DE2753358A1

DE2753358A1 - Fuehlerschaltung fuer halbleiter- ladungsuebertragungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE2753358A1
Application number: DE19772753358
Authority: DE
Inventors: Carlo Heinrich Sequin
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1978-06-08
Also published as: FR2373190A1; DK146020B; GB1589320A; DK541477A; CH623960A5; DK146020C; US4075514A; ES464794A1; FR2373190B1; IL53497A; JPS5370772A; DE2753358B2; NL7713143A; SE7713770L; SE415066B; IL53497A0; IT1088583B; BE861441A; DE2753358C3; CA1111560A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft, eine Halbleiter-Spaltelektrodenladungsübertragungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von Detektorelektrodensegmenten, von denen die der ersten Gruppe je mit einem ersten Vorrichtungsausgangsanschluß und die der zweiten Gruppe je mit einem zweiten Vorrichtungsausgangsanschlue verbunden sind, wobei der erste und cfer zweite Vorrichtungsausgangsanschluß mit einem ersten bzw. zweiten Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers gekoppelt sind.

Es gibt allgemein zwei Grundarten von Halbleiter-LadungsUbertragungsvorrichtungen: ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD: charged coupled devices) und Eimerkettenvorrichtungen (BBD: bucket brigade devices). Beide Arten können zur übertragung von Ladungspaketen verwendet und in Form einer Transversalfiltervorrichtung aufgebaut werden, d. h., in Form einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitungsanordnung mit geeignet gewicht eten Ausgängen. Eine solche Filtervorrichtung enthält viele Stufen, typischerweise im Bereich von 10 oder mehr. Jede Stufe besitzt eine hier Spaltelektrode genannte aufgetrennte Elektrode mit zwei Elektrodensegmenten zum Abfühlen des Ladungs-

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paketes in dieser Stufe. Typischerweise sind die Längen (I₁ und I₂) der beiden Segmente eines solchen Spaltelektrodenpaares in einer gegebenen Stufe gekennzeichnet durch ein Verhältnis r = I₁A₂, und zwar in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Parameter für diese Stufe, der als ⁿAbgriffsgewicht¹¹ bekannt ist; dagegen ist die Summe der Längen (I₁ + I₂) der beiden Segmente eines Spaltelektrodenpaares für alle solche Spaltelektrodenpaare gleich und entspricht der Breite des Ladungsübtragungskanals. Das effektive Abgriffsgewicht r_i dieser Stufe ist dann gegeben durch: r± = (I₁ - I₂)Z(I₁ + I₂). Ein Elektrodensegment (I₁) einer jeden Spaltelektrode ist ohmisch mit einem ersten gemeinsamen Ausgangsanschluß der LadungsUbertragungsvorrichtung verbanden, und das andere Elektrodensegment (I₂) einer jeden Spaltelektrode ist ohmisch an einen zweiten gemeinsamen Ausgangsanschluß der Ladungsübertragungsvorrichtung angeschlossen. Zur einfacheren Beschreibung werden alle Elektrodensegmente, die mit dem ersten gemeinsamen Ausgangsanschluß -erblinden sind, als eine "erste Gruppe" von Fühlerelektroden bildend bezeichnet und alle Elektrodensegmente, die mit dem zweiten gemeinsamen Ausgangsanschluß verbunden sind, werden als eine "zweite Gruppe" von FUhlerelektroden bildend bezeichnet.

Während des Betriebs einer solchen Ladungsübertragungsvorrichtung des Spaltelektrodentyps existiert eine Folge periodischer

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Zeltintervalle (oder Zeltkanäle), während welcher jedes dieser Spaltelektrodensegmente empfindlich 1st gegenüber dem entsprechenden darunterliegenden Ladungspaket im Halbleiter, und zwar aufgrund Induzierter elektrischer Spiegelladungen, so daß an den Ausgangsanschlüssen von erster und zweiter Elektrodengruppe periodisch Signale (S₁ bzw. S₂) entstehen. Jedes dieser Signale ist proportional zur Summe der verschiedenen Ladungspakete, die unter allen verschiedenen Elektroden dieser Gruppe liegen, wobei Jedes dieser Pakete durch das entsprechende Abgriffsgewicht multipliziert ist. Das gewünschte Ausgangssignal der Vorrichtung ist dann die Folge momentaner Differenzen zwischen den Signalen, die periodisch während der genannten Zeitkanäle an den beiden Ausgangsanschlüssen entwickelt werden; d. h., das gewünschte O)Ifferenzmodus-) Ausgangssignal (S₁-S₂) für einen gegebenen Zeitkanal ist proportional zu

- r_t)/2 = IC^r₁ (1)

Dabei ist r^ das effektive Abgriffsgewicht des Spaltelektroden paares der 1-ten Stufe, und Q^ ist das Ladungspaket in der i-ten Stufe während des gegebenen Zeitkanals.

