(57)【要約】  本発明は、ＣＣＤ内の電荷パケットがＣＣＤを横切るときに、パケットに電荷量を加算し、またはパケットから電荷量を減算する装置を提供する。この装置は、「ワイヤ移送」デバイス構造を使用して、電荷パケットがデバイスを横切る間に電荷の加算または減算を実現する。１対の電気的に相互接続された拡散が電荷結合経路に組み込まれて電荷量が提供され、パケットがＣＣＤを横切るときに、この電荷量をパケットに加算し、またはパケットから減算することができる。
2008512045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的クロック電圧によって駆動されるように少なくとも一部が適合された複数のＣＣＤゲートと、
前記複数のＣＣＤゲートの第１および第２のＣＣＤゲート間に配設された第１の拡散領域と、
前記複数のＣＣＤゲートの第３のＣＣＤゲートに隣接して配設された第２の拡散領域と、
前記第１の拡散領域に結合された第１の端部および第２の端部のうちの第１の端部と、前記第２の拡散領域に結合された第１の端部および第２の端部のうちの第２の端部とを有する導電性経路と、
第１のリードおよび第２のリードを有し、第１のリードおよび第２のリードのうち第１のリードが前記導電性経路に結合されているコンデンサと、
を備える、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を横切る第１の電荷量を変更する装置。
【請求項２】
電圧変化が前記コンデンサの第２のリードに印加され、前記コンデンサを介して前記導電性経路に結合される前記電圧変化は、前記ＣＣＤにおいて前記第１の電荷量を変更する第２の電荷量を供給する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と同じ符号を有し、それによって前記第１の電荷量の前記変更が加算を構成する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と逆の符号を有し、それによって前記第１の電荷量の前記変更は減算を構成する、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の電荷量は固定値電荷量である、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の電荷量は時間変動電荷量である、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記経路は、前記第１および第２の拡散領域の両方とのオーム接点を有する導電性相互接続に相当する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の電荷は前記第１のＣＣＤゲートから前記第１の拡散に移送され、前記第１の拡散で前記第２の電荷と組み合わされ、さらに前記第２のＣＣＤゲートに移送される、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の電荷は前記第１のＣＣＤゲートから前記第１の拡散に移送され、前記第１の拡散で前記第２の電荷と組み合わされ、次いで前記導電性経路を前記第２の拡散まで移動し、次いで前記第２のＣＣＤゲートを介してさらに移送される、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の拡散は前記第１の拡散から離れている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ゲートの第１、第２、および第３のゲートのうちの１つに隣接して配設された第３の拡散領域をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記コンデンサの前記第２のリードに印加された電圧変化に応答して、第１の電荷量を変更する第２の電荷量が供給され、前記第１の電荷量が前記第１のゲートから前記第１の拡散へ移動し、前記第１および第２の電荷量が組み合わされて、前記第２のゲートへ移動する変更電荷となる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＣＣＤは、
表面チャネルＣＣＤ、
埋込みチャネルＣＣＤ、および
ショットキー障壁ＣＣＤ
のうちの１つとして提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
基板と、
前記基板の頂面に沿って配設された第１の障壁ゲートと、
前記第１の障壁ゲートに隣接して配設された第１のストレージゲートと、
前記第１のストレージゲートに隣接して配設された第２の障壁ゲートと、
前記第２の障壁ゲートに隣接して配設された第１の拡散と、
前記第１の拡散に隣接して配設された第３の障壁ゲートと、
前記第１の拡散から離れて配設された第２の拡散と、
前記第２の拡散に隣接して配設された第４の障壁ゲートと、
前記第４の障壁ゲートに隣接して配設された第２のストレージゲートと、
前記第２のストレージゲートに隣接して配設された第５の障壁ゲートと、
前記第１の障壁ゲートおよび前記第５の障壁ゲートに結合された第１のクロック電圧と、
前記第１のストレージゲートに結合された第２のクロック電圧と、
前記第２の障壁ゲートに結合された第３のクロック電圧と、
前記第３の障壁ゲートに結合された第４のクロック電圧と、
前記第４の障壁ゲートに結合された第５のクロック電圧と、
前記第２のストレージゲートに結合された第６のクロック電圧と、
前記第１の拡散および前記第２の拡散を接続する導電性相互接続と、
第１のリードおよび第２のリードを有し、前記第２のリードが前記導電性相互接続に結合されるコンデンサと、
前記コンデンサの前記第１のリードに結合され、前記コンデンサを介して結合される電圧変化が第２の電荷量を供給し、前記ＣＣＤを横切るパケットの第１の電荷量を変更する、
を備える電荷結合デバイス（ＣＣＤ）。
【請求項１５】
前記第１の電荷量は前記第１のストレージゲートから前記第２のストレージゲートに移動するとき、前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と組み合わされる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１の電荷量は前記第２のストレージゲートから前記第１のストレージゲートに移動するとき、前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と組み合わされる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と同じ符号を有し、それによって前記第１の電荷量の前記変更が加算を構成する、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と逆の符号を有し、それによって前記第１の電荷量の前記変更が減算を構成する、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第２の電荷量は固定値電荷量である、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第２の電荷量は時間変動電荷量である、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記ＣＣＤは、
表面チャネルＣＣＤ、
埋込みチャネルＣＣＤ、および
ショットキー障壁ＣＣＤ
のうちの１つとして提供される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第３の障壁ゲートに隣接する第３の拡散と、前記第３の拡散に結合された第７の電圧をさらに含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第５の障壁ゲートに隣接して配設された第３のストレージゲートを備え、前記第２の電圧が前記第３のストレージゲートに結合される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記第３のストレージゲートに隣接して配設された第６の障壁ゲートをさらに備え、前記第３の電圧が前記第６の障壁ゲートに結合される、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
周期的クロック電圧によって駆動されるように少なくとも一部が適合された複数のＣＣＤゲートと、
第１の固定電圧にバイアスされるように適合された、前記複数のＣＣＤゲートのうちの第１のＣＣＤゲートと、
第２固定電圧にバイアスされるように適合された、前記複数のＣＣＤゲートのうちの第２のＣＣＤゲートと、
前記第１および第２のＣＣＤゲート間に配設され、前記第１および第２のＣＣＤゲートに隣接する第１の拡散領域と、
第２の拡散領域と、
第３の固定電圧にバイアスされるように適合され、第１のクロックゲートに対応する前記複数のＣＣＤゲートのうちの１つと前記第２の拡散領域との間に配設された第３のＣＣＤゲートと、
前記第１の拡散領域に結合された第１の端部および第２の端部のうちの第１の端部と、前記第２の拡散領域に結合された第１の端部および第２の端部のうちの第２の端部とを有する導電性経路と、
