DE2653688A1 - Betriebsschaltung fuer ladungstraegergekoppelte halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: SA 974 056

Betriebsschaltung für ladungsträgergekoppelte Halbleiterbauelemente

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Das Grundkonzept für ladungsträgergekoppelte Halbleiterbauelemente wurde schon beschrieben von Willard Sterling Boyle und George Elwood Smith in einem Artikel mit dem Titel "Charge Coupled Semiconductor Devices" in "Bell System Technical Journal", Seite 587 vom 19. April 1970, Danach besteht ein ladungsträgergekoppeltes Bauelement aus einer Metall-Isolierung-Halbleiter-Struktur (MIS)f in der Minoritatsträger in einem räumlich definierten Verarmungsbereich an der Oberfläche des Halbleitermateriales gespeichert werden, den man auch'Potentialtopf nennt. Eine Ladung wird an der Oberfläche durch Bewegung des Potentialminimums entsprechend verschoben. Eine Abhandlung auf Seite 593 derselben Ausgabe des "Bell System Technical Journal" von Amelio mit dem Titel "Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept" beschreibt Versuche, um die jetzt weitgehend akzeptierte Anwendbarkeit des Konzeptes für ladungsträgergekoppelte Bauelemente zu demonstrieren.

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Ganz allgemein gesagt, besteht ein ladungsträgergekoppeltes Bauelement aus einem Ladungsspeichermedium und einer Gruppe von auf dem Isolator angeordneten Metallelektroden. Information wird in das Medium in Form beweglicher Ladungsträger eingeführt. Diese Ladungsträger können durch das Medium in einer im wesentlichen parallel zur Mediumsoberfläche verlaufenden Richtung durch sukzessiv an eine Reihe von Elektroden angelegte Vorspannung bewegt werden. Im allgemeinen ist das Speichermedium ein Halbleiter, die Ladungsträger sind Minoritätsträger und der übertragungsmechanismus ist gekennzeichnet durch die Erzeugung von Verarmungsbereichen unterschiedlicher Tiefe, in die die Minoritätsträger dann gewissermaßen hineinlaufen. Das Speichermedium kann jedoch auch aus einem halbisolierenden Material bestehen, worin die Ladungsträger die Form haben, wie in USA-Patentschrift Nr. 3 700 932 beschrieben.

Während zahlreiche Informationen über ladungsträgergekoppelte Bauelemente oder CCD-Bauelemente gegenwärtig zur Verfügung stehen, wird bisher das Hauptgewicht auf CCD-Bauelemente selbst gelegt und daher ist die Betriebsschaltung grundsätzlich nicht in dem Maß entwickelt, als es für optimalen Betrieb der wichtigsten Anwendungen der vorgeschlagenen CCD-Bauelemente erforderlich wäre. Für vorgegebene CCD-Bauelemente liegen die Hauptprobleme in der Genauigkeit, Linearität und den Abweichungen der Parameter der Bauelemente, die sich durch die bei heutigen Fertigungsverfahren möglichen Toleranzen ergeben. Herkömmliche Anordnungen von Systemen finden sich in folgenden USA-Patentschriften: 3 623 132, 3 700 932, 3 758 794, 3 781 574.

Die Patentschrift 3 623 132 betrifft eine Schaltung für binäre logische Abfühlung der Ladung in einer CCD-Anordnung mit einer einfachen direkten Eingabeschaltung durch Vergleich einer in einem Referenzspeicherkondensator gespeicherten Referenzspannung mit der beim Betrieb des CCD-Bauelementes gespeicherten Spannung in einem Teil, der eine effektive Kapazität enthält. Diese effektive Kapazität unterliegt Bauelement-Parameterschwankungen und tritt in der Regel bei CCD-Schaltungen auf.

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Die US-Patentschrift 3 700 932 befaßt sich mit einer CCD-Struktur, in der u.a. die Speichermedien stärker kapazitiv sind als in zuvorbekannten Strukturen und das Dielektrikum besonders gesteuert wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Ladungsübertragung verbessert.

Die US-Patentschrift 3 758 794 beschreibt ebenfalls CCD-Strukturen und enthält eine interessante Betriebsschaltung, die insbesondere durch die Verwendung eines Differentialsignaldetektors bemerkenswert ist. Auswirkungen von Bauelement-Parameterschwankungen werden hiernach wesentlich dadurch reduziert, daß ein binäres Signal in einem CCD-Schieberegister weitergeleitet wird, während das Komplement des Signales in einem anderen Register weitergeleitet wird und ein Differentialdetektor die Binärwerte abfühlt. Bei richtiger Polarität der angelegten binären Signale und im Idealfall bei identischen CCD-Bauelementen hebt sich der Effekt bestimmter Parameter auf; in der Praxis werden diese Effekte jedoch nur reduziert und es gibt keine Möglichkeit, analoge Signale umzusetzen.

Die US-Patentschrift 3 781 574, die eine Analyse oben erwähnter Schaltung nach 3 623 132 enthält, ist auf eine kohärente Ausleseschaltung für eine CCD-Bauelementanordnung gerichtet. Die Schaltung ist auf einem einzigen Substrat komplett, läßt sich jedoch durch Analyse leicht separieren. Im wesentlichen wird die Leseschaltung nach US 3 623 132 durch einen Metall-Isolation-Halbleiter-Multiplexschalter (MIS) verbessert, der im CCD-Bauelement in Verbindung mit einer in Sperrichtung vorgespannten Ladungssammeldiode zusätzlich zum üblichen Rückstellschalter und zur Abfrage- und Halteschaltung enthalten ist, die zum Vergleich der kapazitiv gespeicherten Änderungen dient, Dabei ist alles so angeordnet, daß Einschwingvorgänge und zugehörige Nyquist-Störspannungen weitgehend unterdrückt werden.

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine CCD-Betriebsschaltung zu schaffen, die im integrierten Betrieb mit Rückkopplungsreferenz arbeitet, um Ladungsauslösung und Abfühlen der Ladung beim Weiterleiten durch das CCD-Bauelement zu linearisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, wie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben.

Nach der Erfindung besteht eine Teilschaltung zur linearen Signalauslösung aus einer Leistungs—Vergleicherschaltung in Form eines Operationsverstärkers, eines Differentialverstärkers oder einer Verstärkerschaltung, deren erster Eingangsanschluß elektrisch mit dem Substrat des CCD-Bauelementes verbunden ist. Ein zweiter Eingangsanschluß ist elektrisch mit einer Eingangs-Diffusionsdiode des CCD-Bauelementes verbunden und ein Ausgangsanschluß ist an eine Eingangs-Gatt-Elektrode des CCD-Bauelementes angeschlossen während das Eingangssignal dann zwischen dem Substrat des CCD-Bauelementes und einem Widerstandselement angelegt wird, das elektrisch an den jeweiligen Eingangsanschluß der Verstärkerschaltung angeschlossen ist, der mit der Eingangs-Diffusionsdiode verbunden ist. Das Widerstandselement erhält einen Wert, bei dem die Größe der ausgelösten Ladung das lineare Intervall, bezogen auf die Zeit des Wertes der Eingangssignalspannung, dividiert durch den Wert des Widerstandselementes ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Ladungsauslösungs-Teilschaltung nach der Erfindung ist eine Vergleicherschaltung in Form eines Operationsverstärkers, eines Differentailverstärkers oder einer Verstärkerschaltung mit einem Ausgangsanschluß an die Eingangs-Gatt-Elektrode angeschlossen und das Eingangssignal wird zwischen einem Eingangsanschluß der Verstärkerschaltung und einer gemeinsamen Verbindung zur Eingangs-Diffusionsdiode und zum Substrat angelegt. Eine Ladungsabfühlschaltung ist zwischen Abfühlelektrode des CCD-Bauelementes und anderem Eingangsanschluß der Verstärkerschaltung gelegt, um die Ladungsauslösung, bezogen auf die Zeit, ingetral linear zu halten.

