NL8600890A - Halfgeleiderinrichting. - Google Patents

Description

/ PHN 11711 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

“HalfgeleiderinrichtingM.

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting met een aan een oppervlak van een halfgeleiderlichaam aangebrachte ladingsgekoppelde inrichting omvattende een ingangstrap voor het vormen van ladingspakketten in afhankelijkheid van een ingangssignaal, een een 5 rij van klokelektroden voorzien van aansluitmiddelen voor het aanleggen van klokspanningen ten behoeve van het sequentieel opslaan en transporteren van deze ladingspakketten in een onderliggend ladingstransportka-naal, waarbij de ingangstrap, gezien in de ladingstransportrichting, achtereenvolgend, een ingangsdiode, een eerste elektrode, verder bemonste-10 ringspoort genoemd, en een tweede elektrode, verder ingangspoort genoemd,’ omvat, waarbij de ingangsdiode is voorzien van een aansluiting voor het aanleggen van een vaste spanning, de ingangspoort van middelen voor het aanleggen van het ingangssignaal en waarbij de bemonsterings-’ poort is voorzien van middelen voor het aanleggen van een bemonsterings-15 klokspanning voor het sluiten van de verbinding tussen de ingangsdiode en het gebied onder de ingangspoort.

Een ladingsgekoppelde inrichting met een dergelijke ingangstrap, aangeduid als SHC2 (sample and hold circuit 2) is onder meer beschreven in het artikel "A comparison of CCD Analog Input Circuit 20 Characteristics· van H. Wallinga, International Conference on Technology and Applications of Charge Coupled Devices, Edinburgh, September 1974, pg.13-21. Een dergelijke ingang kan, behalve in analoge toepassingen, ook met voordeel in digitale toepassingen gebruikt worden, en is in het bijzonder geschikt bij hoge frequenties, In de genoemde publika-25 tie is als bezwaar van deze ingangstrap aangegeven dat speciale maatregelen genomen dienen te worden om te garanderen dat het ladingspakket dat onder de ingangspoort is gevormd, in zijn geheel naar de opslagzone onder de naastliggende eerste klokelektrode wordt overgeheveld. Het probleem van onvolledig ladingstransport treedt in het bijzonder op bij 30 op zichzelf bekende ladingsgekoppelde inrichtingen waarin de klokelektroden een overdrachtgedeelte en een opslaggedeelte omvatten waarbij inwendige middelen aanwezig zijn (zoals dikker oxide, of een ____- - ^ PHN 11711 2 V* % implantatie) waardoor bij het aanleggen van spanningen onder het overdrachtgedeelte een potentiaalbarriëre en onder het opslaggedeelte een potentiaalkuil worden gevormd. Zoals uit de figuurbeschrijving nog zal blijken is tengevolge van deze potentiaalbarriëre, de marge 5 waarbinnen het ingangssignaal kan variëren, door de eis dat het hele ladingspakket overgeheveld moet worden, erg klein.

De uitvinding beoogt een halfgeleiderinrichting van de in de aanhef beschreven soort aan te geven waarin op eenvoudige wijze het probleem van onvolledig ladingstransport aan de ingangstrap wordt 10 vermeden.

Daartoe is een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de ingangspoort, behalve met middelen voor het aanleggen van het ingangssignaal, tevens verbonden is met een van de hoofdelektrodegebieden van een veldeffekttransistor met 15 geïsoleerde poortelektrode waarvan, het andere hoofdelektrodegebied aan een vaste potentiaal kan worden gelegd' en waarvan de poortelektrode is voorzien van aansluitmiddelen voor het aanleggen van een der genoemde klokspanningen. De veldeffekttransistor kan synchroon met de klokspan-ningen, en met de klokspanning die aan de bemonsteringspoort wordt 20 aangelegd, worden gesloten, waardoor aan de ingangspoort een lagere spanning kan worden aangelegd gedurende de tijd dat de lading wordt opgeslagen onder de eerste klokelektrode. Hiervoor is slechts een enkele veldeffekttransistor nodig. Aangezien dergelijke transistoren zeer klein kunnen worden gemaakt, en aangezien voor het aansturen van deze tran-25 sistor geen extra klokgenerator vereist is, vergt de hier gegeven oplossing praktisch geen extra ruimte in het halfgeleiderlichaam.

