DE2259008C3

DE2259008C3 - Bildaufnahmevorrichtung mit ladungsgekoppelter Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE2259008C3
Application number: DE19722259008
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Kokubunji Tokio Kamigaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-12-01
Publication date: 1984-06-14
Also published as: NL163062B; JPS4861015A; JPS5145453B2; NL163062C; NL7216316A; DE2259008A1; DE2259008B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahmevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Kürzlich ist ein Schieberegister mit neuartigem Aufbau entwickelt worden, der einen Halbleiterkörper, eine auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgetragene dünne Isolierschicht sowie eine Vielzahl von auf der Isolierschicht angeordneten Elektroden aufweist; dieses Schieberegister ist in einem Aufsatz W. S. Boyle und

is G. E. Smith mit dem Titel »Charge Coupled Semiconcuctor Devices« in The Bell System Technical Journal, Band 49, Nr. 4 (April 1970), Seiten 587 bis 593 beschrieben. Als eine Anwendungsmöglichkeit der ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung ist in einem Aufsatz von L Aitman mit dem Titel »The New Concept for Memory and Imaging: Charge Coupling« in Electronics, Band 14, Nr. 13 (21. Juni 1971), Seiten 50 bis 59, eine Bildaufnahmevorrichtung beschrieben

Eine mit einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitende Bildaufnahmevorrichtung ist so aufgebaut, daß zusätzliche Einrichtungen vorgesehen werden, die das Bildlicht auf die Halbleitereinrichtung richten.

Bei ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen ist das Ladungsträger-Übertragungsvermögen der wichtigste Faktor. Dieses Übertragungsvermögen ist kleiner als 100%, da die zu übertragenden Ladungsträger nicht vollständig von einem der einen Elektrode entsprechenden Teil in einem Halbleiterkörper zu dem der benachbarten anderen Elektroden entsprechenden Teil übertragen werden. Daher nimmt mit der Länge des Übertragungsweges für die Ladungsträger das Gesamt-Übertragungsvermögen erheblich ab. Außerdem ist das Übertragungsvermögen um so geringer, je kleiner die Menge dei zu übertragenden Ladungsträger ist, so daß es in herkömmlichen ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen schwierig ist, sehr kleine Ladungsträgermengen zu übertragen. Diese Tatsache ist beispielsweise in einem Aufsatz von C-K. Kim und M. Lenzlinger mit dem Titel »Charge Transfer in Charge-Coupled Devices« in Journal of Applied Physics, Band 42, Nr. 9 (August 1971), Seiten 3586 bis 3594 beschrieben.

Ferner nimmt die abgegebene Menge der Ladungsträger mit Abnahme eines Eingangssignals, d. h. der Lichtintensität, nicht 'linear ab. Wird nun die obenerwähnte ladungsgekoppelte Halbleitereinrichtung für eine Bildaufnahmevorrichtung verwendet, so läßt sich Licht mit geringer Intensität nicht feststellen, d. h., daß dunkle Teile des Bildes nicht aufgenommen und daher die wiedergegebenen Bilder unscharf werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 07 038 ist eine Bildaufnahmevorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung bekannt. Dort wird eine Ladungsträger-Grundmenge entweder an einer Eingangs-Elektrode oder auch parallel in sämtlichen

bo Elektroden entsprechende Bereiche des Halbleiterkörpers eingebracht. Dadurch wird der Ladungs-Grundpegel angehoben, so daß die oben erläuterten Schwierigkeiten bei der Übertragung sehr geringer Signalladungen an sich behoben werden. Durch die Anhebung der Gesamtladung (Grundladung plus Signalladung) wird jedoch gleichzeitig der Nachteil eingehandelt, daß wegen des endlichen »Fassungsvermögens« der Elektroden-Kapazitäten die übertragbare Signalladung nach

oben hin begrenzt wird. Bei dieser Veröffentlichung wird also eine Verbesserung im Bereich niedriger Nutzsignale nur auf Kosten einer Verschlechterung im Bereich hoher Nutzsignale erlangt

Die gleichen Verhältnisse bestehen auch bei den weiteren Anordnungen, wie sie aus »IEEE Transactions on Electron Devices« Band ED-18, Nr. 11, November 1971, Seiten 996 bis 1003, sowie aus »The Bell System Technical Journal« Juli bis August 1971, Seiten 1721 bis 1740, bekannt sind. Aus der erstgenannten dieser Literaturstellen ist wiederum zu entnehmen, daß eine geringe Menge an gleichmäßigem Hintergrundlicht das Auflösungsvermögen verbessert und die Dämpfung des Signals bei der Übertragung vermindert Die gleiche Funktion wie eine derartige Hintergrundbeleuchtung wird dabei einem Gleichspannungspegel zugeschrieben. In ähnlicher Weise besagen die in der zweitgenannten Literaturstelle so bezeichneten »fetten Nullen« wiederum nichts anderes, als daß mit einer Vorspannung bzw. einer Grundladung gearbeitet wird. Das bloße Einführen einer solchen Hintergrund- oder Grundladung verkleinert jedoch — wie ausgeführt — die an den einzelnen Übertragungselektroden speicherbare und damit übertragbare maximale Signalladungsmenge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Bildaufnahmevorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ein hohes Ladungsräger-Übertragungsvermögen für kleine Signalladungen zu erhalten, ohne daß die maximal induzierbare und übertragbare Signalladung (unter den durch das lichtempfindliche Schieberegister an sich vorgegebenen Wert) begrenzt wird.