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- Mr-

-AV 2663688

Eine integrierende Ladungsauslöse-Teilschaltung nach der Erfindung besteht aus einer Differentialverstärkerschaltung, deren einer Eingang elektrisch mit einer Abfühlelektrode des CCD-Bauelementes und deren anderer Eingangsanschluß mit einer Quelle für festes Referenzpotential verbunden ist, und an deren Ausgangsanschluß eine Ausgangsspannung geliefert wird. Zwischen Ausgangsanschluß der Verstärkerschaltung und Eingangsanschluß ist ein Kondensator gelegt, der mit der Abfühlelektrode verbunden ist. Der Kondensator erhält einen Wert, bei dem die Ausgangsspannung der Abfühl-Teilschaltung das lineare Integral, bezogen auf die Zeit des Abfüh!stromes, multipliziert mit dem Reziprokwert des Kondensators ist. Die so durch den Differentialverstärkerkreis und den Kondensator gebildete integrierende Schaltung wird rückgesetzt, indem einfach ein Rücksetzimpuls über eine aus Diode und Widerstand bestehende Serienschaltung an den Kondensator angelegt wird, um die Ladung im Kondensator auf einen Anfangsbetriebszustand zu bringen, oder indem der Kondensator über eine konventionelle Transistorentladeschaltung entladen wird.

Nach der Erfindung werden die von einer Stufe zur nächsten innerhalb des CCD-Bauelementes weitergeleiteten Ausgangssignale durch eine zweiteilige Konduktanzschaltung gewichtet. Ein Ausführungsbeispiel dieser Gewichtungsteilschaltung besteht aus einem Widerstandselement, das zwischen Abfühlelektrode des CCD-Bauelementes und Eingangsanschluß der Verstärkungsschaltung gelegt ist. Ein anderes Widerstandselement ist zwischen Abfühlelektrode und anderen Eingangsanschluß der Verstärkungsschaltung gelegt. Die Widerstandselemente erhalten Werte, bei denen ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor gleich dem Wert eines der Widerstandselemente, dividiert durch die Summe der Werte beider Widerstandselemente ist. Durch diese Gewichtungsschaltung wird der dynamische Bereich auf das Verhältnis der beiden Widerstandselemente begrenzt. Für große dynamische Bereiche sind große Widerstandsverhältnisse erforderlich.

Dieser Nachteil wird vermieden durch Verwendung positiver und negativer Ladungsdetektoren, die an eine algebraische Sum-

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mierungsschaltung angeschlossen sind und die Eingangskreise der Ladungsdetektoren mit den gegenüberliegenden Enden der Abfühl-Elektrode über einzelne Widerstandselemente verbinden, wodurch der Gewichtungsfaktor das Verhältnis des Differenzwertes der Widerstandselemente, dividiert durch die Summe der Werte der Widerstandselemente, ist. Da der Gewichtungskoeffizient dann primär durch die Differenz der beiden Widerstandselemente bestimmt wird, ist ein großer dynamischer Bereich ohne große Widerstandsverhältnisse möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den ünteransprüchen entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anschließend näher beschrieben.

Es zeigen;

Fign_f 1_r 2 u, 3 Querschnittsausschnitte dreier verschiedener

CCD-Bauelemente,

Fig. 4 ein beispielhaftes CCD-Bauelement mit integrierender Linearstrom-LadungsauslÖse-Teilschaltung und nicht zerstörender Ladungsabfühl-Teilschaltung,

Fig. 5 eine integrierende Ladungsmessungs-Auslösungs-

Teilschaltung zusammen mit Schaltungsmaßnahmen zur Eliminierung des Ladungsverteilungsproblemes und nichtlinearer Effekte der Verarmungszonenkapazitanz,

die
Fign. 6, 7 u. 8 Schaltschemen für/Teilschaltung zur Gewichtung

der abgefühlten Ladung an vorgegebenen Elektroden des CCD-Bauelementes,

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Fig. 9 ein anderes Ausführungsbeispiel für die Ladungs-

auslöse- und Abfühl-Teilschaltung,

Fig. 10 Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen

Schaltung,

Fig. 11 eine graphische Darstellung zur Arbeitsweise der

erfindungsgemäßen Schaltung.

Die erfindungsgemäße Betriebsschaltung läßt sich bei allen oder fast allen Typen von CCD-Bauelementen anwenden. In den Fign. 1 bis 3 sind drei Beispiele konventioneller CCD-Bauelemente schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt als Beispiel ein CCD-Bauelement mit "Oberflächenkanal". Auf ein η-leitendes Substrat 11 ist eine gleichmäßige Schicht 12 aus einem Isoliermaterial niedergeschlagen, Leiterstreifen aus dotiertem Polysilicium 13 liegen auf der Schicht 12. Eine Oxidschicht 14 wird über die ganze Struktur gelegt, über der Schicht 14 liegen dann wieder Leiterstreifen 15. Bei einem derartigen CCD-Bauelement wird eine Minoritätsträgerladung in der Nähe der Schnittstelle zwischen Silicium und Siliciumdioxid weitergeleitet. Diese Ladung nennt man eine Minoritätsladung. Wenn das Substrat aus p-leitendem Material besteht, sind die Minoritätsladungen Elektronen und wenn das Substrat aus n-leitendem Material besteht, sind die Minoritätsträger Löcher. Die Ladungen werden von einem Potentialtopf zum nächsten durch Manipulationsspannungen bewegt, die an die Elektroden, wie Streifen 13 und 15 auf der Oberfläche, angelegt werden. Ein Problem beim einfachen CCD-Bauelement besteht darin, daß ein Teil der Ladung in der Nähe der Schnittfläche aufgrund der "schnellen" Oberflächenzustände 16 eingefangen wird, und damit die Hochgeschwindigkeitsübertragungswirkung des Bauelementes reduziert wird.

Fig. 2 zeigt schematisch ein CCD-Bauelement mit "vergrabenem Kanal", womit obengenanntes Problem zum Teil gelöst wird. In das p-leitende Siliciumsubstrat 21 ist η-leitendes Material zur Bildung der Kanalbegrenzungen 22 diffundiert. Eine implantierte n-leitende Schicht 23 wird zur Bildung des "vergrabenen Kanales"aufgebracht.

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Eine hierüber aufgetragene konventionelle isolierende Oxidschicht 24 mit hierauf befindlichen Metallaluminiumstreifen 25 gestatten die Bereitstellung von Gatt-Elektrode, Abfühlelektrode und dgl. Eine n-leitende Diffusion bildet eine Ausgangsdiode 26. Eine solche Ausgangsdiode ist wie in vielen CCD-Bauelementen angeordnet. Im CCD-Bauelement mit vergrabenem Kanal wird versucht, den Verlust bei Hochgeschwindigkeits-Ladungsübertragung an der Schnittstelle durch die implantierte Schicht 23 wettzumachen, die vom selben Leitungstyp wie die Minoritätsträger im Siliciumsubstrat 21 ist. Wenn das Siliciumsubstrat also p-leitend ist, ist die Implantation n-leitend und umgekehrt. Die Implantationsschicht 23 ist geringfügig dotiert und die Minoritätsträger liegen ungefähr in der Mitte dieses Bereiches. Der Potentialtopf ist somit von der Schnittstelle zwischen Silicium und Siliciumdioxid entfernt, und dadurch sind die Verluste reduziert,

Fig. 3 zeigt schematisch ein "peristaltisches" CCD-Bauelement, über dessen p-leitendem Siliciumsubstrat 31 eine n-leitende Epitaxialschicht 33 liegt. Die Diffusionszonen 34 aus p+-Material sind so angeordnet, daß sie einen bestimmten Bereich der Epitaxialschicht 33 so isolieren, daß eine n-leitende Tasche geformt wird. Siliciumoxid 35 wird über die Epitaxialschicht 33 aufgetragen und dotierte Polysiliciumstreifen 36 werden in die Oxidschicht eingebettet. Aluminiumstreifen 37 bilden die Elektroden wie bei anderen CCD-Bauelementen. An einander gegenüberliegenden Enden der n-leitenden Tasche werden n+-Bereiche für Emitter und Kollektor gebildet und eine Elektrode 37 wird zwischen beide aufgebracht, genau wie bei anderen konventionellen CCD-Bauelementen. Wenn eine Elektrode negativ gepulst wird, werden bereits in diesem Bereich befindliche Elektronen herausgezwungen, so daß sich im Bauelement nur eine unbewegliche Raumladung befindet. Elektronen werden vom Emitter induziert, wenn Information eingegeben wird. Diese Elektronen wandern dann nur bis zur Mitte der epitaxialen Schicht und nicht bis hinauf zur Oberfläche und werden so in einen Potentialtopf eingebracht, der von der Oberfläche entfernt ist. Das Grundkonzept dieses CCD-Bauelementes unterscheidet sich von

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— &Γ^ —

demjenigen des CCD-Bauelementes mit vergrabenem Kanal dadurch, daß sich im vergrabenen Kanal keine Minoritätsladungsträger bewegen. Diese Minoritätsladungsträger werden vom Emitter injiziert und durch die Raumladungsbereiche auf allen Seiten eingefangen.

