desselben Takts HO1 versorgt, während das dritte und das
vierte Polygate mit Signalen unterschiedlicher Pegel im selben Takt HO2
versorgt werden. Die Potentialpegel an den unteren Seiten des ersten und
des zweiten Polygates einerseits oder des dritten und vierten Polygates
andererseits, die jeweils mit demselben Takt versorgt werden, unter
scheiden sich somit voneinander, so daß eine Ladungsübertragung
erfolgt.
Zu dieser Zelt haben die Taktsignale HO1 und HO2 unterschiedliche
Phasen zueinander.
Im nachfolgenden werden Signalleitungen zur Lieferung der Taktsignale
zum ersten, zweiten, dritten und vierten Polygate näher beschrieben.
Das Taktsignal HO1 wird an die jeweiligen ersten Polygates über eine erste
Signalleitung und an die jeweiligen zweiten Polygates über eine zweite
Signalleitung angelegt, und zwar über jeweilige Kondensatoren, die
dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
Ferner wird das Taktsignal HO2 an die jeweiligen dritten Polygates über
eine dritte Signalleitung und an die jeweiligen vierten Polygates über eine
vierte Signalleitung angelegt, und zwar auch über jeweilige
Kondensatoren, die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
Die jeweiligen Kondensatoren haben dabei eine solche Speicherkapazität,
daß sie innerhalb der Einheiten der Taktsignale HO1 oder HO2 nicht
hinreichend bzw. vollständig aufgeladen werden können.
Die ersten, zweiten, dritten und vierten Signalleitungen haben
Spannungseingangsanschlüsse A, B, C und D zur Änderung der Pegel der
Taktsignale HO1 oder H2, wobei die Spannungseingangsanschlüsse A und
C einerseits oder B und D andererseits jeweils mit einer Spannung des
selben Pegels versorgt werden.
Die Übertragungsrichtung der Ladungen läßt sich umkehren, und zwar in
Abhängigkeit davon, ob die Spannung an die Spannungs
eingangsanschlüsse A und C einerseits oder B und D andererseits angelegt
wird.
Die Betriebsweise der bidirektionalen, horizontalen Ladungsüber
tragungseinrichtung nach der Erfindung wird nachfolgend näher
beschrieben.
Liegt die Spannung zur Änderung des Taktpegels von HO1 und HO2 an den
Spannungseingangsanschlüssen A und C an, so wandern die Ladungen in
Fig. 3A nach rechts.
Mit anderen Worten wird zum Zeitpunkt t = 1 die untere Seite des vierten
Polygates der Boden der Potentialwanne.
Zum Zeitpunkt t = 2 beaufschlagt die hohe Spannung die ersten und
zweiten Polygates, um deren Energiepegel herabzuziehen, während die
niedrige Spannung an den dritten und vierten Polygates anliegt, um deren
Energiepegel anzuheben.
Die angesammelten Elektronen an der unteren Seite des vierten Polygates,
daß das Taktsignal HO2 empfängt, das aufgrund der am Spannungs
eingangsanschluß A anliegenden Spannung geändert wurde, wandern
nach rechts, und zwar infolge der Barrierenschicht, die an der unteren
Seite des dritten Polygates erzeugt wird.
Der Taktpegel der Signale HO1 und HO2 wird durch die an den Spannungs
eingangsanschlüssen A und C anliegende Spannung geändert, wie oben
beschrieben, um die Potentialbarrierenschicht an der unteren Seite der
ersten und dritten Polygates zu erhalten.
Demzufolge wandern die Ladungen nur nach rechts in Fig. 3A.
Wird eine Spannung zur Änderung der Taktpegel der Signale HO1 und HO2
an die Spannungseingangsanschlüsse B und D angelegt, so wandern
Ladungen nur nach links in Fig. 3B.
Zum Zeitpunkt t = 1 wird die untere Seite des fünften Polygates (das ein
Signal mit demselben Pegel wie das erste Polygate erhält) der Boden der
Potentialwanne.
Zum Zeitpunkt t = 2 liegt eine hohe Spannung am fünften Polygate und am
sechsten Polygate an, die mit dem Signal desselben Pegels wie das erste
und das zweite Polygate versorgt werden, um den Energiepegel herab
zuziehen, während das siebte und das achte Polygate. die mit dem Signal
desselben Pegels wie das dritte und vierte Polygate versorgt werden, mit
einer niedrigen Spannung beaufschlagt werden, um den Energiepegel
anzuheben.
Die gesammelten Elektronen im Bereich der unteren Seite des fünften
Polygates können somit nicht nach rechts wandern, da hier eine Potential
barriere vorhanden ist.
Wird der Energiepegel des dritten und vierten Polygates herabgesetzt, um
die Potentialbarriere an der linken Seite des fünften Polygates zu
eliminieren, so können an der unteren Seite des fünften Polygates
angesammelte Elektronen zur unteren Seite des dritten und vierten
Polygates wandern, die den niedrigen Energiepegel aufweisen.
Wird der Energiepegel des dritten und vierten Polygates hinreichend weit
abgesenkt, so bildet sich wiederum die stufenartige Potentialwanne aus,
so daß deren Boden sich von der unteren Seite des fünften Polygates zur
unteren Seite des dritten Polygates verschiebt.
Zum Zeitpunkt t = 3 liegt die niedrige Spannung am ersten, zweiten,
fünften und sechsten Polygate an, während die hohe Spannung am dritten,
vierten, siebten und achten Polygate anliegt. Der sich einstellende
Zustand ist somit identisch mit demjenigen zum Zeitpunkt t = 1.
