專利名稱:帶動態(tài)控制的電荷耦合半導(dǎo)體器件的制作方法
本發(fā)明關(guān)于電荷耦合半導(dǎo)體器件，在包含半導(dǎo)體的主表面上至少形成一條電荷遷移構(gòu)道，并在同一主表面上備有電極系統(tǒng)，在其上能加上為電荷貯存用的調(diào)節(jié)信號和為電荷遷移用的鐘信號。
此類電荷耦合半導(dǎo)體器件用于多種技術(shù)中，例如固態(tài)攝象機的圖象敏感器其中的輻射敏感部分產(chǎn)生的信息，貯存在(如需要)記憶部分。然后，此信息由電子裝置轉(zhuǎn)成電視信號，但同時也暫存在(例如)盤或帶中。
在前言中提到的那類器件描述在德國專利申請Nr.8301977(PHN10698)中。上述申請?zhí)貏e揭示了高分辨率的圖象敏感器，其中由于單獨引出許多電極，可用的半導(dǎo)體的表面積常常被縮減得相當多，借助于電極，在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生出貯存和遷移電荷的位阱。在那里的具體裝置中，由寄存器驅(qū)動開關(guān)元件，方式是，在圖象敏感器的電極上加上或鐘信號，或調(diào)節(jié)信號。然而調(diào)節(jié)信號是可變的。
按照本發(fā)明的器件的特征是，半導(dǎo)體器件包含至少一個移位寄存器，它能受單相或多相鐘信號的控制，并有若干級，其中，電極都單獨地以電氣導(dǎo)電方式連接到移位寄存器的各級。
應(yīng)指出，由于移位寄存器的循環(huán)性，可以不同的方式規(guī)定這種級。在一種情況，一個電極可以接到(例如)這種級的輸出，在另一種情況，接到輸入或完全不同的部分。從一種具體裝置可以看出，在給定的條件下，移位寄存器的輸入端應(yīng)當作構(gòu)成第一級，因為有電極以電氣導(dǎo)電方式連接在上面。
本發(fā)明的基礎(chǔ)是承認這樣的事實，在一方面移位寄存器的輸出電壓可被用作調(diào)節(jié)信號和鐘脈沖信號，而在另一方面，這種移位寄存器可被操作，使得在逐級的輸出端得到所需變化的脈沖信號和調(diào)節(jié)信號。
除上述專利申請Nr.8302977(PHN10698)描述的優(yōu)點外，按本發(fā)明的圖象敏感器特別具有這樣的優(yōu)點，能在很小的表面上實現(xiàn)電子控制裝置，因為開關(guān)元件(MOS晶件管)可以省去。
所用的移位寄存器是動態(tài)移位寄存器，因為能在很小表面上實現(xiàn)此寄存器。
在這一方面，動態(tài)移位寄存器是指任何包含若干部分或級的開關(guān)裝置，其中，由鐘信號將相應(yīng)的部分或級同步地開和閉。同時在不同的鐘信號之間，在這些部分或級中的信息此電容電荷貯存的方式保留著。
可用各種不同的方法實現(xiàn)移位寄存器，例如，包含若干倒相電路，它們借助由鐘信號控制的開關(guān)晶體管相互連接著。因而，確定倒相電路狀態(tài)的電荷貯存在(例如)此電路的附加電容上，同時輸出接到電荷耦合半導(dǎo)體器件的電極。
按本發(fā)明的一種較佳具件裝置的特征是，倒相電路用互補的MOS晶體管實現(xiàn)，它的優(yōu)點是，僅用三個晶體管就可實現(xiàn)移位寄存器的一級。
實現(xiàn)一級移位寄存器所占用的空間一般比電荷耦合器件的兩個相鄰電極之間的距離寬或長。這意味著，對于固定面積的移位寄存器級，電荷耦合器件n電極安排在此面積內(nèi)的遷移方向，n級只得位于n電極的旁邊，每個級驅(qū)動一個電極。為了獲得若干空間和減少引線問題，經(jīng)常(例如，每3或4級)電極系統(tǒng)的一個電極寧可用作移位寄存器兩級的直通連接。在n電極的旁邊，移位寄存器的 (n)/2 級安置在電極系統(tǒng)的兩邊。
移位寄存器的各級不需反向(倒置)，但是，因為全部輸出可以同時是高或低電位，在這種情況下，至少需要兩個移位寄存器，它們有利地安置在電極系統(tǒng)的兩端。
現(xiàn)在參考幾個具體裝置和附圖較全面地說明本發(fā)明，在圖中圖1a-1m表明電荷貯存和轉(zhuǎn)移的原則，本發(fā)明的裝置按照此原則工作;
圖2以平面圖解式顯示本發(fā)明的圖象敏感器;
圖3示出由一雙相對時鐘信號控制的一移寄存器示意圖，該時鐘信號可以控制在圖2示出的裝置;
圖4以圖解式顯示由兩相鐘信號控制的移位寄存器，借助它可以控制圖2的裝置;
圖4顯示圖3裝置的改型;
