-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines CCD-Festkörper-Bildsensors, insbesondere
eines Bildsensors, der so beschaffen ist, dass er Signale aus den
doppelten Ladungen von sowohl Elektronen als auch Löchern erfasst.
-
Im
Allgemeinen werden in einem CCD-Festkörper-Bildsensor, der im Folgenden
der Kürze
halber einfach als CCD-Sensor bezeichnet wird, Paare von durch einfallendes
Licht erzeugten Elektronen und Löchern
angesammelt, und es wird nur eine Seite der Paare in Form von Si gnalladungen übertragen, während die
andere, nicht ausgewählte
Signalladung innerhalb kurzer Zeit beseitigt wird, da sie als überflüssige Ladung
behandelt wird. Da die Beweglichkeit von Elektronen im allgemeinen
größer als
die von Löchern
ist, werden Elektronen als Signalladung verwendet.
-
1 veranschaulicht
ein Blockdiagramm eines herkömmlichen
CCD-Sensors vom Vollbild-Übertragungstyp.
-
Ein
CCD-Sensor vom Vollbild-Übertragungstyp
enthält
einen Empfangsbereich 11, der bei einfallendem Licht Signalladungen
erzeugt, einen Speicherbereich 12 zum Einspeichern der
Signalladungen aus dem Empfangsbereich 11 für eine bestimmte
Zeitspanne, ein HCCD (Horizontal-CCD) 13 zum Entnehmen
der gespeicherten Signalladungen Zeile für Zeile aus dem Speicherbereich 12 sowie eine
Ladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung 14 zum
Erfassen und Verstärken
von vom HCCD 13 übertragenen
Signalladungen.
-
Der
Empfangsbereich 11 des CCD-Sensors vom Vollbildübertragungstyp
erzeugt Signalladungen bei einfallendem Licht und sammelt sie für eine bestimmte
Zeitspanne an. Die im Empfangsbereich 11 angesammelten
Signalladungen werden zu einem Zeitpunkt während einer Löschperiode
zu einer Einspeicherung in den Speicherbereich 12 übertragen, und
diese werden dann durch den HCCD 13 in der nächsten Vertikallöschperiode
Zeile für
Zeile entnommen und übertragen.
Bei Abschluß der
Entnahme der abgespeicherten Signalladungen aus dem Speicherbereich 12 werden
in Wiederholung des vorstehend genannten Ablaufs diejenigen Signalladungen,
die während
dieser Zeit im Empfangsbereich angesammelt wurden, erneut in den
Speicherbereich übertragen.
-
Hierbei
führt die
Verwendung von Elektronen als Signalladungen zur Verwendung einer
Ladungs-Erfassungs/Verstärkungs- Schaltung 14,
die sich für
Elektronen eignet.
-
2 ist
eine Schnittdarstellung des Speicherbereichs 12 bei einem
herkömmlichen CCD-Sensor
vom Vollbild-Übertragungstyp.
-
Es
ist zwar nur der Speicherbereich 12 im Schnitt dargestellt,
jedoch hat der Empfangsbereich 11 beinahe das identische
Schnittbild, mit Ausnahme einer Lichtabschirmungsschicht aus Aluminium
zur Abschirmung gegen einfallendes Licht und mit Ausnahme einer Übertragungselektrode,
die auf dem Speicherbereich 12, jedoch nicht auf dem Empfangsbereich 11 vorhanden
sind, der Signalladungen aus einfallendem Licht erzeugt.
-
Gemäß 2 beinhaltet
der Speicherbereich 12 im herkömmlichen CCD-Sensor vom Vollbild-Übertragungstyp
ein n–-Substrat 121,
eine in diesem ausgebildete p–-Wanne 122,
einen in dieser ausgebildeten vergrabenen n-Kanalbereich 123,
in der p–-Wanne 122 ausgebildete
Kanalstoppbereiche 124, die in Kontakt mit dem vergrabenen
n-Kanalbereich 123 stehen, einen aus SiO2 bestehenden
Isolierfilm 125 auf dem Substrat 121 und eine
auf dem Isolierfilm 125 hergestellte Übertragungselektrode 126.
