DE19723656A1 - Ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) mit CCIR/EIA-Modus-Konvertierungsfunktion - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung, und insbe­ sondere ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) mit einer CCIR/EIA-Modus-Konvertierungsfunktion.

Im allgemeinen gibt es für einen CCD-Bildsensor einen Rahmenübertra­ gungsmodus (frame transfer mode), im folgenden Frame-Transfer-Modus genannt, einen Zwischenzeilenübertragungsmodus (interline transfer mode), im folgenden Interline-Modus genannt, und einen Rahmen-Zwi­ schenzeilen-Übertragungsmodus (frame interline transfer mode), im fol­ genden Frame-Interline-Modus genannt, der in Kombination mit den bei­ den vorgenannten Modi gebildet ist, entsprechend dem Lesemodus für Signalladungen. Der Interline-Modus ist eingeteilt in einen EIA (Electro­ nics Industries Association) und einen CCIR (Consultive Committee on In­ ternational Radio) Modus entsprechend einem Abtastmodus. Fig. 1A bzw. 1B zeigen den optisch schwarzen Bereich des EIA- bzw. CCIR-Modus. In dem EIA-Modus-CCD mit 250.000 Bildpunkten oder Pixel sind 510 (H) × 492 (V) effektive Pixel und sein optisch schwarzer Bereich hat die Größe von 25 + 2 in horizontaler Richtung (H) und 12 + 1 in vertikaler Richtung (V). Dementsprechend ist die Gesamtzahl der Pixel 537 (H) × 505 (V). Ande­ rerseits sind in dem CCIR-Modus-CCD mit 290.000 Pixel 500 (H) × 582 (V) effektive Pixel und sein optisch schwarzer Bereich hat die Größe von 30 + 7 in horizontaler Richtung (H) und 14 + 1 in vertikaler Richtung (V). Dement­ sprechend ist die Gesamtzahl der Pixel 537 (H) × 597 (V).

Die Diagramme in Fig. 2A und 2B zeigen die zeitliche Abstimmung der horizontalen Synchronansteuerung der EIA und CCIR-Modi. Bei einem EIA-Modus-CCD wird eine Abtastung mit 262 (H) und 263 (H) horizontalen Linien oder Zeilen in geraden und ungeraden Feldern in 1/60 Sekunde durchgeführt. Bei einem CCIR-Modus-CCD wird eine Abtastung mit 312 (H) und 313 (H) horizontalen Linien oder Zeilen in geraden und ungeraden Feldern in 1/50 Sekunde durchgeführt. Dementsprechend sind die zeitli­ chen Abstimmungen der vertikalen Synchronansteuerung (nicht gezeigt) der EIA- und CCIR-Modi verschieden voneinander. Da die Anzahl der effek­ tiven Pixel in den horizontalen Zeilen bei den beiden Modi verschieden von­ einander ist, wie in Fig. 1A und 1B gezeigt, sind ihre zeitlichen Horizon­ talsynchronabstimmungen auch verschieden voneinander, wie in Fig. 2A und 2B gezeigt. Mit anderen Worten, die zeitlichen Ansteuerungstakt­ abstimmungen der CCIR- und EIA-Modi sind verschieden voneinander.

Im Fall daß ihre zeitlichen Ansteuerungstaktabstimmungen voneinander verschieden sind, ist, wenn die zeitliche Ansteuerungstaktabstimmung des CCIR-Modus auf den EIA-Modus angewandt wird, die zeitliche Abstim­ mung nicht ausreichend, um alle in den Pixeln eines im CCIR-Modus be­ nutzten CCD angesammelten Ladungen zu einem vertikalen Ladungsü­ bertragungsbereich zu übertragen. Im Ergebnis beeinträchtigt dies eine Bildwiedergabe im CCD.

Fig. 3 zeigt ein Layout eines herkömmlichen CCD. Entsprechend Fig. 3 sind Gates auf einem Substrat ausgebildet, das eine Vielzahl von Fotodio­ denbereichen (PD), eine Vielzahl von vertikalen Ladungsübertragungsbe­ reichen (VCCD) zur vertikalen Übertragung von von entsprechenden Foto­ dioden erzeugten Bildsignalladungen und einen horizontalen Ladungsü­ bertragungsbereich (HCCD) umfaßt, der auf einer Seite des VCCD-Be­ reichs ausgebildet ist. Eine Vielzahl von ersten Polysiliziumgates 31 und zweiten Polysiliziumgates 32 sind also abwechselnd auf den VCCD-Berei­ chen ausgebildet. Erste und zweite Polysiliziumgates 31 und 32 übertra­ gen sequentiell die von den Fotodioden erzeugten Bildsignalladungen. Ei­ ne Seite des zweiten Polysiliziumgates 32 ist dabei so ausgebildet, daß es den Fotodiodenbereich überlappt, umso als Übertragungs- oder Transfer­ gate benutzt zu werden.