Nach der im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Lösung dieser Aufgabe wird zwar auch zunächst eine Grundladung in den Halbleiterkörper eingegeben, diese jedoch erst nach der Beleuchtung mit der jeweiligen Signaliadung gemischt und gleichzeitig ein Teil dieser gemischten Gesamtladung aus dem Bereich der Übertragungselektroden entzogen. Auf diese Weise wird bei schwacher Signalladung eine im Vergleich dazu große Ladungsträger-Grundmenge in den Übertragungsbereich eingemischt, so daß das Übertragungsvermögen wesentlich verbessert wird, während bei starker Signalladung nur ein im Vergleich dazu kleiner Teil an Grundladung in den Übertragungsbereich eingemischt und ein verhältnismäßig großer Anteil der Signalladung aus dem Übertragunsbereich entnommen wird, wodurch die zur Verfugung stehende Kapazität der Übertragungselektroden optimal ausgenützt wird.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung, in der der Stand der Technik noch ausführlicher sowie bevorzugte Ausführungsbeispiele dargelegt sind, an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine herkömmliche, mit einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitende Bildaufnahmevorrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen der Lichtintensität und der Menge von durch das auftreffende Licht in einen Halbleiterkörper eingeführten Ladungsträgern sowie zwischen der Lichtintensität und der Menge an eingeführten und übertragenen Ausgangs-Ladungsträgern bei der herkömmlichen Bildaufnahmevorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen der Lichtintensität und der Menge an durch das Licht in einen Halbleiterkörper eingeführten Ladungsträgern sowie zwischen der Lichtintensität und der Menge an eingeleiteten und übertragenen Ausgangs-Ladungsträgern gemäß der DE-OS 21 07 038, und

F i g. 4 bis 9 Draufsichten auf erfindungsgemäße Ausführungsformen, wobei es sich bei den Ausführungsformen nach F i g. 7 und 8 um Vereinfachungen der Ausführungsformen nach F i g. 5 und 6 handelt

Eine herkömmliche Bildaufnahmevorrichtung mit ladungsgekoppelter Halbleitereinrichtung, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist umfaßt typischerweise einen Halbleiterkörper 1, eine auf eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgetragene Isolierschicht 2, eine Einrichtung 3, die Licht 4 von einem Bild auf den Halbleiterkörper richtet und dadurch Ladungsträger in dem Halbleiterkörper 1 hervorruft, auf der Isolierschicht 2 getrennt angeordnete Elektroden 11a, 116, lic...; 12a, 126, 12c ...; 13a, 13i>, 13c...; zum Speichern der von dem Licht 4 in dem Halbleiterkörper 1 hervorgerufenen Ladungsträger sowie zum Übertragen dieser Ladungsträger längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 nahe der Isolierschicht 2, ferner mit den Elektroden 11a, 12a, 13a ...; Hb, \2b, 136 ... und lic, 12c, 13c ... verbundene Einrichtungen 5,6 bzw. 7 zur Zuführung von pulsierenden Gleichspannungen an die Elektroden und damit zum Übertragen der Ladungsträger auf den Halbleiterkörper 1 sowie eine Einrichtung 8 zur Erkennung der so übertragenen Ladungsträger.

Als Ladungsträger werden die Minoritätsträger in dem Halbleiterkörper 1 verwendet, da ein Halbleiter zur Erzeugung von Minoritätsträgern geeignet ist. Das heißt, ist der Halbleiterkörper vom η-Typ, so werden als Ladungsträger Löcher verwendet; ist der Halbleiterkörper vom p-Typ, so werden Elektroden verwendet.

Die Einrichtung 8 zur Erkennung der Ladungsträger umfaßt gewöhnlich eine Halbleiterzone 14, deren elektrischer Leitungstyp zu dem des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, so daß zwischen der Zone 14 und dem Halbleiterkörper 1 ein pn-Übergang 10 entsteht, ferner eine mit der Halbleiterzone 14 ohmisch verbundene Elektrode 15, eine Gleichspannungsquelle 16 zur Vorspannung des pn-Übergangs 10 in Sperrichtung sowie einen Widerstand 17 zur Erkennung der Ausgangssignale der Ladungsträger an einer Klemme 9.

Die oben beschriebene Aufnahmeeinrichtung arbeitet folgendermaßen.