-
Die 3A und 3B sind
Schnittdarstellungen entlang Linien 2A-2A' bzw. 2B-2B', und 3C zeigt
Potentialprofile entlang den genannten Linien.
-
Von
den Signalladungen, wie sie durch einfallendes Licht im Empfangsbereich 11 erzeugt
werden, werden, wie in 3C durch eine Linie 132 dargestellt,
die Elektronen im vergrabenen n-Kanalbereich 123 angesammelt,
und die Löcher
werden, wie in 3C durch eine Linie 131 veranschaulicht, durch
die Grenzfläche
zwischen dem Substrat 121 und dem Isolier film 125,
d. h. durch die Grenzfläche Si/SiO2, in den p+-Kanalstoppbereichen 124 gesammelt
und über
Strukturen um diese herum verteilt.
-
Wie
es erläutert
wurde, werden bei herkömmlichen
CCD-Sensoren die Löcher
als überflüssige Signalladungen
behandelt, und sie werden nur insoweit berücksichtigt, als sie innerhalb
kurzer Zeit entfernt werden, damit sie die Übertragung der Elektronen nicht
beeinflussen.
-
4 ist
ein Kurvendiagramm, das die photoelektrische Übertragungscharakteristik eines
herkömmlichen
CCD-Sensors zeigt, wobei die CCD-Oberflächenbeleuchtung entlang der
X-Achse und die CCD-Ausgangsspannung entlang der Y-Achse aufgetragen
sind.
-
Der
Dynamikbereich eines CCD-Sensors ist im allgemeinen als linearer
Bereich definiert, in dem die Beleuchtungsstärke und die Ausgangsspannung proportional
sind, und die Empfindlichkeit eines Festkörper-Bildsensors ist durch
die Steigung (mV/Lux) des linearen Bereichs repräsentiert.
-
Daher
hat, wie es in 4 dargestellt ist, ein Festkörper-Bildsensor mit der
Empfindlichkeitscharakteristik A eine doppelt so hohe Empfindlichkeit
wie ein Festkörper-Bildsensor
mit der Empfindlichkeitscharakteristik B. Jedoch verfügt der letztere über einen
größeren Dynamikbereich
hinsichtlich der Beleuchtungsstärke
als der erstere.
-
Wenn
der Dynamikbereich des letztgenannten Sensors beim erstgenannten
Sensor erhalten werden soll, muß bei
diesem die maximale Spannung verdoppelt werden. Jedoch ist ein Verdoppeln
der Spannung tatsächlich
nicht ausführbar,
und zwar sowohl wegen der möglichen
Ansteuerspannung eines CCD und wegen der Eingangsspannung einer
Videosignalverarbeitungs schaltung.
-
Selbst
wenn eine Technik bestünde,
daß Ladungen
mit 10-fach höherer
Empfindlichkeit erfaßt werden,
bestünde
immer noch das vorstehend genannte Problem des Dynamikbereichs der
Beleuchtungsstärke,
wenn die Technik verwendet wird.
-
Das
heißt,
daß, obwohl
eine hochempfindliche Ladungserfassungstechnik bei sehr niedriger Beleuchtungsstärke von
Nutzen wäre,
der Nachteil bestünde,
daß dann,
wenn das Bild eines Gegenstands mit verschiedenen Beleuchtungsstärken oder eine
Landschaft bei hellem Tageslicht aufgenommen würde, der Kontrast unzureichend
würde,
da Teile über
einer bestimmten Beleuchtungsstärke
alle vollständig
weiß wären.
-
Das
Anpassen sowohl der Ansteuerspannung als auch der Spannung einer
Signalverarbeitungsschaltung an eine maximale Ausgangsspannung,
die verzehnfacht ist, ist theoretisch und praktisch nicht möglich.