圖5顯示圖2、3和4的移位寄存器的一種可能的具體線路;
圖6顯示圖2裝置的部分變型;
圖7顯示移位寄存器的改型，圖中移位寄存器受三相鐘信號的控制;
圖8顯示移位寄存器的改型，圖中移位寄存器受4相鐘信號的控制;
圖9顯示移移位寄存器的改型，圖中移位寄存器受單相鐘信號的控制;
圖10顯示兩個移位寄存器，包含為控制圖2裝置的非倒相級，而圖11顯示這種移位寄存器的一種可能的具體電路，以及圖12顯示兩個移位寄存器包含為控制圖2裝置的倒相級，這些圖都是示意性的，不按一定比例，同時為了清晰起見，橫剖面圖尤其非?？鋸埡穸确较虻某叽?。在同類導(dǎo)電性質(zhì)的半導(dǎo)體區(qū)畫出同方向的陰影線。在這些圖中對應(yīng)部分標上相同的查閱號碼。
首先較全面地解釋本發(fā)明裝置工作依據(jù)的原則，參閱圖1，該圖描述了電荷耦合半導(dǎo)體器件1，它包含一個半導(dǎo)體5。此半導(dǎo)體5由(例如)電阻率約為10歐姆·厘米的n型硅基片50和摻雜約為3.1515。原子/厘米3的P型層7構(gòu)成，在主表面8上，半導(dǎo)體包含至少一條電荷遷移溝道，在此情況下它由厚度約為1微米摻雜濃度為1016原子/厘米3的n型層11組成。
主平面8被絕緣材料片12覆蓋，例如硅氧化物。在絕緣片12上備有若干電極21，22，23，31，32，33，借助后者在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的位阱供電荷的貯存和遷移。
按照本發(fā)明，在顯示的器件中，每個電極21，22，23，31，32，33可被轉(zhuǎn)換，因此可以供給鐘脈沖信號或調(diào)節(jié)信號(基準電平)。為此目的，此器件備有〔上述專利應(yīng)用Nr.8301997(PHN10698)〕開關(guān)元件26，27，28，36，37，38，借助它電極可在鐘脈沖信號(信號線)14，17，19和調(diào)節(jié)線(參考線)15，18之間單獨地轉(zhuǎn)換，開關(guān)元件由寄存器控制，下文將作較全面的描述。
此外，此器件備有n型電源區(qū)92，通過連接線90向它輸入信號。如門電極91的電壓足夠高，電荷團25(它的大小取決于輸入信號)能遷移到在電極33下面的位阱，對這種場合它也是高電壓。可以用一般通常的方法讀出電極21的信息，例如利用包含電阻96和電容95并且連接到鄰近的n型層93的RC網(wǎng)絡(luò)。
在圖1a至1m中，虛線表示在不同時刻由電極21，22，23，31，32和91的電壓引起的表面電位的變化，電位變化的表現(xiàn)方式是眾所周知的，位阱(或槽)相當于電子的勢能最小，對于半導(dǎo)體的部分地區(qū)，位阱位于高電壓的電極之下。
圖1a的虛線對應(yīng)于在t1時刻電位的變化，當電極21，22，23，31，32，33通過開關(guān)元件26，27，28，36，37，38連接到在14，17，19線上的這樣的鐘脈沖信號，位阱位于電極21，23，31，33之下，位壘位于電極22，32之下。由于這種因素，在時刻t1前的瞬間，電極91在一段時間內(nèi)一直是高電壓因而電荷團已遷移入電極33下的位阱。電荷團的尺寸取決于在n型層92的接點90的輸入信號，并取決于電極91處于高電壓的時間長短。假定在時刻t1，在電極31，23和21下的位阱中不含有可以忽略的小量電荷。
圖1b顯示在t2時刻器件的電位變化，由于14，17，19線上的鐘信號加在電極21，22，23，31，32，33上，使得位阱位于電極23和33下，而同時位壘位于其它電極下，因而在電極33下的電荷團25保留著。
在t3時刻(圖1c)，電位的變化方式使得位阱形成在電極22，23，32，33下，位壘形成在電極21，31下。因而電荷團25分布在電極32，33下的位阱中。
圖1d顯示在t1時刻的電位變化，由于在14，17，19線上的鐘電壓，位阱形成在電極22，23之下，位壘形成在電極21，23，31，33之下。電荷團25位于電極32之下，相對t1時刻(圖1a)的情況，電荷團已移過一個電極的距離。
在時刻t5(圖1e)，位壘形成在電極33和23下，在位阱中的電荷團25位于電阱31，32之下。假定在電極21，22下的位不含電荷，因而在包含電容95和電阻96在內(nèi)的輸出電路無信號輸出，同樣，在t6時刻，當含有電荷團25的位阱位于電極31之下(圖1f)，在電極21之下的位阱不含電荷，因此無信號輸出。
