Brevet FR2260871A1 — publié le 19750905

La présente invention concerne un agencement pour commander avec précision l'amplitude de la charge à l'entrée d'un dispositif couplé en charge. Dans un article ayant pour titre ',Charge-Coupled Devices A New Approach to MIS Device Structure" publie dans "IEEE Spectrwnn en juillet 1971 pages 18 à 27, W.S. Boyle et G.E. Smith décrivent une nouvelle structure de maniement de l'information, le dispositif couplé en charge (CCD). Ce dispositif, qui peut être du type métal-oxyde-semi-conducteur (MOS) stocke une charge de porteurs minoritaires dans des puits de potentiel créés à la surface de semi-conducteur et transporte la charge le long de la surface en appliquant des potentiels de polarisation à des électrodes de commande de façon à déplacer les puits de potentiel. Quand la charge se propage le long des surfaces vides (ou désertes) du semi-conducteur, elle est dégradée au bout d'une durée relativement courte en raison des effets de bruit. Un aspect important réside dans le mécanisme utilisé pour commander avec précision l'amplitude de la charge initiale qui doit être transférée le long du dispositif. Ceci est particulièrement vrai dans des applications analogiques où l'amplitude de de la charge initiale affecte directement l'amplitude du signal de sortie du dispositif. On a observé que, à la fois pour les applications analogiques et numériques, les pertes dans le dispositif peuvent être réduites d'un ordre de grandeur en agen çant l'information qui se propage dans le dispositif de sorte qu'une absence d'information ne mène jamais à une cellule CCD totalement vide. Avec cet agencement, la charge résiduelle après un nombre relativement grand de transferts est sensiblement indépendante de la charge initiale transférée.Ceci est discuté de façon détaillée dans l'article ttA Nonlinear Diffusion Analysis or Charge-Coupled Device Transfert" de R.J. Strain et N.L. Schryer, paru dans le Bell System Technical Journal, juillet-aoRt 1971 pages 1721 à 1740. La page 1733 et les suivantes se réfèrent à ces cellules non vides ou zéro "gras't et indiquent que pour un rapport de 2 à I ou de 1 à 0, il y a pratiquement une diminution d'un ordre de grandeur en ce qui concerne les pertes pour une vitesse de transfert donnée. Ainsi, il est tout à fait clair que pour des applications numériques et analogiques, il y a un net avantage à utiliser une amplitude discrète de charges pour représenter un zéro.La présente invention concerne un agencement pour commander avec précision l'amplitude de la charge d'entrée qui peut être utilisée pour atteindre ce but. Il a été observé qu'en submergeant un puits de potentiel en dessous d'une électrode de commande du CCD et en écrémant ensuite l'excès de charges en appliquant un potentiel à la source de porteurs chargés, l'amplitude de la charge résultante peut être commandée avec précision par le potentiel appliqué à une électrode supplémentaire disposée entre les deux Ainsi, dans la présente invention, un dispositif couplé en charge comprend un élément semi-conducteur recouvert d'une couche diélectrique et comprenant un réseau séquentiel d'électrodes conductrices disposées de façon adjacente les unes aux autres au-dessus de la couche diélectrique pour commander le transfert des charges le long d'un canal vide de l'élément en réponse à des potentiels électriques appliqués aux électrodes.Le dispositif couplé en charge comprend également une région de source de charges adjacente à l'électrode initiale du réseau. Le perfectionnement comprend une électrode de commande d'entrée pour commander l'amplitude des charges qui est disposée au dessus de la couche diélectrique entre l'électrode initiale et l'électrode adjacente suivante du réseau. La présente invention prévoit également un procédé pour commander l'amplitude de la charge d'entrée dans un dispositif couplé en charge comprenant les étapes suivantes : (a) appliquer des potentiels électriques pour commander des électrodes du dispositif de façon à submerger un puits de potentiel de porteurs mobiles chargés à partir d'une région de source, le puits se trouvant en dessous d'une électrode de commande d'entrée, dans le corps semi-conducteur du dispositif, ensuite, appliquer un potentiel électrique à la région de source pour écrémer l'excès de charge du puits à un niveau déterminé par la différence de profondeur des puits de potentiel en dessous de l'électrode de commande d'entrée et d'une électrode de commande supplémentaire disposée entre la région de source et de l'électrode de commande d'entrée; et (b) transférer la charge écrémée le long du dispositif couplé en charge par application successive de potentiels élec triques aux autres électrodes de commande du dispositif. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante faite en relation avec les dessins joints dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe représentant une partie d'un dispositif couplé en charge à deux phases, et La figure 2 représente les formes d'ondes de diverses tensions d'horloge qui peuvent être appliquées au dispositif représenté en figure I. La fabrication du dispositif couplé en charge utilise des technologies bien connues dans le domaine des semi-conducteurs. Il est en conséquence estimé non nécessaire de décrire en détail les étapes individuelles de formation de ce dispositif. Dans la description détaillée suivante et les dessins joints, des numéros de référence fondamentaux seront assignés aux éléments individuels du dispositif. Quand il sera nécessaire d'identifier des sous-parties d'un élément, des caractères de référence supplémentaire seront ajoutés au numéro de base. Selon la figure L, un dispositif couplé en charge à deux phases comprend un substrat de silicium de type p 10 légèrement dopé (par exemple 3 ohm-cm) recouvert d'une couche 11 de bio oxyde de silicium (Si02) d'épaisseur variable. Pour fournir une source de porteurs chargés, une région n 12 est formée par diffusion dans le substrat de silicium 10 par des procédés bien connus. Cet te région 12 est connectée à une tension dthorloge ~ s par l'in- termédiaire d'une électrode conductrice en aluminium 13.Un premier ensemble d'électrodes conductrices en silicium polycristallin de commande de transfert 15a, 15b, 17a, 17b et Iga, 19b connecté à la tension dthorloge ~ 1 est disposé sur la couche de SiO2 11. Disposé entre les électrodes sur la couche de SiO2 Il3 sue trouve un second ensemble d'électrodes conductrices en silicium polycristallin de commande de transfert 16a, 16b, 18a et 18b qui est connecté à la tension d'horloge ~ 2 Dans le mode de réalisa- tion décrit à titre d'exemple, chaque moitié de la paire d'électrodes 15as 15b... Iga, lgb est formée séparément et connectée de façon externe. Mais, les deux moitiés de chaque paire interagissent comme des éléments unitaires pour commander le transfert de porteurs de charge le long du dispositif; et dans une variante de réalisation, ces deux moitiés peuvent constituer un ensemble unitaire.Disposée entre les deux premières paires d'électrodes l5a, 15b et 16a, 16b, se trouve une électrode de commande de signal d'entrée 20 qui est reliée par l'intermédiaire d'une porte 21 à une tension de commande d'amplitude de signal SIG qui reçoit une synchronisation à partir de la tension d'horloge ~ 1 Dans un mo- de de réalisation pratique, les électrodes 16a, 16b... 19b ne forment habituellement qu'une petite partie d'un réseau d'ensemble. Dans ce mode de réalisation, un substrat de type p est utilisé et en conséquence, la conduction des charges de porteurs minoritaires est effectuée par des électrons à travers un canal n. Ainsi, toutes les tensions appliquées et SIG sont positives par rapport au substrat 10. Il est clair qu'en utilisant un substrat de type n et en inversant la polarité des tensions appliquées, le transport de trous à travers des canaux p serait également réalisé. En se référant aux figures 1 et 2, on supposera initia lement qu'un "1" logique doit entre envoyé et que SIG = ~ 1 = V1 etZ2 =## ~ s = VO (référence A de la figure 2). Après application des tensions définies ci-dessus, une charge submerge les puits de potentiel formés en dessous de la première paire d'électrodes 15a et 15b et de l'électrode d'entrée 20 et les remplit complètement selon une profondeur définie par l'amplitude des tensions appli quées ss 1 et SIG respectivement. Ensuite dans le cas de la référence B de la figure 2, une tension positive Vs étant S appliquée à g S des électrons dans la zone inondée sont réattirés vers la région de source 12. Mais le puits de potentiel en dessous de l'électrode de commande 20 ne se vide pas complètement de porteurs de charge minoritaires en raison de la différence de profondeur des puits de potentiel en dessous des deux électrodes 15b et 20 résultant de la topographie du dispositif et des potentiels appliqués. En conséquence, seule la charge en excès des électrons est écrémée du puits de potentiel en dessous de l'électrode de commande d'entrée 20 selon la différence de profondeur des puits de potentiel entre les électrodes 15b et 20.Ainsi, ceci résulte en une quantité de charges commandée avec précision dans le puits de potentiel situé en dessous de l'électrode de commande d'entrée 20. Ensuite si SIG (référence C de la figure 2), les porteurs chargés dans le puits de potentiel en dessous de l'électrode de commande d'entrée 20 commencent à se transférer le long de la surface