Brevet FR2318485A1 — publié le 19770211

La présente invention concerne un agencement de circuit perfectionné pour détecter de façon non destructive des charges mobiles dans un dispositif à transfert de charge couramment désigné dans la technique par 1 abréviation CCD (Charge Coupled Devi ce) et plus particulièrement un tel dispositif utilisant une électrode flottante. Dans un article ayant pour titre : "Charge-Coupled Devices - A New Approach to MIS Device Structure", IEEE Spectrum, Juillet 1971, pp 18-27 > W.S. Boyle et G.E0Smith décrivent une#nou- velle structure de traitement de données, le-dispositif à transfert de charge (CCD). Ce dispositif mémorisé une charge de porteurs minoritaires dans des puits de potentiel créés à la surface d'un semi-conducteur et transporte la charge le long de la surface par application de potentiels de polarisation à des électrodes de commande de façon à déplacer les puits de potentiel. Un aspect important d'une telle structure réside dans l'agencement utilisé pour détecter la charge mobile tandis qu'elle est transférée le long du dispositif CCD. Divers agencements de#dé- tection non destructifs- sont connus. Dans l'un de céux-ci une zone localisée de type de conductivité opposé est utilisée pour collecter la charge mobile en cours de transfert le long du substrat semi-conducteur à partir de quoi elle est détectée par un moyen connu. L'inconvénient de cet agencement est que la zone localisée constitue: une source de bruit qui affecte la qualité de la charge transférée à travers cette zone. Dans un autre agencement, le dispositif CCD comprend une électrode flottante qui est liée à un détecteur à haute impédance.Pour créer un puits de potentiel en-dessous de l'électrode flottante de sorte que la charge soit transférée en-dessous, une électrode supplémentaire est disposée au-dessus de ltélectrode flottante de sorte que l'application de tensions d'horloge à celle-ci provoque des puits de potentiel au moyen du couplage électrostatique à travers l'électrode flottante vers le substrat semi-conducteur. Cependant, cette structure présente l'inconvénient qu'une configuration spéciale est nécessaire pour produire l'électrode flottante à plusieurs niveaux, ce qui ajoute à la complexité et au coût du dispositif. Ces inconvénients sont résolus selon la présente invention dans laquelle une détection non destructive est réalisée dans un dispositif CCD classique tel qu'un dispositif à deux phases et à deux niveaux ou un dispositif -à trois phases et à niveau unique. t1 invention prévoit un agencement de circuit pour un dispositif à transfert de charge qui détecte- de façon non destructive la charge transmise par un signal d7horSoge le long de la surface du corps de# mémorisation de charge en préchargeant l'une des électrodes de mémorisation avant que la charge ne soit transférée sous cette électrode. quand la charge est ensuite transférée sous cette électrode, le potentiel de surface varie Jusqu a une valeur proportionnelle à la quantité de charge. En raison du couplage capacitif entre la surface et l'électrode, le puits de potentiel sera rabaissé à une valeur proportionnelle. Ce changement de tension est ensuite détecté après que la charge a été transférée le long du dispositif. Ainsi, selon la présente invention, il est prévu un dispositif à transfert de charge comprenant un corps de mémorisation de charge; une couche diélectrique disposée sur ce corps; et plusieurs électrodes de mémorisation disposées sur la couche diélectrique pour commander le transfert séquentiel des chargés mobiles le long du corps. Le perfectionnement dans ce dispositif comprend un moyen de porte pour connecter de façon momentanée une source ce de tension de façon à décharger l'une des électrodes de mémorisation. Il est également prévu un moyen de commande d'horloge pour appliquer des tensions aux électrodes précédentes pour transférer une charge en-dessous de l'électrode de mémorisation. Un moyen de détecteur capacitif est couplé à ltélectrode de mémorisation pour détecter la charge en-dessous de celle-ci.En outre, le dispositif comprend d'autres moyens d'horloge pour appliquer les tensions aux électrodes suivantes et d'autres moyens de porte pour connecter l'électrode de mémorisation au corps de mémorisation de charge pour le décharger et transférer ainsi la charge à l'électrode de mémorisation suivante. Ces obJets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation préférés faite en relation avec les dessins Joints dans lesquels La figure 1 représente une vue partiellement schématique et partiellement en coupe d'une partie d'un dispositif de transfert de charge à deux phases; La figure 2 représente les formes d'ondes des diverses tensions d'horloge qui sont appliquées au dispositif représenté en figure 1; et La figure 3 représente schématiquement les capacités entre les divers éléments représentés en figure 1. La fabrication du dispositif de transfert de charge décrit ici utilise des technologies bien connues dans la techni que des semi-conducteurs. On ne décrira donc pas ici en détail les étapes individuelles de fabrication du dispositif. Toutefois, le brevet canadien n0 941.072 de la demanderesse décrit un pro cédé de construction d'un dispositif de transfert de charge en si