在圖1g中，由于在14，17，19線上的鐘信號，電位變化在時刻t7呈現(xiàn)出來，與時刻t1的情況類似(圖1a)。正如圖1a描述的，電荷團30以同樣的方式在電極33下產(chǎn)生出來。同時，電荷25位于電極23，31的位阱中。
在時刻t3，t9，t10(圖1h，1i，1j)在半導(dǎo)體中發(fā)生類似時刻t2，t3，t4(圖1b，1c，1d)那樣的電位變化，結(jié)果，在t10時刻電荷團25和30集中在電極22和32下的位阱中。
不采取更多的步驟，在t11時刻，由于在14，17，19線上的鐘電壓，電位變化將會回到t5時刻的情況(圖1e)，換言之，電荷團25分布所在的位阱形在電極21，22之下，在電極21之下的電荷變化將通過輸出電路在電客95上給出輸出信號。
由于各種原因，可能希望這一切不要立即發(fā)生，例如，如半導(dǎo)體器件用作延遲線，信息應(yīng)處理成在后一時刻貯在電荷的形式，或者如若干這樣的器件排列成復(fù)合電路，在這種情況，從某個電荷耦合器件可以任意讀出信息。
為了防止輸出信號產(chǎn)生出來，電荷團25繼續(xù)集中在電極22之下，辦法是在時刻t11之前，在電極21之下形成位壘。在上述德國專利申請(PHN10698)中是這樣實現(xiàn)的，即將電極21通過開關(guān)元件26接到低電位的調(diào)節(jié)線(參考線18)。在電極21左面電位變化取決于在14，17，19線上的鐘電壓(見圖1k)且與時刻t5類似(圖1e)。因此位阱形成在電極22，31，32之下，位壘形成在電極23，33之下。
為了保持貯存電荷團25的位阱，按照上述專利申請，將電極22開關(guān)元件27接到高電位的調(diào)節(jié)線(參考線)15，加上高電位，(見圖1l，時刻t12)在電極的左邊，電位的變化和圖1f類似(時刻t6)。
在t12時刻(圖1m)，電極23是低調(diào)節(jié)信號(通過開關(guān)元件28和參考線18)，結(jié)果，位壘形成在電極23之下，位于電極22之下的位阱和形成在電極31下面貯存電荷團30的位阱之間。在下一時刻t14電極31不再取決于鐘脈沖電壓。而(通過開關(guān)元件37)具有高電壓。
在t13時刻，在電極31，32，33之下的電位變化仍然取決于14，17，19線上的鐘信號，正如在圖1a中，以同樣方式電荷團35在電極33下產(chǎn)生出來。在時刻t14電極引接到高調(diào)節(jié)信號之后，在下續(xù)時刻，電極32和33分別接到低和高調(diào)節(jié)信號(參考電平)。上述專利申請還說明以電荷團形式出現(xiàn)的信息如何被讀出，利用開關(guān)元件26，27，28，36，37，38將電極21，22，23，31，33按預(yù)期的步驟，逐步接到14，17 19線，為了借助在這些線上的鐘脈沖信號將電荷遷移。
為了簡化下一步對本發(fā)明裝置的說明，將圖1顯示的在t1至t10時刻的電位變化列成表格形式(表1)，在此表中“1”對應(yīng)于高電極電壓，“O”對應(yīng)于低電極電壓。
表1
在表1中，虛線表示電荷團先前如何靠交變電壓從電極33之下位阱移到電極22之下，之后，從時刻t10起利用調(diào)節(jié)信號逐步固定電極電壓，電荷團25貯存在電極22之下，電荷團30，35貯存在電極31，33之下。在表的右端，在點虛線下面，對于調(diào)節(jié)信號電極電壓保持為常值。
圖2原理式顯示按本發(fā)明的圖象敏感器的電路圖，其中圖1所示的那種開關(guān)元件26，27，28，36，37，38正象基準線15，18，可被略去，因為電極系統(tǒng)的電極都直接受動態(tài)移位寄存器輸出的控制。在這種情況下，此器件是稱作幀場轉(zhuǎn)換型的圖象敏感器1，此種圖象敏感器包含輻射敏感部分2，其中，在給定的照射期間形成對應(yīng)于輻射圖象的電荷載流子圖案，在照射后，電荷載流子圖案暫時貯存在記憶部分3，利用一個或多個移位寄存器4逐步地把它讀出。這種讀出能用已知的技術(shù)(Per se)實行。如需要，所得信號在進一步處理之前可用圖示的放大器6加以放大。
圖象敏感器(仿效圖1)包含(例如)由n型硅基片和P型層組成的半導(dǎo)體，可用離子注入和擴散的方法制成P型層。在半導(dǎo)體的主表面上規(guī)定若干相互牢固地隔開的平行伸展的電荷遷移溝道(在圖2中，以號碼9標明)，其中，電荷能遷移，如圖2的箭頭10所示。在現(xiàn)情況下，電荷耦合器件(CCD)是由塊式遷移的CCD構(gòu)成(PCCD或BCCD)。電荷遷移溝道由n型層組成，它們相互被P型層隔開，它們的深度約1微米，寬度約5微米。