第１のリードおよび第２のリードを有し、第１のリードおよび第２のリードのうち第１のリードが前記導電性経路に結合されているコンデンサと、
を備える、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を横切る第１の電荷量を変更する装置。
【請求項２６】
電圧変化が前記コンデンサの前記第２のリードに印加され、前記コンデンサを介して前記導電性経路に結合される前記電圧変化は、前記ＣＣＤにおいて前記第１の電荷量を変更する第２の電荷量を提供する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と同じ符号を有し、それによって前記第１の電荷量の前記変更が加算を構成する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記第２の電荷量は前記第１の電荷量と逆の符号を有し、それによって前記第１の電荷量の前記変更が減算を構成する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記第２の電荷量は固定値電荷量である、請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記第２の電荷量は時間変動電荷量である、請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
前記導電性経路は、前記第１および第２の拡散領域の両方とのオーム接点を有する導電性相互接続に相当する、請求項２５に記載の装置。
【請求項３２】
第３の拡散領域をさらに備え、前記複数のＣＣＤゲートのうちの１つが、クロックゲートに対応し、前記第１および第２のゲートのうちの一方に隣接して配設され、前記第３の拡散領域に隣接して配設される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３３】
変更後電荷は前記導電性経路を前記第２の拡散へと横切り、次いで第３のゲートへと横切る、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記第２の拡散は前記第１の拡散から離れている、請求項２５に記載の装置。
【請求項３５】
前記第１のクロックゲートに隣接して配設された第３の拡散領域をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項３６】
前記コンデンサの第２のリードに印加された電圧変化に応答して、第１の電荷量を変更する第２の電荷量が供給され、前記第１の電荷量は前記第１のゲートから前記第１の拡散に移動し、前記第１の拡散で前記第１および第２の電荷量が組み合わされて、前記第２のゲートに移動する変更電荷となる、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記ＣＣＤは、
表面チャネルＣＣＤ、
埋込みチャネルＣＣＤ、および
ショットキー障壁ＣＣＤ
のうちの１つとして提供される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３８】
電荷が前記第１の拡散領域から前記第１の拡散領域に隣接する第１の電位障壁に渡って流れるようにすることによって第１の拡散領域上の電位を確立するステップと、
第２の拡散領域を前記第１の拡散領域と同じ電位に維持するステップと、前記第２の拡散領域は導電性経路によって前記第１の拡散領域に接続され、
前記第１電位障壁の電位を上昇させるステップと、
前記第２の拡散領域に隣接する第２の電位障壁の電位を低下させるステップと、
第２の端子が前記導電性経路に接続されるコンデンサの第１の端子上の電圧を変化させることにより、前記第１および第２の拡散領域の電位を低下させるステップと、
前記第１の電荷パケットを第１のＣＣＤストレージゲートから前記第１の拡散領域上に移送するステップと、
前記導電性経路を介して前記第１および第２の拡散領域間に前記第１の電荷パケットを共有するステップと、
前記第１および第２の拡散領域からの電荷が、前記第２の電位障壁を越えて前記第２の電位障壁に隣接する第２ＣＣＤストレージゲートへ流れるようにするステップと、
前記第２の電位障壁の電位をその元の値に上昇させるステップと、
前記第１の電位障壁の電位をその元の値に低下させるステップと、
前記コンデンサの前記第１の端子上の電圧をその元の値に復元するステップと、
前記第１および第２の拡散領域からの電荷が前記第１の電位障壁を越えて流れるようにし、前記拡散領域上の元の電位を再確立し、前記第１の電荷パケットから除去された電荷を処置するステップと
を含む、ＣＣＤを横切る第１の電荷パケットを変更する方法。
【請求項３９】
電荷が前記第１の拡散領域から前記第１の拡散領域に隣接する第１電位障壁を越えて流れるようにすることによって第１の拡散領域上の電位を確立するステップと、
第２の拡散領域を前記第１の拡散領域と同じ電位に維持するステップと、前記第２の拡散領域は導電性経路によって前記第１の拡散領域に接続され、
前記第１の電位障壁の電位を上昇させるステップと、
前記第２の拡散領域に隣接する第２の電位障壁の電位を低下させるステップと、
第２の端子が前記導電性経路に接続されるコンデンサの第１の端子上の電圧を変化させることにより、前記第１および第２の拡散領域の電位を低下させるステップと、
第１のＣＣＤストレージゲートから前記第２の拡散領域上に前記第１の電荷パケットを移送するステップと、
前記導電性経路を介して前記第１および第２の拡散領域間で前記第１の電荷パケットを共有するステップと、
前記第１および第２の拡散領域からの電荷が、前記第２電位障壁を越えて前記第２の電位障壁に隣接する第２のＣＣＤストレージゲートへ流れるようにするステップと、
前記第２の電位障壁の電位をその元の値に上昇させるステップと、
前記第１の電位障壁の電位をその元の値に低下させるステップと、
前記コンデンサの前記第１の端子上の電圧をその元の値に復元するステップと、
前記第１および第２の拡散領域からの電荷が前記第１の電位障壁を越えて流れるようにし、前記拡散領域上の元の電位を再確立し、前記第１の電荷パケットから除去された電荷を処置するステップと
を含むＣＣＤを横切る第１の電荷パケットを変更する方法。
【請求項４０】
第１の拡散領域上に電位を確立するステップと、
前記第１の拡散領域上の電位と同じ電位に第２の拡散領域を維持するステップと、
前記第２の拡散領域に隣接して配設された第２の電位障壁の電位を第３の値から第４の値に低下させるステップと、
前記第１および第２の拡散領域の電位を低下させるステップと、
前記第１の電荷パケットを第１ＣＣＤストレージゲートから第１の拡散領域上に移動するステップと、
前記導電性経路を介して前記第１および第２の拡散領域間で前記第１の電荷パケットを共有するステップと、
前記第１および第２の拡散領域からの電荷が、前記第２の電位障壁を越えて前記第２の電位障壁に隣接する第２のＣＣＤストレージゲートまで流れるようにするステップと、
前記第２の電位障壁の電位をその元の値に上昇させるステップと、
前記第１の電位障壁の電位をその元の値に低下させるステップと、
前記第１および第２の拡散の電位を前記確立するステップで設定したレベルよりも上に上昇させるステップと、
前記第１および第２の拡散領域からの電荷が前記第１の電位障壁を越えて流れるようにし、前記拡散領域上の元の電位を再確立するステップと、
を含むＣＣＤを横切る第１の電荷パケットを変更する方法。
【請求項４１】
前記第１の電位障壁が前記第１の拡散領域に隣接し、第１の拡散領域上に電位を確立するステップは、電荷が前記第１の拡散領域から前記第１の電位障壁を越えて流れるようにするステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１の拡散領域と同じ電位に第２の拡散領域を維持するステップは、導電性経路によって前記第２の拡散領域を前記第１の拡散領域に結合するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