licium à deux niveaux qui constitue la structure fondamentale du dispositif décrit ici. Egalement, il est évident que les figures sont données à titre d'exemple de constitution d'un dispositif se lon la présente invention et ne sont pas à l'échelle. Dans la description détaillée suivante et dans les des sins Joints, des numéros de référence fondamentaux sont attribués aux éléments individuels du dispositif. Quand il est nécessaire de distinguer entre les éléments répétitifs dans une rangée, des caractères de référence supplémentaires sont ajoutés au numéro fondamental. De façon générale, on se référera seulement au nu méro fondamental. En figure 1, un dispositif de transfert de charge à deux phases comprend un corps de mémorisation de charge 10 de silicium de type p recouvert d'une couche isolante d'oxyde de silice (silo2) d'épaisseur variable 11. Un ensemble d'électrodes de memorisation 12 est disposé sur la couche de SiO2 11. Intercalé entre les élec trodes de mémorisation 12 se trouve un ensemble de portes de trans- fert 13 également déposé sur la couche de Si02 11 au-dessus des électrodes 12. Dans un mode de réalisation typique la couche iso lante 11 a une épaisseur d'environ 1100 sous les électrodes de mémorisation 12 et de 3000 A sous les portes de transfert 13. Des connexions entre les diverses électrodes 12 et les portes 13 et les commandes de tension d'horloge sont également représentées com me cela sera exposé en relation avec la figure 2. Dans le mode de réalisation décrit, un substrat de silicium de type p 10 est uti lisé et la conduction des porteurs minoritaires le long de la sur face déserte (ou déplétive) du substrat se fait par l'intermédiaire d'un flux d'électrons en réponse à des tensions positives appliquées aux électrodes 12 et 13. Une tension d'horloge nominale de +10 volts est utilisée pour les électrodes de mémorisation 12 et les portes de transfert 13. Il est clair que, si un substrat de type n est utilisé dans une technologie de canal p, la polarité des tensions d'horloge sera inversée. L'électrode de mémorisation 12C qui agit également en tant qu'électrode flottante pour fournir une lecture non destructive du dispositif CCD est connectée à son propre circuit qui comprend un premier transistor à effet de champ 15 pour coupler l'élec- trode 12C à une source de tension VDD; un second transistor à effet de champ 16 pour décharger l'électrode 12C au potentiel du substrat, c'est-à-dire la tension appliquée par la batterie 20 au corps de mémorisation de charge 10; et un troisième transistor à effet dé champ 17 qui est connecté en source-suiveur avec sa porte connectée à l'électrode 120 et sa source à une résistance 18 pour fournir une sortie O/P aux bornes de cette résistance. En figure 1, les commandes d'horloge sont identifiées par des références #l > ~1 ~2 ~3 et ~4 ayant des formes d'ondes de tension identifiées par des caractères de référence correspondants en figure 2. La commande d'horloge jd a une forme d'onde inverse de celle de pll représentée en figure 2. En se référant aux figures 1 et 2, à l'instant tl la commande d'horloge ~1 passe à haut niveau et une charge mobile d'électrons est transférée vers la droite le long de la zone déserte du substrat 10 (obtenue à partir d'une source classique non représentée) vers un puits de potentiel créé en-dessous de l'électrode de mémorisation 12A. A l'instant t4, #2 et p14 passent à haut niveau créant par là des puits de potentiel en-dessous des électrodes 12B et 133 respectivement. Quand ~1 passe à bas niveau à l'ins- tant t5, la charge en-dessous de l'électrode de mémorisation 12A est transférée au puits de potentiel se trouvant en-dessous de l'électrode 12B.Egalement, à l'instant tl, ~3 passe à haut niveau connectant par là momentanément la source de tension VDD par l'intermédiaire du transistor à effet de champ (FET)15 à l'électrode de mémorisation 12C de sorte que celle-ci est pré chargée à haut niveau. Quand ~3 et p14 passent à bas niveau, à 11-instant t2, les deux FET 15 et 16 sont non conducteurs et leur impédance vue à partir de l'électrode 12C est très élevée. Puisque l'impédance d'entrée de la porte du FET 17 est également très élevée, l'électrode 12C est effectivement une électrode flottante pré c hargée à cet instant.Quand #2 passe à bas niveau à l'instant 5, la charge précédemment transférée en-dessous de l'électrode 12B glisse vers le puits de potentiel en-dessous de ltélectrode flottante préchargée 12C. Les profondeurs des puits de potentiel à-cet instant t3 sont représentées schématiquement par le trait en pointillé de la figure 1. La charge transférée diminue à son tour la tension#électrosta- tique sur la plaque 12C, ce qui est alors détecté par un changement de conduction du FET 17 qui agit comme détecteur capacitif de sorte qu'un changement de tension apparatt à la sortie O/P aux bornes de la résistance 18 comme cela est représenté en figure 1. Si aucune charge n'est transférée en-dessous de l'électrode 12O, le changement de tension de cette électrode flottante 12C est très faible et aucune sortie O/P n'est détectée. A l'instant t4a 82 et 4 passent à haut niveau. Ensuite, 1 passe à bas niveau à l'instant t5 et ~1 passe à haut niveau rendant conducteur le FET 16 qui décharge à son tour l'électrode