參考上述的德國專利申請Nr·8301997(PHN10689)可以較詳細地說明此器件，譬如尺寸的摻雜。
主表面8(見圖1)被絕緣片12覆蓋，例如硅氧化物。在此片上形成若干電極，借助它在半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生供電荷貯存和遷移用的位阱。
在圖2所示的適用于4相遷移的器件中，在敏感部分2的溝道9，11中，每個“存貯單元”分別包含兩個遷移電極21，22，31，32，121，122，131，132和141，142，它們對于若干溝道中的“貯存單元”都是公用的。同樣，在記憶部分3，此類“貯存單元”分別由遷移電極41，42和51，52構(gòu)成等等。當然，此器件包含的電極遠比圖上顯示的電極多得多。在用于PAL體制的圖象敏感器中，敏感部分和記憶部分包含近600個遷移電極，對應(yīng)于每條電荷溝道300個“存貯單元”。
為了能選擇性地激勵電荷耦合器件的電極，備有移位寄存器13，13′，在本裝置中它由倒相級101，101′組成。按照本發(fā)明，圖象敏感部分2的電極22，31，32，121，122131連接到倒相級101的輸出，而電極21連接到移位寄存器13的輸入終端107(因此，接到第一級)。
以同樣方式，記憶部分3的電極52……41，42以電氣導(dǎo)電方式接到第二寄存器13′的各級101′的輸出，它控制記憶部分3。在此情況，遷移電極51連接到移位寄存器13′的輸入終端107′。
在此具體裝置中，寄存器13的各級101包括倒相電路102，通過開關(guān)元件106(例如，MOS晶體管)它連接到輸入信號(圖3)。對于寄存器13的第一級，輸入信號在輸入終端107處輸入，而對于其余各級，輸入電壓，由相繼各級的輸出供給。通過倒相電路102輸入端的電容103，每級都保持它的輸出電壓。在圖3上，該電容通過104線接地105。此電容量足夠大，能在足夠長的時間內(nèi)保持所需要的輸出電位。借助鐘錢116，117上的鐘電壓將開關(guān)元件106開啟和閉合，例如，假定鐘線116使開關(guān)元件106閉合，第一級的輸出達到一電平〔高(1)或低(O)〕，它取決于輸入終端107上的信號。第二級的輸出保持不變，正象其它所有各級的輸出受鐘線117的控制，受鐘線116控制的各級的輸出會變化，取決前級輸出的電平。關(guān)于此類動態(tài)移位寄存器的廣泛的描述，可以參閱W·M·Penney和L·Lau寫的書“Mos Iutegraleel CirCuits”(1979年)，R.E.Krieger出版公司，第260頁)。
在鐘線116和117上同時作用鐘信號，有可能有效地全部接通寄存器13中的各級，因此，當輸入終端107是低電位(O)在電極21，22，31，32，121，122，131，132，141上(見表2，行a)得到模式010101010，如果此模式能保持，在圖象敏感部分2的偶數(shù)電極22，32，122，132之下發(fā)生集成，當商電位加在輸入終端107上，能得到互補模式，集成可能在奇數(shù)電極21，31，121，131，141之下。
進一步處理，對應(yīng)于敏感圖象的貯存電荷實質(zhì)上轉(zhuǎn)成給電視機的信號，共同的做法是交替地起動圖象屏的偶數(shù)行和奇數(shù)行，即所謂隔行掃描，需要在一幅圖象周期(1/30-1/25秒)內(nèi)，進行兩次從輻射敏感部分到存貯器的轉(zhuǎn)換，電荷的貯存交替地產(chǎn)生在輻射敏感部的不同部分。為此目的，在恰當?shù)膱D象敏感器中，在一個圖象周期內(nèi)，電荷團交替地集中在不同的區(qū)域，也就是交替地位于電極21，31，121等和22，23，122等之下。
在t1時刻(表2＊，圖2，3)，電極22，32，122，132，是高電位，換言之，位阱位于在這些電極下。其中集中著由入輻射產(chǎn)生的電荷。由于在t2，t3期間在輸入終端107上的電壓不變，這種情況保持著(線a、b、c)。
在t4時刻，在輸入終端107上的信號變成高電位(1)。由于鐘線116(φ1)不工作，第一級的輸出不變。但是，在電極22下位阱擴大一倍，因為現(xiàn)在電荷分布在位于電極21，22下的位阱。