Diese CCD-Bauelemente sind nur drei verschiedene Beispiele für CCD-Bauelemente, mit denen eine erfindungsgemäße Schaltung benutzt werden kann. Ausführungsbeispiele der in Fig. 4 gezeigten Betriebsschaltung werden anschließend in Verbindung mit einem beispielhaften CCD-Bauelement 40 beschrieben, das aus einem Ladungsspeichermedium mit einem Substrat 41, den p-n-übergänge bildenden Zonen 42 und 43 zur Bereitstellung von Dioden und einer Isolierschicht 44 besteht, die das Ladungsspeichermedium bedeckt und mehrere gesondert angeordnete Elektroden 45 trägt. In der US-Patentschrift Nr, 3 654 499 ist die Arbeitsweise der Elektroden 45 beim Aufbau von Ladungslagen innerhalb des Ladungsspeichermediums 41 beschrieben. Eine Ladungsauslöselage im Speichermedium 41 ist durch das Diodenelement 42 und die erste Elektrode 45i definiert, die als Eingangselektrode dient. Die erste Stufe des CCD-Bauelementes 40 ist analog einem MOSFET aufgebaut, wobei die Elektrode 45i dem FET-Gatt, das p-leitende Material der FET Source und die Übertragungs- und Abfühlelektrode virtuell der Drain entsprechen. In dem beispielhaften CCD-Bauelement 40 mit einem η-leitenden SiIiciumsubstrat 41 sind p+-Diffusionszonen beliebig angeordnet, beispielsweise als Eingangsdiodenelement 42 für die Ladungsauslöselage und als Ausgangsdiodenelement 43 für eine Ladungsabgäbelage. Die Schicht 44 aus Siliciumdioxid wird z.B. gleichmäßig auf das Substrat 41 niedergeschlagen· um dann die gewünschte Anzahl von Elektroden 45 in Leitungsform auf diese Schicht 44 aufzubringen. Das Substrat 41 kann aber auch aus p-leitendem Silicium bestehen, £<? daß dann -ee die Diffusionszonen aus n-leitendem Material sind usw.

Ein Ausführungsbeispiel der Teilschaltung zur Einbringungsauflösung der Ladung in ein CCD-Bauelement hinein ist darstellungsgemäß mit der Elektrode 45i verbunden. Eine hier durch einen Generator 50 symbolisch dargestellte Signalquelle ist mit den Eingangsanschlüssen

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51 und 52 verbunden. Der Eingangsanschluß 51 ist an einen Anschluß eines Widerstandselementes 54 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit der Eingangsdiode 42 gemeinsam an einen Anschluß eines Differentialverstärkers 56 angeschlossen ist, der hier als Vergleicherschaltung dient. Der andere Eingangsanschluß der Vergleicherschaltung 56 ist gemeinsam mit dem anderen Signaleingangsanschluß 52 und dem Substrat 41 des CCD-Bauelementes verbunden. Der Ausgangsanschluß der Signalverstärkerkreise 56 ist mit der Eingangselektrode 45i verbunden. Diese Unterschaltung braucht ein Minimum an Schaltungsaufwand, um das Einbringen einer Ladung in das CCD-Bauelement 40 linear auszulösen. Die benötigten wesentlichen Schaltungsteile sind ein Stromdifferentialverstärkerkreis mit niedriger Eingangsvorspannung 56 und ein Widerstandselement 54,

Das CCD-Bauelement eignet sich besonders für digitale Datenumsetzung, obgleich eine Analogdatenumsetzung jedoch auch möglich sein kann. Der Generator 50 ist als Analogsignalgenerator dargestellt. Eine Digitalsignalquelle läßt sich statt dessen genau so gut einsetzen. Ein zerhacktes Analogsignal wird mit einer erfindungsgemäßen Schaltung verwendet. Den gewünschten Effekt erhält man nach der Erfindung durch eine zusätzliche Diode 57 zwischen Ausgangsanschluß und Eingangsanschluß der Vergleicherschaltung 56 sowie eine weitere Diode 58 und einen Widerstand, die in Reihe an einen Anschluß 61 angeschlossen sind, an den ein positiv gerichteter Einschaltimpuls angelegt wird, um den Signalverlauf des vom Generator 50 abgegebenen Signals abzutasten.

Diese Ladungsauslöseschaltung funktioniert ähnlich wie ein Stromregler und erzeugt einen konstanten Strom am Eingangskreis des CCD-Bauelementes. Die Arbeitsweise läßt sich wie folgt erklären. Das Auftreten einer positiven Signalspannung V_in läßt den Ausgang des Verstärkers negativ ausschlagen und legt dadurch eine negative Spannung an das Eingangsgate 45i des CCD-Bauelementes 40. Dadurch wiederum wird der Eingangs-FET eingeschaltet und es kann

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-H-

ein Strom durch den wirksamen FET in die erste Stufe des CCD-Bauelementes 40 fließen.

Der Verstärker hat eine negative Rückkopplung über den Eingangs-FET des CCD-Bauelementes und regelt sich daher selbst. Der in das CCD-Bauelement eingeführte Strom ist proportional dem Eingangssignal V. und kann ausgerückt werden als

ι - lia ,1,

Eingabe R ^{l u}

Die im CCD-Bauelement ausgelöste Ladung ist gleich dem Integral des Auslösestromes, bezogen auf die Zeit

Eingabe 'j\ TT ^{dt (2)}

Der ausgelöste Eingabestrom ist sehr klein und liegt typischerweise im Bereich von Nanoampere. Es muß sichergestellt sein, daß der gesamte in das CCD-Bauelement 40 an der Eingangsdiode 42 eintretende Strom ohne Verlust in die erste Stufe fließt, weil sonst am Eingang ein besonderes Problem auftritt, wo die p+-Diffusion einen Diodenübergang mit dem Substrat 41 bildet. Wenn an diesem Übergang eine Vorspannung liegt, fließt ein Strom zwischen Eingangsdiffusion und Substrat, und dieser addiert sich zu dem im CCD-Bauelement ausgelösten Strom oder wird von ihm subtrahiert, wodurch ein Fehler in der Eingabe-Auslösung auftritt. Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß Leckstrom von der Eingangsdiode 42 eliminiert wird, indem man die Eingangsdiffusionsspannung auf dieselbe Höhe wie die Substratspannung V , zwingt. Dadurch wird die Differentialspannung über dem Diodenübergang gleich 0 gehalten. Wenn an\ Diodenübergang keine Spannung liegt, kann auch kein Strom durch die Diode fließen; und somit wird der Leckstrom eliminiert.

In Fig. 5 ist ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Ladungseingabe-Auslöseschaltung gezeigt. Hier ist die ebenfalls als

