NL8600891A - Halfgeleiderinrichting. - Google Patents

Description

:* 8 t PHN 11.712 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken "Halfgeleiderinrichting* t

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting met, aan een oppervlak van een halfgeleiderlichaam aangebrachte, ladingsgekoppelde inrichting omvattende een ingangstrap voor het vormen van ladingspakketten in 5 afhankelijkheid van een ingangssignaal, en een rij van klokelektroden voorzien vein 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, 10 een ingangsdiode, een eerste elektrode, verder bemonsteringspoort 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 bemonsteringspoort is 15 voorzien van middelen voor het aanleggen van een bemonsteringsklokspanning voor het sluiten en verbreken 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 20 beschreven in het artikel "A comparison of CCD analog input Circuit characteristics* van H.Wallinga, International Conference on Technology and Applications of Charge Coupled Devices, Edinburgh, September 1974, pg. 13-21. Deze ingang heeft een lineaire karakteristiek, en is bovendien zeer geschikt voor toepassingen bij hoge frequenties. In de 25 genoemde publikatie is als nadeel aangegeven dat het ingangssignaal in puls-vorm toegevoerd dient te worden, of verzwakt dient te worden, om te garanderen dat het ladingspakket onder de ingangspoort in zijn geheel naar de opslagzone onder de eerste klokelektrode kan worden overheveld.

Aan de hiervoor gestelde oplossingen zijn echter ook bezwaren 30 verbonden. Zo kan het toevoeren van het ingangssignaal in puls-vorm, signaalvervorming met zich meebrengen, die weliswaar voor digitale toepassingen niet, maar voor bijvoorbeeld analoge spanningen wel λ ·-. Λ - > , • · . /-* » --------— 1 .

? - τ ΡΗΝ 11.712 2 bezwaarlijk kan zijn. Verzwakking van het signaal brengt in het algemeen een nadelige verkleining van de signaal over ruis verhouding met zich mee.

Het probleem van onvolledig ladingstransport vanuit de 5 ingangsstructuur naar het ladingstransportkanaal bij toepassing van ingangscircuits van de in de aanhef beschreven soort treedt in het bijzonder op bij ladingsgekoppelde inrichtingen waarbij de elektroden een overdrachtgedeelte en een opslaggedeelte omvatten en waarbij inwendig middelen aanwezig zijn (dikker oxide en/of bijvoorbeeld extra 10 implantatie) voor het induceren van een potentiaalbarriêre onder de overdrachtgedeelten. Zoals uit de figuurbeschrijving nog zal blijken is het tengevolge van deze potentiaalbarriêre de marge waarbinnen het ingangssignaal kan variëren door de eis dat het gehele ladingspakket overgeheveld moet kunnen worden, erg klein.

15 De uitvinding beoogt onder meer een halfgeleiderinrichting van de hierboven beschreven soort aan te geven, waarbij het ingangssignaal zonder vervorming in een relatief groot spanningsgebied kan variëren, bijvoorbeeld in de grootte van 2 Volt bij 5 Volt klokspanning.

20 Een halfgeleiderinrichting van de in de aanhef beschreven soort is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de genoemde aansluitmiddelen een versterker omvatten waarvan de uitgang is verbonden met de eerste klokelektrode volgend op de ingangspoort, en aan de ingang waarvan de, in de rij van klokelektroden passende klokspanning 25 kan worden aangelegd, waardoor, bij het aanleggen van deze klokspanning, onder de eerste klokelektrode een potentiaalput kan worden geïnduceerd, die voldoende diep is om het gehele onder de ingangspoort gevormde ladingspakket in deze potentiaalput te doen stromen.

Doordat in plaats van de gebruikelijke klokspanning een 30 grotere klokspanning aan de eerste klokelektrode wordt aangelegd, wordt bewerkstelligd dat tijdens het ladingstransport het niveau van de potentiaalbarriêre onder het overdrachtgedeelte van de eerste klokelektrode lager is dan het laagste potentiaalniveau onder de ingangspoort. Doordat de versterkte klokspanning alleen aan de eerste 35 klokelektrode, en niet aan de overige klokelektroden, wordt aangelegd, zal de dissipatie in de inrichting praktisch niet toenemen. Een belangrijke voorkeursuitvoering, die het mogelijk maakt, de inrichting '______ 1 * -¾ PHN 11.712 3 met de gebruikelijke lage voedingsspanning (bijvoorbeeld 5V) te bedrijven, is daardoor gekenmerkt dat de genoemde versterker een gebootstrapt dri jvercircuit omvat.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van 5 een uitvoeringsvoorbeeld en de bijgaande schematische tekening waarin

Fig. 1 een doorsnede geeft van een ladingsgekoppelde inrichting van de in de aanhef beschreven soort, waarin een conventionele klokspanning aan de eerst klokelektrode wordt aangelegd;