An einige der Elektroden, beispielsweise die Elektroden Wb, Mb, Mb .... wird mittels der entsprechenden Zuleitungseinrichtung, beispielsweise der Einrichtung 6, eine pulsierende Gleichspannung angelegt, so daß in dem den Elektroden lib, \2b, 13i> ... entsprechenden Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers 1 nahe der Isolierschicht 2 eine Verarmungszone erzeugt wird. Da diese Verarmungszone nur in demjenigen Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers 1 entsteht, der sich unmittelbar unter den mit der Gleichspannung beaufschlagten Elektroden befindet, werden an diesem Bereich Potentialwälle gebildet.

In diesem Zustand wird Licht 4 von einem Bild auf den Halbleiterkörper 1, und zwar von dessen Oberoder Unterseite her, mittels der Einrichtung 3 gerichtet, wodurch Ladungsträger in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden. Die Ladungsträgermenge ist proportional zu der Intensität des Bildlichts. Die so eingeleiteten Ladungsträger sammeln sich an den Potentialwällen.

Sodann wird eine Gleichspannung, die größer ist, als die bereits an den Elektroden 1 Ib. 126, \3b... anliegende Spannung, den anderen Elektroden lic, 12c. 13c..., die den Elektroden Wb. \2b. \3b ... benachbart sind.

mittels der Zuleitungseinrichtung 7 zugeführt, was zur Folge hat, daß unter diesen Elektroden tiefere Potentialwälle gebildet werden.

Da die Ladungsträger von den seichten Potentialwällen zu den tieferen verschoben werden, gelangen sie an denjenigen Oberflächenbcrcich des Halbleiterkörpers I, der sich unmittelbar unterhalb der nächsten Elektroden 1 Ic, 12c, 13c ... befindet. Nach dem Übergang der Ladungsträger wird die an den Elektroden 116,126,13£> ... anliegende Gleichspannung abgeschaltet, und die Spannung an den nächsten Elektroden Uc, 12c, 13c... wird auf das Niveau erniedrigt, das der vorherigen Spannung an den Elektroden Hb, YIb, Mb... gleich ist. Dieser Zustand zeigt an, daß die Ladungsträger, die ursprünglich unmittelbar unterhalb der Elektroden 116, \2b, Yib... gesammelt waren, vollständig auf den unmittelbar unterhalb der nächsten Elektroden lic, 12c, 13c ... befindlichen Bereich des Halbleiterkörpers übertragen worden sind.

Indem wiederholt Gleichspannungen in ähnlicher Weise wie oben angelegt werden, ist es möglich, die Ladungsträger von Elektrode zu Elektrode zu übertragen. Die Ladungsträger werden ferner von der Detektoreinrichtung 8 als Ausgangssignal wahrgenommen, dessen Intensität der Ladungsträgermenge entspricht.

Die Grundsätze und grundsätzlichen Bauformen von ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen sind in dem obenerwähnten Aufsatz im einzelnen beschrieben.

Obwohl die mit einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitende Bildaufnahmevorrichtung im Prinzip oben beschrieben ist, besteht bei derartigen Aufnahmevorrichtung ein Problem darin, daß bei schwacher Intensität des Bildlichts die Menge der in den Halbleiterkörper t eingeleiteten Ladungsträger gering ist und daher diese geringe Ladungsträgermenge die Detektoreinrichtung 8 nicht erreichen kann, weij, wie oben beschrieben, die Ladungsträger bei einem Übertragungsvermögen von weniger als 100% nicht übertragen werden können.

Diese Tatsache soll an Hand von F i g. 2 erklärt werden. In F i g. 2 ist an der Abszisse die Lichtintensität und an der Ordinate die Ladungsträgermenge aufgetragen. Die Kurve a gibt die Menge der durch das Licht eingeleiteten Ladungsträger an, während die Kurve b die Menge der Ausgangs-Ladungsträger anzeigt.

Wie sich aus F i g. 2 ergibt, ist die Menge der durch Bestrahlen mit Licht eingeleiteten Ladungsträger proportional zur Intensität des bestrahlenden Lichts. Werden jedoch die eingeleiteten Ladungsträger längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers nahe der Isolierschicht übertragen, so vermindert sich die Menge der eingeleiteten und somit in den Halbleiterkörper übertragenen Ladungsträger. Diese Reduzierung in der Ladungsträgermenge wird relativ groß, wenn die Menge der eingeleiteten Ladungsträger klein ist Das heißt, daß das Gesamt-Übertragungsvermögen für die Ladungsträger um so kleiner ist, je geringer die Menge der eingeleiteten Ladungsträger ist. Ist nun die Menge der eingeleiteten Ladungsträger sehr gering, so werden am Ausgang keine Ladungsträger erkannt In Fig.2 gibt die Kurve b an, daß die Menge der Ausgangs-Ladungsträgere Null ist, wenn die Intensität des Lichtes geringer ist als m. Aus diesem Grund kann in einer mit einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitenden Bildaufnahmevorrichtung Licht geringer Intensität nicht erkannt werden; & h, daß dunkle Teile von Bildern nicht aufgenommen und die wiedergegebenen Bilder daher unscharf werden.