flottante 12C au potentiel du corps 10 de sorte que la charge située en-dessous se transfère au puits de potentiel créé sous l'électro- de 12D. En fournissant des impulsions répétitives de tension d'horloge, la charge sera successivement transférée sous les électrodes de mémorisation 12E > 12F, etc... Il faut noter que les tensions d'horloge sur les électrodes 130 et 13D de ce dispositif à deux niveaux ne doivent pas changer pendant l'intervalle de temps t3-t4 quand la présence ou l'absence de charge est en train dt#tre détectée par le changement de tension sur l'électrode flottante 120. Autrement, le couplage capacitif entre les électrodes étroitement couplées 13C, 13D et l'électrode 12C fournirait une impulsion capacitive à cette dernière qui perturberait la mesure. En conséquence, il est nécessaire d'utiliser la commande d'horloge supplémentaire ~ couplée à l'élec- trode 13D de sorte que cette dernière peut passer à bas niveau avant la dé connexion de la source de tension VDD par rapport à la porte flottante 12C, ou en même temps.Dans ce mode de réalisation, l'électrode 13C est connectée à PI, qui reste à haut niveau pendant la durée de la mesure. Il est possible d'augmenter encore la gamme dynamique du dispositif en connectant l'électrode 130 à une tension d'horloge qui passe à bas niveau après l'instant t2 mais avant que la mesure ne soit effectuée de sorte que toute charge résiduelle ou supplémentaire en-dessous de l'électrode 13C sera transférée sous l'électrode 120. Le fonctionnement du dispositif sera mieux compris en relation avec la figure 3 qui représente schématiquement les diverses capacités dan-s la zone de l'électrode flottante 120. C12C/1 C et C12C/13D représentent les capacités entre les électrodes désignées en indice. De même C13C/10, C12C/10 et C13DjlO représentent les capacités entre les électrodes respectives et le substrat désignés en indice. C10Ag C1OB et Cîoc représentent les- capacités de la zone déserte du substrat 10 qui est développée par application des tens#ions de commande au dispositif. En outre, C17 désigne la capacité de porte du FET connecté en source-suiveur 17. Dans une structure typique, les relations suivantes existent C12C/10 > C12C/l3C gC = C12C/lDD 0130/10 > 010A C12C/10 > C10B C13D/10 > C10C te changement de potentiel de surface ( t Vs) est directement proportionnel à la charge Q qui est transférée le long du dispositif qui à son tour est proportionnelle à un signal de commande appliqué à l'entrée du dispositif. En conséquence, le changement de tension a v appliqué au FET connecté en source-suiveur 17 est sensiblement égal à #V # #Vs C12C/10 C12C/1O+C17 Puisque la tension de sortie O/P est proportionnelle au changement de tension av on peut facilement voir que cette structure peut détecter de façon non destructive la charge mobile transférée le long du dispositif. Le procédé selon la présente invention peut également s'appliquer à diverses autres configurations telles. que des dispositifs de transfert de charge à trois phases et à niveau unique. Toutefois, comme les capacités entre électrodes des électrodes adjacentes de cette structure sont bien inférieures à celles des électrodes se recouvrant d'un dispositif à deux phases, llimpulsion capacitive décrite précédemment est relativement faible et peut être négligée. Egalement, dans des variantes de réalisation, plusieurs portes flottantes peuvent être connectées ensemble avec un circuit de détection unique. Ceci est utile pour des applications à des filtres transverses. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'^etre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à lthomme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Circuit de détection non destructive de charges mobiles dans un dispositif à transfert de charge comprenant un corps de mémorisation de charge; une couche diélectrique disposée sur le corps; plusieurs électrodes comprenant des électrodes de mémorisation intercalées et des portes de transfert déposées sur la couche diélectrique pour commander le transfert successif des charges mobiles le long du corps en réponse à des tensions d'horloge qui lui sont appliquées; ce circuit comprenant une première porte, une source de signaux d'horloge et un détecteur capacitif connecté à ltune des électrodes de mémorisation pour détecter une charge passant sous cette électrode; ce circuit étant caractérisé en ce que - la première porte couple une source de tension à ladite électrode de mémorisation pendant une durée choisie pour fournir une électrode flottante pré chargée; - la source de signaux d'horloge applique initialement une tension à la porte de transfert précédant immédiatement ladite électrode et, après la durée choisie enlève une tension appliquée précédemment sur l'électrode de mémorisation immédiatement précédente pour transférer une charge en-dessous de ladite électrode de mémorisation. 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de signaux d'horloge applique une tension à la porte de transfert et à l'électrode de mémorisation suivant immédiatement l'électrode susmentionnée à la fin de l'intervalle choisi, une seconde porte couplant l'électrode susmentionnée au corps de mémorisation de charge pour transférer ainsi la charge le long de celui-ci.