Bei den auf dem VCCD-Bereich gebildeten ersten und zweiten Polysilizi­ umgates 31 und 32 wird ein Taktsignal V_Φ₂ an das erste Polysiliziumgate, ein Taktsignal V_Φ₁ an das zweite Polysiliziumgate, ein Taktsignal V_Φ₄ an das nächste erste Polysiliziumgate und ein Taktsignal V_Φ₃ an das nächste zweite Polysiliziumgate angelegt. Hierdurch übertragen die ersten und zweiten Polysiliziumgates die Bildsignalladungen sequentiell und verti­ kal. Der Übertragungsbetrieb für Bildsignalladungen wird also mit einer Vierphasentaktung ausgeführt.

Eine Vielzahl von ersten und zweiten Polysiliziumgates 31a und 32a sind auf dem HCCD-Bereich ausgebildet. Die ersten und zweiten Polysilizium­ gates 31a und 32a übertragen die Bildsignalladungen, die aus den VCCD-Bereichen übertragen werden, mit einer Zweiphasentaktung zu einem Fühler- oder Leseverstärker. Dieser Leseverstärker wandelt die Bild­ signalladungen in ein Bildsignal um, das der Reihe nach ausgegeben wird. Taktsignale H_Φ₁ und H_Φ₂ werden abwechselnd an die ersten und zweiten auf dem HCCD-Bereich ausgebildeten Polysiliziumgates 31a und 32a an­ gelegt. Hierdurch übertragen die ersten und zweiten Polysiliziumgates 31a und 32a die Bildsignalladungen sequentiell.

Wie oben beschrieben, wird bei dem herkömmlichen CCD der Potentialpe­ gel der von den jeweiligen Pixelbereichen erzeugten Bildsignalladungen entsprechend den Taktsignalen V_Φ₁, V_Φ₂, V_Φ₃ und V_Φ₄ geändert und die Bildsignalladungen werden dann vertikal übertragen. Diese Bildsignalla­ dungen werden entsprechend den Taktsignalen H_Φ₁ und H_Φ₂ in einen Floatinggate-Bereich übertragen und durch den Leseverstärker in ein Analogsignal umgewandelt. Die vertikale und horizontale Übertragung der Bildsignalladungen des konventionellen CCD wird entsprechend den je­ weiligen Übertragungstakten ausgeführt. Falls das CCIR-Modus-CCD für den EIA-Modus benutzt wird, ist jedoch der Ansteuerungstakt des EIA-Mo­ dus schneller als der des CCIR-Modus. Im Vergleich mit dem im EIA-Mo­ dus benutzten CCD können dementsprechend in vielen Pixeln des für den CCIR-Modus benutzten CCD angesammelte Ladungen nicht zu den VCCD-Bereichen übertragen werden. In diesem Fall werden die Ladungen, die nicht zu dem VCCD-Bereich übertragen werden konnten, entsprechend dem nächsten Taktsignal übertragen. Diese Ladungen überlappen mit den Ladungen des vorherigen Pixels. Infolgedessen werden Bilder während der Bildanzeige miteinander überlagert.

Das oben beschriebene herkömmliche CCD weist die folgenden Probleme auf. Da die Anzahl der Pixel des CCD entsprechend dem jeweiligen Abtast­ modus voneinander verschieden sind, kann eine Art von CCD nicht sowohl im EIA-Modus als auch im CCIR-Modus benutzt werden. Dementspre­ chend ist es erforderlich, daß das CCD entsprechend seinem Abtastmodus gewechselt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein CCD bereitzustellen, das sowohl für den EIA-Modus als auch den CCIR-Modus benutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein CCD mit einer CCIR/EIA-Modus-Konvertie­ rungsfunktion nach Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung sowie weitere ihrer Merkmale und Vorteile werden im fol­ genden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1A bzw. 1B optisch schwarze Bereiche eines CCDs für den EIA- bzw. CCIR-Modus,

Fig. 2A bzw. 2B Impulsdiagramme, die die zeitliche Abstimmung der Ho­ rizontalsynchronansteuerung für den EIA- bzw. CCIR-Modus,

Fig. 3 ein Layout eines herkömmlichen CCDs,

Fig. 4 einen optisch schwarzen Bereich eines erfindungsgemäßen CCDs,

Fig. 5 die Struktur und den Signalflußweg eines erfindungsgemäßen CCDs,

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs eines Vertikalübertra­ gungstaktsignalauswahlbereichs entsprechend der vorliegenden Erfin­ dung.