rendue vide du substrat 10 sous la paire d'électrodes 16a et 16b par action CCD. Ensuite si (référence D de la figure 2), le paquet de charges est maintenant complètement transféré vers le puits de potentiel en dessous de ltélectro- de 16b. Ensuite Si SIG ~ vu (réSéren- ce E de la figure 2), le paquet de charges en dessous de l'électrode 16b commence à se transférer en dessous des électrodes 17a et 17b. Concurremment, une charge commence à inonder le puits de potentiel formé en dessous des électrodes 16a, 16b et 20 achevant ainsi un premier cycle. Ltamplitude de la tension SIG appliquée à l'électrode de commande d'entrée 20 dépendra de l'amplitude de la charge transférée le long du dispositif. Comme cela est représenté en figure 2, au cours du cycle suivant, un "zéro grasn logique est produit quand la tension de commande d'entrée est réduite à une valeur moitié (par exemple SIG = V1/2). Ceci entraîne une quantité plus petite de charge commandée avec précision qui est à nouveau entraînée le long du dispositif par action CCD. Pour des signaux analogiques entre ces deux niveaux, la tension de commande d'entrée sera située entre ces deux valeurs (par exemple, V1/2 t SIG t v1). la tension de commande d'entrée peut bien sûr être réduite à zéro (par exemple SIG = VO) auquel cas aucune charge notable ne sera produite.Mais, ceci peut entrafner une perte notablement plus importante dans le dispositif comme cela est discuté dans l'article susmentionné de Strain et Schryer. On notera que la première paire d'électrodes 15a et 15b est décalée dans le sens inverse du décalage des électrodes 16a, 16b... 19b de la série, de façon à fournir un obstacle discret au dessus duquel les porteurs chargés doivent passer pendant la durée d'écrémage de chaque cycle. Ceci entrasse un niveau de seuil précis pour le paquet de charges en dessous de l'électrode de com mande d'entrée 20. Dans une variante de la présente invention, la paire d'électrodes 15a et 15b peut etre constituée sans le décalage. Mais il est connu dans l'art antérieur que la sensibilité du niveau de seuil serait détériorée avec cet agencement. La ligne en pointillé représente la profondeur des puits de potentiel dans le substrat 10, les tensions appliquées étant telles que représentées par la référence B de la figure 2. La profondeur variable en dessous de 11 électrode de commande d'entrée 20 résulte de l'amplitude variable de la tension de commande SIG qui est appliquée par l'intermédiaire de la porte 21 qui est à son tour commandée par la synchronisation de la tension d'horloge%1. Les valeurs typiques des tensions appliquées sont les suivantes VO = O volt et V1 = 8 volts et Vs = 6 volts Egalement, dans des applications typiques, il y a un chevauchement d'au moins 10 à 20 nanosecondes entre et ~ 2 de façon à fournir un transfert efficace des porteurs chargés entre des puits de potentiel adjacents le long du dispositif. Bien que les figures représentent un CCD à 2 phases, il est clair que la présente invention peut également s'appliquer à d'autres variantes telles que des CCD à 3 phases. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à lthom- me de l'art. REVENDICATIONS 1 - Dispositif couplé en charge (CCD) comprenant un corps semi-conducteur; une couche diélectrique disposée sur ce corps; un réseau séquentiel d'électrodes conductrices disposées de façon adjacente les unes aux autres sur la couche diélectrique pour commander le transfert des charges le long d'un canal vide du corps semi-conducteur, en réponse à des potentiels électriques appliqués entre les électrodes et le corps; ce corps comprenant une région de source de charges adjacente à l'électrode initiale du réseau, caractérisé en ce qu'une électrode de commande d'entrée pour commander l'amplitude de la charge est disposée sur la couche diélectrique entre l'électrode initiale et ltélectrode adjacente suivante du réseau. 2 - Procédé pour commander l'amplitude des charges d'en- trée dans un dispositif couplé en charge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il comprend les étapes suivantes - appliquer des premier et second potentiels respectivement à l'électrode de commande d'entrée et à l'électrode initiale pour remplir les puits de potentiel créés en dessous de ces électrodes; - appliquer un troisième potentiel à la région de source pour écrémer les porteurs en excès en dessous de 11 électrode de commande d'entrée à un niveau déterminé par la différence de profondeur des puits de potentiel en dessous de l'électrode initiale et de l'électrode de commande d'entrée; ; et - enlever ensuite les premier et second potentiels et appliquer un quatrième potentiel à ladite électrode adjacente pour transférer la charge écrémée sous celle-ci.