第１の電位障壁の電位を第１の値から第２の値に上昇させるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記第１の電荷パケットから除去された電荷を処置するステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１および第２の拡散領域の電位を低下させるステップが、前記導電性経路に結合された第２の端子を有するコンデンサの第１の端子上の電圧を変化させるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１および第２の拡散領域の電位を上昇させるステップが、前記導電性経路に結合された第２の端子を有するコンデンサの第１の端子上の電圧を変化させるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電荷結合デバイス（ＣＣＤ）に関し、詳細には、ＣＣＤ内の電荷パケットから電荷を減算し、または電荷パケットに電荷を加算する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷結合デバイス（ＣＣＤ）は、分離された電荷のパケットをストレージおよび移動する基本的機能を提供する。パケットに対して種々の操作を実施することができる。パケットを組合わせ、２つ以上の部分に分割し、条件付きステアリングし、破壊感知または非破壊感知することなどができる。これらの操作により、ＣＣＤベースの回路を設計して、電荷パケットまたは差分電荷パケット対として表される信号で、種々の離散時間アナログ信号処理操作を実施することが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、実現するのが難しいことが判明している１つの操作は減算である。ある電荷パケットを別の電荷パケットから減算し、あるいはパケットから固定または制御可能な電荷を除去する種々の方法が提案されている。こうした方法のすべてには、非線型性や雑音などの精度の問題があり、または動作速度が低速である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）内の電荷パケットに電荷を加算し、または電荷パケットから電荷を減算する方法および装置を提供する。この方法および装置は、デバイスを横切る電荷パケットの横断中に電荷の加算または減算を実施するための素子を含むＣＣＤ構造を使用する。加算または減算すべき電荷の量が、ＣＣＤ自体の外部の電圧で制御され、一実施形態ではＣＣＤから分離されるコンデンサによってＣＣＤ電荷ストリームに結合される。
【０００５】
開示の方法は、従来技術に勝る次のようないくつかの利点を有する。（１）減算または加算される値に対して非常に線形である、（２）（減算が行われる）開始電荷パケットに対して非常に線形にすることができる、（３）それが埋め込まれるＣＣＤと同じ速度で動作する、（４）導入される雑音が比較的少ない、（５）減算／加算プロセス中に、あるＣＣＤセグメントから隣接しないＣＣＤセグメントに電荷を移送することができる。
【０００６】
添付の図面と共に行われる以下の詳細な説明から本発明をより完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
電荷結合デバイス（ＣＣＤ）は、デジタル・スチル・カメラおよびビデオカメラ内のイメージセンサなどの多種多様な科学的応用例および市場向け応用例を有する周知のデバイスである。ＣＣＤは、半導体基板の表面上にある一連の金属酸化物半導体（ＭＯＳ）ゲートで形成された線形シフトレジスタを備える。ゲートに印加されるクロック電圧により、ゲート下の半導体基板内に局在化電位井戸および障壁が形成される。電荷パケットは、電位障壁によってこれらの電位井戸に閉じ込められ、ゲートに印加される適切なクロック電圧波形の影響下で基板の表面に沿ってシフトする。したがって、ＣＣＤは本質的に、電荷パケットとして表される信号のストレージおよびシフティングの機能を提供する。
【０００８】
図１、２、および３を参照しながら従来型ＣＣＤの基本動作を説明する。この議論では、デバイス構造および動作を示すのに、「４相」ＣＣＤと呼ばれることもあるタイプのデバイスが使用される。このＣＣＤタイプでは、ＣＣＤの各ステージは４つのゲートを有し、２つは、ストレージ井戸を生成するのに使用され、２つは、障壁を生成するのに使用される。２相および３相などの他のＣＣＤタイプも一般的である。図示する４相タイプは、基本的なＣＣＤ動作ならびに本発明の動作を説明するのに好都合である。しかし、本発明は、こうした他のタイプのいずれにも適用可能である。この議論全体を通して、処理される電荷パケットが電子から構成されるとさらに仮定する。正孔ベースのＣＣＤも可能であるが、実際にはまれである。
【０００９】
ここで図１を参照すると、従来技術のＣＣＤの一部の略図表現が、単に説明のために示されている。この例では、２つの完全な４相ＣＣＤステージと１つの追加のゲートの合計９個のゲートが示されている。ストレージゲート２、４、６、および８が、長く太い水平線として表されており、障壁ゲート１、３、５、７、および９が、短く太い水平線として表されている。ゲート１、２、３、および４は第１ＣＣＤステージ２０を有し、ゲート５、６、７、および８は第２ステージ２２を有し、ゲート９は第３ステージ２４の第１の障壁ゲートである。追加のＣＣＤステージが、図示する各ステージの右側および左側に延びると仮定する。デバイスの１つのステージを有する４つのゲートのそれぞれが、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４として識別される別々のクロック電圧に接続される。同じ４つのクロックが各ステージで再利用される。
【００１０】
図３は、４つのクロック電圧Ｐ１からＰ４が１つの全クロックサイクルにわたって時間と共にどのように変動するかを示すタイミング図である。７つの瞬間ｔ０からｔ６が識別される。時間ｔ６は、次のクロックサイクルの始まりであり、時間ｔ０と同等である。図５Ａ〜５Ｇを参照しながらこれらの７つの時間を詳細に議論する。
【００１１】
次に図２を参照すると、図１の概略ＣＣＤ表現が参照のために最上部に表されている。この概略表現の下の７つの図は、デバイス動作サイクル中の連続する７つの瞬間での各ゲート下の電位および電荷量を表す。これらの図では、電位および電荷量表現は、ＣＣＤの文献で一般的なタイプである。低電位は、電荷を引き寄せる領域（「井戸」）を示し、高電位は、電荷に反発し、または電荷を排除する領域（「障壁」）を示す。２つの隣接する領域が異なる電位を有するとき、存在する任意の電荷は利用可能な最低電位の領域に流れる。電荷パケットは負に荷電された電子からなるので、高い（正の）ゲート電圧は低い（引き寄せる）電位を生み出し、低いゲート電圧は高い（反発する）電位を生成する。ゲート下の電荷の存在により、その場所での電位が上昇する（電荷は同様の電荷を反発する傾向があるため）。この効果を図中の陰影として示す。陰影の欠如は、電荷が存在しないことを示す。各図の垂直な矢印は、前の図からの電位の変化を示す。水平な矢印は電荷の移動を示す。
【００１２】
図２に示す７つの瞬間は、ｔ０、ｔ１．．．ｔ６として識別される。理解するであろうが、図示するデバイスの動作の１つの全サイクルの全効果は、電荷パケットをＣＣＤのあるステージから次のステージにシフトすることである。あるゲートから次のゲートへの電荷の移動または結合のプロセスが、「電荷結合デバイス」という名前の元となっている。
【００１３】
当初、時間ｔ０では、クロック電圧Ｐ２が高であり、ストレージゲート２および６下に壁が形成され、一方クロック電圧Ｐ１、Ｐ３、およびＰ４が低であり、障壁ゲート１、３、５、７、および９下に障壁が形成され、ストレージゲート４および８が電荷に引き寄せられなくなる。電荷パケット１１および１２がそれぞれストレージゲート２および６下の壁の中に保たれ、それぞれゲート１および３、ならびに５および７下の障壁によって移動することが妨げられる。
【００１４】
時間ｔ１では、クロック電圧Ｐ１が降下し、ゲート１、５、および９下の障壁が高くされる。ほぼ同時に、クロック電圧Ｐ３がある程度高くされ、ゲート３および７下の障壁が低くされる。しかし、これらの障壁はまだ、ゲート２および６下の電荷パケット１１および１２の閉込めを継続するのに十分な高さである。さらにほぼ同時に、クロック電圧Ｐ４が上昇し、その結果、井戸がストレージゲート４および８下に形成される。しかし、電荷はまだこれらの井戸に流れることができない。時間ｔ０からの電位の変化を矢印で示す。
【００１５】
時間ｔ２では、クロック電圧Ｐ２が降下し、すなわちゲート２および６下の電位、したがって電荷パケット１１および１２の電位が上昇する。これらの電荷パケットの電位が十分高くなったとき、電荷はゲート３および７下の低くされた障壁を越えて、それぞれストレージゲート４および８下の井戸に流れることができる。ゲート１および５下のより高い障壁が、逆方向の電荷の流れを防止する。図の矢印は、電荷の流れの方向を示す。
【００１６】
時間ｔ３では、クロック電圧Ｐ２がその最小値に達し、電荷の流れが終わり、パケット１１および１２がゲート４および８に完全に移送される。このステージでの電位および電荷は、パターンが右側に２ゲートシフトすることを除いてｔ０と同様であることに留意されたい。したがって、全（４ゲート）ＣＣＤステージの２分の１による電荷移送が行われた。
【００１７】
時間ｔ４では、クロック電圧Ｐ３が降下し、ゲート３および７下の障壁が高くされる。ほぼ同時に、クロック電圧Ｐ１がある程度上昇し、ゲート１、５、および９下の障壁が低くされる。しかし、これらの障壁はまだ、ゲート４および８下の電荷パケット１１および１２の閉込めを継続するのに十分な高さである。また、ほぼ同時に、クロック電圧Ｐ２が上昇し、ストレージゲート２および６下に井戸を形成する。電荷はまだこれらの井戸に流れることができない。
【００１８】
時間ｔ５では、クロック電圧Ｐ４が降下し、すなわちゲート４および８下の電位、したがって電荷パケット１１および１２の電位が上昇する。これらの電荷パケットの電位が十分高くなったとき、電荷は、ゲート５および９下の低くされた障壁を越えて流れることができる。電荷パケット１１はゲート６下の井戸に流れ、電荷パケット１２は、図の外側の次のステージの第１のストレージ井戸に流れる。同時に、新しい電荷パケット１３が、前のステージ（図示せず）からゲート２下の井戸に流れる。ゲート３および７下のより高い障壁が、逆方向の電荷の流れを防止する。
【００１９】