在t5時刻，因鐘線116(φ1)的作用第一級的輸出變成低電位(0)，輸入信號仍是高電位(1)，結(jié)果，上述電荷移到電極21(線e)下的位阱中，因為電極22變成低電位(O)。
在t6時刻(行f)，輸入終端已變成低電位(0)，但這不影響第一級的輸出，因為 (鐘線116)不起作用。但是，在電極21下的位阱消失掉，由于寄存器13，13′之間良好的同步作用，在圖象記憶部分3(圖2)的電極41，42下形成位阱其中貯存著從此位阱來的電荷。由于φ2(鐘線117)現(xiàn)在起作用，第一級輸出電壓的變化(換言之，在電極22上的電壓)通過倒相級傳遞給第三級，因此電極31變成高電位(1)，而φ2不影響電極32，它仍是高電位(1)。
以描述圖1和表1完全等同的方式，位于偶數(shù)電極22，32，122，132下的電荷團現(xiàn)在遷移到記憶部分，利用適當選擇在輸入端107上的交變信號在電極21，22，31，32，121，122，131，132，141上產(chǎn)生這樣一種模式，使得電荷團一個接一個遷移過去。而在本裝置中，在遷移期間電荷團分布在＊原文誤為表1-譯者兩個電極之下。在表2中，虛線再次表示在電極132下的電荷團如何遷移過去，在t16時刻(線P)，電荷團到達電極21，22之下的位阱。在那時刻輸入終端107(電極21)是高電位(1)并保持高電位。因此，在t17時刻，在φ1(鐘線116)的作用下，移位寄存器13的第一級101的輸出變成低電位(0)(線g)，結(jié)果，在t18時刻，在φ2(鐘線117)的影響下，下一級的輸出和電極31變成在t19至t23時刻在往下的各級上電位變化相同，直到t24(線X)時刻電極21，22，31，32，121，122，131，132，141，的模式成為101010101。今后，在t24至t26(線XYZ)時刻，在奇數(shù)電極上集成是可能的。
圖4和表3顯示稍微不同的器件，并表明對于完全的圖象敏感器，集成、電荷遷移、存貯等控制是如何實現(xiàn)的，此器件與圖2和圖3所示的區(qū)別在于，電極21和51現(xiàn)在不連接到寄存器13，13′的輸入終端107，107′，而是受每個寄存器中第一級輸出的驅(qū)動。為了簡化，此器件的圖象敏感部分和存貯部分限于僅有6個電極。
在t1時刻(表3中行a)，圖象敏感部分的電極22，32和82是高電位(1)，因此，在這些電極下收集著對應(yīng)于被顯示的圖象的電荷模式。在t1至t3時刻期間。電極22，32和82保持此電壓，因為寄存器13的輸入端107保持高電位。在t4時刻，此電壓變成低電位，但由于φ2在起作用(線d)，這不會直接影響電極22，在記憶部分，電極51，52，151，152，41和42由鐘信號供給，由于在輸入終端107′上的電壓周期
地在高、低電壓間交變著，其方式是，在t6時刻位阱位于電極42之下，而位壘位于電極41，52(線f)之下。事實上，由于t4時刻的輸入終端107變成低電位，在t5時刻，一旦鐘線116(φ1)變成高電位，寄存器13的第一級101輸出以及電極21就變成高電位，起先位于電極22下的位阱現(xiàn)在分布在電極21和22(線e)之下。
在t6時刻，由于上述鐘脈沖信號的選擇，電荷團位于電極42，21之下的位阱中，然后，在t1至t11期間它遷移至電極51，52下的位阱中。同時，靠在輸入終端107上加上周期信號，電極31，32，81和82也由鐘脈沖信號以同樣方式供給，因此，在電極32和82下產(chǎn)生的電荷也遷移至記憶部分，分別貯存在電極151和41之下。
應(yīng)指出，在有電荷遷移的部分，位阱和位壘的寬度有兩個電極寬，而在貯存階段。此寬度僅等于一個電極寬。
從t10(線j)時刻起，寄存器13′輸入107′暫變?yōu)榈碗妷?0)，這不影響電極51，因為φ2(鐘線117)在此時刻起作用。但是在t11時刻，鐘線116(φ1)以及第一級輸出變成高電位，這就是說，電極51變成高電位(1)。
(估計，此處原文漏掉一段-見原文19頁表3后)-譯者電極52保持高電位，但在t12時刻，在φ2作用下變成低電位而在輸入終端107′無變化。在t13時刻，電極151變成持久高電位，而在t14時刻電極152變成持久低電位，因此，對于下續(xù)電荷團位阱形成在電極151之下。這情況一直持續(xù)到在記憶部分所有電極交替為高電位和低電位，并且電荷團從圖象部分遷移到記憶部分(t6時刻，線P)為止。在t6時刻輸入終端107變?yōu)榈碗娢唬虼?，以上述記憶部分的同樣方式，在圖象敏感部分的電極再次交替地在高和低電壓(t7至t12，線g至線u)，雖然在此情況下，為隔行掃描目的，奇數(shù)極21，31和81是高電位。從t20時刻起，寄存器13′的輸入終端107′不再保持低電位10)，但是這種電壓再次供給著，遷移或鐘信號逐漸地再次出現(xiàn)在電極51，52，151，152，41，42上。