Fig. 7 ein Ansteuerungsimpulsdiagramm eines vertikalen Übertra­ gungstaktes entsprechend der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 8A bzw. 8B Potentialpegel entsprechend der Ladungsübertragung des CCIR- bzw. EIA-Modus gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Fig. 4 zeigt einen optisch schwarzen Bereich eines erfindungsgemäßen CCDs. Das CCD nach der vorliegenden Erfindung benutzt den CCIR-Modus mit 290.000 Pixel. Die Gesamtanzahl der Pixel ist also 537 (H) × 597 (V), die gleich der des im CCIR-Modus be­ nutzten CCD ist. Der optisch schwarze Bereich weist Pixel von 25 + 2 Li­ nien in Horizontalrichtung und von 12 + 1 Linien in Vertikalrichtung auf. Dementsprechend ist die Anzahl der effektiven Pixel 510 (H) × 584 (V).

Fig. 5 zeigt die Struktur und den Signalflußweg des erfindungsgemäßen CCDs. Entsprechend Fig. 5 besteht das erfindungsgemäße CCD aus ei­ nem Fotodiodenbereich (PD) 51, einem VCCD-Bereich 52, einem HCCD-Bereich 53, einem Fühler- oder Leseverstärker (SA) 54 und einem Vertikal­ übertragungstaktsignalauswahlbereich 55. Der Fotodiodenbereich 51 wandelt ein durch Mikrolinsen eintretendes Lichtsignal in ein elektrisches Bildladungssignal. Der VCCD-Bereich 52 überträgt die in den Fotodioden 51 gebildeten Bildladungen vertikal. Der HCCD-Bereich 53 überträgt die Bildladungen horizontal, welche vertikal übertragen wurden. Der Lesever­ stärker 54 fühlt oder tastet das horizontal übertragene Bildladungssignal ab und gibt es aus. Der Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereich 55 steuert ein vertikales Übertragungstaktsignal, das die Ladungen von den Reservepixeln zum VCCD-Bereich 52 überträgt. Die Steuerung des vertikalen Übertragungstaktsignals wird ausgeführt durch An- und Aus­ schalten des Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereichs 55 unter Benutzung eines Auswahlsignals entsprechend einer Modusauswahl ei­ nes Benutzers als Eingabe.

Die Gesamtanzahl der vertikalen Pixellinien des CCIR-Modus CCD ist grö­ ßer als die des EIA-Modus CCD. Um das CCIR-Modus CCD im EIA-Modus zu benutzen, ist es dementsprechend erforderlich, das CCIR-Modus CCD mit der Anzahl von Pixeln, die größer ist als die des EIA-Modus, zu steuern. Infolgedessen steuert der Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereich 55 die Reservepixellinien des CCIR-Modus CCD.

Das erfindungsgemäße CCD hat also insgesamt 597 Pixellinien in vertika­ ler Richtung. Andererseits weist das für den EIA-Modus benutzte CCD ins­ gesamt 505 Pixel in Vertikalrichtung auf. Dementsprechend weist das für den CCIR-Modus benutzte CCD 92 Linien mehr auf als das für den EIA-Mo­ dus benutzte CCD bezogen auf die Gesamtzahl der Pixellinien. Auch mit Bezug auf die Anzahl der effektiven Pixel weist das für den CCIR-Modus be­ nutzte CCD 92 Linien mehr auf als das für den EIA-Modus benutzte CCD. Um das für den CCIR-Modus CCD für den EIA-Modus zu benutzen, werden dementsprechend 92 Pixellinien in geeigneter Weise vertikal gesteuert, die Taktfrequenz des Systems geändert und der Modus eines Timinggenera­ tors und eines Signalprozessors konvertiert.