Die Abhilfe soll im folgenden grundsätzlich an Hand von F i g. 3 erläutert werden. In F i g. 3 ist wiederum an der Abszisse die Intensität des Lichts und an der Ordinate die Ladungsträgermcnge aufgetragen, wobei die Kurve c die Menge der von dem Licht eingeleiteten Ladungsträger und die Kurve d die Menge an Ausgangs-Ladungsträgern angibt.

Bekanntlich ist in einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung die Ladungsträgermenge Q, die sich in einem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb einer Elektrode mit der Fläche S speichern läßt, durch die Gleichung

Q=KSV

gegeben, wobei K eine Konstante ist und V die an der Elektrode liegende Spannung bedeutet. Die speicherbare Ladungsträgermenge Q läßt sich also durch Steuern der Elektrodenfläche S ändern. Werden nun die Ladungsträger durch bestimmte Mittel, beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an den pn-übergang der ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung in Durchlaßrichtung, die Einführung des Lawinenphänomens in der Metalloxid-Halbleiterstruktur, durch Bestrahlung oder Beleuchtung, in den Halbleiterkörper eingeleitet, so werden diese in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der Elektroden in einer Ladungsträgermenge Q gespeichert, wobei sich die Menge C? aus dem Produkt der Elektrodenfläche S, der an die Elektrode angelegten Spannungen Vundder Konstanten K bestimmt.

Angenommen, in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb jeder Elektrode werden Ladungsträger in einer Menge gespeichert, die etwa einer Hälfte der unterhalb der Übertragungselektroden speicherbaren Menge Q gleich ist, so weist die mit der ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitende Bildaufnahmevorrichtung einen Zustand auf, der dem Fall äquivalent ist daß auf den Halbleiterkörper ständig Bildlicht fällt, dessen Intensität etwa die Hälfte der Intensität desjenigen Lichtes beträgt durch das die maximale Menge Q der unter der Übertragungselektrode zu speichernden Ladungsträger eingeleitet wird. Dieser Zustand bedeutet nach Fig. 2, daß die Lichtintensität 0,5 und die Ausgangs-Ladungsträgermenge B betragen. Mit anderen Worten heißt das, daß dem Halbleiterkörper eine Grundmenge an Ladungsträgern zugeführt wird. Daher ist selbst dann, wenn die Lichtintensität 0 ist, die Ausgangs-Ladungsträgermenge B, so daß auch sehr kleine Ladungsträgermengen erkennbar werden.

Gemäß der obigen Beschreibung beträgt die Grundmenge an Ladungsträgern etwa 0,5; dieser Wert kann jedoch beispielsweise auch auf 0,4 geändert werden, in diesem Fall beträgt die Ladungsträger-Ausgangsmenge L, wenn die Intensität des Bildlichtes 0 ist

Auch die hier beschriebene, mit einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitende Bildaufnahmevorrichtung nutzt den linearen Teil der Kennlinie Lichtintensität zu Ausgangssignal der Halbleitereinrichtung aus.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der F i g. 4 bis 9 erläutert

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 handelt es sich um eine mit einer ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtung arbeitende Bildaufnahmevorrichtung mit zwei Reihen von Elektroden, von denen die eine dazu dient die in einen Halbleiterkörper durch Bildlicht eingeleiteten Ladungsträger zu speichern, während die andere zur Speicherung der Ladungsträger-Grundmenge vorgese-

hen ist, wobei die gespeicherten Ladungsträger und die Ladungsträger-Grundmenge miteinander vermischt werden.

Die in F i g. 4 gezeigte Ausführung umfaßt im einzelnen eine erste Reihe von Elektroden 25a, 256, 25c, 26a, 26b, 26c..., 30a, 30ύ, 30c, die über eine Isolierschicht auf dem Halbleiterkörper angeordnet sind, sowie eine zweite Reihe von Elektroden 31a, 316, 31c, 32a, 326, 32c... 36a, 360, 36c, die ebenfalls über die Isolierschicht auf dem Halbleiterkörper an den Elektroden der ersten Reihe entsprechenden Stellen angeordnet sind, ferner zwischen den Elektroden der ersten und der zweiten Reihe an entsprechenden Stellen angeordnete Gate-Elektroden 37,38,39,40,41,42... 52,53,54, die wiederum über die Isolierschicht auf dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Ferner umfaßt die Ausführungsform nach F i g. 4 eine Einrichtung 55, die nahe den Elektroden 31a, 3\b, 31c, 32a, 32b, 32c ... 36a, 366, 36c angeordnet ist und dazu dient, in den Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb dieser Elektroden der zweiten Reihe eine Ladungsträger-Grundmenge einzuführen, ferner Einrichtungen 56 und 57 zur Erkennung der Ladungsträger, Einrichtungen 58, 59, 60 sowie 61, 62, 63 zur Zuführung von pulsierenden Gleichspannungen an die beiden Elektrodenreihen zur Übertragung von Ladungsträgern längs der Halbleiteroberfläche, wobei diese Einrichtungen in der in Fig.4 gezeigten Weise mit den Elektroden der beiden Reihen verbunden sind, und schließlich eine Einrichtung Elektroden 64 zur Zuführung einer Gleichspannung an die Gate-Elektroden 37, 38, 39, 40, 41, 42 ...52,53,54.