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

Fig. 1 een ladingsgekoppelde inrichting geeft waarin het 30 ingangssignaal op een conventionele wijze aan de ingangspoort wordt aangelegd;

Fig. 2 een diagram van de potentiaalverdeling in deze inrichting tijdens bedrijf geeft;

Fig. 3 het schema van een halfgeleiderinrichting volgens 35 de uitvinding weergeeft;

Fig. 4 een diagram van de potentiaalverdeling tijdens bedrijf in inrichting volgens Fig. 4 geeft;

. M

? -5¾ PHN 11711 3

Fig. 5 een uitvoeringsvorm geeft van de impedantie Z in de inrichting volgens Fig. 4;

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een oppervlakte-kanaal CCD. Hoewel de uitvinding op zich zelf ook toegepast 5 kan worden in ladingsgekoppelde inrichtingen met begraven kanaal (bccd), wordt voor sommige toepassingen, bijvoorbeeld die waarin hoge eisen aan de lineariteit worden gesteld, vaak aan ladingsgekoppelde inrichtingen met oppervlakte-kanaal de voorkeur gegeven.

Ter verduidelijking van het door de uitvinding op te 10 lossen probleem, is in Fig. 1 een in de aanhef beschreven ladingsgekoppelde inrichting weergegeven, die met de gebruikelijke klokspanningen wordt gestuurd. De inrichting, die hier van het n-kanaal- · type is, maar uiteraard ook van het p-kanaaltype kan zijn, omvat een p-type halfgeleiderlichaam 1 van bijvoorbeeld silicium aan het 15 hoofdoppervlak 2 waarvan het kanaal 3 is gelegen. Voor het sturen van het ladingstransport door het kanaal 3 is het oppervlak 2 voorzien van een rij van klokelektroden 4,5, die door een tussenliggende oxidelaag 6 van het oppervlak zijn gescheiden. De klokelektroden omvatten elk een overdrachtgedeelte a en een opslaggedeelte b, welke gedeelten zich van 20. elkaar onderscheiden door middelen die aanwezig zijn om bij het aanleggen van een klokspanning onder het overdrachtgedeelte a een potentiaalbarriêre en onder het opslaggedeelte een potentiaalput in het kanaal 3 te induceren. In het onderhavige voorbeeld worden deze middelen gevormd door het dikkere oxide 6 onder de overdrachtgedeelten 25. 4a,5a, en het dunnere oxide onder de opslaggedeelten 4b,5b. Uiteraard kunnen deze middelen ook andere, op zichzelf bekende, drempelspannings-veranderende middelen omvatten, zoals bijvoorbeeld in het kanaal geïmplanteerde gebieden. In het hier te beschrijven voorbeeld wordt de elektrodenconfiguratie met overdrachtsdeel en opslagdeel toegepast ten 30 behoeve van 2-phase bedrijfswijze.

In andere uitvoeringen echter dient deze elektrodenconfiguratie voor het bedrijven van aan de inrichting als een ripplephase inrichting of een bit per elektrodeinirichting, waarbij op één na alle opslagplaatsen met. informatie zijn gevuld en de lege 35 plaats, in de richting tegengesteld aan de ladingstransportrichting, wordt verplaatst.

De klokelektroden 4,5 zijn op opzichzelf bekende wijze _____. - jt ''ξ ƒ PHN 11711 4 via kloklijnen 7 resp. 8 verbonden met een klokspanningsbron 9, die de kiokspanningen 0.j, 02» schematisch in het blok 9 weergegeven, levert.

De ingang van de ladingsgekoppelde inrichting omvat, 5 gezien in de ladingstransportrichting (van links naar rechts) achtereenvolgend: een n+-type aanvoerzone 10, verder ingangsdiode genoemd, die elektronen levert voor het vormen van de ladingspakketten; een eerste elektrode 11, die een bemonsteringspoort vormt, en een tweede elektrode 12 die de ingangspoort vormt.