Fig. 2 een diagram van de potentiaalverdeling in deze 10 inrichting tijdens bedrijf geeft;

Fig. 3 een uitvoering van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding geeft;

Fig. 4 een diagram van de potentiaalverdeling, tijdens bedrijf in deze inrichting geeft; 15 Fig. 5 het schema van een drijvercircuit, dat in de inrichting volgens Fig. 3 wordt toegepast, geeft;

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een oppervlakte-kanaal CCD. Hoewel de uitvinding op zich z&l£ ook toegepast kan worden in ladingsgekoppelde inrichtingen met begraven kanaal (bccd), 20 wordt voor sommige toepassingen, bijvoorbeeld die waarin hoge eisen aan de lineariteit worden gesteld, vaak aan ladingsgekoppelde inrichtingen met oppervlakte-kanaal de voorkeur gegeven, of aan bccd uitvoeringen met een ingangsstructuur in oppervlaktekanaaltechniek.

Ter verduidelijking van het door de uitvinding op te 25 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 30 oppervlak 2 waarvan het kanaal 3 is gelegen. Voor het sturen van het ladingstranspart 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 overdrachtsgedeelte a en een opslaggedeelte b, welke gedeelten zich van 35 elkaar onderscheiden door middelen die aanwezig zijn om bij het aanleggen van een klokspanning onder het overdrachtgedeelte a een potentiaalbarriëre en onder het opslaggedeelte een potentiaalput in - j » __ -¾ ΡΗΝ 11.712 4 i" c > het kanaal 3 te induceren. In het onderhavige voorbeeld worden deze middelen gevormd door het dikkere oxide 6 onder de overdrachtgedeelten 4a,5a, en het dunnere oxide onder de opslaggedeelten 4b,5b. Uiteraard kunnen deze middelen ook andere, op zichzelf bekende, 5 drempelspanningsveranderende middelen omvatten, zoals bijvoorbeeld in het kanaal gëimplanteerde gebieden. In het hier te beschrijven voorbeeld wordt de elektrodenconfiguratie met overdrachtsdeel en opslagdeel toegepast ten behoeve van 2-phase bedrijfswijze.

In andere uitvoeringen echter dient deze 10 elektrodenconfiguratie voor het bedrijven van aan de inrichting als een 1 bit per elektrode inrichting, waarbij op een na alle opslagplaatsen met informatie zijn gevuld en de lege plaats, in de richting tegengesteld aan de ladingstransportrichting wordt verplaatst. Bovendien kunnen ook andere elektrodenconfiguraties, zoals êëen of drie 15 laagsconfiguratie mogelijk.

De klokelektroden 4,5 zijn op opzichzelf bekende wijze via kloklijnen 7 resp. 8 verbonden met een klokspanningsbron 9, die de klokspanningen schematisch in het blok 9 weergegeven, levert.

20 De ingang van de ladingsgekoppelde inrichting omvat, 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 25 elektrode 12 die de ingangspoort vormt.

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 30 de ingangselektrode 12 te vormen ladingspakket bepaalt. De 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 35 ingangselektrode 12. Aan de bemonsteringspoort 11 wordt een bemonsteringsklok 0_ aangelegd die door de bron 9 wordt geleverd.

Tijdens bedrijf wordt het lichaam 1 aan een • *

Ir -i PHN 11.712 5 referentiespanning van bijvoorbeeld -3,5 V gelegd, terwijl aan de klokelektroden 4,5 klokspanningen , 02 worden aangelegd, die niveau's van 0 en 5 V hebben. De klok 0S varieert ook tussen 0 en 5 V. In Fig. 2 is de potentiaalverdeling getekend die bij deze spanningen 5 in een deel van de inrichting optreden, waarbij de grootheid V de oppervlaktepotentiaal voorstelt die, zoals bij CCD's gebruikelijk is naar beneden is uitgezet. In de Figuur zijn, met onderbroken lijnen, tevens de potentiaalniveau's van substraatspanning en 5 V aangegeven.

Het niveau 15 stelt het potentiaalniveau van de ingangsdiode 10 voor. De 10 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 0_ = 0V, de potentiaal 16a, 16b bij een klokspanning 0S = 5 V. Zoals uit het diagram blijkt, is 15 elektronenstroom van de ingangsdiode 10 naar het gebied onder de ingangspoort 12 mogelijk bij 0g = 5 V en geblokkeerd bij 0g = 0V. Op analoge wijze representeren de niveaus 17a, b 17'a,b de potentialen onder de eerste klokelektrode 4a, 4b, bij resp. 0^ = 5 V resp. 01 = OV. Het potentiaalverschil tussen bijv. de niveau's 17'a 20 en 17'b, bepalend voor de maximale hoeveelheid lading per ladingspakket bedraagt ongeveer 3V. Het hoogst mogelijke oppvervlaktepotentiaalniveau 18 (in de figuur dus het laagste), onder de ingangspoort 12 corresponderend met Vj_n maximum, wordt bepaald door het potentiaalniveau 15 van de ingangsdiode 10. Het laagste zinvolle 25 potentiaalniveau 18, onder de ingangspoort 12 corresponderend met het hoogste ingangssignaal V^n wordt bepaald door de hoogte van de potentiaalbarriëre 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 30 mogelijk zijn alle lading die onder de ingangspoort 12 is opgeslagen over te hevelen naar de potentiaalkuil 17b onder de eerste klokelektrode 4.