Mit anderen Worten ist die Anzahl der effektiven Pixellinien des CCD, das für den EIA-Modus benutzt wird, 492 vertikal. Die Anzahl der effektiven Pi­ xellinien des erfindungsgemäßen CCDs ist 584 vertikal. Dementspre­ chend ist es erforderlich, um das erfindungsgemäße CCD als EIA-Modus CCD anzuwenden, daß das erfindungsgemäße CCD von der 493. Linie an gesteuert wird. In diesem Fall steuert der Vertikalübertragungsauswahl­ bereich 55 den die Ladungen vom Fotodiodenbereich 51 des CCDs zum VCCD-Bereich 52 übertragenden vertikalen Übertragungstakt.

Der in Fig. 6 gezeigte Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereich 55 bestimmt Ausgangszustände S_Φ₁ bis S_Φ₄ entsprechend dem CCIR oder EIA Abtastmodus unter Benutzung der Vertikalübertragungstaktsignale V_Φ₁ bis V_Φ₄ als Eingabe entsprechen einem externen Auswahlsignal S. In die­ sem Fall wählt das externe Auswahlsignal entweder den CCIR-Modus oder den EIA-Modus. Um das für den CCIR-Modus benutzte CCD im EIA-Modus zu benutzen, werden Ladungen durch Steuern des für die Bewegung der Ladungen aus den Reservepixeln von 92 Linien zum VCCD-Bereich 52 er­ forderlichen vertikalen Übertragungstakts daran gehindert, aus den Re­ servepixeln zum VCCD-Bereichs 52 herausbewegt zu werden. In diesem Fall werden die Transfer-Gates mit einem entsprechenden vertikalen Taktsignal V_Φ₁ bis V_Φ₄ verbunden und der Übertragungstakt von der 493. Linie wird somit mit dem Ausgang bzw. der Ausgabe des Tranfer-Gates ge­ steuert. Im übrigen kann das Transfer-Gate durch einen aus einem CMOS bestehenden Schalter ersetzt werden. Hierbei wird der Übertragungstakt von der 493. Linie entsprechend dem Ausgangssignal des Schalters ge­ steuert. In diesem Fall wird, wenn der Ausgang des Transfer-Gates logisch "high" ist, das vertikale Übertragungstaktsignal an alle Pixellinien ein­ schließlich der 92 Reservelinien angelegt. Wenn der Ausgang des Transfer- Gates logisch "low" ist, wird das vertikale Übertragungstaktsignal nicht an die 92 Reservelinien angelegt. In dem Fall, daß der Ausgang des Transfer- Gates logisch "low" ist, wird dementsprechend keine Ladung aus den Re­ servepixeln zum VCCD-Bereich 52 bewegt.

Fig. 7 zeigt ein Timingdiagramm des Übertragungstaktes für eine verti­ kale Ladungsübertragung entsprechend der vorliegenden Erfindung, Fig. 8A zeigt Potentialpegel, um den vertikalen Ladungsübertragungsfluß beim CCIR-Modus entsprechend der zeitlichen Abstimmung des Übertra­ gungstaktes gemäß Fig. 7 darzustellen, und Fig. 8B zeigt Potentialpe­ gel, um den vertikalen Ladungsübertragungsfluß beim EIA-Modus ent­ sprechend der zeitlichen Abstimmung des Übertragungstaktes nach Fig. 7 zu zeigen. Fig. 8A zeigt einen Ladungsfluß für den Fall, daß der Verti­ kalübertragungstaktsignalauswahlabschnitt betrieben wird, der das ver­ tikale Übertragungstaktsignal steuert. Da die Anzahl der Pixel des erfin­ dungsgemäßen CCD so groß ist wie die eines CCIR-Modus CCDs, wird das durch den Betrieb des vertikalen Übertragungstaktsignalauswahlbe­ reichs 55 angelegte Vertikalübertragungstaktsignal ohne Änderung aus­ gegeben. Dementsprechend werden die in den jeweiligen Pixeln angesam­ melten Bildsignalladungen zum VCCD-Bereich 52 übertragen.