10 De ingangsdiode 10 is verbonden met een vaste potentiaal, bijvoorbeeld aarde. De ingangspoort 12 is verbonden met een, een signaalbron omvattende spanningsbron 13, die een signaalafhankelijke spanning aan de ingangselektrode 12 levert, die de grootte van het onder de ingangselektrode 12 te vormen ladingspakket bepaalt. De 15 bemonsteringselektrode 11, die om fabricagetechnische redenen op dezelfde wijze als de klokelektroden 4,5 is samengesteld uit een deel 11a op dikker oxide en een deel 11b op dunner oxide, dient als schakelaar tussen de ingangsdiode 10 en het opslaggebied onder ingangselektrode 12. Aan de bemonsteringspoort 11 wordt een 20 bemonsteringsklok 0S aangelegd die door de bron 9 wordt geleverd.

Tijdens bedrijf wordt het lichaam 1 aan een referentiespanning van bijvoorbeeld -3,5 V gelegd, terwijl aan de klokelektroden 4,5 kiokspanningen 01f 02 worden aangelegd, die niveau's van 0 en 5 V hebben. De klok 0S varieert ook tussen 0 en 5 25 V. In Fig. 2 is. de potentiaalverdeling getekend die bij deze spanningen in het ingangsgedeelte van de inrichting optreden, waarbij de grootheid V de oppervlaktepotentiaal voorstelt die, zoals gebruikelijk naar beneden is uitgezet. In die Figuur zijn, met onderbroken lijnen tevens de potentiaalniveau's van substraatspanning en 5 V aangegeven. Het 30 niveau 15 stelt het potentiaalniveau van de ingangsdiode 10 voor. De oppervlaktepotentiaal onder de bemonsteringspoort 11 wordt aangegeven door het verwijzingscijfer 16, waarbij de suffixen a en b de potentiaal onder de gedeelten 11a resp. 11b voorstellen. De potentiaal 16'a, 16'b treedt op bij een klokspanning 0S = 0V, de potentiaal 16a, 16b bij 35 een klokspanning 0S = 5 V. Zoals uit het diagram blijkt, is elektronenstroom van de ingangsdiode 10 naar het gebied onder de ingangspoort 12 mogelijk bij 03 = 5 V en geblokkeerd bij 0S = é _ -«tl» PHN 11711 5 OV. Op analoge wijze representeren de niveaus 17a, b 17'a,b de potentialen onder de eerste klokelektrode 4a, 4b, bij resp. = 5 V resp. 0.| = ÖV. Het potentiaalverschil tussen bijv. de niveau's 17'a en 17'b, bepalend voor de maximale hoeveelheid lading per ladingspakket 5 bedraagt ongeveer 3V. Het hoogst mogelijke potentiaalniveau 18, onder de ingangspoort 12 corresponderend met v^n minimum, wordt bepaald door het potentiaalniveau 15 van de ingangsdiode 10. Het laagste zinvolle potentiaalniveau 18, onder de ingangspoort 12 corresponderend met het hoogste ingangssignaal V^n wordt bepaald door de hoogte van de 10 potentiaalbarrière 17a. Wanneer, zoals in Fig. 2 is weergegeven, V^n groter wordt dan deze maximale waarde, zal het niveau 18 dalen tot beneden het potentiaalniveau 17a. In deze situatie zal het niet meer mogelijk zijn elke lading die onder de ingangspoort 12 is opgeslagen over te hevelen naar de potentiaalkuil 17b onder de eerste klokelektrode 15 4. . '

In praktische uitvoeringen is gebleken dat het potentiaalverschil tussen de niveau's 18 en 17a ongeveer 1V of kleiner is. Mede gezien de spreiding in de drempelspanning, is deze waarde zo klein dat in de praktijk de oppervlaktepotentiaal onder de ingangspoort 20 12 vaak onder het potentiaalniveau 17a ligt.