時間ｔ６では、クロック電圧Ｐ４がその最小値に達し、電荷の流れが終わり、パケット１１、１２、および１３が完全に移送される。この時間での電位はｔ０と同一であることに留意されたい。しかし、電荷パケットは、右側に４ゲートシフトされている。したがって、１つの全ＣＣＤステージによる電荷移送が行われた。ｔ６はｔ０と周期的に同等であり、このサイクルが反復されるときに別の電荷移送が行われる。すべての電荷パケットは同時にデバイスを横切る。常に、電荷を含む井戸は、電荷を適切にストレージし、電荷の保全性を維持するために、それぞれの側の障壁で束縛される。右シフティング操作を説明したが、単に障壁クロック電圧Ｐ１およびＰ３のタイミングを入れ換えることによって、電荷を左シフティング操作で移動させることもできる。
【００２０】
ここまでは、図１、２、および３によって従来技術の４相ＣＣＤシフトレジスタの基本動作を説明した。ある場合には、ＣＣＤで移送される電荷パケットから電荷量を減算し、または加算することが望ましいことがある。本発明は、この追加の機能を提供する。図４、５、および６を参照しながら電荷減算の操作を説明する。
【００２１】
次に図４を参照すると、電荷減算デバイス１００は、障壁ゲート１０１、１０３、１０５、１０９、１１１、および１１３、ストレージゲート１０２、１１０、および１１２、ならびに拡散領域１０４、１０６、および１０８を含む。図４で使用される製図規約は図１と同じであり、拡散領域１０４、１０６、および１０８、コンデンサ１１４（ＣＣＤ自体の一部ではない）、ならびに拡散領域１０４と１０８を結合する経路１０７の３つの機能が追加されている。経路１０７は、２つの拡散領域１０４および１０８間のオーム接点を実現することができる金属またはその他の材料で構成することができる。以下の本文では「ワイヤ」と呼ぶこともある。
【００２２】
拡散領域１０４、１０６、および１０８は、通常のＭＯＳＦＥＴのソース／ドレイン拡散と同様の、デバイス基板と反対の伝導率型の領域である。以下ではこれらを「拡散」と呼ぶ。拡散は、利用可能な本質的に無限の量の電荷キャリアを有する、電荷の源または吸込みと見なすことができる。拡散での電荷の電位は、拡散に接続された電極の電圧に関係付けられ、外部接続またはＣＣＤ内の電荷の流れによって設定することができる。電荷キャリアとしての電子では、より高い正の電極電圧が、より高い負の拡散電位に対応する。ワイヤ１０７を介する接続により、拡散１０４および１０８の電位は常に等しいことに留意されたい。非平衡に向かういかなる傾向も、ワイヤ１０７を流れる電流によって補正される。
【００２３】
ゲート１０１、１０２、１０３、および１１０は、図１を参照しながら説明した通常の４相ＣＣＤステージの４つのゲートを有し、これらのゲートは、それぞれクロック電圧Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４によって駆動される。しかし、従来型ＣＣＤゲート１０３および１１０は隣接するが、この回路では、それらの間に配設された追加の構造が存在する。ゲート１１１、１１２、および１１３は、ゲート１０１、１０２、および１０３と同じクロック電圧で、（図の右側に続く）通常のＣＣＤステージの最初の３つのゲートを構成する。追加のＣＣＤステージは、図４に示す領域の右側および左側に続くと仮定する。障壁ゲート１０５は電圧Ｐ５で刻時され、障壁ゲート１０９は電圧Ｐ６で刻時される。コンデンサ１１４はクロック電圧Ｐ７で駆動される。これらの３つのクロック電圧は、図１、２、および３に示す基本的ＣＣＤクロック電圧とは異なり、それを以下で詳細に説明する。拡散１０６がＤＣバイアス電圧Ｖ１に接続される。
【００２４】
ＣＣＤでは、電荷の流れは隣接するゲート間にあり、したがってＣＣＤの素子は半導体基板の連続する部分を占有しなければならない。対照的に、図示するデバイスは、基板の別々のエリアに配置することのできる２つの区間（左側はゲート１０１から拡散１０６まで、右側は拡散１０８からゲート１１３まで）を有する。これらの区間は分離可能である。これらの間の電荷の流れは、ＣＣＤ型電荷移送ではなく、ワイヤ１０７を介する通常の伝導によって行われるからである。
【００２５】
図６Ａ〜６Ｇは、７つのクロック信号Ｐ１からＰ７が１つの全クロックサイクルにわたって時間と共にどのように変動するかを示すタイミング図である。クロック信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４を図３に示す。クロック信号Ｐ７は信号Ｐ４と同様のタイミングであるが、最大値および最小値が異なる（例えば最大電圧値および最小電圧値が異なる）。同様に、信号Ｐ５およびＰ６は、それぞれ信号Ｐ１およびＰ３と同様のタイミングであるが、最大値および最小値が異なる。ｔ０からｔ６と示す７つの瞬間が識別される。（ｔ０）として識別される第８の瞬間は、次のクロックサイクルの始まりであり、図の左側のｔ０と同等である。図５Ａ〜５Ｇを参照しながらこれらの７つの時間を議論する。
【００２６】
次に図５Ａ〜５Ｇを参照すると、図６Ａ〜６Ｇで識別される７つの連続する瞬間での、図４に示す各ゲート下の電位および電荷量と、３つの拡散の電位とが示されている。この図で使用される製図規約は、図２で使用される規約と同じである。理解するであろうが、デバイス１００（図４）の動作の１つの全サイクルの全効果は、図の左側から右側に電荷パケットをシフトする（ゲート１０２で始まり、ゲート１１２で終わる）と共に、電荷パケットから、定義された量の電荷を減算することである。
【００２７】
まず図５Ａを参照すると、当初ｔ０では、クロック電圧Ｐ２（図６Ｂ）が高であり、ゲート１０２および１１２下に電位井戸１２６、１２８がそれぞれ形成される。クロック電圧Ｐ１（図６Ａ）およびＰ３（図６Ｃ）は低であり、ゲート１０１、１０３、１１１、および１１３下に障壁１３０、１３２、１３４、１３６がそれぞれ形成される。クロック電圧Ｐ１はＰ２よりわずかに高く、したがってゲート１０１および１１１下の障壁１３０、１３４は、ゲート１０３および１１３下の障壁１３２、１３６よりわずかに低い。クロック電圧Ｐ６（図６Ｇ）は低であり、ゲート１０９下に障壁１３８が形成される。クロック電圧Ｐ４（図６Ｄ）は低であり、電荷に引き寄せられないストレージゲート１１０が作成される。電荷パケット１２１および１２２は、それぞれストレージゲート１０２および１１２下の電位井戸１２６および１２８内に保たれ、ゲート１０１、１０３、１１１、および１１３下の障壁１３０、１３２、１３４、１３６によって分離される。パケット１２１はデバイスに対する入力電荷であり、パケット１２２は、（前の減算操作からの）出力電荷である。クロック電圧Ｐ５（図６Ｅ）は中程度に高く、ゲート１０５下に低い障壁１４０が形成される。クロック電圧Ｐ６（図６Ｆ）は低であり、ゲート１０９下に障壁が形成される。
【００２８】
拡散１０４からの電荷がゲート１０５下の障壁１４０を越えて、ドレインとして働く拡散１０６に流れるようにすることにより、拡散１０４および１０８の電位が確立されている。この流れは電流１２３として識別される。拡散１０４と１０８はワイヤ１０７を介して接続されるので、拡散１０４と１０８は同一の電位である。時間ｔ０では、電流１２３は無視できる値まで低下し、拡散１０４および１０８の電位は、クロック電圧Ｐ５で設定されるゲート１０５下の障壁１４０の電位との平衡に落ち着いている。
【００２９】
次に図５Ｂを参照すると、時間ｔ１で、クロック電圧Ｐ２が降下し、ゲート１０１および１１１の障壁１３０、１３４が高くされ、クロック電圧Ｐ３が上昇し、ゲート１０３および１１３の障壁１３２、１３６がある程度低くされる。４つのすべての障壁電位は、電荷パケット１２１および１２２をそれぞれの井戸内に閉じ込めるのに十分な高さのままである。クロック電圧Ｐ５が降下し、ゲート１０５下の障壁１４０の電位が上昇し、したがって拡散１０４から拡散１０６へのさらなる電荷の流れが防止される。クロック電圧Ｐ４は高にされ、ゲート１１０下の電位井戸１４２が形成される。クロック電圧Ｐ７がΔＶ７だけ上昇し、この電圧変化は、コンデンサ１１４およびワイヤ１０７を介して拡散１０４および１０８に結合され、それらの電位が降下する。クロック電圧Ｐ６は、Ｐ５がｔ０で有したレベルまで上昇し、ゲート１０９下の障壁１３８が、ゲート１０５下の障壁１４０がｔ０で有したのと同じ電位まで降下する。この時、電荷が拡散１０８から障壁１３８を越えてゲート１１０下の井戸１４２に流れる経路が存在するが、Ｐ７の変化による拡散電位の低下により、そのような流れが防止される。
【００３０】
次に図５Ｃを参照すると、時間ｔ２で、クロック電圧Ｐ２が低い電圧に傾斜する。この動作により、ゲート１０２および１１２下の井戸電位、したがって電荷パケット１２１および１２２の電位が上昇し、電荷パケット１２１および１２２がそれぞれゲート１０３および１１３の障壁１３２、１３６を越えて流れることが可能となる。電荷パケット１２２は、先に与えた基本的ＣＣＤの説明と同様に、次のストレージゲート（図示せず）に流れる。電荷パケット１２１は、（電流１２４として）拡散１０４上に流れ、拡散１０４の電位が上昇する。１２４ａとして識別されるこの電流の一部が、ワイヤ１０７を介して拡散１０４から拡散１０８まで流れ、拡散１０４および１０８が等しい電位に維持される。時間ｔ２では、拡散１０４および１０８の電位は、電荷がゲート１０９の障壁１３８を越えて流れることが可能となるのに十分な高さまでまだ上昇していない。