Damit ein Transversalfilter richtig arbeitet, ist es wichtig, daß eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen dem EIn-

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gangssignal und dem entsprechenden Ausgangssignal besteht. Bei einer als Transversalfilter arbeitenden Halbleiter-Ladungstlbertragungsvorrichtung ist es somit wichtig, eine lineare Beziehung nicht nur zwischen Ladungspaket und entsprechendem Eingangssignal sondern auch zwischen Ladungspaket und entsprechendem Ausgangssignal zu haben. Die Spannung an einer FUhlerelektrode an einer Ladungsübertragungsvorrichtung hat jedoch einen wichtigen Einfluß auf die Breite der Verarmungsschicht inöem unter der Elektrode liegenden Halbleiter; folglich hat die Spannung an einer Fühlerelektrode einen wichtigen Einfluß auf die "Abbild"- oder "Spiegel"-Ladung, die in der FUhlerelektrode durch ein darunterliegendes Ladungspaket im Halbleiter induziert wird, und zwar aufgrund der Neigung eines jeden Ladungspaketes, einen Teil, seiner Ladung über die Verarmungsschicht in das Halbleitersubstrat (anstatt in die FUhlerelektrode) abzubilden, und zwar in Abhängigkeit von der örtlichen Verarmungsschichtbreite (und folglich von der Verarmungsschichtkapazität) . Da die Spannung an einer gegebenen Fühlerelektrode in einer FUhlerelektrodengruppe von der Ladung abhängt, die durch die verschiedenen Ladungspakete, die unter allen anderen Elektroden dieser Gruppe liegen, induziert wird, beeinflussen die unter allen diesen anderen Elektroden liegenden Ladungspakete unerwünschterweise die "Abbildungs"-Ladung, die durch irgendein unter der gegebenen Elektrode liegendes Ladungspaket induziert ist. Somit ist die Be-

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Ziehung zwischen dem Ladungspaket in einer gegebenen Stufe auf die in der darüberllegenden Elektrode induzierte "Abbildungs"-Ladung gegenüber dem Idealwert verzerrt, d. h., das Ausgangssignal ist nicht der gewünschte Wert, da das Ausgangssignal nicht proportional zur Darstellung der Gleichung (1) ist. Diese unerwünschte Erscheinung wird "übersprechen" genannt und verursacht eine Verzerrung des Ausgangssignals.

Ein HaB für die durch die Auswirkungen des "ÜberSprechens" verursachte Gesamtverzerrung im Ausgangssignal zu einem gegebenen Zeitpunkt ist die Gesamtsumme aller Ladungen, die momentan in allen Ladungspaketen in der Transversalfiltervorrichtung vorhanden sind. Diese Gesamtsumme aller Ladungen spiegelt sich im Gemeinschaftsmodussignal (S₁^-S₂) auf den beiden Elektrodengruppen :

Iq₁ (2)

Dieses Gemeinschaftsmodussignal ist gewöhnlich groß im Vergleich zum gewünschten Differenzmodussignal. Daher wird das Feststellverfahren schwierig, da das relativ kleine Differenzsignal (Gleichung 1) beim Vorhandensein eines relativ großen Gemeinschaftsmodussignal (Gleichung 2) festgestellt werden muß. R. D. Baertech et. al. haben in dem Aufsatz "The Design and Operation of Practical Charge-Transfer Transversal Filters"_;

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veröffentlicht in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-23, Nr. 2, Seiten 133 - 141, Februar 1976, Detektorschaltungen für ein CCD-Transversalfilter beschrieben. Bei allen diesen Schaltungen muß das Differenzmodussignal jedoch durch einen Verstärker festgestellt werden, der auch das Gemeinschaftsmodussignal verarbeiten muß. Dadurch werden kostspielige und unbequeme Schaltungselemente und Schaltungsaufbauten notwendig.

Demzufolge besteht der Wunsch, die durch das Gemeinschaftsmodussignal verursachte Verzerrung in einer Halbleiter-Transversalfiltervorrichtung durch eine weniger kostspielige Vorrichtung als beim Stand der Technik zu unterdrücken.