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Generator 50 dargestellte Signalquelle mit den Signaleingangsanschlüssen 51 und 52 verbunden, deren letzterer wie vorher an das Substrat 41 angeschlossen ist. Hier ist jedoch die Eingangsdiode 42 mit dem Signaleingangsanschluß 52 verbunden und der andere Signaleingangsanschluß 51 ist an einen Anschluß der Signalverstärkerschaltung 56' angeschlossen, deren Ausgang wie vorher mit der Eingangselektrode 45i verbunden ist. Der andere Eingangsanschluß der Differentialverstärkerschaltung 56' ist mit der Ladungsabfühlschaltung 60 an deren Ausgangsanschluß verbunden. Der Eingangsanschluß der Ladungsabfühlschaltung 60 ist an die Abfühlelektrode 45s angeschlossen. Die Ladungsabfühlschaltung 60 kann rückgesetzt werden und hat dafür einen Rücksetsimpuls-Eingangsanschluß 62. Eine Ladungseingabe wird linear im CCD-Bauelement mit diesen wesentlichen Bauteilen ausgelöst, wobei im "gemessene-Ladungs-Betrieb" gearbeitet wird. Die Ladungsabfühlschaltung 60 fühlt die Größe der in die erste Stufe des CCD-Bauelementes 40 eingebrachten Ladung ab und die Signalverstärkerschaltung 56' dient als Vergleicherschaltung, die den FET-Eingang des CCD-Bauelementes steuert. Am Anfang ist die erste Stufe des CCD-Bauelementes leer und der FET am Eingang ist abgeschaltet. Der Ladungsdetektor 60 ist normalerweise rückgesetzt und zum Messen einer neuen Ladung bereit. Durch Anlegen der Signalspannung an die Eingangsanschlüsse 51, 52 wird die Vergleicher- oder Verstärkerschaltung 56 den Eingangs-FET einschalten und den Stromfluß in das CCD-Bauelement 40 starten. Die entsprechende Ladung sammelt sich dann in der ersten Stufe des CCD-Bauelementes. Die Ladungsabfühlschaltung 60 fühlt diese Ladung ab und verfolgt sie während sich die erste Stufe des CCD-Bauelementes füllt. Die Ausgangsspannung von der Leitungsabfühlschaltung 60 wird mit der Eingangssignalspannung am Eingang des Differentialverstärkerkreises 56' verglichen. Wenn die gemessene Ladung und die Eingangssignalspannung in der vergleichenden Verstärkerschaltung 56' gleich sind, schaltet diese den virtuellen Eingangs-FET ab und beendet somit den Stromfluß in die erste Stufe. Am Ende dieser Vorgangsfolge ist die gemessene Signalladung in der ersten Stufe pro-

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portional der Größe des Eingangssignales vom Signalgenerator 50.

Zwischen der Arbeitsweise bei linearem Strom wie mit in Fig. gezeigter Schaltung und derjenigen der mit dem Ladungsmeßverfahren arbeitenden, in Fig. 5 gezeigten Schaltung besteht ein wesentlicher Unterschied. Beim Linear-Stromverfahren ist die freie, in das CCD-Bauelement hineingegebene elektronische Ladung proportional dem Eingangssignal, wogegen beim gemessene-Ladungsverfahren die Größe der in der ersten Stufe gemessenen Signalladung proportional dem Eingangssignal ist. Beim Linear-Stromverfahren wird die Linearität gesichert durch lineare Stromauslösung und Elimination eines nichtlinearen Leckstromes. Beim gemessene-Ladungsverfahren spielt es keine Rolle, ob der Eingangsstrom linear ist oder nicht, oder ob Leckströme vorhanden sind, weil die Teilschaltung nur die meßbare Menge der Signalladung abfühlt. Die Differenz wird anschließend genauer in Verbindung mit der Abfühl-Teilschaltung analysiert.

Das Ladungsmeßverfahren der Eingabe-Auslösung kann in CCD-Anwendungen benutzt werden, um nichtlineare Effekte der Kapazitanz des Verarmungsbereiches und den nichtlinearen Effekt der Ladungsverteilung in CCD-Bauelementen mit vergrabenem Kanal oder peristaltischer Charakteristik vollständig zu eliminieren. Eine solche, praktisch lineare Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Eine zusätzliche Ladungsabfühlunterschaltung 60' ist an eine andere Abfühlelektrode 45s¹ angeschlossen. Ein Rücksetzanschluß 62' ist wie vorher verbunden und die gemessene Ladung wird an die Ausgangsklemmen 64, 65 geliefert. Das System hat vier Haupteigenschaften. Ein Auslöser für die gemessene Ladung ist mit dem Eingang verbunden, um die Ladung in das CCD-Bauelement einzugeben. Die nicht zerstörende Abfühlung wird am Ausgang dazu benutzt, die Ladung im CCD-Bauelement abzufühlen. Ein Ladungsdetektor desselben Typs wird sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis verwendet, und daher ist die elektrische Eingangscharakteristik der beiden identisch. Eingangs- und Ausgangsstufe des CCD-Bauelementes

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sind physikalisch und elektrisch identisch.

Der Eingangskreis löst die Ladungsmengenabgabe aus, die erforderlich ist, um die gemessene Signalladung in der ersten Stufe proportional der Eingangssignalspannung zu machen. Wenn die freie Elektronenladung zur Ausgangsstufe weitergeleitet wird, wird durch den Ausgangsladungsdetektorkreis dieselbe Größe der Signalladung abgefühlt, weil Eingangsstufe und Ausgangsstufe eine identische Charakteristik haben. Dabei spielt es keine Rolle, wie groß die im Kapazitanzelement des Verarmungsbereiches gespeicherte Ladung, ein an der Eingangsdiode eventuell auftretender Leckstrom oder wie die Ladung innerhalb des Speichermediums verteilt ist, weil Eingangs- und Ausgangskreis streng auf Größe der meßbaren Signalladung ansprechen.

Das Konzept der meßbare-Ladungs-Auslösung scheint sich insbesondere auf nichtlineare LadungsVerteilungsprobleme anwenden zu lassen, die bei Bauelementen mit vergrabenem Kanal auftreten.

Linearität und maximal erreichbare Abfragerate sind für ein derartiges System durch die Gesamtansprechzeit des Ladungsdetektorkreises und des Leistungs-Vergleicherkreises begrenzt. Die Genauigkeit ist eine Funktion der Ausgangsspannung des Ladungsdetektors und der Auflösung des Vergleicherkreises.

Die Ladungsabfühlteilschaltung 60'' in Fig. 4 ist mit einer Abfühl-Gate-Elektrode 45s¹¹ verbunden. Ein Vergleicherkreis in Form eines Differentialverstärkerkreises 70 ist mit einem Eingangsanschluß an die Abfühlelektrode 45s¹¹ und mit dem anderen Eingangsanschluß an einen Punkt mit festen Referenzpotential am Anschluß 71 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkerkreises 70 ist mit einem Ausgangsanschluß 72 verbunden und mit einem Anschluß eines Kondensators 74, dessen anderer Anschluß an den ersten Eingangsanschluß des Verstärkerkreises 70 gelegt ist. Auf diese Weise wird eine

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integrierende Schaltung gebildet. Ein Halbleiterbauelement, das hier als Diodenpaar 76 und 78 dargestellt ist, liegt in Nebenschluß über Kondensator 74, um diesen mit einem Anschluß 82 zu verbinden, an den negativ gerichtete Rücksetzimpulse angelegt werden, um den Kondensator 74 periodisch zu entladen. Eine Mischschaltung 84 ist mit dem Ausgangsanschluß 72 verbunden, um das Abweichungs-Gleichpotential an die Eingangsanschlüsse 86, und ein Abfühlsignal des Takttreibers wird an Anschluß 88 angelegt, um so das Abweichungs-Potential und den Effekt der Taktspannungsweiterleitung am Ausgangsanschluß 90 zu eliminieren. Ein Verstärker 92 wird vorzugsweise zwischen Mischschaltung und Ausgangsanschluß 90 gelegt, um die am Anschluß 72 erscheinende Spannung zu entkoppeln und zu verstärken. Die nichtzerstörende Abfühlung der im CCD-Bauelement 40 enthaltenen Ladung erfolgt durch diese Grundschaltung, die aus einem Integrator mit nachfolgendem Summenverstärker besteht, der eine Verschiebung und Aufhebung des Gleichspannungspegels der durchgeschalteten Taktspannung bewirkt. Die Wahl der Integratorkomponenten erfolgt entsprechend den Schwachstrom-Konstruktionskriterien. Insbesondere hat der Verstärker 70 niedrigen Eingangsvorspannungsstrom und hohe Verstärkung, und die Dioden 76, 78 haben niedrigen Sperrstrom. Der Integrator wird zwischen Lesezyklen durch Anlegen eines Rücksetzimpulses an den Anschluß 82 erregt, wodurch das Ausgangssignal am Anschluß 72 auf eine vorgegebene Spannung geklemmt wird. Dadurch wird der dem Integrator inhärente Langzeit-Driftfehler eliminiert.