-
Daher
sind Festkörper-Bildsensoren
erforderlich, die Ladungen in Bereichen mit geringer Beleuchtungsstärke mit
hoher Empfindlichleit erfassen und verstärken und in Bereichen mit hoher
Beleuchtungsstärke
mit geringer Empfindlichkeit erfassen und verstärken können.
-
Aus
der
US 4,760,435 ist
ein CCD-Bildsensor bekannt, der einen Empfangsbereich, einen Speicherbereich
und ein horizontales CCD mit eigener Elektronenstruktur aufweist,
an das als Signalladungs-Fassungs/Verstärkungs-Schaltungsanordnung ein Verstärker angeschlossen
ist. Um bei hohen Beleuchtungsstärken
ein Überstrahlen
des aufgenommenen Bildes zu verhindern, sind Ableitbereiche vorgesehen,
mit denen überschüssige Elektronen abgeleitet
werden können,
um das Ausgangssignal auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Ferner sind
bei dem bekannten CCD-Bildsensor auch Ableitbereiche für zusammen
mit den Elektronen erzeugten Löchern
vorgesehen, die eine Löcheranhäufung bei
hoher Beleuchtungsstärke
verhindern.
-
Wie
oben bereits erläutert,
werden also auch bei dem aus der
US
4,760,435 bekannten CCD-Bildsensor die Löcher als überflüssige Signalladungen
behandelt und ungenutzt abgeleitet.
-
Die
DE 34 18 778 A1 beschreibt
ferner ein CCD-Halbleiterbauelement mit einem n-leitenden Siliciumsubstrat,
auf dem eine CCD-Struktur ausgebildet ist, die erste in einer Siliciumoxidschicht
eingebettete Elektroden und zweite auf der Siliciumoxidschicht ausgebildete
Elektroden umfasst. Dabei sind jeweils eine erste und eine zweite
Elektrode zu einem Elektrodenpaar zusammengefasst, die jeweils mit demselben
Taktsignal eines Zweiphasentaktes beaufschlagt werden, während an
benachbarte Elektrodenpaare unterschiedliche Taktsignale angelegt
werden, sodass die Elektronen und die Löcher in entgegengesetzten Richtungen
entlang der CCD-Struktur transportiert werden.
-
Auf
der einen Seite dieser CCD-Struktur ist eine Elektrode zum Auslesen
der Minoritätsträger, also
der Löcher
vorgesehen, während
auf der anderen Seite der CCD-Struktur eine Elektrode zum Auslesen
der Majoritätsträger, also
der Elektronen vorgesehen ist.
-
Bei
diesem bekannten CCD-Halbleiterbauelement, das insbesondere als
Detektor für
Teilchen oder elektromagnetische Strahlung verwendet wird, werden
also sowohl Elektronen als auch Löcher zur Signalerzeugung verwendet.
Dabei kann das von den Löchern
gebildete Minoritätsträgersignal
ohne Verzögerung
ausgelesen werden, sodass zusätzlich zu
dem CCD-Signal, das von den Elektronen also den Majoritätsträgern herrührt, ein
schnelles Signal zur Verfügung
steht, das beispielsweise als Triggersignal verwendet werden kann.
-
Aus
der
US 5,359,213 A ist
ferner eine Ladungsübertragungsvorrichtung
bekannt, bei der zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses über einem
begrabenen Kanal für
Ladungsträger,
beispielsweise durch einfallendes Licht erzeugte Elektronen, ein
Oberflächenkanal
für die
gleiche Art von Ladungsträgern
angeordnet ist. Der Oberflächenkanal
dient dabei zum Ableiten von Ladungsträgern, also beispielsweise von
Elektronen, die allein aufgrund des Betriebs der Ladungsübertragungsvorrichtung
erzeugt werden. Der Oberflächenkanal
dient also zum Ableiten eines Dunkelstroms und ermöglich damit
ein erhöhtes
Signalrauschverhältnis,
da praktisch nur die durch Licht erzeugten Elektronen zum Auslesebereich
der Ladungsübertragungsvorrichtung
gelangen. Die gemeinsame Verwendung von Elektronen und Löcher zur
Erzeugung eines Bildsignals ist hier nicht gezeigt.