【００３１】
次に図５Ｄを参照すると、時間ｔ３で、クロック電圧Ｐ２はその負の傾斜を続け、ゲート１０２および１１２下の井戸電位が引き続き上昇する。電荷は、引き続きゲート１０３の障壁１３２を越えて（電流１２４として）流れ、ゲート１１３の障壁１３６を越えて流れる。電流１２４によって加算された電荷により、拡散１０４および１０８の電位は、電荷がゲート１０９の障壁１３８を越えて流れるのに十分な高さに上昇しており、その結果電流１２５が生じる。時間ｔ２と同様に、電流１２４によって拡散１０４に加算される電荷は、ワイヤ１０７によって拡散１０８に搬送される。
【００３２】
次に図５Ｅを参照すると、時間ｔ４で、時間ｔ２で始まったクロック電圧Ｐ２の負の傾斜が完了する。この状態では、ゲート１０２および１１２下の電位は、これらのゲートからのすべての電荷が（それぞれゲート１０３および１１３の）隣接する障壁１３２、１３６を越えて流れるのに十分な高さである。電荷パケット１２２は、図示していないゲート１１３の右側の次のストレージ井戸で保持される。電荷パケット１２１は完全に拡散１０４に移送されている。その一部は、ワイヤ１０７を介して拡散１０８に流れ続け、その成分の一部は、（ｔ３で示される電流１２５として）ゲート１０９下の障壁１３８を越えてゲート１１０下の井戸に流れている。得られるゲート１１０での電荷パケットは１２６として識別される。ｔ４では、電流１２４、１２４ａ、および１２５は、すべて無視できる値まで低下している。
【００３３】
時間ｔ１での回路の議論に関連して触れたように、ゲート１０９下の電位は、ｔ０でゲート１０５下に存在した電位に等しく、この電位は、ｔ０での拡散１０４および１０８の電位を確立する働きをした。したがって、平衡時に、これらの拡散の電位とワイヤ１０７の電圧はｔ０の時と同じでなければならない。これが真であるためには、コンデンサ１１４は、量ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７だけ荷電されていなければならない。これは、この操作で減算された電荷量である。ゲート１１０下で得られる電荷パケット１２６は、元のパケット１２１から量ΔＱだけサイズが減少する。
【００３４】
次に図５Ｆを参照すると、時間ｔ５で、クロック電圧Ｐ３が低に設定され、Ｐ１がある程度上昇する。その結果、ゲート１０１、１０３、１１１、および１１３下のそれぞれ障壁１３０、１３２、１３４、および１３６はとどまる（障壁１３０および１３４はわずかに低くなる）。クロック電圧Ｐ２は高に設定されてゲート１０２および１１２下の（空）井戸が形成され、クロック電圧Ｐ６が低に設定されてゲート１０９下の障壁１３８の電位が上昇する。クロック電圧Ｐ５が上昇し、ゲート１０５下の障壁１４０の電位がｔ０での元の値まで降下する。拡散１０４は既にこの電位と平衡であるので、拡散１０４から電流は流れない。
【００３５】
次に図５Ｇを参照すると、時間ｔ６で、クロック電圧Ｐ４およびＰ７が負に傾斜する。Ｐ４の負の傾斜の結果、ゲート１１０およびゲート１０１に先行するゲート（図示せず）下の電位が正に傾斜する。この電位上昇により、電荷パケット１２６がゲート１１０からゲート１１１下の障壁１３４を越えてゲート１１２下の井戸に流れることが可能となる。この流れは電流１２９として識別される。ＣＣＤ井戸からゲート１０１の左側への電荷は、ゲート１０１の障壁１３０を越えてゲート１０２下の井戸に電流１２７として流れる。電流１２７および１２９は、図２と共に説明したように、通常のＣＣＤ型電荷移送を構成する。
【００３６】
時間ｔ６でも、クロック電圧Ｐ７が負に傾斜する。この負の傾斜により、ワイヤ１０７の電圧の負の変化が、拡散１０４および１０８の電位の対応する正の傾斜と共に引き起こされる。この電位の上昇により、電荷が電流１２８として拡散１０４からゲート１０５の障壁１４０を越えてドレイン拡散１０６まで流れることが可能となる。拡散１０８を拡散１０４と同じ電位に維持するために、電流１２８ａもワイヤ１０７を介して拡散１０８から拡散１０４に流れる。電流１２８および１２８ａは、電荷パケット１２１から先に減算された電荷ΔＱの処置を構成する（結果としてパケット１２６が得られる）。
【００３７】
ｔ６で説明した電圧の傾斜の結果、すべての電圧は、ｔ０で示した状態に正確に戻る。この時、電荷パケット１２６は、ゲート１１２下の電位井戸にある（パケット１２２がｔ０に位置していた場所）。したがって、全サイクルを通してのデバイスの動作の全効果は、第１に、ゲート１０２からゲート１１２に電荷パケットをシフトすることであり、第２に、ゲート１１２から電荷量ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７を減算することである。連続する動作サイクルでは、デバイスを通過する各電荷パケットが同様に処理される。
【００３８】
図４に示すデバイスは、電荷を減算するのではなく、電荷パケットに電荷を加算するのに使用することもできる。動作のシーケンスは、ΔＶ７の符号が反転することを除いて、図５に示すものと同様であり、電荷が拡散１０６を介して排出されるのではなく、電荷が供給される。
【００３９】
次に図７を参照すると、電荷減算デバイス２００の別の実施形態は、障壁ゲート２０１、２０３、２０５、２０９、２１１、および２１３、ストレージゲート２０２、２１０、および２１２、ならびに拡散領域２１６、２１７、および２０６を含む。拡散領域２１６、２１７は経路２０７を介して結合される。経路２０７は、２つの拡散領域にオーム接点を行う金属またはその他の材料から構成することができる。この実施形態は、図４と共に上記で説明したデバイスの同一の素子の再配置を含む。例えば、図７のゲート２０１は図４のゲート１０１に対応し、以下同様である。この場合、図４の拡散１０４および１０８の組合せ機能は、拡散２１６および２１７によって実施される。図７の構成は、電荷減算操作が、図４に示すように別々の基板エリア内のデバイスの出力部分ではなく、進行中のＣＣＤレジスタの中央で望まれる場合に有用である。
【００４０】
この実施形態では、図４および５〜５Ｇに示す実施形態と同様に、入射電荷が、ゲート２０２下の井戸からゲート２０３下の障壁を越えて拡散（この場合２１６）上に移送され、そこから（電荷減算後に）、ゲート２０９下の障壁を越えてゲート２１０下の井戸に移送される。しかし、図４に示す実施形態とは異なり、ゲート２０９が拡散２１６に隣接し、したがって減少した電荷パケットは、ワイヤ１０７を介して離れた場所に移送されるのではなく、連続する経路に沿って進む。減算された電荷は、拡散２１７から拡散２０６へのゲート２０５下の障壁を超える流れによって処置される。この構成は実質的に、デバイスの機能を、図４および５〜５Ｇと共に上記で説明した実施形態の機能から変更しない。
【００４１】
図７に示す電荷減算デバイス２００を操作するのに必要なクロック電圧およびバイアス電圧は、図６に示すものと同一である。
次に図８〜８Ｇを参照すると、図６Ａ〜６Ｇで識別される７つの連続する瞬間ｔ０〜ｔ６での、図７のデバイス２００で示される各ゲート下の電位および電荷量と、３つの拡散の電位とが示されている。この図で使用される製図規約は、図２で使用される規約と同じである。理解するであろうが、デバイス２００（図７）の動作の１つの全サイクルの全効果は、図の左側から右側に電荷パケットをシフトする（ゲート２０２で始まり、ゲート２１２で終わる）と共に、電荷パケットから、定義された量の電荷を減算することである。
【００４２】
まず図８Ａを参照すると、当初ｔ０では、端子Ｐ２（図７）に印加されるクロック電圧が高であり、ゲート２０２（図７）および２１２（図７）下に電位井戸２２１、２２８がそれぞれ形成される。デバイス２００の端子Ｐ１（図７）およびＰ３（図７）に印加されるクロック電圧は低であり、ゲート２０１、２０３、２１１、および２１３（図７）下に障壁２３０、２３２、２３４、２３６がそれぞれ形成される。端子Ｐ１に印加されるクロック電圧は端子Ｐ２に印加される電圧よりわずかに高く、したがってゲート２０１および２１１下の障壁２３０、２３４は、ゲート２０３および２１３下の障壁２３２、２３６よりわずかに低い。端子Ｐ６（図７）に印加されるクロック電圧は低であり、ゲート２０９下に障壁２３８が形成される。端子Ｐ４（図７）に印加されるクロック電圧は低であり、電荷に引き寄せられないストレージゲート２１０が作成される。電荷パケット２２１および２２２は、それぞれストレージゲート２０２および２１２下の電位井戸２２６および２２８内に保たれ、ゲート２０１、２０３、２１１、および２１３下の障壁２３０、２３２、２３４、２３６によって分離される。パケット２２１はデバイスに対する入力電荷であり、パケット２２２は（前の減算操作からの）出力電荷である。端子Ｐ５（図７）に印加されるクロック電圧は中程度に高く、ゲート２０５下に低い障壁２４０が形成される。端子Ｐ６に印加されるクロック電圧は低であり、ゲート２０９（図７）下に障壁が形成される。
【００４３】
拡散２１６からの電荷がゲート２０５下の障壁２４０を越えて、ドレインとして働く拡散２０６（図７）に流れるようにすることにより、拡散２１６（図７）および２１７（図７）の電位が確立されている。この流れは電流２２３として識別される。拡散２１６と２１７はワイヤ２０７を介して接続されるので、拡散２１６と２１７は同一の電位である。時間ｔ０では、電流２２３は無視できる値まで低下し、拡散２１６および２１７の電位は、端子Ｐ５に供給されるクロック電圧で設定されるゲート２０５下の障壁２４０の電位との平衡に落ち着いている。