Dieses Problem ist überwunden mit einer Ladungsübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens der zweite Vorrichtungsausgangsanschluß mit einem ersten Eingangsanschluß eines gesonderten Verstärkers verbunden ist, der einen zweiten Eingangsanschluß entgegengesetzter Polarität für den Anschluß an eine Quelle festen Potentials besitzt und einen Verstärkerausgangsanschluß aufweist, der über einen ersten und einen zweiten Kondensator mit im wesentlichen gleicher Kapazität mit dem ersten bzw. zweiten Vorrichtungsausgangsanschluß gekoppelt ist.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Schaltung zum Abfühlen des Ausgangs einer Halbleiter-Ladungsitbertragungsvorrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Schaltung zum Abfühlen des Ausgangs einer Halbleiter-LadungsUbertragungsvorrichtung gemäß einer anderen speziellen AusfUhrungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein teils schematisches, teils bildhaftes elektrisches Diagramm einer Halbleiter-Ladungsübertragungsvorrichtung zusammen mit einer Schaltung zum Abfühlen des Ausgangs der Vorrichtung gemäß einer weiteren speziellen Ausf Uhrungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild eines Veätärkers, der sich bei den in Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungen verwenden läßt; und

Fig. 5 ein Diagramm, das den Zeitplan verschiedener angelegter Spannungen zeigt, die zum Betreiben der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungen nützlich sind.

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Fig. 1 zeigt eine Schaltung 100 zum Abfühlen der Ausgabe einer ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtung (CCD) 20. Diese Ausgabe hat die Form elektrischer Spannungen an Ausgangsanschlüssen 21.1 und 22.1, von denen Jeder mit einer anderen Gruppe von Fühl- (oder "Detektor"-)Elektroden verbunden ist, wobei Jede Detektorelektrode typischerweise die bekannte CCD-Spaltelektrodenkonfiguration aufweist. Diese Anschlüsse 21.1 und 22.1 sind mit Sammelleitungen 21 bzw. 22 verbunden. Die Differenz der Abbildungs- oder Spiegelladungen auf den Leitungen 21 und 22 zu Zeiten, während welcher die Ladungspakete im CCD 20 unterhalb der CCD-Spaltelektroden (d. h., der FUhlelektroden, im Gegensatz zu anderen CCD-Ubertragungselektroden) vorhanden sind, ist das gewünschte Ausgangssignal.

Das Gemeinschaftsmodussignal auf den Leitungen 21 und 22 wird mit Hilfe einer Verstärkereinrichtung 30 unterdrückt, von deren Eingangsanschlüssen einer (ein positiv summierender Anschluß) mit einer festen (Gleichstrom-)Spannungsquelle V₁ und der andere (ein negativ summierender Anschluß) mit einer Ausgangsleitung 22 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß dieses Verstärkers 30 ist über Rückkopplungskondensatoren 31 und 32 zu den Ausgangsleitungen 21 bzw. 22 rUckverbunden. Dafür, möglichst viel vom Gemeinschaftsmodussignal zu eliminieren, ist es wichtig, daß die Kapazitäten dieser RUckkopplungskondensatoren 31 und 32 sich so weit wie möglich gleichen ("im wesent-

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lichen gleich sind")_yfür eine Gemeinschaftsmodusunterdrückung von etwa 60 dB typischerweise innerhalb etwa 0,1 % gleich sind; d. h., obwohl der absolute Wert ihrer Kapazitätswerte nicht kritisch ist, ist es wichtig, daß das Verhältnis ihrer Kapazitäten innerhalb der Toleranz für einen Gemeinschaftsmodushinterdrund im gewünschten Ausgangssignal gleich Eins ist. Zudem sollten diese Kapazitätswerte so gewählt werden, daß das Maximalsignal am Ausgangsanschluß des Verstärkers 30 (das beim Auftreten des Maximalsignals des CCD erzeugt wird) an die SignalVerarbeitungskapazität des Verstärkers 30 angepaßt ist.