-
Wie
in der
US 5,359,213
A weiter beschrieben wird, ermöglicht es die Anordnung eines
Oberflächenkanals über einem
begrabenen Kanal ferner Signalladungen der gleichen Art getrennt
voneinander zu übertragen,
die durch Licht verschiedener Wellenlänge erzeugt wurden.
-
Ein
Hinweis darauf neben Elektronen auch Löcher als Signalladungen einzusetzen,
findet sich in dieser Druckschrift jedoch an keiner Stelle.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
eines CCD-Festkörper-Bildsensors
bereitzustellen, das insbesondere eine Erhöhung der Empfindlichkeit bei
einem gleichzeitig großen
Dynamikbereich für
die Beleuchtungsstärke
ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Die
beigefügten
Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der
Erfindung zu erläutern.
-
1 veranschaulicht
einen herkömmlichen CCD-Sensor
vom Vollbild-Übertragungstyp.
-
2 ist
eine Schnittdarstellung des Speicherbereichs des herkömmlichen
CCD-Sensors gemäß 1.
-
3A bis 3C sind
Schnittdarstellungen entlang den Linien 2A-2A' bzw. 2B-2B' in 2 sowie
Potentialprofile entlang der Schnitte.
-
4 zeigt
die photoelektrische Übertragungscharakteristik
des CCD-Sensors von 1.
-
5 veranschaulicht
einen CCD-Sensor vom Vollbild-Übertragungstyp
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
6A und 6B sind
Schnittdarstellungen des Speicherbereichs des CCD-Sensors gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel.
-
7A und 7B sind
eine Schnittdarstellung entlang der Li nie 5A-5A' in 6A bzw.
ein Banddiagramm für
diesen Schnitt.
-
8A bis 8C sind
Schnittdarstellungen entlang der Linien 5A-5A' und 5B-5B' in 6A sowie
Leitungsbandprofile für
diese Schnitte.
-
9A bis 9C sind
Schnittdarstellungen entlang der Linien 5A-5A' und 5B-5B' in 6A sowie
Valenzbandprofile für
diese Schnitte.
-
10A und 10B sind
eine Schnittdarstellung entlang der Linie 5C-5C' in Fig. A bzw. ein Valenzbandprofil
für diesen
Schnitt.
-
11A – 11D veranschaulichen Signalverlaufsmuster 4-phasiger
Treibertaktsignale, wie für
den CCD-Sensor gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
verwendet.
-
12A – 12H veranschaulichen die Potentialverteilungen
in jedem Zyklus beim bevorzugten Ausführungsbeispiel.
-
13A – 13B veranschaulichen Signalverlaufsmuster 2-phasiger
Treibertaktsignale, wie beim CCD-Sensor gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet.
-
14A – 14D veranschaulichen Potentialverteilungen in
jedem Zyklus beim bevorzugten Ausführungsbeispiel.
-
Es
wird nun detailliert auf die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug
genommen, zu der ein Beispiel zu den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht
ist.
-
Gemäß 5 beinhaltet
der CCD-Sensor vom Vollbild-Übertragungstyp
der im Verfahren zum Betrieb eines CCD-Sensors gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Er findung verwandet wird einen Empfangsbereich 51 zum
Erzeugen von Signalladungen aus einfallendem Licht, einen Speicherbereich 52 zum
Einspeichern der Signalladungen aus dem Empfangsbereich 51 für eine bestimmte
Zeitspanne, ein HCCD 53 zum Entnehmen der im Speicherbereich 52 abgespeicherten
Signalladungen Zeile für
Zeile, eine Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung 54 mit
hoher Empfindlichkeit zum Erfassen und Verstärken der aus Elektronen bestehenden
Signalladungen, wie vom HCCD 53 empfangen, und eine Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung 55 niedriger
Empfindlichkeit zum Erfassen und Verstärken der aus Löchern bestehenden
Signalladungen, wie vom HCCD 53 empfangen.