Die Integratorspannung V_, . ist proportional dem Integral über der Zeit des Abfühlelektroden-Verschiebungsstromes i und kann wie folgt ausgedrückt werden:

-t

(3)

Der Abfühlverschiebungsstrom i ist eine nichtlineare Funktion der freien elektronischen Ladung 6Q . Im Halbleiter gibt es

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zwei Ladungen: (1) Die freie elektronische Ladung Q , die durch das CCD-Bauelement weitergeleitet wird und (2) die Massenladung Q, , die im Verarmungsbereich liegt. Das Vorhandensein dieser beiden Ladungen führt zum Ansammeln einer entsprechenden Signalladung Q außerhalb des Halbleiters auf der Abfühl-Elektrode des

CCD-Bauelementes. Die Gleichung für das differentielle Ladungs-Gleichgewicht lautet:

IQ₃I = Iδθ_η| - |6Q_b (4)

Daraus folgt, daß der Verschiebungsstrom i eine lineare Funktion

P von 6Q ist. Dieser Strom i ist jedoch keine lineare Funktion

s P

der freien Elektronenladung öQ , weil oQ, bezogen ist auf die Kapazitanz des Verarmungsbereiches und teilweise eine nichtlineare Funktion von 5Q ist. Die Nichtlinearität zwischen i und 6Q

η pn

wird auf ein akzeptables Maß für viele Anwendungen reduziert, indem man (1) ein Substrat mit einem hohen spezifischen Widerstand verwendet, (2) die Abfühl-Elektrodenspannung konstant hält und (3) den Bereich von SQ einschränkt.

Diese Schaltung hält die Gleichspannung auf der Abfühlplattenelektrode auf einem konstanten Wert. Momentane übergänge treten auf und werden während der Ladungsintegration toleriert; die Spannug auf der Abfühl-Elektrode kehrt jedoch immer zur Referenzspannung V ^ zurück, wenn das Signal voll integriert ist. Dadurch wird einer der nichtlinearen Kapazitanzeffekte des Verarmungsbereiches eliminiert, der sonst auftreten würde, wenn sich die Abfühl-Elektrodenspannung während der Ladungsabfühlung ändern könnte.

Der Abfühl-Elektroden-Verschiebungsstrom ist somit immer richtig integriert (keine Ladung geht verloren), auch wenn die Ansprechzeit der Verstärkerschaltung 70 länger ist als die Integrationszeit des Verschiebungsstroms. Damit ist bei der Verstärkerkonstruktion ein großer Spielraum vorgegeben. Die Schaltung ist für das

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Ausmaß der Streukapazitanz unempfindlich, die auf der Abfühlleitung im Bereich der Abfühlelektrode vorhanden ist, und auch für die Absolut-Werte von Schwellenspannung und Oxiddicke.

Die drei Hauptfehlerquellen dieser Detektorschaltung sind (1) Abweichungen in der Takt-gebundenen Durchleitung, (2) Streuleckströme auf der Abfühlleitung und (3) nichtkorreliertes Rauschen.

Die Takt-gebundene Durchleitung wird ausgedrückt als:

V₂

^QTakt ⁼ / ^CInterelektrodenkapazitanz^dVTakt ⁽⁵⁾

Die Kapazitanz zwischen den Elektroden ist für ein gegebenes Bauelement konstant; die Taktspannungsamplitude jedoch weist im allgemeinen eine gewisse Varianz auf. Der Effekt der Takt-gebundenen Durchleitung und seiner Abweichung aufgrund von Änderungen in der Taktspannung kann eliminiert werden, indem man die Taktspannung am Eingangsknotenpunkt des Summierungsverstärkers in Fig. 4_rsubstrahiert.

Die Leckladung durch Streuleckströme kann ausgedrückt werden als ^QLeck -j] ¹LeCk^ ⁽⁶⁾

Bei guten CCD-Bauelementen ist der Leckstrom sehr niedrig und im allgemeinen ein vernachlässigbarer Faktor, da er nur während der Integrationsperiode zum Fehler beiträgt.

Nichkorreliertes Quellen-Rauschen sind (1) Bauelement-Rauschen (aufgrund theoretischer Ungewißheit der Ladungsweiterleitung im CCD-Bauelement) infolge der Interelektrodenkapazitanz zwischen Takt- und Abfühlelektrode, (2) -*fc« Rücksetz-Bauelement-Rauschen infolge der Wirkung des integrierten Rückkopplungskondensators und (3) von benachbarten Digital-Schaltungen eingekoppeltes Rauschen, Das Bauelement-Rauschen ist proportional:

^{SA 974 O56} 70982 8/09 B 9

2653638

(kTC) ^{/Δ
worin k die Bolzmannsche Konstante, T die Temperatur in ⁰K und C die Kapazität in F sind.

Den größten Rauschanteil liefert das Rücksetzrauschen, weil hier die größte Kapazitanzkomponente v/irksam ist. Der in einem Anwendungsfallteil verwendete Integrationskondensator besitzt einen Wert von 24 pF und die aus dieser Kapazität resultierende Ladungsunsicherheit beträgt 316 Atto Coulomb. Bei typischen CCD-Bauelementen liegt die Potentialtopfkapazität in einer Größenordnung, die dem Pico Coulomb-Bereich zugeordnet ist. Das Interelektroden-Rauschen wird dadurch reduziert, daß man die Kapazität reduziert; der dynamische Bereich wird in der Praxis eventuell durch dieses Rauschen begrenzt.

Von benachbarten Digitalschaltungen überkoppeltes Rauschen kann sich zu einem beträchtlichen Wert der Ladungsunsicherheit aufsummieren. Dieses Rauschen wird durch entsprechende Abschirmung und Entkopplung von Stromversorgungen reduziert.

Diese Ladungsabfühlteilschaltung ist zur Verwendung anstelle des Differentialstromintegrators vorgesehen um ein Transversalfilter unter Benutzung der Gewichtungsmethode mit geteilter Elektrode zu realisieren. Durch diese Anordnung werden Ladungsansammlungseffekte eliminiert, die sich während der Abfühlung aufgrund einer Differentialspannung über der positiven und negativen Abfühlleitung entwickeln. Außerdem wird der nichtlineare Effeiet der Verarmungsbereichkapazitanz aufgrund der Spannungsänderungen auf der Abfühlelektrode eliminiert, welcher während der Abfühlung auftritt, wenn das Differentialstrom-Integratorverfahren angewandt wird.

Der Ladungsdetektor 60'' eignet sich sehr gut für ein neues Gewichtungsverfahren mit geteiltem Leitkanal, um den Abfühlelektroden-Verschiebungsstrom proportional aufzuteilen.

^{SA 974} °⁵⁶ 709828/095 3

Fig. 6 zeigt ein Gewichtungskonzept mit geteiltem Leiter, angewandt auf eine CCD-Stufe. Das dargestellte Gewichtungsnetzwerk besteht aus den Widerstandselementen 94 und 96 und wird in die Signalbahn zwischen CCD-Abfühlplatte und Ladungsdetektor Q, , wie dargestellt, gelegt. Der Signalstrom i wird im Netzwerk geteilt und nur ein Teil des Stromes i, steht für den Eingang des Ladungsdetektors zur Verfügung. Der Gewichtungsfaktor hängt ab von den Widerstandswerten der Widerstandselemente 9 4 und 96 und errechnet sich wie folgt:

(7)

^R94^+R96
Die Ausgangsspannung des Ladungsdetektors ist:

Vt - -h s^b f ν*

94 96 ο

Positive und negative Koeffizienten sind möglich, wobei auch die Anordnung eingeschlossen ist, bei der der Koeffizient nur eine Polarität hat und der Wert über und unter einen vorgegebenen Referenzpegel schwingt; der reduzierte Wertbereich muß jedoch tole-ä riert werden. Eine große Anzahl von Abfühlelektroden kann einzeln gewichtet und durch Hinzufügen eines geteilten-Leitungs-Netzwerkes für jede Elektrode und Verbinden der Netzwerkausgänge mit gemeinsamen Sammelleitungen summiert werden.

Diese Schaltung hat den Nachteil, daß der dynamische Bereich auf das Verhältnis der beiden Widerstandselemente beschränkt ist. Um größere dynamische Bereiche zu erzielen, sind große Widerstandsverhältnisse erforderlich und diese lassen sich bei üblicher Herstellung integrierter Schaltungen nur schwer erreichen.