【００４４】
次に図８Ｂを参照すると、時間ｔ１で、クロック電圧Ｐ２が降下し、ゲート２０１および２１１の障壁２３０、２３４が高くされ、クロック電圧Ｐ３が上昇し、ゲート２０３および２１３の障壁２３２、２３６がある程度低くされる。４つのすべての障壁電位は、電荷パケット２２１および２２２をそれぞれの井戸内に閉じ込めるのに十分な高さのままである。クロック電圧Ｐ５が降下し、ゲート２０５下の障壁２４０の電位が上昇し、したがって拡散２０４から拡散２１７へのさらなる電荷の流れが防止される。クロック電圧Ｐ４は高にされ、ゲート２１０下の電位井戸２４２が形成される。クロック電圧Ｐ７がΔＶ７だけ上昇し、この電圧変化は、コンデンサ２１４およびワイヤ２０７を介して拡散２１６および２１７に結合され、それらの電位が降下する。クロック電圧Ｐ６は、Ｐ５がｔ０で有したレベルまで上昇し、ゲート２０９下の障壁２３８が、ゲート２０５下の障壁２４０がｔ０で有したのと同じ電位まで降下する。この時、電荷が拡散２０８から障壁２３８を越えてゲート２１０下の井戸２４２に流れる経路が存在するが、Ｐ７の変化による拡散電位の低下により、そのような流れが防止される。
【００４５】
次に図８Ｃを参照すると、時間ｔ２で、クロック電圧Ｐ２が低い電圧に傾斜する。この動作により、ゲート２０２および２１２下の井戸電位、したがって電荷パケット２２１および２２２の電位が上昇し、電荷パケット２２１および２２２がそれぞれゲート２０３および２１３の障壁２３２、２３６を越えて流れることが可能となる。電荷パケット２２２は、先に与えた基本的ＣＣＤの説明と同様に、次のストレージゲート（図示せず）に流れる。電荷パケット２２１は、（電流２２４として）拡散２１６上に流れ、拡散２１６の電位が上昇する。２２４ａとして識別されるこの電流の一部が、ワイヤ２０７を介して拡散２１６から拡散２１７まで流れ、拡散２１６および２１７が等しい電位に維持される。時間ｔ２では、拡散２１６および２１７の電位は、電荷がゲート２０９の障壁２３８を越えて流れることが可能となるのに十分な高さまでまだ上昇していない。
【００４６】
次に図８Ｄを参照すると、時間ｔ３で、クロック電圧Ｐ２はその負の傾斜を続け、ゲート２０２および２１２下の井戸電位が引き続き上昇する。電荷は、引き続きゲート２０３の障壁２３２を越えて（電流２２４として）流れ、ゲート２１３の障壁２３６を越えて流れる。電流２２４によって加算された電荷により、拡散２１６および２１７の電位は、電荷がゲート２０９の障壁２３８を越えて流れるのに十分な高さに上昇しており、その結果電流２２５が生じる。時間ｔ２と同様に、電流２２４によって拡散２１６に加算される電荷は、ワイヤ２０７によって拡散２１７に搬送される。
【００４７】
次に図８Ｅを参照すると、時間ｔ４で、時間ｔ２で始まったクロック電圧Ｐ２の負の傾斜が完了する。この状態では、ゲート２０２および２１２下の電位は、これらのゲートからのすべての電荷が（それぞれゲート２０３および２１３の）隣接する障壁２３２、２３６を越えて流れるのに十分な高さである。電荷パケット２２２は、図示していないゲート２１３の右側の次のストレージ井戸で保持される。電荷パケット２２１は完全に拡散２１６に移送されている。その一部は、ワイヤ２０７を介して拡散２１７に流れ続け、その成分の一部は、（ｔ３で示される電流２２５として）ゲート２０９下の障壁２３８を越えてゲート２１０下の井戸に流れている。得られるゲート２１０での電荷パケットは２２６として識別される。ｔ４では、電流２２４、２２４ａ、および２２５は、すべて無視できる値まで低下している。
【００４８】
時間ｔ１での回路の議論に関連して触れたように、ゲート２０９下の電位は、ｔ０でゲート２０５下に存在した電位に等しく、この電位は、ｔ０での拡散２１６および２１７の電位を確立する働きをした。したがって、平衡時に、これらの拡散の電位とワイヤ２０７の電圧はｔ０の時と同じでなければならない。これが真であるためには、コンデンサ２１４は、量ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７だけ荷電されていなければならない。これは、この操作で減算された電荷量である。ゲート２１０下で得られる電荷パケット２２６は、元のパケット２２１から量ΔＱだけサイズが減少する。
【００４９】
次に図８Ｆを参照すると、時間ｔ５で、クロック電圧Ｐ３が低に設定され、Ｐ１がある程度上昇する。その結果、ゲート２０１、２０３、２１１、および２１３下のそれぞれ障壁２３０、２３２、２３４、および２３６はとどまる（障壁２３０および２３４はわずかに低くなる）。クロック電圧Ｐ２は高に設定され、ゲート２０２および２１２下の（空）井戸が形成される。クロック電圧Ｐ６が低に設定され、ゲート２０９下の障壁２３８の電位が上昇する。クロック電圧Ｐ５が上昇し、ゲート２０５下の障壁２４０の電位がｔ０での元の値まで降下する。拡散２１６は既にこの電位と平衡であるので、拡散２１６から電流は流れない。
【００５０】
次に図８Ｇを参照すると、時間ｔ６で、クロック電圧Ｐ４およびＰ７が負に傾斜する。Ｐ４の負の傾斜の結果、ゲート２１０およびゲート２０１に先行するゲート（図示せず）下の電位が正に傾斜する。この電位上昇により、電荷パケット２２６がゲート２１０からゲート２１１下の障壁２３４を越えてゲート２１２下の井戸に流れることが可能となる。この流れは電流２２９として識別される。ＣＣＤ井戸からゲート２０１の左側への電荷は、ゲート２０１の障壁２３０を越えてゲート２０２下の井戸に電流２２７として流れる。電流２２７および２２９は、図２と共に説明したように、通常のＣＣＤ型電荷移送を構成する。
【００５１】
時間ｔ６でも、クロック電圧Ｐ７が負に傾斜する。この負の傾斜により、ワイヤ２０７の電圧の負の変化が、拡散２１６および２１７の電位の対応する正の傾斜と共に引き起こされる。この電位の上昇により、電荷が電流２２８として拡散２１６からゲート２０５の障壁２４０を越えてドレイン拡散２１７まで流れることが可能となる。拡散２１７を拡散２１６と同じ電位に維持するために、電流２２８ａもワイヤ２０７を介して拡散２１７から拡散２１６に流れる。電流２２８および２２８ａは、電荷パケット２２１から先に減算された電荷ΔＱの処置を構成する（結果としてパケット１２６が得られる）。
【００５２】
ｔ６で説明した電圧の傾斜の結果、すべての電圧は、ｔ０で示した状態に正確に戻る。この時、電荷パケット２２６は、ゲート２１２下の電位井戸にある（パケット２２２がｔ０に位置していた場所）。したがって、全サイクルを通してのデバイスの動作の全効果は、第１に、ゲート２０２からゲート２１２に電荷パケットをシフトすることであり、第２に、ゲート１１２から電荷量ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７を減算することである。連続する動作サイクルでは、デバイスを通過する各電荷パケットが同様に処理される。
【００５３】
次に図９を参照すると、電荷減算デバイス３００は、障壁ゲート３０１、３０３、３０５、３０９、３１１、および３１３、ストレージゲート３０２、３１０、および３１２、ならびに拡散領域３０４、３０６、および３０８を含む。図９で使用される製図規約は、図１、４、および７で使用される規約と同じである。
【００５４】
デバイス３００は、コンデンサ３１４（ＣＣＤ自体の一部ではない）と、拡散領域３０４および３０８を結合する経路３０７も含む。経路３０７は、２つの拡散領域３０４および３０８間のオーム接点を実現することができる金属またはその他の材料で構成することができる。本明細書では経路３０７を「ワイヤ」と呼ぶこともある。
【００５５】
拡散領域３０４、３０６、および３０８（またはより単純に「拡散」）は、通常のＭＯＳＦＥＴのソース／ドレイン拡散と同様の、デバイス基板と反対の伝導率型の領域である。上述のように、拡散は、利用可能な本質的に無限の量の電荷キャリアを有する、電荷の源または吸込みと見なすことができる。拡散での電荷の電位は、拡散に接続された電極の電圧に関係付けられ、外部接続またはＣＣＤ内の電荷の流れによって設定することができる。電荷キャリアとしての電子では、より高い正の電極電圧が、より高い負の拡散電位に対応する。ワイヤ３０７を介する接続により、拡散３０４および３０８の電位は常に等しいことに留意されたい。非平衡に向かうどんな傾向も、ワイヤ３０７を流れる電流によって補正される。
【００５６】
ゲート３０１、３０２、３０３、および３１０は、図１を参照しながら説明した通常の４相ＣＣＤステージの４つのゲートを有する。これらのゲートは、それぞれクロック電圧Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４によって駆動される。しかし、従来型ＣＣＤゲート３０３および３１０は隣接するが、この回路では、それらの間に配設された追加の構造が存在する。ゲート３１１、３１２、および３１３は、ゲート３０１、３０２、および３０３と同じクロック電圧で、（図の右側に続く）通常のＣＣＤステージの最初の３つのゲートを構成する。追加のＣＣＤステージは、図９に示す領域の右側および左側に続くと仮定する。障壁ゲート３０５は電圧Ｐ５で刻時され、障壁ゲート３０９は電圧Ｐ６で刻時される。コンデンサ３１４はクロック電圧Ｐ７で駆動される。