-
Im
CCD-Sensor mit dem Aufbau von 5 erzeugt
der Empfangsbereich 51 Signalladungen, d. h. Elektronen
und Löcher,
aus einfallendem Licht und sammelt die erzeugten Signalladungen
für eine
bestimmte Zeitspanne an. Die im Empfangsbereich 51 angesammelten
Signalladungen werden zu einem Zeitpunkt innerhalb einer Vertikallöschperiode
in den Speicherbereich 52 übertragen und dort eingespeichert,
und sie werden mit der nächsten
vertikalen Löschperiode
Zeile für
Zeile entnommen und an den HCCD 53 übertragen. Wenn alle im Speicherbereich 12 abgespeicherten
Signalladungen entnommen sind, wird der vorstehend genannte Ablauf
wiederholt, d. h., daß die
im Empfangsbereich während
dieser Zeitspanne erzeugten und angesammelten Ladungen erneut an
den Speicherbereich übertragen werden.
-
Inzwischen
werden von den an den HCCD 53 übertragenen Signalladungen
die Elektronen erfaßt
und mittels der Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung 54 hoher
Empfindlichkeit zu Signalen verarbeitet, und die Löcher werden
mittels der Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung 55 niedriger
Empfindlichkeit erfaßt
und zu Signalen verarbeitet.
-
Aus
der
US 4,760,435 ist
ein CCD-Bildsensor bekannt, der einen Empfangsbereich, einen Speicherbereich
und ein horizontales CCD mit eigener Elektronenstruktur aufweist,
an das als Signalladungs-Fassungs/Verstärkungs-Schaltungsanordnung ein Verstärker angeschlossen
ist. Um bei hohen Beleuchtungsstärken
ein Überstrahlen
des aufgenommenen Bildes zu verhindern, sind Ableitbereiche vorgesehen,
mit denen überschüssige Elektronen abgeleitet
werden können,
um das Ausgangssignal auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Ferner sind
bei dem bekannten CCD-Bildsensor auch Ableitbereiche für zusammen
mit den Elektronen erzeugten Löchern
vorgesehen, die eine Löcheranhäufung bei
hoher Beleuchtungsstärke
verhindern.
-
Wie
oben bereits erläutert,
werden also auch bei dem aus der
US
4,760,435 bekannten CCD-Bildsensor die Löcher als überflüssige Signalladungen
behandelt und ungenutzt abgeleitet.
-
Die
DE 34 18 778 A1 beschreibt
ferner ein CCD-Halbleiterbauelement mit einem n-leitenden Siliciumsubstrat,
auf dem eine CCD-Struktur ausgebildet ist, die erste in einer Siliciumoxidschicht
eingebettete Elektroden und zweite auf der Siliciumoxidschicht ausgebildete
Elektroden umfasst. Dabei sind jeweils eine erste und eine zweite
Elektrode zu einem Elektrodenpaar zusammengefasst, die jeweils mit demselben
Taktsignal eines Zweiphasentaktes beaufschlagt werden, während an
benachbarte Elektrodenpaare unterschiedliche Taktsignale angelegt
werden, sodass die Elektronen und die Löcher in entgegengesetzten Richtungen
entlang der CCD-Struktur transportiert werden.
-
Auf
der einen Seite dieser CCD-Struktur ist eine Elektrode zum Auslesen
der Minoritätsträger, also
der Löcher
vorgesehen, während
auf der anderen Seite der CCD-Struktur eine Elektrode zum Auslesen
der Majoritätsträger, also
der Elektronen vorgesehen ist.