Basierend auf einer Variante des oben beschriebenen Verfahrens zeigt die Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Problem des WiderstandsVerhältnisses gelöst und positive und negative Gewichtungskoeffizienten durch Verwenden von zwei Ladungsdetektoren

SA 974 056 709828/0953

if '

70 und 70 abgeleitet werden. Die Ausgabe vom positiven Detektor +70 wird von der Ausgabe des negativen Detektors -70 subtrahiert und die Endausgangsspannung V ist gleich der algebraischen Summe (Differenz der beiden Vierte) . In diesem Fall sind sowohl Größe als auch Vorzeichen des Gewichtungskoeffizienten eindeutig durch das Leitungsnetzwerk für jede Abfühlplatte 45s bestimmt. Der Gewichtungsfaktor h. und die i-te Abfühlplatte können ausgedrückt werden als:

" ' ^Ra(i)

Da die Gewichtungskoeffizienten primär bestimmt sind durch die Differenz der Werte dieser beiden Widerstandselemente, ist hier ohne ein großes Widerstandsverhältnis ein großer dynamischer Bereich zu verwirklichen. Zur Herstellung geteilter Leitkanäle gibt es viele mögliche Verfahren, wie Diffusion, Niederschlag und Ionenimplantantion. Mit Lasern oder einer anderen Trimmtechnik kann man sehr genaue Gewichtungskoeffizienten bis in die Größenordnung von 0,02 % erreichen.

Das Gewichtungsverfahren ist auf Schwankungen im Abfühlelektrodenbereich nicht so empfindlich wie die Gewichtungstechnik mit geteilter Elektrode und es verlangt nicht mehrere MOSFET-Elemente mit angepaßter Charakteristik wie die Technik mit gleitender Diffusion und gleitender Abfühlung.

In Fig. 8 ist eine praktische Schaltung gezeigt, die die geteilte-Leiter-Gewichtung nach der Erfindung anwendet. Die Gewichtungs-Widerstandselemente R. _ und R,₃ verbinden die Elektrode 45s mit einer positiven Abfühlschaltung 70' und einer negativen Abfühlschaltung 70* . Ein kapazitives Bauelement 112 ist in Reihe mit dieser Schaltung gelegt, um zu verhindern, daß ein direkter Stom zwischen den Signalladungsabfühlschaltungen 70' und 70' aufgrund der Verlagerungsspannungen zwischen diesen beiden Schaltungen fließt. Die Abfühlkreise bestehen aus den Differentialverstärkern

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114 und 116, deren einer Eingangsanschluß gemeinsam an einen Eingangsanschluß 118 für eine Referenzimpulsspannung gelegt ist. Die Verstärkerschaltungen 114 und 116 haben ladungsintegrierende Kondensatoren 124 und 126, die zwischen Ausgangsleitungen und Eingangsleitungen gelegt sind, an die die Gewichtungswiderstandselemente angeschlossen sind. Diese Kondensatoren werden periodisch durch Dioden 128, 130 zurückgesetzt, die auf einen vorgegebenen Leitfähigkeitszustand über die Regelwiderstände 132, 134 und die isolierenden Dioden 136, 138 vorgespannt sind, die gemeinsam am Anschluß 140 für einen negativ verlaufenden Rücksetzimpuls liegen. Die Widerstände 132 und/oder 134 sind regelbar zum Ausgleichen des Rücksetzzustandes der Abfühlschaltungen. Die meisten Operationsverstärker haben Vorkehrungen für VerlagerungsSpannungskorrektur. Ein Regelwiderstand 142 im Schaltkreis des Operationsverstärkers 114 und/oder ein ähnlicher Widerstand 144 im Schaltkreis des Operationsverstärkers 116 bilden ein Beispiel einer konventionellen Verlagerungsspannungs-Regelschaltung. Der Ausgang der positiven und negativen Abfühlkreise 70" und 70' wird an eine Mischschaltung angelegt, die aus den Widerständen 146, 148 und einem Differentialverstärker 150 besteht, an dessen einen Eingangsanschluß ein Rückkopplungswiderstand 152 angeschlossen ist. Der andere Eingangsanschluß des SummierungsVerstärkers 150 ist über einen anderen Widerstand 154 mit einem Referenzpotentialanschluß 71' verbunden, während die Ausgangsleitung an den Ausgangsanschluß 100' angeschlossen ist.

Die schematische Darstellung in Fig. 9 zeigt eine andere Ladungsauslösungs- und -abfühlschaltung nach der Erfindung mit einigen praktischen Schaltungsvarianten. Die Ladungsauslösungsschaltung ist ähnlich wie die vorhin gezeigte aufgebaut und daher werden auch gleiche Bezugszeichen benutzt. Das Diodenelement 42 des CCD-Bauelementes 40 für das Substrat ist mit einem Eingangsanschluß eines Analogverstärkers 56 verbunden, dessen anderer Eingangsanschluß an einen Potentialpunkt angeschlossen ist, im allgemeinen wie dargestellt, an das Substratpotential, und dessen

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709828/09B3

Ausgangsanschluß mit der Eingangselektrode 45i verbunden ist. Ein Eingangswiderstand 54' vervollständigt die Linear-Strom-Auslösungsschaltung. Der Strom für diesen Teilschaltkreis wird durch eine gemessene-Ladungs-Auslöse-Teilschaltung geliefert.

2
Ein Vergleicher 56 in Form eines Differentialverstärkers ist mit einem Eingangsanschluß an den Signaleingangsanschluß 51 und mit einem Ausgangsanschluß an das NAND-Glied 154 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluß an ein S-R-Flipflop 156 angeschlossen ist, das aus zwei über Kreuz verbundenen NAND-Gliedern 157 und 158 besteht. Der komplementäre Ausgangsanschluß Q der Flipflopschaltung 156 ist mit einem UND-Glied 160 verbunden, dessen Ausgangsanschluß über den Widerstand 54' an den Verstärker 56

ο gelegt ist. Der andere Eingangsanschluß des Verstärkers 56

3 ist mit der Ladungsabfüh!schaltung 70 am Ausgang eines anderen

2
Analogverstärkers 80 verbunden. Ein Eingangsanschluß dieses Ver-

2 stärkers ist mit einem integrierenden Kondensator 74 verbunden,

2 der außerdem an den Ausgangsanschluß des Kreises 70 und an die Abfühlelektrode 45s der Eingangsstufe des CCD-Bauelementes 40 angeschlossen ist. Der andere Eingangsanschluß des Vergleichers

2
70 ist mit einem Punkt festen Referenzpotentiales verbunden,

2
das an einen Anschluß 71 , wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung angelegt wird. Der Verstärker

70 wird vorzugsweise im Ruhezustand vorgespannt, bis ein elektrisches Einschaltsignal an den Einschaltanschluß 162 angelegt wird. Die Schaltungen 154, 158 und 160 werden auch durch denselben elektrischen Einschaltpegel eingeschaltet, vorzugsweise jedoch etwas später, wozu ein Verzögerungselement 164, wie dargestellt, in die Schaltung eingebaut ist.

Der an die Elektrode 45a- angelegte Taktimpuls ist graphisch durch eine Kurve 200 (Fig. 10) dargestellt. Die Kurve 200 wie alle anderen Kurven in dieser graphischen Darstellung sind zum besseren Verständnis des beabsichtigten Betriebes der erfindungsgemäßen Schaltung idealisiert. Zwei aufeinanderfolgende Halbzyklen 202 und 204 mit einem Tastverhältnis von 0,5 sind dargestellt. Andere Tastverhältnisse, entsprechend dem jeweils vor-

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709828/0953

liegenden Problem, lassen sich aufstellen. Eine Signalladung zwischen t_fi-t₇ wird im CCD-Bauelement während des Halbzyklus 204 zwischen t_-t₁₄ ausgelöst. Die Signalladung wird während des Halbzyklus 202 zwischen t ~t₃ übertragen und während des Halbzyklus zwischen t₃-t₁₄ abgefühlt. Die Ausgangsabfühlung muß vor der Zeit t₃ beginnen und dann andauern, bis die Ladung in die Abfühlstufe übertragen ist, mit Ausnahme der ersten oder Auslösestufe, wo sie auftreten kann, vorzugsweise jedoch nicht vor Stabilisierung z.Zt t.,. Echte Ladungen werden zu den Übergangszeiten t_Q, t₃ und t₁₄ übertragen; eine Ladung ist stabil während der Intervalle zwischen diesen Übergängen. Die Kurve 210 zeigt einen Spannungsverlauf, wie er an die Elektroden 4Sb₁ des CCD-Bauelementes angelegt wird. Es ist zu beachten, daß diese Kurve dieselbe Zeit-Phasenbeziehung hat, wie der Taktimpulsverlauf 200, jedoch um die Vorspannung an der jeweiligen Elektrode (hier in negativer Richtung) versetzt ist. Die direkte Vorspannung wird hier nach Bedarf an die nachfolgende Elektrode 4Sb₁ angelegt. Der Rücksetzimpulszug ist graphisch durch eine Kurve 220 dargestellt, woraus zu ersehen ist, daß der Rucksetζimpuls 222, vorzugsweise zwischen t..-t₂, wesentlich vor der Übergangszeit t₃ auftritt. Der feste Referenzspannungspegel ist durch eine gestrichelte Linie 230 bis zum Rücksetzimpuls 222 dargestellt. Die graphische Darstellung