【００５７】
電荷減算デバイス３００は、静電電圧Ｖ３でバイアスされたゲート３１４と、静電電圧Ｖ２でバイアスされたゲート３１５および３１６とから与えられるファラデー遮蔽をさらに含む。これらの追加ゲートは、刻時されるゲートと拡散３０４および３０８との間のファラデー遮蔽として働く。この遮蔽は、クロックから拡散への容量結合を低減し、それによってデバイスの精度を向上させる。
【００５８】
この実施形態についてのすべてのクロック電圧は図６に示す通りである。バイアス電圧Ｖ１は図４および５Ａ〜５Ｇに示すものと同じである。
次に図１０〜１０Ｇを参照すると、図９からの概略的デバイス表現が図１０として反復されている。図１０〜１０Ｇには電位および電流が示されている。デバイス３００の動作は、図４に示すデバイス１００と同様である。拡散３０４と３０８が平衡を保つ電位が、それぞれ端子Ｐ５およびＰ６に印加された高電圧によってではなく、静電バイアスＶ２で設定される。この実施形態では、端子Ｐ５およびＰ６に印加される電圧の果たす役割は、障壁を制御することだけである。
【００５９】
図１〜５Ｇと共に上記で説明した各電圧減算デバイスでは、開示のデバイスの各全サイクルで減算される電荷は、ｔ０とｔ１の間の電圧Ｖ７の変化をΔＶ７として（Ｖ７はｔ５と次のｔ０の間では逆の変化−ΔＶ７を受ける）、ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７である。この電圧変化が一定であるとき、減算される電荷ΔＱも連続するパケットに対して一定である。その結果、信号シーケンス中のすべてのパケットから固定量の電荷が除去される。電荷の減算は、例えば、注目の信号電荷が全パケットサイズのうちのわずかに過ぎないときに「バックグラウンド電荷」の一部を除去することに関して興味深い。差分電荷パケットとして表される信号（以下で説明する）では、この一定の減算により、同相モード電荷の一部が除去される。
【００６０】
除去または追加すべきそのような電荷の量（ΔＶ７に比例）は、電荷パケットストリーム自体に対するフィードバックまたはフィードフォワード参照による調節を含む種々の方式で求めることができる。この制御信号は、Ｖ７の高レベル、低レベル、または両方のレベルに対して印加することができる。
【００６１】
他の一部の応用例では、減算または加算すべき電荷は、第２信号を表す時間変化量でよい。そのような信号は、ΔＶ７が適切に制御される限り、Ｖ７の高レベルまたは低レベル（あるいはその両方）に対して印加することができる。
【００６２】
次に図１０Ａ〜１０Ｇを参照すると、（図６Ａ〜６Ｇで識別される）７つの連続する瞬間ｔ０〜ｔ６での、図９のデバイス３００に示される各ゲート下の電位および電荷量と、３つの拡散の電位とが示されている。この図で使用される製図規約は、図２で使用される規約と同じである。理解するであろうが、デバイス３００（図９）の動作の１つの全サイクルの全効果は、図の左側から右側に電荷パケットをシフトする（ゲート３０２で始まり、ゲート３１２で終わる）と共に、電荷パケットから、定義された量の電荷を減算することである。
【００６３】
まず図１０Ａを参照すると、当初ｔ０では、端子Ｐ２（図９）に印加されるクロック電圧が高であり、ゲート３０２および３１２下に電位井戸３２１、３２８がそれぞれ形成される。デバイス３００の端子Ｐ１（図９）およびＰ３（図９）に印加されるクロック電圧は低であり、ゲート３０１、３０３、３１１、３１３下に障壁３３０、３３２、３３４、３３６がそれぞれ形成される。端子Ｐ１に印加されるクロック電圧は端子Ｐ２に印加される電圧よりわずかに高く、したがってゲート３０１および３１１下の障壁３３０、３３４は、ゲート３０３および３１３下の障壁３３２、３３６よりわずかに低い。端子Ｐ６（図７）に印加されるクロック電圧は低であり、ゲート３０９下に障壁３３８が形成される。端子Ｐ４（図７）に印加されるクロック電圧は低であり、電荷に引き寄せられないストレージゲート３１０が作成される。電荷パケット３２１および３２２は、それぞれストレージゲート３０２および３１２下の電位井戸３２６および３２８内に保たれ、ゲート３０１、３０３、３１１、および３１３下の障壁３３０、３３２、３３４、３３６によって分離される。パケット３２１はデバイスに対する入力電荷であり、パケット３２２は（前の減算操作からの）出力電荷である。端子Ｐ５（図９）に印加されるクロック電圧は中程度に高く、ゲート３０５下に低い障壁３４０が形成される。端子Ｐ６に印加されるクロック電圧は低であり、ゲート３０９下に障壁が形成される。
【００６４】
拡散３０４からの電荷がゲート３０５下の障壁３４０を越えて、ドレインとして働く拡散３０６に流れるようにすることにより、拡散３０４および３０８の電位が確立されている。この流れは電流３２３として識別される。拡散３０４と３０６はワイヤ３０７を介して接続されるので、拡散３０４と３０６は同一の電位である。時間ｔ０では、電流３２３は無視できる値まで低下し、拡散３０４および３０６の電位は、端子Ｐ５に供給されるクロック電圧で設定されるゲート３０５下の障壁３４０の電位との平衡に落ち着いている。
【００６５】
次に図１０Ｂを参照すると、時間ｔ１で、クロック電圧Ｐ２が降下し、ゲート３０１および３１１の障壁３３０、３３４が高くされ、クロック電圧Ｐ３が上昇し、ゲート３０３および３１３の障壁３３２、３３６がある程度低くされる。４つのすべての障壁電位は、電荷パケット３２１および３２２をそれぞれの井戸内に閉じ込めるのに十分な高さのままである。クロック電圧Ｐ５が降下し、ゲート３０５下の障壁３４０の電位が上昇し、したがって拡散３０４から拡散３１７へのさらなる電荷の流れが防止される。クロック電圧Ｐ４は高にされ、ゲート３１０下の電位井戸３４２が形成される。クロック電圧Ｐ７がΔＶ７だけ上昇し、この電圧変化は、コンデンサ３１４およびワイヤ３０７を介して拡散３０４および３０６に結合され、それらの電位が降下する。クロック電圧Ｐ６は、Ｐ５がｔ０で有したレベルまで上昇し、ゲート３０９下の障壁３３８が、ゲート３０５下の障壁３４０がｔ０で有したのと同じ電位まで降下する。この時、電荷が拡散３０８から障壁３３８を越えてゲート３１０下の井戸３４２に流れる経路が存在するが、Ｐ７の変化による拡散電位の低下により、そのような流れが防止される。
【００６６】
次に図１０Ｃを参照すると、時間ｔ２で、クロック電圧Ｐ２が低い電圧に傾斜する。この動作により、ゲート３０２および３１２下の井戸電位、したがって電荷パケット３２１および３２２の電位が上昇し、電荷パケット３２１および３２２がそれぞれゲート３０３および３１３の障壁３３２、３３６を越えて流れることが可能となる。電荷パケット３２２は、先に与えた基本的ＣＣＤの説明と同様に、次のストレージゲート（図示せず）に流れる。電荷パケット３２１は、（電流３２４として）拡散３０４上に流れ、拡散３０４の電位が上昇する。３２４ａとして識別されるこの電流の一部が、ワイヤ３０７を介して拡散３０４から拡散３０６まで流れ、拡散３０４および３０６が等しい電位に維持される。時間ｔ２では、拡散３０４および３０６の電位は、電荷がゲート３０９の障壁３３８を越えて流れることが可能となるのに十分な高さまでまだ上昇していない。
【００６７】
次に図１０Ｄを参照すると、時間ｔ３で、クロック電圧Ｐ２はその負の傾斜を続け、ゲート３０２および３１２下の井戸電位が引き続き上昇する。電荷は、引き続きゲート３０３の障壁３３２を越えて（電流３２４として）流れ、ゲート３１３の障壁３３６を越えて流れる。電流３２４によって加算された電荷により、拡散３０４および３０６の電位は、電荷がゲート３０９の障壁３３８を越えて流れるのに十分な高さに上昇しており、その結果電流３２５が生じる。時間ｔ２と同様に、電流３２４によって拡散３０４に加算される電荷は、ワイヤ３０７によって拡散３０６に搬送される。
【００６８】
次に図１０Ｅを参照すると、時間ｔ４で、時間ｔ２で始まったクロック電圧Ｐ２の負の傾斜が完了する。この状態では、ゲート３０２および３１２下の電位は、これらのゲートからのすべての電荷が（それぞれゲート３０３および３１３の）隣接する障壁３３２、３３６を越えて流れるのに十分な高さである。電荷パケット３２２は、図示していないゲート３１３の右側の次のストレージ井戸で保持される。電荷パケット３２１は完全に拡散３０４に移送されている。その一部は、ワイヤ３０７を介して拡散３０８に流れ続け、その成分の一部は、（ｔ３で示される電流３２５として）ゲート３０９下の障壁３３８を越えてゲート３１０下の井戸に流れている。得られるゲート３１０での電荷パケットは３２６として識別される。ｔ４では、電流３２４、３２４ａ、および３２５は、すべて無視できる値まで低下している。
【００６９】
時間ｔ１での回路の議論に関連して触れたように、ゲート３０９下の電位は、ｔ０でゲート３０５下に存在した電位に等しく、この電位は、ｔ０での拡散３０４および３０８の電位を確立する働きをした。したがって、平衡時に、これらの拡散の電位とワイヤ３０７の電圧はｔ０の時と同じでなければならない。これが真であるためには、コンデンサ３１４は、量ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７だけ荷電されていなければならない。これは、この操作で減算された電荷量である。ゲート３１０下で得られる電荷パケット３２６は、元のパケット３２１から量ΔＱだけサイズが減少する。