Andererseits ist zur Feststellung des Differenzmodussignals eine Differenzverstärkereinrichtung 40 vorgesehen, von deren Eingangsanschlüssen einer (der positiv summierende Anschluß des Verstärkers 40) mit der Leitung 22 und der andere (ein negativ summierender Anschluß des Verstärkers 40) mit der Leitung 21 verbunden ist. überdies dient ein Rückkopplungskondensator 41, der den Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers 40 mit der Ausgangsleitung 21 verbindet, als integrierender Kondensator für das Differenzsignal, das vom Differenzverstärker 40 festgestellt worden ist; ein Kondensator 42 verbindet die Ausgangsleitung 22 mit einer Festspannungsquelle V₂. Die Kondensatoren 41 und 42 sind so gewählt, daß der Verstärker 40 das größte erwartete Differenzsignal verkraften kann. Somit sind die Kondensatoren 41 und 42 gewöhnlich recht klein im Vergleich

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zu den Kondensatoren 31 und 32. Ein Ausgangsanschluß des Verstärkers 40 ist mit einer Verbrauchereinrichtung 70 zum Ermitteln und Benutzen des Ausgangssignals dieses Verstärkers verbunden.

Während des Betriebes der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird das relativ große Gemeinschaftsmodussignal der Fühlelektroden durch den Verstärker 30, der über die Rückkopplungskondensatoren 31 und 32 wirksam wird, unterdrückt. Dadurch wird der Spannungspegel aller an Leitung 22 angeschlossener Fühlelektroden auf den festen Wert von V₁ gebracht. Die Spannung auf Leitung 21 dagegen wird auf die Spannung auf Leitung 22 gebracht, und zwar aufgrund der Rückkopplungssignalausgabe des über den Rückkopplungskondensator 41 wirkenden Differenzverstärkers 40. Somit wird die Spannung auf Leitung 21 ebenfalls auf den festen Wert von V₁ gebracht; folglich geschieht der Vorgang des Ermitteins der Ladungspakete im CCD bei einem festgelegten Arbeitspunkt der Detektorschaltung. Das Differenzsignal wird effektiv vom Kondensator 41 integriert und ist zur Ausnutzung am Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers 40 verfügbar. Selbstverständlich kann in die Verbrauchereinrichtung 70 eine Abtast- und -Haltevorrichtung eingefügt werden, die das Ausgangssignal während derjenigen Zeitkanäle abtastet, welche zum Ermitteln von Ladung unter den Fühlelektroden des CCD ge-

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eignet ist, und die diesen Wert des Ausgangssignals hält, bis der nächste Abtastwert genommen ist, wodurch ein glatteres Ausgangssignal gelirfert wird.

Andererseits sei in Verbindung mit der Schaltung 100 der Fig. 1 bemerkt, daß sich aufgrund thermischen oder anderen Rauschens im CCD-System über eine Zeitdauer im Größenbereich einer Stunde oder der gleichen beträchtliche, jedoch unbeabsichtigte, falsche Ladungsdifferenzen in den (schwebenden) CCD-Detektorelektroden aufbauen können. Um das entsprechende falsche Ausgangssignal zu unterdrücken, sollten geeignete Maßnahmen getroffen werden, wie periodisches Kurzschließen der Ausgangsleitung 21 mit der Ausgangsleitung 22. Solche Maßnahmen werden in der in Fig. 2 gezeigten Fühlschaltung 200 automatisch durchgeführt.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält die Fühlschaltung 200 viele Elemente, die mit solchen, die zuvor bei der Erläuterung der Fig. 1 beschrieben worden sind, im wesentlichen identisch sind, und demzufolge sind diese Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Die FUhlschaltung 200 umfaßt eine Verstärkereinrichtung 60 mit drei Eingangsanschlüssen, so daß das Ausgangssignal dieses Verstärkers proportional zu V - 1/2 (V₂₂ + ^₂₁) ist, wobei V₂₁ und V₂₂ die Potentiale der Ausgangsleitungen 21 bzw. 22 sind. Folglich kommt die Verstärkereinrichtung 60 einem

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idealen Gemeinschaftsmodusunterdrücker viel näher, da sie dazu neigt, die Fühlelektroden so zurückzustellen, daß das arithmetische Mittel ihrer Potentiale auf den festen Wert V₁ gebracht wird. Eine typische Schaltung für eine solche Verstärkereinrichtung ist in Fig. 4 gezeigt, die nachfolgend in größeren Einzelheiten beschrieben ist. Eine Steuerschaltung 90 liefert Betriebsspannungen (wie Taktimpulse) für das CCD 20, und zwar über elektrische Leitungen 71, und steuert elektrische Schalterelemente (typischerweise IGFETs) 34, 35, 76, 77 und 52 über elektrische Leitungen 72, 73 und 74 (die durch gestrichelte Linien dargestellt sind). Die Schalterelemente 34 und 35 werden periodisch während ⁿRücksetz"-Intervallen geschlossen, um die Streuladungen zu neutralisieren. Kondensatoren 43 und 44 dienen einer korrelierten Doppelabtastung, die nachstehend vollständiger beschrieben ist, um "Rücksetz"-Rauschen zu unterdrücken, das durch das Schalten der Schalterelemente 34 und 35 verursacht wird, d. h., das bekannte kTC-Rauschen (k = Boltzmann-Konstante; T = absolute Temperatur; C = Kapazität, hauptsächlich der Spaltelektroden). Die Kondensatoren 43 und 44 sollten genügend groß sein, um die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers 40 selbst beim Vorhandensein von Schaltübergängen ("Spikes") konstant zu halten, die durch kapazitives Leiten der Schalterelemente 76 und 77 verursacht werden. Typische Werte für die Kondensatoren 43 und 44 liegen im Bereich von 3 Pikofarad, und diese Kondensatoren sind