-
Bei
diesem bekannten CCD-Halbleiterbauelement, das insbesondere als
Detektor für
Teilchen oder elektromagnetische Strahlung verwendet wird, werden
also sowohl Elektronen als auch Löcher zur Signalerzeugung verwendet.
Dabei kann das von den Löchern
gebildete Minoritätsträgersignal
ohne Verzögerung
ausgelesen werden, sodass zusätzlich zu
dem CCD-Signal, das von den Elektronen also den Majoritätsträgern herrührt, ein
schnelles Signal zur Verfügung
steht, das beispielsweise als Triggersignal verwendet werden kann.
-
Die 6A und 6B sind Schnittdarstellungen des Speicherbereichs 52 des
CCD-Sensors von 5, wobei 6A eine Schnittdarstellung
in einer Richtung rechtwinklig zur Übertragungsrichtung der Signalladungen
ist und 6B eine Schnittdarstellung
in einer Richtung parallel zur Übertragungsrichtung
der Signalladungen ist.
-
In
den 6A und 6B ist nur der Speicherbereich 52 des
CCD-Sensors dargestellt, jedoch hat der Empfangsbereich 51 fast
den identischen Schnitt, mit Ausnahme einer Lichtabschirmungsschicht
aus Aluminium, um auffallendes Licht abzuschirmen, und einer Übertragungselektrode,
wie auf dem Speicherbereich, jedoch nicht dem Empfangsbereich vorhanden,
der Signalladungen aus einfallendem Licht erzeugt.
-
Gemäß den 6A und 6B beinhaltet der Speicherbereich 52 ein
n–-Substrat 521,
eine in diesem ausgebildete p–-Wanne 522,
einen in dieser ausgebildeten ersten n-Bereich 523, der
als vergrabener Kanalbereich für
Elektronen dient, einen an der Oberfläche des n-Bereichs 523 ausgebildeten
p-Bereich 524, der als vergrabener Kanalbereich für Löcher dient,
zweite n-Bereiche 525, die in der p–-Wanne 522 ausgebildet
sind und jeweils in Kontakt mit dem ersten n-Bereich 523 und
dem p-Bereich 524 stehen, um als Kanalstoppbereich für Löcher und
als vergrabener Kanalbereich für
Elektronen zu dienen, p+-Bereiche 526 in
der p–-Wanne 522,
die jeweils in Kontakt mit einem der zweiten n-Bereiche 525 stehen, um
als Kanalstoppbereich für
Elektronen und als Drainbereich für Löcher zu dienen, einen aus SiO2 bestehenden Isolierfilm 527 auf
dem Substrat und eine auf dem Isolierfilm 527 ausgebildete Übertragungselektrode 528.
Obwohl es in den 6A und 6B nicht dargestellt ist,
ist auf der Übertragungselektrode 528 eine
Lichtabschirmungsschicht ausgebildet.
-
Die 7A und 7B sind Schnittdarstellungen entlang
der Linie 5A-5A' in 6A bzw. ein Banddiagramm
für diesen
Schnitt, und 8C veranschaulicht
die Leitungsbandprofile für
die Schnitte entlang der Linien 5A-5A' und 5B-5B' in 6A.
-
Wie
in 8C durch Linien 531 und 532 dargestellt,
werden von den durch einfallendes Licht erzeugten Signalladungen
die Elektronen im ersten n-Bereich 523 eingespeichert,
der als vergrabener Kanalbereich des Speicherbereichs 52 wirkt,
während
Elektronen, die im Überschuß über das
Fassungsvermögen
des ersten n-Bereichs 523 erzeugt werden, falls dies der
Fall ist, über
die Potentialbarriere der p–-Wanne 522 überfließen, um über das n–-Substrat 521 abgezogen
zu werden. Daher ist der erfindungsgemäße CCD-Sensor mit einer Vertikal-Überlauf-Abzugsstruktur
für Elektronen
versehen.
-
Die 9A und 9B sind Schnittdarstellungen entlang
den Linien 5A-5A' bzw.