Nimmt t die Werte von 1 bis 3 an, so wird dadurch eine Periode des Takt
pulses beschrieben. Während dieser Periode wandern Elektronen vom
fünften Polygate zum ersten Polygate. Sie wandern also von rechts nach
links in Fig. 3B.
Bei der bidirektionalen, horizontalen Ladungsübertragungseinrichtung
nach der vorliegenden Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau
werden Barrierenschichten im Ladungsübertragungsbereich durch
externe oder interne Vorspannungen erzeugt, und nicht durch
Ionenimplantationsprozesse. Demzufolge lassen sich die Potentialstufen
wirksamer einstellen, während andererseits der Herstellungsprozeß der
Ladungsübertragungseinrichtung vereinfacht wird.
Die Ladungsübertragungsrichtung läßt sich bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung in einfacher Weise dadurch ändern, daß das angelegte
Taktsignal verändert wird, und zwar durch Spannungen, die einerseits an
Spannungseingangsanschlüsse A und C bzw. andererseits an Spannungs
eingangsanschlüsse B und D angelegt werden. Durch diese Spannungen
wird die Amplitude des Taktsignals verändert. Dadurch läßt sich die
erfindungsgemäße Einrichtung zur Bildung eines Spiegelbildsensors usw.
heranziehen, bei dem eine bidirektionale Ladungsübertragung
erforderlich ist.
Im einzelnen sind die in den Fig. 2, 3A und 3B gezeigten Polygates 1 bis 8
wie folgt beschaltet: Die Polygates 1 und 5 sind mit einer Signalleitung a
verbunden, die über einen Kondensator K1 das Taktsignal HO1 empfängt.
Dieses Taktsignal HO1 wird über einen weiteren Kondensator K2 auf eine
Signalleitung b gekoppelt, mit der die Polygates 2 und 6 verbunden sind.
An der den Polygates zugewandten Seite der Kondensatoren K1 und K2
sind die Signalleitungen a und b jeweils mit dem Spannungseingangs
anschluß C und D verbunden.
Dagegen sind die Polygates 3 und 7 mit der Signalleitung c verbunden, die
über einen Kondensator K3 das Taktsignal HO2 empfängt. Dieses
Taktsignal HO2 wird über einen weiteren Kondensator K4 auf eine Signal
leitung d gekoppelt, mit der die Polygates 4 und 8 verbunden sind. An der
den Polygates zugewandten Seite der Kondensatoren K3 und K4 sind die
Signalleitungen c und d jeweils mit dem Spannungseingangsanschluß A
und B verbunden.
Claims (11)
1. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung,
enthaltend:
- - einen Ladungsübertragungsbereich (20) in einer Oberfläche eines Halbleiterstubstrats;
- - eine Mehrzahl von wiederholt angeordneten ersten, zweiten, dritten und vierten Gate-Elektroden aus Polysilizium, sogenannten Polygates (1 bis 4) oberhalb des Ladungsübertragungsbereichs (20); und
- - eine Isolationsschicht (21) zur Isolation der Polygates auf dem Ladungsübertragungsbereich (20);
dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsübertragungseinrichtung
derart ausgebildet ist, daß
- - unterschiedliche Signalpegel eines ersten Taktsignals (HO1) an die ersten und zweiten Polygates (1, 2) einerseits sowie unterschiedliche Signalpegel eines zweiten Taktsignals (HO2) an die dritten und vierten Po lygates (3, 4) andererseits anlegbar sind;
- - wodurch sich einerseits jeweils unterschiedliche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs (20) herausbilden, die an den unteren Seiten der das erste Taktsignal erhaltenen ersten und zweiten Polygates (1, 2) liegen, und sich andererseits jeweils unterschiedliche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs (20) herausbilden, die an den unteren-Seiten der das zweite Taktsignal (HO2) erhaltenen dritten und vierten Polygates (3, 4) liegen.
2. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Ladungsüber
tragungsbereich (20) keine durch Ionenimplantation erzeugten Barrieren
schichten aufweist.
3. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste -
Taktsignal (HO1) an die jeweiligen, ersten Polygates (1) über eine erste
Signalleitung (a) und über eine zweite Signalleitung (b) an die jeweiligen
zweiten Polygates (2) angelegt wird, und zwar über jeweils einen
Kondensator (K1, K2), die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
4. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Takt
signal (HO2) an die jeweiligen dritten Polygates (3) über eine dritte Signal
leitung (c) sowie an die jeweiligen vierten Polygates (4) über eine vierte
Signalleitung (d) angelegt wird, und zwar über jeweilige Kondensatoren
(K3, K4), die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
5. Bidirektionale horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnete daß das
erste und das zweite Taktsignal zueinander entgegengesetzte Phasen
aufweisen.
6. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit den ersten und
dritten Signalleitungen (a, c) verbundene Spannungseingangsanschlüsse
(C, A) zum Empfang einer Spannung zur Änderung der Pegel der
angelegten ersten und zweiten Taktsignale aufweist.
7. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit den zweiten und
vierten Signalleitungen (b, d) verbundene Spannungseingangsanschlüsse
(D, B) zum Empfang einer Spannung zur Änderung der Pegel der
angelegten ersten und zweiten Taktsignale aufweist.
8. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs
eingangsanschlüsse (C, A) der ersten und dritten Signalleitungen (a, c) mit
einer Spannung desselben Pegels versorgt werden.
9. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs
eingangsanschlüsse (D, B) der zweiten und vierten Signalleitungen (b, d)
mit einer Spannung desselben Pegels versorgt werden.
10. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung
nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnete daß eine Umkehr der
Ladungsübertragungsrichtung durch selektive Spannungszufuhr zu den
Spannungseingangsanschlüssen der ersten und dritten Signalleitungen
sowie zu jenen der zweiten und vierten Signalleitungen erfolgt.
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