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innerhalb weniger Prozent gleich. Als Teil des nachfolgend ausführlicher beschriebenen korrelierten Doppelabtastvorgangs klemmt das Schalterelement 76 die Spannung (sowohl während des Rücksetzvorgangs der Schalterelemente 34 und 35 als auch während einer kurzen Zeitdauer danach) am Knoten 45 auf Vq. Gleichermaßen Uldet das Schalterelement 77» wenn es geschlossen ist, eine Rückkopplungsschleife um den Differenzverstärker 40, und es ermöglicht damit die Einstellung der Spannung am Knoten 46 auf Vq. Das Schalterelement 52 ermöglicht periodisch die Weitergabe des Ausgangssignals an einen Ausgangsverstärker 50, um das gewünschte Ausgangssignal an die Verbrauchereinrichtung 70 zu lirfern. Ein Kondensator 51 dient zur Erdung dieses Ausgangssignals in einer herkömmlichen "Abtast- und Halte-"konfiguration.

Fig. 3 zeigt eine Fühlschaltung 300 zum Ermitteln der Ausgabe eines CCD, das in einigen Einzelheiten gezej$ ist. Aus Gründen der Klarheit sind lediglich die über der isolierenden Schicht liegenden Elektroden zusammen mit schattierten Bereichen gezeigt, die darunterliegende diffundierte Halbleiterzonen andeuten. Bei einem N-Kanal-CCD weisen diese schattierten Zonen N⁺-(stark N)Leltfähigkeit im Halbleiter auf, und zwar aufgrund eines Überschusses kennzeichnender oder prägender Donatorstörstellen im ansonsten P-leitenden Halbleiter, typischerweise eines Überschusses an Phosphorstörstellen in Silicium. Es sei bemerkt, d*0 das CCD und die FUhlschaltung 300 vorteilhafterweise

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auf einem einzigen einkristallinen Siliciumsubstrat integriert sind. Viele Elemente der Fig. 2 und 3 sind im wesentlichen identisch und deshalb sind diese Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Genauer ausgedrückt umfaßt das CCD der Fig. 3 mehrere aufliegende Elektroden: eine Eingangsgateelektrode 302; eine gespaltene Abschirmgateelektrode mit einem Paar Segmente, die durch . einen leitenden Draht oder eine Elektrode 303.1 miteinander verbunden sind; Abschirmgateelektroden 307, 311 und 315; von einer ersten Taktphase (P₁) getriebene Elektroden 305» 309 und 313; von einer zweiten Taktphase (P2) getriebene Elektroden 306, 310 und 314; und eine Meßelektrode 304, die von der festen (Gleichstrom-) Spannungsquelle V₁ gesteuert wird. Die Abschirmelektroden 303, 307, 311 und 315 werden auf einem festen Potential Vg₀ gehalten. Wie es auf diesem technischen Gebiet bekannt ist, ist jede Elektrode von einer Hauptoberfläche eines darunterliegenden Halbleitermediums (das lediglich zum Zweck der Klarheit der Zeichnung nicht dargestellt ist) durch eine Oxidschicht, typischerweise aus Siliciumdioxid, auf dem einkristallinen SD.iciumsubstrat getrennt. Das CCD umfaßt außerdem mehrere mit Störstellen (durch Diffusion oder Implantation) dotierte Zonen: eine Eingangsdiodenzone 301; eine Abschirmgatezone 303.5, die zwischen den getrennten Segmenten der gespaltenen Abschirmelektrode 303 angeordnet ist; und eine Ladungspaketsenkenzone 316.