【００７０】
次に図１０Ｆを参照すると、時間ｔ５で、クロック電圧Ｐ３が低に設定され、Ｐ１がある程度上昇する。その結果、ゲート３０１、３０３、３１１、および３１３下のそれぞれ障壁３３０、３３２、３３４、および３３６はとどまる（障壁３３０および３３４はわずかに低くなる）。クロック電圧Ｐ２は高に設定され、ゲート３０２および３１２下の（空）井戸が形成される。クロック電圧Ｐ６が低に設定され、ゲート３０９下の障壁３３８の電位が上昇する。クロック電圧Ｐ５が上昇し、ゲート３０５下の障壁３４０の電位がｔ０での元の値まで降下する。拡散３０４は既にこの電位と平衡であるので、拡散３０４から電流は流れない。
【００７１】
次に図１０Ｇを参照すると、時間ｔ６で、クロック電圧Ｐ４およびＰ７が負に傾斜する。Ｐ４の負の傾斜の結果、ゲート３１０およびゲート３０１に先行するゲート（図示せず）下の電位が正に傾斜する。この電位上昇により、電荷パケット３２６がゲート３１０からゲート３１１下の障壁３３４を越えてゲート３１２下の井戸に流れることが可能となる。この流れは電流３２９として識別される。ＣＣＤ井戸からゲート３０１の左側への電荷は、ゲート３０１の障壁３３０を越えてゲート３０２下の井戸に電流３２７として流れる。電流３２７および３２９は、図２と共に説明したように、通常のＣＣＤ型電荷移送を構成する。
【００７２】
時間ｔ６でも、クロック電圧Ｐ７が負に傾斜する。この負の傾斜により、ワイヤ３０７の電圧の負の変化が、拡散３０４および３０８の電位の対応する正の傾斜と共に引き起こされる。この電位の上昇により、電荷が電流３２８として拡散３０４からゲート３０５の障壁３４０を越えてドレイン拡散３０６まで流れることが可能となる。拡散３０８を拡散３０４と同じ電位に維持するために、電流３２８ａもワイヤ３０７を介して拡散３０８から拡散３０４に流れる。電流３２８および３２８ａは、電荷パケット３２１から先に減算された電荷ΔＱの処置を構成する（結果としてパケット３２６が得られる）。
【００７３】
ｔ６で説明した電圧の傾斜の結果、すべての電圧は、ｔ０で示した状態に正確に戻る。この時、電荷パケット３２６は、ゲート３１２下の電位井戸にある（パケット３２２がｔ０に位置していた場所）。したがって、全サイクルを通してのデバイスの動作の全効果は、第１に、ゲート３０２からゲート３１２に電荷パケットをシフトすることであり、第２に、ゲート３１２から電荷量ΔＱ＝Ｃ・ΔＶ７を減算することである。連続する動作サイクルでは、デバイスを通過する各電荷パケットが同様に処理される。
【００７４】
図９と共に上記で説明した回路は、ファラデー遮蔽が追加された図４の回路と見なせることに留意されたい。したがって、図７と共に上記で説明した回路実施形態にファラデー遮蔽を同様に追加できることを理解されたい。
【００７５】
上記で与えた本発明の詳細な説明は、信号電荷パケットの単一のストリームに基づく。多くの応用例では、１対の電荷パケットのメンバ間の電荷の差として信号が表される、対電荷パケットが使用される（この方法は、例えば符号付き信号値の表現を可能にする）。電荷パケット対が単一のＣＣＤレジスタで搬送される場合、ここで開示される方法が、ΔＶ７を反復し、対の各メンバから同じΔＱを除去（または追加）することによって直接適用可能である。電荷パケット対がＣＣＤレジスタの平行対で搬送される場合、ここで開示される方法をやはり使用することができる。図４に示すデバイス構造が、２つのＣＣＤレジスタのそれぞれについて１つ複製される。コンデンサ１１４と等価な２つのコンデンサを介してＶ７が２つのレジスタに印加される。各コンデンサが等しい場合、減算または加算される電荷ΔＱも等しくなる。
【００７６】
図１〜１０のデバイス要素、電荷、および電位の表現は、ＣＣＤで設計することに慣れている人にとってなじみのある従来の形式である。これらの図および付随する説明は表面チャネル、ｎチャネルＣＣＤを仮定しているが、本発明は他のＣＣＤタイプにも等しく適用可能であることにも留意されたい。そのような他のタイプには、埋込みチャネル型ＣＣＤと、オーバーラッピングゲート、ｐチャネルＣＣＤ、およびショットキー障壁ＣＣＤなどの他のゲート設計を有するＣＣＤとが含まれる。カスコード設計などのより複雑なゲートシーケンスも本発明と共に使用することができる。さらに、示したもの以外の他の刻時方式も本発明と共に使用することができる。
【００７７】
本発明の好ましい実施形態を説明したので、これらの概念を組み込む他の実施形態を使用できることが当業者には今や明らかであろう。したがって、本発明を記載の実施形態に限定すべきでなく、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されるべきであることが提起される。本明細書で引用されるすべての刊行物および参考文献は、参照によりその全体が本明細書に明白に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】従来技術の電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の概略図である。
【図２】図２Ａ-図２Ｇは、図１に示すタイプのＣＣＤの動作中の異なる時間における種々のゲート下の電位および電荷パケットを示す一連の図である。
【図３】図３Ａ―図３Ｄは、図２に示すＣＣＤ動作を生み出すために、４つの制御信号（クロック電圧）がどのように１つの全クロックサイクルにわたって時間と共に変動するかを示す一連のタイミング図である。
【図４】ＣＣＤの概略図である。
【図５】図５Ａ―図５Ｇは、電荷減算操作中の異なる時間において、図４に示すＣＣＤの種々のゲート下の電位および電荷パケットを示す図である。
【図６】図６Ａ―図６Ｇは、図５に示すＣＣＤ電荷減算操作を生み出すために使用される制御（クロック電圧）信号を示す一連のタイミング図である。
【図７】ＣＣＤの概略図である。
【図８】図８Ａ―８Ｇは、電荷減算操作中の異なる時間において、図７に示すＣＣＤの種々のゲート下の電位および電荷パケットを示す図である。
【図９】ファラデー遮蔽を有する電荷減算デバイスの概略図である。
【図１０】図１０Ａ―図Ｇは、電荷減算操作中の異なる時間おいて、図９に示す電荷減算デバイスの種々のゲート下の電位および電荷パケットを示す図である。
【図１】
2008512045.tif 000003
【図２】
2008512045.tif 000004
【図２Ａ】
2008512045.tif 000005
【図２Ｂ】
2008512045.tif 000006
【図２Ｃ】
2008512045.tif 000007
【図２Ｄ】
2008512045.tif 000008
【図２Ｅ】
2008512045.tif 000009
【図２Ｆ】
2008512045.tif 000010
【図２Ｇ】
2008512045.tif 000011
【図３】
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【図４】
2008512045.tif 000013
【図５Ａ】
2008512045.tif 000014
【図５Ｂ】
2008512045.tif 000015
【図５Ｃ】
2008512045.tif 000016
【図５Ｄ】
2008512045.tif 000017
【図５Ｅ】
2008512045.tif 000018
【図５Ｆ】
2008512045.tif 000019
【図５Ｇ】
2008512045.tif 000020
【図６Ａ】
2008512045.tif 000021
【図６Ｂ】
2008512045.tif 000022
【図６Ｃ】
2008512045.tif 000023
【図６Ｄ】
2008512045.tif 000024
【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
2008512045.tif 000026
【図６Ｇ】
2008512045.tif 000027
【図７】
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【図８Ａ】
2008512045.tif 000029
【図８Ｂ】
2008512045.tif 000030
【図８Ｃ】
2008512045.tif 000031
【図８Ｄ】
2008512045.tif 000032
【図８Ｅ】
2008512045.tif 000033
【図８Ｆ】
2008512045.tif 000034
【図８Ｇ】
2008512045.tif 000035
【図９】
2008512045.tif 000036
【図１０Ａ】
2008512045.tif 000037
【図１０Ｂ】
2008512045.tif 000038
【図１０Ｃ】
2008512045.tif 000039
【図１０Ｄ】
2008512045.tif 000040
【図１０Ｅ】
2008512045.tif 000041
【図１０Ｆ】
2008512045.tif 000042
【図１０Ｇ】
2008512045.tif 000043
【国際調査報告】
2008512045.tif 000044