Fig. 3 geeft een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding weer. In tegenstelling tot de inrichting volgens Fig. 1, is de ingangspoort 12 nu niet alleen met de signaalbron 13, die het ingangssignaal Vin levert, verbonden, maar eveneens met een 25 referentiespanning, in dit geval aarde, via de als schakelaar fungerende veldeffekttransistor 20. De overige onderdelen van de inrichting zijn eenvoudigheidshalve van dezelfde verwijzingscijfers als de inrichting volgens Fig. 1 voorzien. De transistor 20, waarvan het kanaal evenals het kanaal 3 van het n-geleidingstype is, wordt gestuurd door de 30 klokspanning 01 die eveneens aan de naastliggende klokelektrode 4 wordt aangelegd. Hierdoor wordt, op hetzelfde ogenblik waarop de klokelektroden 4 worden geactiveerd, de transistor 20 geactiveerd, waardoor de ingangspoort 12 op aarde wordt gelegd. De werking van de inrichting wordt toegelicht aan de hand van Fig. 4. Overeenkomstige 35 potentiaalniveau's zijn in deze figuur weer van dezelfde verwijzingscijfers voorzien als Fig. 2. De maximale en minimale waarden van Vin corresponderen weer met de potentiaalniveau's 18 resp. 18' in Fig. 4·.

--------.Λ

A

PHN 11711 6 'v

Zoals in de tekening is weergegeven, is het ook nu weer mogelijk dat het niveau 18 beneden het potentiaalniveau 17a, dat, bij de aangelegde klokspanning van 5V het laagste potentiaalniveau is dat onder het overdrachtgedeelte 4a bereikt kan worden, ligt. üitgegaan kan worden van 5 de situatie waarin = oV en 02 = 5V, overeenkomend met de potentiaalniveau's 17'a, 17'b onder klokelektrode 4 en met de potentiaalniveau's 16b, 16a onder de bemonsteringselektrode 11b, 11a. Wanneer een ingangssignaal Vin wordt toegevoerd, wordt deze waarde voor Vin, aangezien schakelaar 20 niet-geleidend is, aangelegd aan de 10 ingangspoort, waardoor de oppervlaktepotentiaal onder deze poort, in afwezigheid van lading, overeenkomt met het niveau 18. Vervolgens stijgt 01 naar 5V terwijl 02 naar oV daalt. Onder de bemonsteringspoort 11b, 11a wordt de potentiaalbarrière 16'b, 16'a gevormd die het „ ladingspakket onder de ingangspoort 12 en de ingangsdiode 10 onderling 15 isoleert. Onder de eerste klokelektrode 4 wordt de potentiaalkuil 17b geïnduceerd, terwijl de barrière 17'a tot het niveau 17a verlaagd wordt. Het grootste deel van het ladingspakket boven het niveau 18 zou al overgeheveld worden naar de potentiaalkuil 17b. Tegelijk echter wordt de transistor 20 geactiveerd waardoor de aardpotentiaal aan de 20 ingangspoort 12 wordt aangelegd. Het gevolg hiervan is dat het potentiaalniveau onder de ingangspoort 12 stijgt naar het niveau 18", in de tekening met een onderbroken lijn weergegeven. Doordat het niveau 18" boven het niveau 17a ligt, zal het hele ladingspakket dat onder de ingangspoort 12 is geformeerd worden overgeheveld. In een volgende phase 25 gaat 0^ weer naar oV waardoor de potentiaalbarrière 17a weer naar 17'a wordt verhoogd. Tegelijk wordt de transistor 20 niet-geleidend waardoor het ingangssignaal Vin weer kan worden aangelegd aan de ingangspoort 12, en een nieuw ladingspakket kan worden gevormd.

Voor een goede werking van de hier beschreven inrichting 30 is het nodig dat de impedantie Z, die deel kan uitmaken van de signaalbron 13, hoger is dan de inwendige impedantie van de schakelaar 20 in gesloten toestand. Fig. 5 geeft voor een digitale toepassing bij wijze van voorbeeld het schakelschema van een signaalbron 13 met een inwendige impedantie Z, die op eenvoudige wijze op een geschikte waarde 35 kan worden ingesteld. De schakeling omvat twee veldeffekttransistors 22, 23 waarvan de aanvoerzones aan een spanning V^, overeenkomend met een • logische "1" resp. aan Vo, corresponderend met een logische "o" liggen.