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Zusätzlich kann wahlweise, angrenzend an eines oder beide Segmente der gespaltenen Abschirmgateelektrode 303, eine N⁺-StOrstellenzone 303*2, die mit einer hohen positiven Spannung V_DD beaufschlagt ist, dazu dienen, (genau nach der Übertragung von Ladung in die unter der Elektrode 303 liegende Halbleiterzone) irgendwelche möglicherweise vorhandene Uberschußladungen abzuleiten, die sich ansonsten unter der Abschirmgateelektrode 303 sammeln könnten. Die schattierten Bereiche, die diffundierte Halbleiterzonen zwischen Spaltelektroden 308.1, 308.2 und 312.1, 312.2 darstellen, sind aufgrund des Mangels irgendeiner Maske gegen deren Bildung während der "selbstausrichtenden" Einführung von Dotierstoffen zur Bildung der anderen N⁺-Zonen vorhanden; diese N⁺-Zonen zwischen den Spaltelektrodensegmenten im Körper des CCD beeinflussen die Arbeitsweise jedoch nicht wesentlich. Der Verstärker 60 ist mit einem zweiten Ausgangsanschluß 62 versehen, der ein gleichspannungsverschobenes Ausgangssignal erzeugt, das in Fig. 3 symbolisch durch eine Gleichspannungsquelle 66 dargestellt ist. Diese Quelle ist zwischen den Ausgangsanschluß 61 und die Schalterelemente 34 und 33 zu dem Zweck eingefügt, den Arbeitspunkt des Verstärkerausgangs am Anschluß 61 auf einen weniger positiven Wert zu setzen, um für diesen Verstärker 60 in Abhängigkeit von negativ gerichteten Signalen auf den Ausgangsleitungen 21 und 22 einen größeren linearen dynamischen Bereich zu erhalten.

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Während des Betriebes steuert eine Signalquelle 320 das Potential der Eingangsdiode 301. Die Spannung an der Eingangsgateelektrode 302 erlaubt periodisch einer Ladung gemäß diesem Signal von der Eingangsdiodenzone durch die Abschirmgatezone 303.5 zur Halbleiterzone unterhalb der Meßelektrode 304 zu fließen. Im speziellen Fall kann dieses Fließen während der positiv gerichteten Impulsphasen des Eingangsgatters IG (Fig. 5) auftreten. Die Ladung ist dann unter der Meßelektrode eingefangen, sobald der IG-Impuls aufhört, und es ist diese Ladung, die von der Meßelektrode 304 für die übertragung zum Rest des CCD ausgemessen wird, und zwar gemäß dem solchermaßen abgetasteten Signal. Sobald danach der positiv gerichtete Impuls von P₁ an die Elektrode 305 geliefert wird, wird das auf diese Weise gemessene Ladungspaket zu der unter der Elektrode 305 liegenden Halbleiterzone übertragen. Wenn danach der nächste positiv gerichtete Impuls durch P2 an die Elektrode 306 geliefert wird, wird dieses Ladungspaket zu der unter diesen Elektrode 306 liegenden Halbleiterzone übertragen. Wenn danach der positive Impuls bei P₂ aufhört, wird das Ladungspaket durch die unter der Abschirmgateelektrode 307 liegende Halbleiterzone zu der unter dem Spaltelektrodenpaar 308.1 und 308.2 liegenden Halbleiterzone übertragen; zu diesem Zeitpunkt beginnt die übertragung des gewünschten Ausgangssignals vom Ladungspaket, mittels einer elektrischen Abbildungs- oder Spiegelladung auf den Spaltelektroden, auf die einzelnen Ausgangsleitungen 21 und 22. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 52

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geschlossen (Fig. 5)» um diese Ausgangssignale abzutasten. Dieser Schalter 52 wird geöffnet, bevor der nächste positiv gerichtete P^-Impuls die unter den Spaltelektroden 306.1 und 308.2 liegenden Ladungspakete zu der Halbleiterzone überträgt, die unter der (durch P₁ gesteuerten) Elektrode 309 liegt. Während der Schalter 52 geschlossen bleibt, sind die Ausgangsleitungen 21 und 22 natürlich auch eapfindlich gegenüber anderen Ladungspaketen (falls vorhanden), die dann unter den anderen Spaltelektroden liegen, wobei diese anderen Ladungspakete zuvor durch frühere Eingangssignale erzeugt worden sind.

Typische Spannungen (gegenüber des Substrat) der verschiedenen Spannungsquellen sind, lediglich beispielsweise, etwa folgende:

^vo	= O bis 8 Volt
V₁	«11 Volt
^V2	= 0 Volt (Erde)
V₃	= 17 Volt
	« 17 Volt
^VSG	- 8 Volt

Vj₀ s 5 Volt passive, 13 Volt aktive Phase P₁ = 5 Volt passive, 13 Volt aktive Phase P₂ « 5 Volt passive, 17 Volt aktive Phase S »9 Volt (i 2 Volt Signal).