2 des Verlaufs am Ausgang des Verstärkers 80 ist durch eine Kurve 240 dargestellt. Der Rucksetζimpuls 222 wird angelegt, um den Ladungsdetektor an gefähr -6,5 Volt zu klemmen, gemäß Darstellung durch einen Impuls 242. Eine Pegeländerung aufgrund der Takt-gebundenen Durchleitung erfolgt zur Zeit t₃ und ist dargestellt in Form einer Verlagerungsspannung 244. Ein Einschaltspannungsverlauf ist durch eine Kurve 250 dargestellt. Dieser Spannungsverlauf wird an den Einschaltspannungs-Eingangsanschluß 162 angelegt.

2
Der Ausgang vom Abfühlvergleicher 70 wird dargestellt durch eine Kurve 270. Eine andere Kurve 280 stellt die Ausgangsspannung des

2
Vergleichers 56 dar. Die Impulsspitzen 281, zur Zeit t_ und 282

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zur Zeit t~ sind ein typisches Beispiel für die Ansprache der Vergleicherkreise beim Anlegen eines Eingangssignals mit flachem Anstieg. Der Flipflopkreis 156 wird durch den ersten Impuls 281 gesetzt, wobei Impulspausen zwischen nachfolgenden Impulsen unbeachtlich sind und sich der Ausgangssignalverlauf am komplementären Ausgangsanschluß Q ergibt, wie durch Kurve 290 dargestellt. Eine Kurve 300 stellt zur leichteren Referenz den Spannungsverlauf an der Eingangselektrode 45i dar. Der Zeitabschnitt t,-t,- ist die durch die Verzögerungsleitung 164 herbeigeführte Verzögerung, so daß

2
die Abfühlschaltung 70 nach Einschalten und bevor Flipflop 156 und die zugehörigen Schaltungen, gemäß Darstellung durch die Kurven 250, 270 und 300 wirksam werden, Zeit genug zum Einschwingen hat. Die Spannung an der Eingangseiektrode 45i ist zum Vergleich durch eine Kurve 316 dargestellt, die sich auf das Linear-Stromverfahren in Fig. 4 bezieht.

Anhand der schematischen Darstellung der Fig. 11 soll die Arbeitsweise des CCD-Bauelementes beschrieben werden. Eine Stufe eines CCD-Bauelementes ist durch den Block 321, entsprechend einem Halbleitersubstrat, das das Speichermedium bildet, einer darüberliegenden Isolierschicht 44 und entsprechenden Elektroden 45a-, 45b.j , 45c, 45d, 45a₂ und 45b₂ dargestellt. Die Potentialtöpfe im Speichermedium unter den Elektroden sind durch die strichpunktierten Linien 331 und 332 gegen eine repräsentative Spannungssklala 334 für den sogenannten Einphasenbetrieb angedeutet, der nur ein Beispiel für eine Anzahl verschiedener allgemein bekannter Betriebsarten ist. An die Elektroden 45a.. und 45a„ wird ein durch die Kurve 200 in Fig. 10 dargestellter Signalverlauf an die Elektroden 45b.. und 45b_ ein durch die Kurve 210 dargestellter Signalverlauf an die Elektroden 45c eine Gleichspannung von -4 Volt und an die Elektroden 45d eine um -3 Volt niedrigere Spannung angelegt. Die Ladungen nach jeder Verschiebung werden am Boden der Potentialtöpfe durch die schraffierten Bereiche 327, 328 und 329 angedeutet.

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4 In Fig. 9 besteht eine Ladungswechsel-Abfühlschaltung 60 aus einem Differentialoperationsverstärker 170. Ein integrierender Kondensator 174 liegt in Nebenschluß zwischen Ausgang und Eingang wie bei vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Nach der Darstellung wird der Kondensator 174 durch ein anderes Halbleiterbauelement in Form eines FET 176 rückgesetzt, der über dem Kondensator in Nebenschluß liegt, um die Ladung beim Anlegen des Rücksetzimpulsverlaufs am Anschluß 82' auf 0 zu reduzieren. Der Aus-

4 gangsanschluß 72' der Ladungsabfüh!schaltung 60 wird über einen Widerstand 178 an einen Mischerkreis geführt, der aus einem Pegelschiebe-Differentialverstärker 180 mit Rückkopplungswiderstand besteht, der zwischen Ausgangsanschluß 90' und Signaleingangsanschluß gelegt ist. Ein ähnlicher Reihenwiderstand 186 ist mit dem anderen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 180 und der Referenzpotentialquelle am Anschluß 171 verbunden. Die akkumulierten Effekte der Verlagerungsspannung werden durch eine Gleichspannung am Anschluß 86" umgangen, die über ein Regelwiderstandselement 188 am Eingangskreis des Differentialverstärkerkreises 180 angelegt wird. In ähnlicher Weise werden an den Anschlüssen 88' erscheinende Taktimpulse über den Regelwiderstand 190 angelegt, um den Effekt der Taktdurchleitung auszugleichen, der beim Eintritt der Taktimpulse in den Stromkreis durch das CCD-Bauelement 40 entsteht.

sä 974 öse 709828/0953

Leerseite

Claims (20)

1. PATENTANSPRg -CE E

   (1. Betriebsschaltung für eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltung in Form ladungsträgergekoppelter Bauelemente (CCD) , bestehend aus einem ladungsspeichernden Substrat mit einem Isolierschichttiberzug und mit einer Anzahl voneinander getrennter Ladungsspeicherplätze, die sich jeweils unterhalb einer der auf der Isolierschichtin einer Reihe angebrachten Elektroden befinden, indem eine Ladungsträgereingabe der ersten Elektrode und eine Ladungsträgerausgabe der letzten Elektrode zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgereingabe und -ausgabe je aus einer mit einem Elektrodenanschluß versehenen Halbleiterzone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu dem des Substrats bestehen,

   daß mindestens zwei Elektroden jeweils geeignetes Potential zur gesteuerten Ladungsverschiebung zwischen ausgewählten LadungsSpeicherplatzen und schließlich auf die der Ladungsträgerausgabe zugeordnete Elektrode zugeführt ist, daß an die der Ladungsträgereingabe zugeordnete Elektrode eine Teilschaltung zur Eingabe der Signale darstellenden Ladung angeschlossen ist,

   daß an eine der anderen Elektroden eine zweite Teilschaltung zur Abfühlung der im CCD-Bauelement verschobenen Ladung angeschlossen ist und

   daß die zweite Teilschaltung mit Bauelementen zur Ladungsträgereingabeauslösung und zur nicht zerstörenden Ladungsabfühlung ausgestattet ist, indem mittels Integrierverstärker sowohl der Eingangssignalstrom als auch der Ausgangssignalstrom über die Zeit integrierbar sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilschaltung einen mit dem Substrat verbundenen ersten Signaleingangsanschluß und einen zur Aufnahme des im CCD-Bauelement weiterzuleitenden Signals zweiten Signaleingangsanschluß aufweist,

   sä 974 056 7 0 9 δ 2 8./0 9 5 3

   ORIGINAL INSPECTED

   daß ein Differentialverstärker (56 } vorgesehen ist, dessen zweiter Eingang mit der Ladungsträgereingabediode (42, 41) und dessen Ausgang an der der Ladungsträgereingabe zugeordneten ersten Elektrode (45i) liegt, daß ein Widerstandselement (54') zwischen zweitem Signaleingang und zweitem Eingang des Differentialverstärkers (56 ) liegt, wobei der Widerstandswert so eingestellt ist, daß die Ladungsträgereingaberate einem linearen Zeitintegral der Eingangssignalspannung dividiert durch diesen Widerstandswert entspricht.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilschaltung zwei Signaleingangsanschlüsse besitzt, denen das zu verarbeitende Signal zugeführt wird, daß ein Differentialverstärker vorgesehen ist, dessen erster Eingang mit einem der Signaleingangsanschlüsse verbunden ist, dessen zweiter Eingang und dessen Ausgang an der der Ladungsträgereingabe zugeordneten Elektrode angeschlossen ist,

   daß Verbindungsleitungen zwischen dem anderen Signaleingangsanschlüsse, dem Substrat und der Ladungsträgereingabediode vorgesehen sind und

   daß eine Ladungsabfühlschaltung zwischen dem zweiten Eingang des Differentialverstärkers und der ersten der Eingabeelektrode folgenden Elektroden angeordnet ist, um die Ladungsträgereingabe linear über der Zeit integriert zu halten.
4. 4. Anordnung mindestens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang des Differentialverstärkers an festem Potential liegt und daß ein Kondensator zwischen Ausgang und Eingang des DifferentialVerstärkers geschaltet ist, dessen Wert derart gewählt ist, daß die Ausgangsspannung der Abfühlschaltung ein lineares Zeitintegral des Abfühlstromes multipliziert mit dem Reziprokwert der Kondensatorkapazität darstellt.