Diese Bildaufnahmevorrichtung arbeitet folgendermaßen. Trifft Bildlicht auf einen der ersten Elektrodenreihe entsprechenden Teil des Halbleiterkörpers und liegt an einer Reihe aus den Dreiergruppen der ersten Elektrodenreihe, beispielsweise an den jeweils zweiten Elektroden 25b, 26b ... 306 eine Gleichspannung aus der Zuführeinrichtung 59, so werden die durch das Bildlicht in den Halbleiterkörper eingeleiteten Ladungsträger in dem Halbleiterkörper unmittelbar unter diesen zweiten Elektroden 256, 266 ... 306 gespeichert. Wird ferner eine Ladungsträger-Grundmenge durch die Zuführeinrichtung 55 in den Halbleiterkörper eingeleitet und liegen an den Elektroden 31a, 316,31c, 32a, 326,32c ... 36a, 366, 36c pulsierende Gleichspannungen in entsprechender zeitlicher Beziehung aus den Zuführeinrichtungen 61,62,63, so werden die Ladungsträger dieser Grundmenge längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers unmittelbar unterhalb der Elektroden der zweiten Reihe übertragen. Die Einleitung von Ladungsträgern der Grundmenge in den Halbleiterkörper wird fortgesetzt, bis diese Ladungsträger den gesamten Bereich unter den Elektroden der zweiten Reihe durchsetzen. Sodann wird an die Elektroden 316, 326, 366, die eine Reihe der Dreiergruppen unter den Elektroden der zweiten Reihe bilden, eine Gleichspannung angelegt, wodurch die Ladungsträger der Grundmenge in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der zweiten Elektroden 316,326... 366 gespeichert werden.

In diesem Zustand wird an die Gate-Elektroden 37, 38,39, 40,41,42... 52,53, 54 eine Gleichspannung aus der Zuführeinrichtung 64 angelegt, wodurch an denjenigen Bereichen des Halbleiterkörpers Kanäle gebildet werden, die den Bereichen zwischen den Elektroden der ersten Reihe und denen der zweiten Reihe entsprechen, beispielsweise zwischen den Elektroden 256 und 316, 266 und 326... 306 und 366. Über diese Kanäle werden die Bereiche unmittelbar unter den Elektroden der ersten Reihe und die unter den Elektroden der zweiten Reihe, beispielsweise also der Bereich unter der Elektrode 256 und der unter der Elektrode 316, der Bereich unter der Elektrode 266 und der unter der Elektrode 326 ..., der Bereich unter der Elektrode 306 und der unter der Elektrode 366, elektrisch miteinander verbunden. Dadurch werden die durch das Licht in den Halbleiterträger eingeleiteten Ladungsträger sowie die Ladungsträger-Grundmenge miteinander vermischt. Sind die Flächen der Elektroden der ersten Reihe und die der Elektroden der zweiten Reihe einander gleich und sind ferner auch die den Elektroden der ersten und denen der zweiten Reihe zugeführten Spannungen gleich, so ist die in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der Elektroden 256, 266 ... 306 gespeicherten Ladungsträgermenge der in dem Halbleiterkörper unmittelbar unter den 316, 326 ... 366 gespeicherten Ladungsträgermenge gleich, d. h. gleich der Hälfte der Summe aus den Ladungsträgern unter den Elektroden 256, 266 ... 306 und der Ladungsträger-Grundmenge unter den Elektroden 316, 326 ... 366. Ist beispielsweise die Ladungsträgermenge unter den Elektroden 256, 266 ... 306 jeweils gleich Ql und ist die Ladungsträger-Grundmenge unter den Elektroden 316,326 ... 366 jeweils gleich Q_B vor der Bildung der Kanäle, so sind die Ladungsträgermengen zwischen den Elektroden 256, 266 ... 306 und 316,326... 366 nach der Mischung der beiden Mengen Ql und Qb durch die Kanalbildung jeweils gleich V₂ (Ql + Qb)- Die Ladungsträger-Grundmenge wird also zu den durch das Bildlicht in den Halbleiterkörper eingeführten Ladungsträgern hinzuaddiert.