圖5部分顯示寄存器13的較佳具體線路，由C-MOS技術(shù)實現(xiàn)。在此情況下，寄存器的每一級1a包含由P型MOS晶體管109和n型MOS晶體管108組成的倒相電路，晶體管串聯(lián)在電源線110和地線111之間。晶體管108和109的門電極相互連接，倒相電路的輸出(點113，晶體管108和109的相互連接點)決定電荷耦合半導(dǎo)體器件的電極21，22，31，32的電壓。由于這種因素〔決定輸出的條件(高或低)〕附加電容103被倒相電路的開關(guān)特性充電或不充電，此電壓保持著。開關(guān)特性由鐘沖電極116，117決定，它將n型MOS晶體管106閉合或開放，因此前級來的信息可以通過，通向晶體管108和109的公共門電極。例如，如鐘線116變成高電位，晶體管16導(dǎo)通(與合上圖3的開關(guān)元件106相類似)。決定于電極22的電壓。輸出113因倒相電路108和109的作用而取互補電壓。正如上述，113的電壓變化僅在這種情況，如果在前一級，因鐘脈沖線117的作用，輸出113′的電壓已變化了(由于電容103′的電壓變化)。
圖6圖解式顯示圖2的器件的一部分等效結(jié)構(gòu)，其中寄存器部分13安置在電極21，22，141，142兩旁，為了簡化，在此具體裝置中未畫出鐘線。
第一電極21直接受輸入終端107控制在此具體裝置中，電極21位于輸入終端107和第一級101的實際輸入之間，但這并不必須。與圖2類似，電極22，31，32分別連接到第一、第二和第三級的輸出。電極32的另一端連接到第二個三級101串聯(lián)電路的輸入終端107″，它的輸出決定電極121，122和131上的電壓。電極131依次構(gòu)成第二分寄存器的輸出和下一個三級101分寄存器的輸入之間的連接。在這種方式下，寄存器13可被分成若干分寄存器，它安置在電極系統(tǒng)的兩旁，從布線角度是有利的。
當然，本發(fā)明并不局限于已顯示的具體裝置，代替二相鐘，可以選用三相、四相基至多相鐘來控制寄存器13。
圖7顯示用于三相鐘的寄存器13的一部分，其中鐘線是116(φ1)，117(φ2)，114(φ3)。同時表4以圖2同樣的方式象征性地表示三相遷移的開關(guān)特性，以類似的方式圖8表示用于四相鐘的寄存器13的部分，鐘線是116(φ1)，117(φ2)，114(φ3)和119(φ4)，它們供給電極21，22，23，24，31，32，33，34四相遷移的電壓。有關(guān)的開關(guān)特性表示在表5中。
還可能選擇另一種受單相信號控制的寄存器13，各101級經(jīng)過一段時延才變化狀態(tài)，使得鐘脈沖引起某一級的變化不影響下一級，正如由邊緣觸發(fā)的101級的情況。圖9顯示這種帶鐘線116(φ1)的寄存器13的一部分，它能供給電極21，22，23，24，31，32，33，34四相遷移電壓。有關(guān)的開關(guān)特性列在表6。應(yīng)指出，行t0，t1等表明在鐘φ的作用后的變化，在此過程中考慮到同步時間，在輸入端107上及時出現(xiàn)信息。在此具體裝
表6
置中以及面兩個具體裝置中，假定了在t0時刻，輸入終端(107)在足夠長的一段時間內(nèi)已有常值電壓(1或0)，為了校正電極下的010101模式。
寄存器13也可由非倒相級構(gòu)成，然后相主連接起來，例如，利用開關(guān)元件(晶體管)。按照本發(fā)明，具有帶非例相收101，101′的寄存器13，13′的器件圖解顯示在圖10，在此具體裝置中，101級包含開關(guān)元件106，非倒相電路120和電容103。這些級＊再以導(dǎo)通方式接到電極系統(tǒng)的電極21，22，31，32，121，122，131，132，141，142，為了在器件的圖象敏感部分進行電荷存貯和遷移，如圖2所示。尤其在集成期間為了能交替地將低和高電位加到電極21，22，31，32……141，142上，奇數(shù)電極21，31，121，131，141和偶數(shù)電極22，32，122，132，142以導(dǎo)通示式分別連接到單獨寄存器13和13′的輸出級，它們按置在電極系統(tǒng)的兩邊。