5B-5B' in 6A, und 9C veranschaulicht Valenzbandprofile
für diese Schnitte.
-
Aus
den 9A und 9B ist erkennbar, daß die zweiten
n-Bereiche 525 als Kanalstoppbereiche für Löcher wirken und der p-Bereich 524 als
vergrabener Kanalbereich für
Löcher
wirkt.
-
10A ist eine Schnittdarstellung
entlang der Linie 5C-5C' in 6A, und 10B veranschaulicht das Valenzbandprofil
für diesen
Abschnitt.
-
Wenn
an die Übertragungselektrode 528 und das
Substrat 521 angelegte Spannungen geeignet gesteuert werden,
kann ein Valenzbandprofil entlang der Linie 5C-5C' in 6A erhalten werden, wie es in 10B dargestellt ist. Von
den durch Licht erzeugten Signalladungen werden die Löcher im
p-Bereich 524 eingespeichert, der als vergrabener Kanalbe reich
des Speicherbereichs 52 für Löcher wirkt, wie in 10B dargestellt, wobei die
p+-Bereiche 526 als Horizontalüberlauf-Bezugsbereich
für Löcher wirken.
-
Daher
wird während
der Dauer, in der keine Empfindlichkeit auf Elektronen erwünscht ist,
eine hohe positive Spannung an das n–-Substrat 521 angelegt.
Da in dieser Zeit wegen der positiven Spannung keine Elektronen
im ersten n-Bereich 523 eingespeichert werden können, wirkt
dieser erste n-Bereich 523 in dieser Zeit nicht als vergrabener
Kanalbereich für
Elektronen. Daher werden die durch Licht erzeugten Elektronen nicht
in diesen ersten n-Bereich 523 eingespeichert, sondern
insgesamt während
dieser Zeit ohne Empfindlichkeit auf Elektronen durch das n–-Substrat 521 abgezogen.
-
Während der
Dauer, für
die keine Empfindlichkeit auf Löcher
erwünscht
ist, wird eine negative Spannung an die Übertragungselektrode 528 angelegt.
Da wegen der an die Übertragungselektrode
angelegten negativen Spannung in dieser Zeit keine Löcher in
den p-Bereich 524 eingespeichert werden, wirkt dieser nicht
als vergrabener Kanalbereich für Löcher. Daher
werden die durch Licht erzeugten Löcher während der Zeit, in der keine
Empfindlichkeit für
Löcher
besteht, nicht in den p-Bereich 524 eingespeichert, sondern
insgesamt durch die p+-Bereiche 526 abgezogen.
-
Nachfolgend
wird die Ladungsübertragung erläutert.
-
Beim
erfindungsgemäßen CCD-Sensor
ist es möglich,
entweder eine 4- oder 2-phasige Ansteuerung auszuführen.
-
Die 11A – 11C veranschaulichen
Signalverlaufsmuster für
4-phasige Treibertaktsignale, und die 12A – 12H veranschaulichen die
Potentialverteilungen in jedem Zyklus. Wie in den 12A – 12H dargestellt, werden im
Fall eines durch 4-phasige Ansteuerung betriebenen erfindungsgemäßen CCD-Sensors
sowohl die Elektronen 551 als auch die Löcher 552 in
derselben Richtung übertragen.
-
Die 13A – 13B veranschaulichen
Signalverlaufsmuster für
2-phasige Treibertaktsignale, und die 14A – 14D veranschaulichen die
Potentialverteilungen in jedem Zyklus. Wie in den 14A – 14D dargestellt, werden dann,
wenn der erfindungsgemäße CCD-Sensor
durch 2-phasige Ansteuerung betrieben wird, die Elektronen 551 und
die Löcher 552 in
zueinander entgegengesetzten Richtungen übertragen, und unter Verwendung
dieser Tatsache ist eine Trennung der Elektronen von den Löchern möglich.