Die unter den Elektroden 256,266... 306 gespeicherten Ladungsträger werden längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers nahe der Isolierschicht auf die Ladungsträger-Erkennungseinrichtung 56 übertragen, indem den Elektroden 25a, 26a ... 30a; 256, 266 ... 306; 25c, 26c ... 30c in entsprechender zeitlicher Beziehung durch die Zuführeinrichtung 58, 59, 60 pulsierende Gleichspannungen zugeführt werden, und in der Einrichtung 56 werden die übertragenen Ladungsträger erkannt. Ebenso werden die unter den Elektroden 316,326 ... 366 gespeicherten Ladungsträger längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers nahe der Isolierschicht zu der Erkennungseinrichtung 57 übertragen, indem an die Elektroden 31a, 32a...36a; 316,326... 366; 31c, 32c... 36c pulsierende Gleichspannungen in entsprechender zeitlicher Beziehung durch die Zuführeinrichtungen 61, 62, 63 angelegt werden, wobei die übertragenen Ladungsträger von der Einrichtung 57 erkannt werden.

In Fig.5 sind die gleichen Teile wie in Fig.4 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In der Schaltung nach Fig.5 sind die Einrichtung 57 zum Erkennen der Ladungsträger sowie die Einrichtungen 61, 62 und 63 zum Zuführen von Gleichspannungen zum Übertragen der Ladungsträger-Grundmenge längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers nahe der Isolierschicht auf die Einrichtung 57 zum Erkennen der Ladungsträger weggelassen, während eine Halbleiterzone 65, deren elektrischer Leitungstyp gegenüber dem des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, eine Gate-Elektrode 66 zur Bildung eines Kanals in dem Halbleiterkörper sowie eine Elektrode 67 zur Zuführung einer Vorspannung an den zwischen dem Halbleiterkörper und der Halbleiterzone 65 gebildeten pn-übergang zusätzlich vorgesehen sind

Wird die Vorspannung in Durchlaßrichtung an den pn-Übergang angelegt, so werden, wie oben erwähnt, Ladungsträger in den Halbleiterkörper eingeleitet Die-

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se eingeleiteten Ladungsträger werden zu der zweiten Reihe von Elektroden geleitet, indem durch Anlegen einer Gleichspannung an die Gate-Elektrode 66 ein Kanal in dem Halbleiterkörper unmittelbar unter der Gate-Elektrode gebildet wird. Die weitergeleiteten Ladungsträger werden in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der Elektroden 31a, 31 6, 31c, 32a, 326, 32c ... 36a, 366,36c gespeichert, indem aus einer Zuführeinrichtung 103 eine Gleichspannung an diese Elektroden der zweiten Reihe angelegt wird. Die gespeicherten Ladungsträger bilden die Ladungsträger-Grundmenge und verteilen sich gleichmäßig unter den einzelnen Elektroden der zweiten Reihe.

Andererseits werden die durch das Bildlicht eingeleiteten Ladungsträger durch die in Fig.4 gezeigten Mittel unter einer Elektrodenreihe aus den Dreiergruppen von Elektroden der ersten Reihe gespeichert.

In diesem Zustand wird eine Gleichspannung an die Gate-Elektroden 37, 38, 39, 40, 41, 42 ... 52, 53, 54 angelegt, wodurch Kanäle in dem Halbleiterkörper unmittelbar unter diesen Gate-Elektroden gebildet werden; daher mischen sich die unter den Elektroden der ersten Reihe gespeicherten Ladungsträger mit den Ladungsträgern der Grundmenge. Die durch das Bildlicht eingeleiteten Ladungsträger werden dabei durch die Ladungsträger der Grundmenge aufgestockt, so daß die Ladungsträger-Ausgangsmenge selbst dann erkennbar wird, wenn die durch das Bildlicht eingeleitete Ladungsträgermenge gering ist.

Gemäß der obigen Beschreibung werden in Fig.5 zur Übertragung der Ladungsträger Gleichspannungen an die Elektroden der ersten Reihe angelegt; wie ersichtlich, läßt sich die Überführung von Ladungsträgern jedoch auch dadurch erzielen, daß derartige Gleichspannungen an die Elektroden der zweiten Reihe gemaß F i g. 4 angelegt werden.

In Fig.6 sind die gleichen Teile wie in Fig.5 mit gleichen Bezugsziffern angegeben, wobei Einrichtungen zur Einleitung einer Ladungsträger-Grundmenge nur nahe denjenigen Bereichen angeordnet sind, die den Bereichen entsprechen, an denen die durch das Bildlicht eingeleiteten Ladungsträger gespeichert werden sollen.

Angenommen, die durch das Bildlicht eingeleiteten Ladungsträger werden in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der zweiten Elektroden aus den Dreiergruppen der Elektroden der ersten Reihe gespeichert, d. h. unter den Elektroden 256, 266 ... 3Oi, so sind gemäß Fig.6 die Einrichtungen zum Einleiten der Ladungsträger-Grundmenge nahe diesen Elektroden 25b, 26b ... 300 angeordnet. In der Schaltung nach F i g. 5 sind die Einrichtungen zur Erzeugung der Ladungsträger-Grundmenge vereinigt, in F i g. 6 sind sie getrennt.