   sä 974 056 7098 2δ/09δ3

   -V 2GG3G88
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterelement zwischen Differentialverstärkerausgang und seinem ersten Eingang geschaltet ist, um die Abfühlteilschaltung rücksetzen zu können.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rücksetzbare Abfühlteilschaltung eine erste Diode, dessen erster Anschluß am ersten Eingang des
   Differentialverstärkers liegt,

   einen ersten Widerstand, dessen erster Anschluß ebenfalls am ersten Eingang des Differentialverstärkers liegt
   und einen zweiten Widerstand enthält, wovon ein Anschluß an die Rücksetzdiode und dessen anderer Anschluß an den
   Rücksetzimpulseingang angeschlossen ist.
7. 7. Anordnung nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abfühlteilschaltung ein Transistor vorgesehen ist, dessen eine Elektrode mit dem einen Eingang des Differentialverstärkers und eine andere Elektrode mit dem Differentialverstärkerausgang verbunden ist, und daß ein Widerstand mit einem Anschluß an den Rücksetztransistor und dem anderen Anschluß an den Rücksetzimpulseingang angeschlossen ist.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gewichtungs-Teilschaltung zwischen CCD-Bauelement und Ladungsabfühl-Teilschaltung einen zwischen Abfühlelektrode und zweitem Eingang des Differentialverstärkers liegenden ersten Widerstand enthält,

   daß ein zweiter Widerstand zwischen Abfühlelektrode und erstem Differentialverstärkeranschluß vergesehen ist, wobei die Widerstandswerte so eingestellt sind, daß
   der Gewichtungsfaktor dem Wert des zweiten Widerstands dividiert durch die Summe beider Widerstandswerte entspricht.

   056 70982Ö/09S3

   26G3688
9. 9. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühlteilschaltung sowohl aus einem Detektor für positive Ladung als auch aus einem Detektor für negative Ladung besteht und eine algebraische Addierschaltung enthält, deren erster Eingang am Ausgang des Detektors für positive Ladung und deren zweiter Eingang am Ausgang des Detektors für negative Ladung liegt, daß ein erster Widerstand zwischen eine Elektrode und dem Eingangsanschluß des Detektors für positive Ladung liegt,

   daß ein zweiter Widerstand zwischen dieser Elektrode und dem Eingangsanschluß des Detektors für negative Ladung liegt, und

   daß die Ausgangsspannung proportional dem Gewichtungsfaktor ist, wie er sich aus den Differenzen der Widerstandswerte dividiert durch deren Summe, ergibt.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ladung nicht-zerstörend erfassende Detektorschaltkreis zwischen einem Eingangsanschluß des Differentialverstärkers und der auf die Eingabeelektrode folgenden Elektrode liegt,

    daß an der nächstfolgenden Elektrode eine zweite Ladungsdetektorschaltung angeschlossen ist, um den nichtlinearen Effekt der VerarmungsZonenkapazität zu kompensieren.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Differentialverstärker vorgesehen ist, dessen erster Eingang an der ersten Elektrode, dessen zweiter Eingang an einer Quelle festen Potentials und dessen Ausgang am zweitem Eingang des ersten Differentialverstärkers liegt, wobei der Kondensator zwischen Eingang und Ausgang des zweiten Differentialverstärkers geschaltet ist.

    ^{SA 974 O56} 709828/0953

    s ' 2603688
12. 12. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator zwischen der Abfühlelektrode und dem Eingangsanschluß von einem der Detektorschaltungen liegt, und

    daß die Addierschaltung einen Differentialverstärker enthält, dessen beide Eingangsanschlüsse je mit einem Widerstand verbunden sind, der seinerseits an einer jeweils zugeordneten Detektorschaltung liegt.
13. 13. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden eines Transistors, vorzugsweise Feldeffekttransistoren, an den Anschlüssen des Kondensators liegen, während die dritte Transistorelektrode als Steuerelektrode dient, die über eine Serienschaltung aus Diode und Widerstand an einem Rücksetzimpuls-Anschluß liegt.
14. 14. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Differentialverstärker mit seinem ersten Eingangsanschluß an einer festen Potentialquelle und mit seinem zweiten Eingangsanschluß am Ausgangsanschluß des ersten Differentialverstärkers liegt, daß ein Widerstand zwischen Ausgangsanschluß und zweitem Eingangsanschluß des ersten Differentialverstärkers liegt und

    daß ein regelbarer Widerstand zwischen dem zweiten Eingangsanschluß des ersten Differentialverstärkers und dem Taktgebersignalanschluß im CCD-Bauelement liegt.
15. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter regelbarer Widerstand zwischen dem zweiten Eingangsanschluß des ersten Differentialverstärkers und einer Gleichpotentialquelle zur Bereitstellung einer Verlagerungsspannung liegt.
16. 16. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Diode zwischen einem Eingangsanschluß und dem

    SA 974 056 709Ö28/09B3

    AusgangsanschIuß des Differentialverstärkers geschaltet ist und daß eine zweite Diode in Serie mit einerr zweiten Widerstand zwischen dem genannten Eingangsanschluß und einem Abtastimpulsanschluß liegt, der Abtastimpulse zur Abtastung des Eingangssignals bereitstellt.
17. 17. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgereingabeschaltung einen ersten Differentialverstärker enthält, der mit seinem ersten Eingang am Signaleingang liegt, eine Ladungsdetektorschaltung aufweist, die zwischen dem zweiten Eingang des ersten Differentialverstärkers und der ersten Abfühlelektrode nach der Eingabeelektrode liegt,

    daß ein zweiter Differentialverstärker vorgesehen ist, dessen erster Eingang auf festem Potential liegt und dessen Ausgang mit der Eingabeelektrode verbunden ist, daß mit dem ersten Differentialverstärker ein auf Signaländerungen ansprechender Flip-Flop verbunden ist, und daß ein Widerstand den Ausgang des Flip-Flops mit dem zweiten Eingang des zweiten Differentialverstärkers verbindet.
18. 18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine erstes NAND-Glied mit seinem ersten Eingang am Ausgang des Differentialverstärkers liegt, daß der Setzeingang des Flip-Flops mit dem Ausgang des NAND-Glieds verbunden ist,

    daß ein Eingang eines UND-Gliedes mit einem der Ausgänge des Flip-Flops verbunden ist,

    daß ein Widerstand den UND-Glied-Ausgang mit dem zweiten Eingang des Differentialverstärkers verbindet und daß eine Schaltkreisanordnung Ermöglichungssignale auf die jeweils anderen Eingänge des NAND-Glieds des UND-Glieds und des Flip-Flops überträgt.

    056 7 0 9 8 2 8/0953
19. 19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsabfühldetektor einen zweiten Differentialverstärker enthält, dessen erster Eingang mit der ersten Abfühlelektrode verbunden ist, dessen zweiter Eingang auf festem Potential liegt, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Differentialverstärkers verbunden ist und dessen Ermöglichungseingang entsprechende Signale erhält.
20. 20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungsglied in der Ermöglichungsschaltung im Anschluß an der Ladungsdetektorschaltung liegt.

    sä 974 056 709 82 8/0983