-
Wie
es erläutert
wurde, ist bei einem erfindungsgemäßen CCD-Sensor eine deutliche Verbesserung der
Empfindlichkeit möglich,
da nicht nur Elektronen, sondern auch Löcher als Signalladungen verwendet
werden, was die Signalladungen beinahe verdoppelt.
-
Das
heißt,
daß dann,
wenn eine Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung für Elektronen,
die hohe Empfindlichkeit aufweist, und eine Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltung für Löcher, die
auf niedrige Empfindlichkeit eingestellt ist, verwendet werden und
zwischen den zwei Arten von Ladungen umgeschaltet wird, eine CCD-Kamera realisiert
werden kann, die sowohl auf hohe als auch niedrige Beleuchtungsstärken zweckentsprechend reagiert.
Mit diesen zwei Schaltungen mit hoher bzw. niedriger Empfindlichkeit
kann ein Bild mit größerem Dynamikbereich
für die
Beleuchtungsstärke
und höherer
Empfindlichkeit als zuvor erhalten werden, wenn die beiden Arten
von Signalen für
dasselbe Vollbild zusammengesetzt werden, wozu ein Analog/Digital-Umsetzer und ein
digitaler Signalprozessor verwendet werden. Dies wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf 4 erläutert, die
die photoelektrische Übertragungscharakteristik
des CCD-Sensors zeigt.
-
Es
sei z. B. angenommen, daß A
und B die Charakteristiken für
die Ausgangsempfindlichkeit der Signale für Elektronen bzw. Löcher sind;
dann ist die zusammengesetzte Empfindlichkeitscharakteristik als
C = A + B definiert.
-
In
diesem Fall wird beim erfindungsgemäßen CCD-Sensor im Bereich niedriger
Beleuchtungsstärke
die Empfindlichkeit des Signals für Elektronen, wie von der Schaltung
mit hoher Empfindlichkeit erhalten, zur Empfindlichkeit des Signals
für Löcher, wie von
der Schaltung mit niedriger Empfindlichkeit erhalten, addiert. Daher
weist der erfindungsgemäße CCD-Sensor
in diesem Fall eine Empfindlichkeit auf, die geringfügig höher ist
als die, wenn nur die Empfindlichkeit für das Elektronensignal verwendet
wird, wie bisher.
-
Im
Bereich hoher Beleuchtungsstärke
ist dagegen die Elektronensignalempfindlichkeit des erfindungsgemäßen CCD-Sensors
in Sättigung,
und es wird nur die Empfindlichkeit des Löchersignals von der Schaltung
niedriger Empfindlichkeit genutzt. Daher ist beim erfindungsgemäßen CCD-Sensor
ein Dynamikbereich der Beleuchtungsstärke realisiert, der doppelt
so groß ist
wie dann, wenn nur die Empfindlichkeit des Elektronensignals verwendet
wird, wie beim herkömmlichen
CCD-Sensor.
-
Wie
es erläutert
wurde, kann die Erfindung durch die Verwendung von Elektronen zusammen mit
Löchern
als Signalladungen einen CCD-Sensor realisieren, der Bilder eines
Gegenstands in Bereichen mit niedriger Beleuchtungsstärke mit
hoher Empfindlichkeit und in Bereichen mit hoher Beleuchtungsstärke mit
niedriger Empfindlichkeit aufnehmen kann. Die Empfindlichkeit des
erfindungsgemäßen CCD-Sensors,
der alle Elek tronen und Löcher
als Signalladungen verwendet, kann durch die gemeinsame Nutzung
der Löchersignale
und der Elektronensignale verbessert werden, da dann die Signalstärke erhöht ist.
-
Durch
gleichzeitiges Erfassen der Elektronensignale und der Löchersignale
durch getrennte Signalladungs-Erfassungs/Verstärkungs-Schaltungen mit verschiedenen
Empfindlichkeiten kann der Dynamikbereich für einfallendes Licht erweitert
werden, und es kann die Empfindlichkeit des Sensors verbessert werden.