Die Ladungsträger-Grundmenge wird erzeugt und in den Halbleiterkörper eingeleitet, indem an Halbleiterzonen 68, 69 ... 73 über Elektroden 80, 81 ... 85 eine Gleichspannung aus einer Zuführeinrichtung 87 angelegt wird, wobei diese Ladungsträger der Grundmenge an die Elektroden 31 b, 32b... 366 durch Anlegen einer Gleichspannung aus einer Zuführeinrichtung 86 an Gate-Elektroden 74,75... 79 geleitet werden. Diese eingeführten und weitergeleiteten Ladungsträger der Grundmenge werden in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der Elektroden 316,326... 366 gespeichert, indem an diese Elektroden eine Gleichspannung aus der Zuführeinrichtung 103 angelegt wird. Währenddessen werden die durch das Bildlicht in den Halbleiterkörper eingebrachten Ladungsträger unter den Elektroden 256,266... 306 gespeichert, wie in F i g. 4 gezeigt So-

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60 dann wird aus der Zuführeinrichtung 64 eine Gleichspannung an die Gate-Elektroden. 38,41... 53 angelegt, wodurch die Ladungsträger der Grundmenge und die durch das Licht in den Halbleiterkörper eingebrachten und unter den Elektroden 256,266... 306 gespeicherten Ladungsträger miteinander gemischt weiden. Die bedeutet, daß die durch das Bildlicht eingebrachten Ladungsträger durch die Ladungsträger-Grundmenge aufgestockt werden, so daß die Ladungsträger-Ausgangsmenge selbst dann erkennbar wird, wenn die Menge der durch das Bildlicht eingebrachten Ladungsträger gering ist.

Bei der in F i g. 7 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die zweite Reihe von Elektroden, wie sie in den Schaltungen nach den F i g. 4,5 und 6 vorgesehen ist, weggelassen. Die in den Halbleiterkörper durch Bildlicht eingebrachten Ladungsträger werden gemäß F i g. 4 unter den Elektroden 256, 266 ... 306 gespeichert, während gemäß F i g. 7 eine Ladungsträger-Grundmenge durch Anlegen einer Gleichspannung an eine Halbleiterzone 88 in den Halbleiterkörper eingebracht wird. Die eingeführte Ladungsträger-Grundmenge wird durch Anlegen einer Gleichspannung an die Gate-Elektroden 37, 38, 39, 40, 4t, 42 ... 52, 53, 54 weitergeleitet und mit den unter den Elektroden 256, 266 ... 306 gespeicherten Ladungsträgern vermischt. Dadurch werden die durch das Licht in den Halbleiterkörper eingebrachten Ladungsträger mit der Ladungsträger-Grundmenge aufgestockt. Die Ladungsträger-Grundmenge wird dadurch gesteuert, daß die an den Gate-Elektroden 37, 38, 39, 40, 41, 42 ... 52, 53, 54 liegende Gleichspannung gesteuert wird.

Gemäß F i g. 8, in der eine gegenüber der Vorrichtung nach F i g. 7 vereinfachte Ausführungsform gezeigt ist, werden die durch das Bildlicht in den Halbleiterkörper eingebrachten Ladungsträger nur unter den Elektroden 256, 266 ... 306 gespeichert, und die Ladungsträger-Grundmenge wird nur unter die Elektroden 256, 266... 306 eingebracht.

Die Ladungsträger-Grundmenge wird dabei durch Anlegen einer Gleichspannung an Halbleiter/.oncn 89, 90... 94 erzeugt, deren Leitungstyp gegenüber dem des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, wobei die Spannungszuführung über Elektroden 95, 96 ... 100 aus einer Zuführeinrichtung 101 erfolgt. Da auch- die La_: dungsträger-Grundmenge unter die Elektroden 256, 266...306 gebracht wird, werden die durch das Bildlicht eingebrachten Ladungsträger mit der Ladungsträger-Grundmenge vermischt.

Bei der in F i g. 9 gezeigten weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die durch das Bildlicht in den Halbleiterkörper eingebrachten Ladungsträger unter einer ersten Reihe von Elektroden gespeichert, mit einer unter einer zweiten Reihe von Elektroden gespeicherten Ladungsträger-Grundmenge gemischt und längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers unmittelbar unterhalb der Elektroden der zweiten Reihe übertragen.

Die in den Halbleiterkörper eingeleiteten Ladungsträger werden unter der ersten Reihe von Elektroden 25a, 256,25c; 26a, 266,26c... 30a, 306,30c gespeichert, indem an die Elektroden eine Gleichspannung aus einer Zuführeinrichtung 102 angelegt wird. Wie in F i g. 4 wird die Ladungsträger-Grundmenge unter den Elektroden der zweiten Reihe gespeichert In diesem Zustand wird aus der Zuführeinrichtung 64 eine Gleichspannung an die Gate-Elektroden 37,38,39,40, 41,42 ... 52,53,54 zur Bildung von Kanälen angelegt wobei die durch das Bildlicht eingeleiteten Ladungsträger und die Ladungs-