在這種寄存器101級的互補MOS技術(shù)中，一種可能實現(xiàn)方式顯示在圖11。在電源線110和地線111之間有P型MOS晶體管109，109′和n型MOS晶體管108，108′組成的兩條串聯(lián)電路，晶體管108，109和108′，109′的門電極分別相互連接，晶體管108和109的公共電極連接到晶體管108′和109′的結(jié)點。晶體管108和109的相互連接點113確定電極21，22……141，142的某一個電極的電壓，在圖11所示的具體裝置中此點連接到電極31，電容103可被充電或不充電，取決于前面101級的開關(guān)特性也決定于輸入終端107的鐘脈沖線116(φ1)，117(φ2)，114(φ3)的信號，它＊原文為這些電容103，有誤-譯者注將n型MOS晶體管閉合或開啟，因此輸入107或前一級的信息能或不能通過。舉例，假如在圖11所示的101級中，鐘線117變成高電位，晶體管106就導(dǎo)通，101的輸出及電極31呈現(xiàn)按接到前一級輸出的電極21的電壓，只有當鐘線116變成高電位，電極21的電壓改變后，電極31的電壓才改變。
表7象征性地顯示電極21，22，31，32，121，122，131，132，141，142的開關(guān)狀況，假如后者靠含非倒相級101的寄存器控制。從而，奇數(shù)電極21，31，121，131，141由含101級的寄存器和輸入終端107控制，而偶數(shù)電極22，32，122，132，142由含101′級的寄存器13′控制(見圖10)。
在t0時刻，所有偶數(shù)電極22，32，122，132，142在一段時間內(nèi)已是高電位(1)，因此，由于圖象輻射產(chǎn)生的電荷載流子(電子)已在這些偶數(shù)電極下集成。寄存器13的輸入107是高電位，但因為φ1(線116)不起作用，這不影響寄存器13的第一級，因此極21受此級輸出的控制，連到鐘線117(φ2)的其它級也不受t0時刻φ2作用的影響。
在t1時刻，φ1(鐘線116)是高電位(1)，在具有高電位的輸入終端107上的信息通過。其它輸出及連接的電極(131，32，142)(在φ1的作用下能變化)保持不變，因為相對于t0時刻有關(guān)各級(電極121，22，132)的輸入沒有變化。
在t2時刻，φ3(鐘線114)是高電位(1)，由于鐘線114控制寄存器13′的第一級，輸入終端107′(低電位)的信息通向此級的輸出因此通向電極22。同時，輸入終端107已得
到低電位信號，但這不影響電極21，因為φ1不起作用;由于電極22變成低電位原先位于電極22下的電荷現(xiàn)在位于電極21之下，鐘線114的作用能進一步影響電極121和132，但后者保留它們的數(shù)值(0或1)，因為前面各級的輸出和電極31和122沒有變化。
在t3時刻，φ2(鐘線117)是高電位輸入終端107′已變成高電位，這種因素不會影響寄存器13′的第一級101′的輸出，因此也不會影響電極22。
鐘線117(φ2)一定會影響電極31，因此由于φ1(鐘線116)的作用在t1時刻電極21得到高電壓現(xiàn)在通向電極31，受φ2控制的101，101′級的其余輸出(141，122)保持不變，在以下時刻，這種輸入電壓加到輸入終端107，107′，以致由于在鐘線116，117，114上有關(guān)的鐘脈沖模式，在按順序數(shù)增加的電極下發(fā)生電荷遷移。正如表7所顯示的，在t9時刻，原集中在電極142下的電荷分布在電極141，142之下，然后在t10至t14時刻移至電極32。表7未列出進一步變化，不過與t9時刻相似。與圖2描述的器件的同樣方式，在讀信息后，為個隔行掃描。借助于在輸入107上的高電位和輸入107′上的低電位，在電極21，22，31，32，121，122，131，132，141，142之下得到模式1010101010之后在奇數(shù)電極下集成是可能的。
從電路的結(jié)構(gòu)和采用的工藝角度，在寄存器13的實現(xiàn)中，若干變化是可能的。例如，可能選擇靜態(tài)移位寄存器，其中各級包含(例如)互相耦合的晶體管。