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Vie ferner in Fig. 5 gezeigt ist, werden die Schalterelemente 64 und 55 periodisch während geeigneter ^BRücksetz-"Intervalle geschlossen gehalten, um die Spalt elektroden auf dem gewünschten Potential zu halten. Die Schalterelemente 76 und 77 werden ebenfalls während dieser "Rücksetz"-Intervalle und zusätzlich für ein kurzes Zeitintervall danach während der aktiven Phase von P₂ geschlossen, um das Rücksetzrauschen (aufgrund von kTC) auszuschalten, das auf den Leitungen 21 und 22 resultiert, wenn die Schalterelemente 64 und 65 am Ende eines Jeden "Rücksetz"-Intervalls plötzlich geöffnet werden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Schalten!.emente 76 und 77 noch geschlossen, so daß der Ausgang des Differenzverstärkers 40 auf dem gewünschten Potential Vq fehalten wird. Selbst nachdem die Schalterelemente 76 und 77 geöffnet worden sind, bleiben die jeweiligen Rticksetzrauschspannungen über den Kondensatoren 43 und 44 gespeichert, und der Ausgang des Verstärkers 40 befindet sich noch auf Vq. Anschließend erscheinen die Ausgangssignale des CCD auf den Leitungen 21 und 22, wodurch entsprechende Signale an die Eingangsanschlüsse des Verstärkers 40 angelegt werden, die von den früheren kTC-Rauschspannungen unabhängig sind.

Es sei angemerkt, daß jeder der Kondensatoren 41 und 42 vorteilhafterweise in Form einer mäander- oder fingerförmigen Elektrode hergestellt sein sollte, die vom Halbleitersubstrat durch

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die gleiche Art von Oxidschicht wie die Spaltelektroden getrennt ist. pudern werden diese Elektroden für diese Kondensatoren vorteilhafterweise gleichzeitig mit dsn und aus dar gleddm Art Elektrodenmaterial wie die Spaltelektroden und mit der gleichen Elektrodenbreite hergestellt, so daß diese beiden Kondensatorelektroden näherungsweise den gleichen Fehlausrichtungen sowie dem gleichen Über- und Unterätzen (und folglich den gleichen entsprechenden Kapazitätsänderungen) wie die Spaltelektroden ausgesetzt sind. Auf diese Weise erhält man eine bessere Kontrolle über die Gesamtfilterverstärkung (die von den Kapazitätsverhältnissen der Kondensatoren 41 und 42 zu den Spaltelektrodensystemen des CCD abhängt).

Fig. 4 zeigt ein typisches Schaltbild für den Verstärker 60. Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs) 402, 405 und 406 bilden zusammen mit Last-IGFETs 403 und 404 und einer Stromquelle 401 eine differentielle Vorverstärkerstufe, die ein Paar herkömmlicher Operationsverstärker 407 und 408 in Kaskadenschaltung speist. Die Ausgangsleitungen 21 und 22 des CCD liefern ein Signal an die Gateelektroden der Transistoren 405 und 406, während die feste Gleichspannungsquelle V₁ an die Gateelektrode des Transistors 402 angeschlossen ist. Auf diese Weise ist das an den Knoten 61 gelieferte negativ rUckkoppelnde Signal proportional zu V₁ - 1/2(V₂₁ + V₂₂)* wie es für den Verstärker 60 gewünscht ist. Aufgrund dieser negativen Rückkopp-

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lung wird das Potential an den selben Elektroden wiederhergestellt, d. h.: (V₂₁ + V₂₂)/2 = V₁. Dadurch wird das Gemeinschaf tsmodus signal (V₂₁ + V₂₂) eliminiert.