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träger-Grundmenge miteinander gemischt werden. Die gemischten Ladungsträger werden längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers unmittelbar unter den Elektroden 31a, 3\b, 31c, 32a, 32b, 32c... 36a, 36b, 36c der zweiten Reihe übertragen, indem an die Elektroden 31a, 32a ... 36a; 31ö, 32b... 36b; 31 c, 32c... 36c Gleichspannungen aus den Zuführeinrichtungen 61, 62, 63 in entsprechender zeitlicher Beziehung angelegt werden, und die übertragenen Ladungsträger werden durch die Detektoreinrichtung 57 erkannt, ίο

In den obigen Ausführungsbeispielen sind mit ladungsgekoppelten Halbleitereinrichtungen arbeitende Bildaufnahmevorrichtungen beschrieben, bei denen dreiphasig pulsierende Gleichspannungen zur Übertragung der Ladungsträger verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch auch bei solchen mit ladungsgekoppelten Haibleilereinrichtungen arbeitenden Bildaufnahmevorrichtungen, bei denen zweiphasig oder vierphasig pulsierende Gleichspannungen benutzt werden, oder auch bei solchen Bildaufnahmevorrichtungen anwendbar, die mit Halbleitereinrichtungen arbeiten, bei denen die Ladungsträger, bildlich gesprochen, wie die Eimer bei einer Löschkolonne weitergegeben werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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β

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Claims

Patentansprüche:

1. Bildaufnahme vorrichtung, umfassend einen Halbleiterkörper, eine auf eine Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachte Isolierschicht, eine Einrichtung zum Belichten des Halbleiterkörpers mit einem Bild, wodurch in dem Halbleiterkörper Ladungsträger induziert werden, eine auf der Isolierschicht aufgebrachte Reihe von jeweils mehreren Elektroden (25a, 256, 25c... 30a, 306,30c) umfassenden Elektrodengruppen zum Speichern der induzierten Ladungsträger in dem Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der Elektroden, mehrere Spannungsquellen (58 ... 60) zur Zuführung von Gleichspannungen an Elektroden zum Speichern und Übertragen der Ladungsträger, eine Detektoreinrichtung (56, 57) zur Erkennung der übertragenen Ladungsträger, sowie eine Einrichtung zum Einbringen einer Ladungsträger-Grundmenge in den Halbleiterkörper unmittelbar unterhalb der Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einbringen der Ladungsträger-Grundmenge mehrere aus einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle (55; 87; 101) gespeiste und jeweils mit mindestens einer Elektrode (25b, 26b ... 30b) jeder Elektrodengruppe (25a, b.c.. 26a, b.c.. 30a, b, c) über steuerbare Gate-Elektroden (37... 54) koppelbare weitere Elektroden (31a, 31b, 31c... 36a, 366, 36c) oder Halbleiterzonen (88; 89, 90, 94) mit zum Halbleiterkörper entgegengesetztem Leitungstyp umfaßt, und daß die Gate-Elektroden (37 ... 54) nach jedem Induzieren von dem Bild entsprechenden Ladungsträgern unter den erstgenanten Elektroden (256, 266 ... 306,) undnach jedem Einbringen von Ladungsträgern der Grundmenge unter die weiteren Elektroden (31 a, 316,31 c... 36a, 366,36ς> bzw. in die Haibleiterzonen (88; 89, 90,94) zur Mischung der Ladungsträger aufgesteuert werden.

2. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elektroden (31a, 316,31c... 36a, 366,36c; in einer zweiten Reihe angeordnet sowie mit weiteren Spannungsquellen (61 ... 63) zur Zuführung von pulsierenden Gleichspannungen zum Übertragen der Ladungsträger und mit einer Detektoreinrichtung (57) zum Erkennen der übertragenen Ladungsträger verbunden sind (F ig. 4,9).

3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einbringen der Ladungsträger- Grundmenge unter die weiteren Elektroden (31a, 316, 31c... 36a, 366, 36c) mindestens eine nahe diesen angeordnete Halbleiterzone (65; 68, 69, 73) umfaßt, deren elektrischer Leitungstyp dem des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, so daß zwischen der (65) bzw. jeder Halbleiterzone (68, 69, 73) und dem Halbleiterkörper ein pn-übergang besteht, ferner eine auf der Isolierschicht zwischen den weiteren Elektroden (31a, 316, 31c... 36a, 366, 36c) und der bzw. jeder Halbleiterzone (65; 68,69,73) angeordnete weitere Gate-Elektroden (66; 74, 75, 79), eine mit der bzw. jeder Halbzone verbundene Elektroden (67; 80, 81, 85), eine Spannungsquelle (86) zur Zuführung einer Gleichspannung an die weiteren Gate-Elektroden (66; 74, 75, 79) sowie eine Spannungsquelle (87) zur Zuführung einer Gleichspannung an die mit den Halbeiterzonen verbundenen Elektroden (67; 80, 81, 85) zur Vorspannung des bzw. jedes pn-Übergangs in Durchlaßrichtung umfaßt (F i g. 5,6).