In praktische uitvoeringen is gebleken, dat het potentiaalverschil tussen de niveau's 18 en 17 zo klein is, n.1.kleiner 35 dan IV dat, mede, tengevolge van fluctuaties in de drempelspanning, bij maximale ingangsspanning V^n het potentiaalniveau 12 vaak onder het niveau 17a ligt, zodat niet het hele ladingspakket kan worden -----— -----** PHN 11.712 6 overgenomen.

In Fig. 3 is een uitvoeringsvoorbeeld van een halfgeleiderinrichting weergegeven waarin het hiervoor beschreven probleem op eenvoudige wijze wordt voorkomen. De inrichting is 5 gemakshalve voor identieke delen van dezelfde verwijzingscijfers voorzien als de inrichting volgens Fig. 1. In tegenstelling met de inrichting volgens Fig. 1, is nu de eerste klokelektrode 4 niet direct met de kloklijn 7 verbonden, maar via de versterker 20. Bij voorkeur wordt voor deze versterker een bootstrap circuit gebruikt, zodat de 10 voedingsspanning van 5 V niet behoeft te worden gewijzigd. Fig. 5 toont, bij wijze van voorbeeld, het schema van een dergelijk circuit. Opgemerkt wordt dat in het schema transistoren van het verarmingstype met een dubbele lijn in het kanaalgebied zijn weergegeven, en transistoren van het verrijkingstype met een enkelvoudige lijn. Het door de 15 klokspanningsbron 9 geleverde kloksignaal 0| wordt toegevoerd aan de poort van transistor T^; en het versterkte uitgangssignaal 0Q wordt afgenomen aan de afvoer van transistor Tg. De schakeling omvat twee voedingslijnen van 0V en 5V. Vanaf de linkerkant omvat de schakeling om te beginnen een eerste omkeertrap, omvattende de in 20 seriegeschakelde drijvertransistor en de belastingtransistor T2.

Op de eersteomkeertrap volgt een tweede, soortgelijke omkeertrap, omvattende de drijvertransistor Tg en de belastingtransistor T^. De ingang van deze tweede omkeertrap, zijnde de poort van T3 is verbonden met de uitgang 21 van de eerste omkeertrap. De poorten van de belasting-25 transistoren T2 en T^ zijn met hun aanvoerzones verbonden. De omkeertrap T3, T4 wordt gevolgd door een serieschakeling van drie transistoren, n.1. Tg, Tg en Τη. De poortelektroden van de transistoren Tg en Ίη zijn verbonden met de uitgang 21 van de eerste omkeertrap. De poort Tg is verbonden met de uitgang 22 van de tweede 30 omkeertrap Tg en T4. Het gemeenschappelijke knooppunt 23 van Tg en Tg is verbonden met de uitgangsklem 24 waaraan het uitgangssignaal kan worden afgenomen dat aan de eerste klokelektrode 4 kan worden aangelegd. Het knooppunt 25 tussen de transistoren Tg en T7 is verbonden met een plaat van de bootstrap capaciteit C. Aan de 35 rechterkant van de tekening zijn twee transistoren in serie geschakeld, n.1. de transistor Tg waarvan de poort is verbonden met de uitgang 21 van de eerste omkeertrap, en de verarmingstransistor Tg waarvan de ..... .

PHN 11.712 7 poort is verbonden met de aanvoerzone 26. Parallel aan Tg is de transistor gekoppeld waarvan de poort is verbonden met de uitgang 24, knooppunt 23. Het knooppunt 26 tussen Tg en Tg is verbonden met de tweede plaat van de bootstrap capaciteit C.