Obwohl die Erfindung ausführlich anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, können im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann anstelle der CCD-Eingangskonfiguration der Elektroden 302 und 303 die Eingangsanordnung für das CCD die Form der Anti-Alias-Effekt-Eingangsschaltung annehmen, wie sie in der am 7. Sept. eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 720,885 (deutsche Patentanmeldung P 27 40 142.9) beschrieben ist. Natürlich können die verschiedenen Verstärker, Kondensatoren und Transistoren in der Fühlschaltung 300 vorteilhafterweise alle auf dem selben Halbleitersubstrat wie das CCD selbst integriert werden. Um im CCD der Fig. 3 Linearität zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal zu erhalten, ist es wichtig, daß die Elektrode 304 und das unter ihr liegende Oxid geometrisch im wesentlichen identisch zu Jeder der Spaltelektroden ist (wobei die Zwischenräume zwischen Jedem Elektrodensegmentpaar an die Zone 303.5 angepaßt sind, um nichtlineare Verzerrungen minimal zu machen). Schließlich versteht es sich, daß anstelle des CCD 20 eine Halbleiter-Eimerkettenvorrichtung verwendet werden kann.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BEROEN · KRAMER

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PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult RadedcestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Pater.tcomult SoMtenberger StraSe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 5*2*43/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Sequin 16

Fühlerschaltung für Halbleiter-Ladungsübertragungs-

▼orrichtungen

Patentansprüche

/ 1.]Kalbleiter-Spaltelektrodenladungsübertragungeyorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von Detektorelektrodensegmenten, von denen die der ersten Gruppe je mit einem ersten Vorrichtungsausgangsanschlue (21.1) und die der zweiten Gruppe je mit einem zweiten Vorrichtungsausgangsanschluß (22.1) verbunden sind, wobei der erste und der zweite Vorrichtungsausgangsanschlue mit einem ersten bzw. einem zweiten Eingangsanschluß eines Differenzverstftrkers (40) gekoppelt

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MtadMit: «. Kramer Dipl.-lng.. W. Weser DipL-Miya. Dr. rar. Mt · ·. Mn* DkpMng. · H». Irehm DipL-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbeden: P. G. Blumbach Wpl.-fc»a · P. tergen UpM*» Br. Jw. · β. Zwirns* WpL-lng. Dipl.-W.-lng.

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sind, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens der zweite Vorrichtungsausgangsanschluß (22.1) mit einem ersten Eingangsanschluß eines gesonderten Verstärkers (60) verbunden ist, der einen zweiten Eingangsanschluß entgegengesetzter Polarität für den Anschluß an eine Quelle (V₁) festen Potentials besitzt und einen Verstärkerausgangsanschluß (61) aufweist, der über einen ersten und einen zweiten Kondensator (31 und 32) mit im wesentlichen gleicher Kapazität mit dem ersten bzw. dem zweiten Vorrichtungsausgangsanschluß (21.1 bzw. 22.1) gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers (40) über eine dritte elektrische Kopplungseinrichtung (41) mit dem ersten Vorrichtungsausgangsanschluß (21.1) gekoppelt ist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Vorrichtungsausgangsanschluß (22.1) über eine vierte elektrische Kopplungseinrichtung (42) mit einem zweiten Bezugsanschluß zur Verbindung mit einem zweiten Bezugspotential (V₂) gekoppelt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und die vierte Kopplungseinrichtung

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Im wesentlichen durch einen dritten bzw. einen vierten Kondensator gebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kapazitäten von erstem und zweitem Kondensator (31 und 32) gegenseitig innerhalb einer Toleranz von etwa 0,1 56 gleichen und im Größenbereich der halben Summe der Kapazitäten der ersten plus zweiten Elektrodengruppen liegen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten von erstem und zweitem Kondensator (31 und 32) innerhalb einer Toleranz von etwa 0,1 % gleich sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsanschlüsse des Differenzverstärkers (40) mit dem ersten und dem zweiten Vorrichtungsausgangsanschluß (21.1 bzw. 22.1) durch einen vierten und einen fünften Kondensator (43, 44) verbunden sind und daß eine erste Schaltervorrichtung (77) vorgesehen ist, mit der der erste Eingangsanschluß des Oifferenzverstärkers periodisch mit dessen Ausgangsanschluß zu verbinden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet

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durch eine zweite elektrische Schaltervorrichtung (34, 35), mit der der erste Vorrichtungsausgangsanschluß (21.1) periodisch mit dem zweiten Vorrichtungsausgangsanschluß (22.1) zu verbinden ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeich net, daß der gesonderte Verstärker (60) wenigstens drei Eingangsanschlüsse aufweist, von denen der dritte mit dem zweiten Vorrichtungsausgangsanschluß (22.1) verbunden ist und die gleiche Summierungspolarität wie der erste Eingangsanschluß dieses gesonderten Veöbärkers aufweist, und daß die Quelle (V₁) festen Potentials mit einer Elektrode (304) zur Ladungsübertragung in eine Eingangsstufe der Ladungsübertragungsvorrichtung verbunden ist.

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