ΡΗΝ 11711 7

De afvoerzones zijn met de schematisch weergegeven ingangspoort12 verbonden. Duidelijkheidshalve is eveneens de schakeltransistor 20 in de tekening aangegeven. De informatie IN wordt toegevoerd aan de ingang van een versterker 24, waarvan de uitgang direkt gekoppeld is met de poort 5 van transistor 22 en via een omkeertrap of inverter 25 met de poort van transistor 23. In het geval dat IN = 1 is transistor 22 geleidend, en wordt de spanning aan de ingangspoort 12 aangelegd. In het andere geval waarin IN= o, is transistor 23 geleidend en wordt de spanning Vo aan de ingangspoort 12 aangelegd. Voor de impedantie l kan eenvoudig de 10 weerstand van de transistoren 22, 23 gebruikt worden. Deze kan op een geschikte waarde worden ingesteld door bijvoorbeeld de W/L verhouding (verhouding kanaalbreedte over de kanaallengte) te kiezen.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het hier gegeven uitvoeringsvoorbeeld, maar dat binnen het kader van 15 de uitvinding voor de vakman nog veel variaties mogelijk zijn. Zo kan de hier beschreven inrichting met ingebouwde potentiaalbarrière ook als een op zichzelf bekende, 1 bit/elektrode inrichting worden bedreven, waarbij in een groep van opeenvolgende gevulde opslagplaatsen slechts een lege plaats voorkomt, die in de inrichting tegengesteld aan de 20 ladingstransportrichting door het ladingstransportkanaal wordt verschoven. De uitvinding kan ook worden toegepast in op zichzelf bekende 3 of 4-phase CCD's zonder ingebouwde potentiaalbarrière.

Claims (3)

1. Halfgeleiderinrichting met een aan een oppervlak van een halfgeleiderlichaam aangebrachte ladingsgekoppelde inrichting omvattende een ingangstrap voor het vormen van ladingspakketten in afhankelijkheid van een ingangssignaal, en een rij van klokelektroden voorzien van 5 aansluitmiddelen voor het aanleggen van klokspanningen ten behoeve van het sequentieel opslaan en transporteren van deze ladingspakketten in een onderliggend ladingstransportkanaal, waarbij de ingangstrap, gezien in de ladingstransportrichting, achtereenvolgend, een ingangsdiode, een eerste elektrode, verder bemonsteringspoort genoemd, en een tweede 10 elektrode, verder ingangspoort genoemd, omvat, waarbij de ingangsdiode is voorzien van een aansluiting voor het aanleggen van een vaste spanning, de ingangspoort van middelen voor het aanleggen van het ingangssignaal en waarbij de bemonsteringspoort is voorzien van middelen voor het aanleggen van een bemonsteringsklokspanning voor het sluiten en 15 verbreken van de verbinding tussen de ingangsdiode en het gebied onder de ingangspoort, met het kenmerk dat de ingangspoort, behalve met middelen voor het aanleggen van het ingangssignaal, tevens verbonden is met een van de hoofdelektrodegebieden van een veldeffekttransistor met geïsoleerde poort elektrode waarvan het andere 20 hoofdelektrodegebied aan een vaste potentiaal kan worden gelegd en waarvan de poortelektrode is voorzien van aansluitmiddelen voor het aanleggen van een der genoemde klokspanningen.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het geleidingstype van het kanaal van de 25 veldeffekttransistor van hetzelfde type is als het geleidingstype van het ladingstransportkanaal, en dat aan de geïsoleerde poortelektrode van de veldeffekttransistor dezelfde klokspanning wordt aangelegd als aan de eerste klokelektrode die, gezien in de ladingstransportrichting, volgt op de ingangselektrode. 30

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de klokelektroden elk een overdrachtgedeelte en een opslaggedeelte omvatten, waarbij middelen aanwezig zijn tengevolge waarvan bij het aanleggen van klokspanningen, onder het overdrachtgedeelte een potentiaalbarrière en onder het opslaggedeelte 35 een potentiaalkuil worden geïnduceerd. ' / • .:-½¾