5 Ter verduidelijking van de werking van de schakeling wordt uitgegaan van de situatie waarin ^ = o V (laag). is niet-geleidend, punt 21 komt dan op 5 7 (hoog). Dit signaal wordt door omkeertrap Tg, T^ weer geïnverteerd, dus knooppunt 22 wordt laag (bijna OV). In deze situatie zijn de transistoren Tg en Ty 10 geleidend, en transistor Tg niet-geleidend. Knooppunt 23 (is tevens uitgang) staat op OV en knooppunt 25 op 5V. Tegelijk staat knooppunt 26 aangezien Tg wel geleidend en T1Q niet-geleidend is, op (praktisch) OV. Wanneer vervolgens 0-j naar 5V (hoog) gaat, gaan knooppunten 21 en 22 naar OV resp. 5V. De transistoren Tg en Ty zijn dan niet-15 geleidend, Tg wordt wel geleidend. Tegelijk wordt Tg niet-geleidend waardoor knooppunt 26 naar 5V stijgt. Doordat de bootstrap capaciteit C met knooppunt 26 is verbonden, en de transistor Tg en Ty niet-geleidend zijn, stijgt knooppunt 25 dat al op 5V stond, naar een waarde van praktisch 10V. Tengevolge van capacitieve spanningsdelingen kan de 20 uiteindelijke potentiaalwaarde van punt 25 iets lager dan 10V zijn. Aangezien in deze situatie transistor Tg geleidend is, volgt knooppunt 23, en daarmee de uitgang 24 de spanningsbron van knooppunt 25 naar bijna 10V. Transistor T^q, die in deze toestand ook geleidend is, dient enkel om de snelheid waarmee knooppunt 26 wordt opgeladen, te 25 vergroten.

Door toepassing van het bootstrap drijver circuit volgens Fig. 5 is het magelijk om, onder gebruikmaking van 5V klokspanningen 0.j, 02' een totale ladings overdracht te verkrijgen van het ladingspakket onder de ingangspoort naar de eerste klokelektrode 4, 30 zoals in Fig. 4 is weergegeven. In deze figuur zijn voor overeenkomstige potentiaalniveau's dezelfde verwijzingscijfers als in Fig. 2 gebruikt.

Het verschil tussen Fig. 4 en Fig. 2 bestaat in hoofdzaak hieruit dat, nu, bij 0.| = 5V, het potentiaalniveau 17"a, 17"b enkele volts dieper ligt dan het niveau 17a, 17b in Fig. 2. Hierdoor zal ook, wanneer V^n 35 maximaal is, het niveau 18 boven het potentiaalniveau 17"a liggen, zodat alle lading die bij deze waarde van V^n onder de ingangspoort 12 is opgeslagen naar het ladingstransportkanaal 3 kan doorstromen. De in de * t ____„ PHN 11,712 8 ~ Λ.

inleiding beschreven signaalvervorming die in conventionele inrichtingen kan optreden tengevolge van onvolledig ladingstransport, wordt in de hier beschreven inrichting volgens de uitvinding op eenvoudige wijze voorkomen, zonder dat het nodig is het ingangssignaal ν^η te 5 verkleinen. Bovendien kunnen in de hier beschreven inrichting de overige klokelektroden met conventionele, lage klokspanningen 0^, 02 = van 0 en 5V worden aangestuurd zodat de dissipatie praktisch niet toeneemt.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet tot het 10 aangegeven uitvoeringsvoorbeeld is beperkt, maar dat binnen het kader van de uitvinding voor de vakman nog veel variaties mogelijk zijn. Zo kan de uitvinding, behalve' in ladingsgekoppelde inrichtingen met ingebouwde potentiaalbarriëres, ook worden toegepast in inrichtingen waarin deze barrière niet aanwezig is, zoals bijvoorbeeld in de 4-15 phase inrichting beschreven in de hiervoor genoemde publicatie.

t Λ ^

y v J J

Claims (5)

1. Halfgeleiderinrichting met, 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 5 voorzien van 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 10 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 bemonsteringspoort is voorzien van middelen voor het aanleggen van een 15 bemonsteringsklokspanning voor het sluiten en verbreken van de verbinding tussen de ingangsdiode en het gebied onder de ingangspoort, met het kenmerk, dat de genoemde aansluitmiddelen een versterker omvatten waarvan de uitgang is verbonden met de eerste klokelektrode volgend op de ingangspoort, en aan de ingang waarvan de, in de rij van 20 klokelektroden passende klokspanning kan worden aangelegd, waardoor, bij het aanleggen van deze klokspanning, onder de eerst klokelektrode een potentiaalput kan worden geïnduceerd, die voldoen diep is om het gehele onder de ingangspoort gevormde ladingspakket in deze potentiaalput te doen stromen.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elke klokelektrode een overdrachtsgedeelte en een opslaggedeelte omvat, waarbij, bij het aanleggen van een klokspanning, een potentiaalbarriëre onder het overdrachtgedeelte en een potentiaalput onder het opslaggedeelte worden geïnduceerd.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de inrichting een 2-phase ladingsgekoppelde inrichting vormt.

4. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting een 35 ladingsgekoppelde inrichting van het oppervlaktekanaal-type is.

5. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de genoemde versterker een PHN 11.712 10 gebootstrapt drijvercircuit omvat. & :¾