Um das erfindungsgemäße CCD für den EIA-Modus zu verwenden, ist es je­ doch erforderlich, daß der Ausgangszustand des Vertikalübertragungs­ taktsignalauswahlbereichs 55 logisch "low" wird, so daß durch die Steue­ rung des Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereich 55 das Vertikal­ übertragungstaktsignal nicht an die Reservepixellinien angelegt wird. Das Vertikalübertragungstaktsignal wird also von der vertikal 493. Linie des erfindungsgemäßen CCDs an gesteuert, um die in den entsprechenden Pi­ xeln angesammelten Bildsignalladungen daran zu hindern, von der verti­ kal 493. Linie in den VCCD-Bereich 52 bewegt zu werden. In diesem Fall ist der Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereich 55 auf der gegenü­ berliegenden Seite zum HCCD-Bereich 53 ausgebildet, und steuert da­ durch die Pixellinien von den oberen Pixellinien zur letzten Ersatzpixelli­ nie (also die Pixellinien von der 584. bis zur 493. Linie).

Fig. 8B zeigt Potentialpegel für den Fall, daß der vertikale Übertragungs­ taktsignalauswahlbereich ausgeschaltet ist, um beginnend mit der verti­ kal 493. Linie das an die Pixellinien angelegte Übertragungstaktsignal ab­ zutrennen. Da der Zuführung- und Abtrennung des Übertragungstakt­ signals zu den Ersatzpixellinien entsprechend dem Ein/Aus-Zustand des Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereichs 55 festgelegt wird, hat der Ausgang des Vertikalübertragungstaktsignalauswahlbereichs 55 lo­ gisch "low" zu werden.

Wie in Fig. 6 und 8B gezeigt, wird der Vertikalübertragungstaktsignal­ auswahlbereich 55 ausgeschaltet, um die Zufuhr des vertikalen Übertra­ gungstaktsignals von der vertikal 493. Linie unter den Vertikalübertra­ gungstaktsignalen zu unterbrechen. Dies wird ausgeführt durch Aus­ schalten des Transfer-Gates des vertikalen Übertragungstaktsignalaus­ wahlbereichs 55. Demzufolge werden entsprechend dem Vertikalübertra­ gungstaktsignal nur die Ladungen, die in den Pixeln der vertikal 1. bis 492. Linie angesammelt sind, zum VCCD-Bereich 52 bewegt. Bis zur vertikal 492. Linie werden die Ladungen zum VCCD-Bereich 52 entsprechend dem Übertragungstaktsignal in Übereinstimmung mit dem jeweiligen Timing bzw. der jeweiligen zeitlichen Abstimmung bewegt. Von der vertikal 493. Linie an ist der Potentialpegel immer im "hoch"- bzw. "high" -Zustand, da dort kein vertikales Übertragungstaktsignal vorliegt.

In dem Fall, daß das CCD für den CCIR-Modus für den EIA-Modus benutzt wird, ist es erfindungsgemäß möglich, das CCD flexibel zu benutzen ent­ sprechend einer Moduskonvertierung, ohne das CCD auszutauschen.

Claims (3)

1. Ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) mit einer CCIR/EIA-Modus-Konvertierungsfunktion, mit:

• - einer Vielzahl von VCCD-Bereichen (52), die in Zeilenrichtung ausge­ bildet sind und einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen,
• - einer Vielzahl von HCCD-Bereichen (53), die am Ende der VCCD-Be­ reiche (52) in Spaltenrichtung ausgebildet sind,
• - einer Vielzahl von Fotodetektoren (51), die regelmäßig zwischen den VCCD-Bereichen (52) angeordnet sind und entsprechend einem Bildsignal Signalladungen erzeugen,
• - einer Vielzahl von vertikalen Gate-Elektroden, die auf den VCCD-Be­ reichen und den Fotodetektoren (51) in Spaltenrichtung ausgebildet sind und die Signalladungen der Fotodetektoren (51) zu den HCCD-Bereichen (53) durch die VCCD-Bereiche (52) entsprechend angelegten vertikalen Taktsignalen (V_Φ₁-V_Φ₄) übertragen,
• - vertikalen Taktsignalerzeugungsmitteln zum Zuführen einer vorbe­ stimmten Anzahl von vertikalen Taktsignalen (V_Φ₁-V_Φ₄), und
• - Auswahlmitteln zum Empfangen von vertikalen Taktsignalen von den Vertikaltaktsignalerzeugungsmitteln, wobei die Auswahlmittel (55) einem Teil der vertikalen Gate-Elektroden vertikale Taktsignale oder Sperr- oder Abschaltsignale anstelle der vertikalen Taktsignale entspre­ chend einem externen Auswahlsignal zuführen.

2. CCD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das externe Auswahlsignal einem CCIR-Modus oder einem EIA-Modus entspricht.

3. CCD nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswahlmittel ein aus einem CMOS Transistor bestehender Schalter ist.