此外，本發(fā)明可以應(yīng)用到眾多的電荷耦合半導(dǎo)體器件，正如(例如)串/并/串存貯器，前述的延遲線和多路調(diào)節(jié)器。本發(fā)明也可應(yīng)用到其它輻射敏感器件，例如，用于線路敏感器，正如在申請書Nr(PHN10998)所描述的。
還有，在圖10，11所示的器件中，電極可以連接到晶體管108′和109′的結(jié)點113′。最后，圖12顯示一具體裝置，其中適合于4相遷移的電極系統(tǒng)21，22，23，24，31，32，33，34……受帶有倒相級和共同輸出終端107的兩個移位寄存器13，13′控制，移位寄存器的第一級101連接到電極21并受鐘線116(φ1)控制，而第二級連接到電極22并受鐘117(φ2)控制。后面兩級又受鐘116和117控制并連接到電極31，32。同樣，移位寄存器13′的最前兩級101′連接到電極23，24，并受鐘線114(φ3)和119(φ4控制。寄存器13′的后兩級又受鐘線114，119控制并連接到電極33，34。因此，可以做到(例如)將布在同一布線層的電極21，23，31，33變替地從寄存器13和13′引出。從而避免了布線問題，這問題特別出現(xiàn)在不同電極從位電極旁邊的若干級引出的情況。此外，和圖6所示的具體裝置相比，現(xiàn)在不需要讓電極系統(tǒng)的電極用作各101級間的直通連接。圖11所示器件的開關(guān)狀態(tài)象征性地列在表8中。
表8
權(quán)利要求
1.電荷耦合半導(dǎo)體器件包含一半導(dǎo)體，在其主表面上規(guī)定至少一條電荷遷移溝道，并在同一主表面上備有電極系統(tǒng)。在電極上可供給為電荷貯存的調(diào)節(jié)信號和為電荷遷移的鐘信號，此器件的特征是，半導(dǎo)體器件至少包含一個移位寄存器，能受單項或多相鐘的控制，并有若干級，還包含以電氣導(dǎo)通方式單獨連接到移位寄存器各級的電極。
2.電荷耦合圖象敏感器包含一半導(dǎo)體，在其主表面上規(guī)定至少一條電荷遷移溝道，并在同一主表面上備有電極系統(tǒng)，在電極上可供給為電荷貯存的調(diào)節(jié)信號和為電荷遷移的鐘信號，此器件的特征是，半導(dǎo)體器件至少包含一個移位寄存器，能受單相或多相鐘的控制，并有若干級，還包含以電氣導(dǎo)通方式單獨連接到移位寄存器各級的電極。
3.根據(jù)權(quán)項1或2所述的電荷耦合器件其特征是，本器件包含動態(tài)移位寄存器。
4.根據(jù)前述權(quán)項的任一項所述的電荷耦合器件，其特征是，移位寄存器包含若干倒相電路，用由鐘控制的開關(guān)晶體管將它們相互連接。
5.根據(jù)權(quán)項4所述的電荷耦合器件，其特征是，倒相電路包含兩個互補MOS晶體管。
6.根據(jù)權(quán)項4或5所述的電荷耦合器件，其特征是，電極系統(tǒng)中至少一個電極以電氣導(dǎo)通方式與移位寄存器的兩個連續(xù)級相連。
7.根據(jù)權(quán)項4或5所述的電荷耦合器件，其特征是，本器件包含至少兩個分寄存器，布置在電極系統(tǒng)的兩邊。
8.根據(jù)前述權(quán)項1至3的任一項所述的電荷耦合器件，其特征是，為了供給調(diào)節(jié)信號和鐘信號，本器件包含至少兩個帶非倒相級的移位寄存器，電極系統(tǒng)的相繼電極交替連接到移位寄存器的相繼各級。
9.根據(jù)前述權(quán)項1至5的任一項所述的電荷耦合器件，其特征是，為了供給調(diào)節(jié)信號和鐘信號，本器件包含兩個帶倒相級的移位寄存器，電極系統(tǒng)的租繼電極組交替連接到移位寄存器各級的相繼組。
10.根據(jù)權(quán)項9所述的電荷耦合器件，其特征是，兩個寄存器第一級的輸入相互連通。
專利摘要
利用電極在鐘信號和基準信號之間單獨切換的方法，在CCD，尤其在圖象敏感器件中，信息密度能加倍。鐘信號和基準信號作為受多相鐘控制的移位寄存器的輸出信號，它是(例如)用C-MOS技術(shù)實現(xiàn)的。根據(jù)寄存器鐘的鐘脈沖信號，在移位寄存器的第一級輸入端上的信息通過或通不過之后，它決定移位寄存器的下一級的輸出信號，因而決定連接到級輸出的申極上電壓的變化。
文檔編號H01L29/76GK85104640SQ85104640
公開日1986年12月24日 申請日期1985年6月15日
發(fā)明者布德威贊斯, 埃斯爾 申請人:菲利浦光燈制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan