DE2345784B2 - Ladungsgekoppelte strahlungsfuehlermatrix - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Strahlungsfühlermatrix, bestehend aus einem Substrat und mindestens zwei benachbarten Reihen oder »Kanälen« von Ladungsspeicherstelien, die bei Erregung durch ίο Strahlungsenergie Ladungen am Substrat speichern und deren jede eine Elektrodenanordnung aufweist, welche auf ein derartiges Potential legbar ist, daß sie zur Bildung einer Sperre für einen Ladungsfluß aus der betreffenden Speicherstelle in die nächstbenachbarte Speicherstelle derselben Reihe führt.

Eine derartige Matrix ist aus der Zeitschrift IEEE Transactions on Electron Devices (Band ED-18, Nr. 11, November 1971, S. 986 bis 992) bekannt. Bei Strahlungsfühlermatrizen dieser Gattung wird die an

zo einer Speicherstelle gesammelte Ladung durch die Sperre, welche infolge des Potentials der jeweiligen Elektrodenanordnung entsteht, so lange an dieser Stelle aufbewahrt, bis sie durch kontrollierte Änderung des Elektrodenpotentials weitergegeben wird. Um eine

Begrenzung zwischen den benachbarten Reihen oder Kanälen zu bilden, sind im bekannten Fall zwischen den einzelnen Kanälen Metallelektroden mit derartiger Vorspannung vorgesehen, daß sich an diesen Orten Hache Verarmungszonen bilden. Diese Zonen sollen

verhindern, daß die in einem Kanal befindliche Ladung in den benachbarten Kanal übergeht.

Wenn auf eine Matrix aus lichtfühlenden Ladungsspeicherelementen ein Bild projiziert wird, welches in bestimmten Bereichen sehr viel heller als in anderen Bereichen ist. dann werden die mit diesem intensiven Licht (welches lO'inal heller als die mittlere Helligkeit des Bildes sein kann) bestrahlten Teile der Matrix überbelastet. Im Falle einer ladungsgekoppelt) Lichtfühhermatrix kann die auf eine bestimmte Stelle der Matrix treffende intensive Strahlungsenergie unter Umständen viel mehr Ladung erzeugen, als von dieser Stelle gespeichert werden kann. Es besteht dann die Gefahr, daß diese übermäßige Ladung vorzeitig durch den ladungsgekoppelten Kanal in die benachbarten Ladungsspeicherstelien dieses Kanals fließt, indem sie die durch die Potentiale der Elektrodenanordnung gebildeten Sperren überwindet. Außerdem kann die übermäßige Ladung unter Umständen auch auf benachbarte ladungsgekoppelte Kanäle übergreifen.

Dieses Überlaufen der Ladung äußert sich in beiden Fällen als Lcuchtflccküberhcllung oder sogenanntes »Überstrahlen« des von der Matrix ausgelesenen Bildes. Das heißt mit anderen Worten, die Quelle der intensiven Strahlungsenergie nimmt auf dem ausgelesenen und anschließend wiedergegebenen Bild eine viel größere Fläche ein als beim Original.

Das Problem des Übcrstrahlcns kann auch ir.it den kanalbegrenzenden Metallelektrode)! der bekannten Matrix nicht zur Zufriedenheit gc'lösi werden Wenn

(χ.) r,;,rnlich die durch die Elektrodenanordnung zwischen ier: em/elnen Speicherstellen gebildeten Potentalspei reu :,iedrij_'er sind als die durch die kanalbegren/.eiiden Metallelektrode!! gebildeten l'otentUiisehweücn /wischen der, Kanälen, dann ergießen sich die durdi eine

«ο intensive Bestrahlung einer .Speicherstelle ergebenden überschüssigen Ladungsträger in die benachbarten Speichersiellen desselben Kanals. Wenn andererseits die kanalbegrenzenden Potentialschwellcn niedriger

and als die Sperren zwischen benachbarten Speicheritellen desselben Kanals, dann ergießt sich die überschüssige Ladung über die kanalbegrenzenden Schwellen in den benachbarten Kanal. Im einen wie im anderen Fall ergibt sich also das unerwünschte s Überstrahlen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das sogenannte Überstrahlen bei ladungsgekoppelten Strahlungsfühlermatrizen wirksam zu verhindern. Bei einer Matrix der eingangs beschriebenen Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäb dadurch gelöst, daß im Substrat zwischen den beiden Reihen oder Kanälen eine Sammelschiene eingebettet ist, die auf einem Potential gehalten ist, welches sie zu einem Abfluß für Ladungen macht; daß eine Einrichtung vorhanden ist, die zwischen jeder Reihe und der Sammelschiene eine Potentialschwelle bildet, die niedriger ist als die besagte Sperre zwischen den Speicherstellen ein und derselben Reihe, jedoch ausreichend hoch, um das Ansammeln reichlicher Ladungsmengen in einer Speicherstelie als zo Antwort auf deren Erregung mit Strahlungsenergie zu gestatten.

Das Vorhandensein einer Sammelschiene und die niedrigere Höhe der seitlichen Potentialschwellen gegenüber den Sperren zwischen den Speicherstellen derselben Reihe führen dazu, daß jede überschüssige Ladung einer Speicherstelle eher über die seitliche Poteniialschwelle zur Sammelschiene fließt, als sich in die benachbarte Speicherstelle derselben Reihe zu ergießen. Ein Überlaufen in die benachbarte Reihe wird aber durch die Auslegung der Sammelschiene als Abfluß wirksam verhindert. Bei der erfindungsgemäßen Matrix kann somit kein Überstrahlen auftreten.

Während das vorstehend beschriebene Lösungsprinzip den Gegenstand des Palentanspruchs 1 bildet, sind vorteilhafte Ausführungsformen der Sammelschiene bzw. der Einrichtung zur Bildung der Potentialschwelle zwischen jeder Ladungsspeicherreihe und der Sammelschiene in den Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Potential, welches einer die seitliche Potentialschwelle bildender, Elektrode angelegt ist. veränderbar sein, um die Höhe der Potentialschwelle zwischen jeder Reihe und der Sammelschiene zu beeinflussen. Hiermit läßt sich beispielsweise das maximale Ladungssignal festlegen, welches während der Belichtungszeit in einem Ladungsspeicherelement gesammelt werden kann. In einer besonderen Auslührungsform kann hierbei das der besagten Elektrode angelegte Potential so weit veränderbar sein, daß sich die Höhe der Potentialschwelle zwischen jeder Reihe und der Sammelschiene ausreichend weit verändern läßt, um zumindest den größten Teil der sich ansonsten in den Reihen ansammelnden Ladung zur Sammelschiene abzuleiten. Hierdurch wird gleichsam ein elektronischer Beiichtungsverschluß für die Matrix hergestellt, da in diesem Fall als Antwort auf eine einfallende Strahlung praktisch kein verwertbares Ladungssignal in den Reihen erzeugt wird. Gemäß einer weiteren Ausfühmngsform der Erfindung kann auch das Potential der Sammelschiene veränderbar sein, womit praktisch eine elektronische veränderbare Irisblende geschaffen wird, denn je nach dem Potential der Sammelschiene werden mehr oder weniger optisch erzeugte Ladungsträger direkt zur Sammelschiene gezogen. 6;

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen ausführlich erläutert. Pi σ 1 7eiei schematisch eine Anordnung aus einer Foiofühlermatrix, einer Zwischerspeichermatrix für die Ladungssignale und einem Ausgangsregimer;

F i g. 2a bis 2c zeigen Querschnitte durch verschiedene Formen bekannter Lichtfühlermatrizen, um zu veranschaulichen, wie die Strahlungsenergie (im vorliegenden Beispiel Uchtenergie) empfangen werden kann;

F i g. 3 zeigt perspektivisch und teilweise im Quer schnitt einen Teil einer zweiphasigen ladungsgekoppelten Lichtfühiermatrix in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 4, 5 und 6 sind verschiedene Schnittansichten des in F i g. 3 gezeigten Aufbaus;

F i g. 7 und 8 zeigen Signalverläufe für den Betrieb der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Matrix auf zwei verschiedene Arten;

i^; i g. 9 zeigt die Potentialsenken, die beim Betrieb der Lichtfühlermatrix mit den in Fi g. 7 gezeigten Signalen gebildet werden;

Fig. 10 zeigt die Potentialsenken, die beim Betrieb der Lichtfühlermatrix mit den in Fig. 8 gezeigten Signalen gebildet werden;

F i g. 11 zeigt ein vierphasiges Steuersignal, weiches für den Betrieb einer erfindungsgemäßon Lichtfühiermatrix geeignet ist;

Fig. 12 zeigt die Matrix mit den Poicntialschw eilen, wie sie sich bei der Steuerung mn den in Γ i g. 11 gezeigten Signalen ergeben;

Fig. 13a zeigt einen Querschnitt durch eine Fotofühlermatrix gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13b zeigt die Poteniialsenken. die durch die an die Überstrahlungs-Samtnelschienen gemäß Fig. 13a gelegtem Potentiale entstehen;

Fig. 14a zeigt eine dritte Ausführungsform der Lichtfühlermatrix;

F i g. 14b und 14c zeigen die Potentialsenken, die sich währenddes Betriebs der Matrix nach Fig. 14 a bilden;

F i g. 15 zeigt die Matrix nach F i g. 14 in Richtung der Kanäle und die während ihres Betriebs gebildeten i'otentialsenken.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthalt eine Lichtfühiermatrix tO, eine Zwischenspeichermatrix 12 mit derselben Anzahl von Stellen oder «Plätzen«, wie die Matrix 10, und ein Ausgangsrcgister 14 mit einer Anzahl von Stufen, die der Anzahl der Stellen in einer Reihe der Matrix 10 entspricht. Im Betrieb der Lichtfühiermatrix erzeugt ein auf die Matrix projizienes .Strahlungsbild (z. B. ein sichtbares oder ein Infrarotbild) jeweils ein Ladungssignal an den Fühlstellen 16<i. lbfo usw. Im einzelnen wird bei einem ladungsgekoppelten System der dargestellten Art eine Elektrode wie z. B. 16a anfänglich auf irgendeinem festen Potential gehalten, welches so bemessen ist, daß an der Oberfläche des Substrats 18 Ladung gespeichert werden kann. Durch auf das Substrat treffende Strahlungsenergie werden Minoritätsträger (das »Ladungssignal«) erzeugt, die sich auf der Oberfläcnc des Substrats 18 unmittelbar unter der Elektrode (z. B. \ba) ansammeln. Die Menge der während der Belichtungszeit (manchmal auch Integrationszeit genannt) angesammelten Ladungsträger ist proportional dem Betrag der eine Fühlstelle erreichenden Strahlungsenergie.

Nachdem sich eine ausreichende Zahl an Ladungsträgern angesammelt hat, werden die Ladungsträger aus der l.ichtfühlermairix in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben. Diese Verschiebung geschieht bei dargestellten AusführungsbiMspiel mittels zweier, jeweils zweiphasiger Spannungen Φλι. Φμ und <Pm. Φ κ. (bin

drei- oder vierphasiger Betrieb ist ebenfalls möglich.) Während der Verschiebung ist Φ_Α\ = Φβι und Φλι - Φψ-Nachdem die von der Matrix 10 gefühlte Information in ihrer Gesamtheit in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben worden ist, wird sie weiter, jeweils eine Reihe gleichzeitig, aus der Zwischenspeichermatrix 12 zum Ausgang des Registers 14 geschoben. Während dieses letztgenannten Schiebevorgangs kann die Lichtfühlermatrix 10 wieder in einen zur Aufnahme eines Bildes bereiten Zustand versetzt werden.

Die Verschiebung des Inhalts der Matrix 12 in das Register 14 erfolgt mittels der Zweiphasenspannung Φβι, Φβ2· Jedesmal wenn die Information einer Reihe in das Ausgangsregister geschoben wird, gelangt sie mit Hilfe der Zweiphasenspannung Φα, Φα von diesem zur Ausgangsleitung 20. Die beiden Spannungen Φα. Φ ei haben natürlich eine viel höhere Frequenz als die beiden Spannungen Φβ\,Φβ2·

In der Praxis kann die Verschiebung des inhalts der Fotofühlermatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 während einer Zeitspanne erfolgen, die dem Vertikalaustastintervall des handelsüblichen Fernsehens entspricht, d. h. während einer Zeitspanne von beispielsweise 900 Mikrosekunden. Das Ausgangsregister 14 kann beispielsweise in 10 Mikrosekunden gefüllt werden, d. h. während des Horizontalrücklaufintervalls. Der Inhalt des Registers kann Bit für Bit während des Horizontalhinlaufintervalls (50 Mikrosekunden) in die Ausgangsleitung geschoben werden.

In den Fig. 2a, 2b und 2c ist gezeigt, wie in einer Matrix (z. B. in der Matrix 10) Licht empfangen werden kann. Bei dem einfachen Aufbau nach F i g. 2a, wo die ladungsgekoppelten Elektroden aus strahlungsundurchlässigem Metall wie z. B. Aluminium gebildet sind, wird die Strahlungsenergie (z. B. Lichtenergie) durch die obere Oberfläche empfangen und kann das Siliziumsubstrat durch die Zwischenräume zwischen den Aluminiumeiektroden erreichen. Bei dem in F i g. 2b gezeigten Aufbau sind einige Elektroden aus Aluminium und andere aus transparentem Polysilizium. Auch hier gelangt das Licht des Bildes von der oberen Oberfläche der Matrix zur Substratplatte. Der durch die Polysilizium-Elektroden dringende Teil des Lichts hat zur Folge, daß sich unter diesen Elektroden Ladungsträger an der Oberfläche des Siliziumsubstrats ansammeln.

Es ist auch möglich, die Substratplatte von unten zu belichten. Ein hierfür geeigneter Aufbau ist in F i g. 2c dargestellt. An denjenigen Stellen, wo das Licht empfangen werden soll, ist das P-leitende Substrat dünner und mit einer verhältnismäßig dünnen P + -leitenden Schicht versehen, um eine Oberflächen-Rekombination zu verhindern. Der Aufbau der Elektroden ist wie gewöhnlich und in der F i g. 2c nicht gezeigt.

Bei allen den dargestellten Matrixanordnungen bringt eine Überbelastung mit Strahlungsenergie Probleme mit sich. Das an einer Fühlstelle erzeugte überstarke Ladungssignal (Minoritätsträger) ergießt sich sowohl in den ladungsgekoppelten Kanal als auch in die benachbarten Kanäle, wodurch im ausgelesenen Bild ein Überstrahlen auftritt.

Die F i g. 3—6 zeigen Beispiele für eine Lösung dieses Problems. Die ladungsspeichernden Elektroden sind wie sonst ausgebildet und setzen sich zusammen aus Elektroden 20a, 22a, 24a usw., die aus Aluminium bestehen können, und aus Elektroden 22b, 24b und so weiter, die entweder aus Aluminium oder Polysilizium bestehen können. Für den vorliegenden Fall sei angenommen, daß die letztgenannten Elektroden aus Polysilizium bestehen. In der speziell dargestellten Anordnung liegen die b-Elektroden wesentlich dichter am Substrat als die a-Elektroden, und jede b-Elektrode ist mit jeweils einer zugeordneten a-Elektrode elektrisch verbunden. Dies hat den Zweck, unsymmetrische Senken im Substrat zu bilden, wenn Spannungen an die Elektroden gelegt werden. Durch die Unsymmetrie der Senken wird sichergestellt, daß der Ladungsfluß in nur einer Richtung erfolgt, wenn zweiphasige Steuerspannungen verwendet werden. Alles dies ist bereits in der deutschen Patentanmeldung P 22 01 150.3 beschrieben Die in der besagten Patentanmeldung beschriebenen anderen Elektrodenanordnungen sind ebenfalls geetg net für den weiter unten beschriebenen erfindungsge mäßen Aufbau.

Die Verbesserung bei dem hier zu beschreibenden Aufbau besteht in der Sammelschiene 30 gegen das »Überstrahlen« und in der ihr zugeordneten Elektrode 32. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung, wo das Substrat aus P-Ieitendem Silizium besteht, kann die Sammelschiene 30 eine N+ -Diffusionszone im Silizium sein. Diese Sammelschiene wird auf einen Potential gehallen, bei welchem sie als »Drain« (Abfluß) für Minoritätsträger wirkt, die im vorliegenden Beispiel Elektronen sind. Ein geeignetes Potential ist +10 Volt, wie in F i g. 6 gezeigt.

Die der Sammelschiene 30 zugeordnete Elektrode 32 verläuft nahe der Sammelschiene und in deren Länge. Vorzugsweise ist die Elektrode 32 breiter als die Sammelschiene 30 und überragt deren beide Ränder. Die Elektrode 32 wird auf wesentlich niedrigerem Potential als die Sammelschiene 30 gehalten, beispielsweise auf + 5,8 Volt.

Die Funktion einer solchen Elektrode 32 besteht darin, um die Sammelschiene herum Eiereiche mit Oberflächenpolential zu schaffen (44 und 46 in Fi g. 6). die unabhängig von den der Matrix angelegten Mehrphasenspannungen gesteuert werden. Diese Bereiche können sinngemäß mit »Überstrahlungssperren« bezeichnet werden. Eine einem Auflösungselement der Matrix entsprechende Potentialsenke, wie sie bei 40 in Fig. 6 dargestellt ist. wird rechtwinklig zu dem ladungsgekoppelten Kanal durch die Überstrahlungssperren begrenzt. Die Senke ist außerdem in der Richtung des ladungsgekoppelten Kanals begrenzt. Letzteres wird erreicht durch die Übertragungselektroden (z. B. 20a, 24a; zwischen Stufen des Kanals, welche die Potentialschwellen (wie z. B. 43 und 45 in Fig. 9b) erzeugen. Die Potentiale, auf welchen die Elektroden 32, 32a gehalten werden, sind sorgfältig so gewählt, daß die Potentialberge 44, 46 nach Fi g. 6 niedriger sind als die Potentialberge 43, 45 nach Fig.9b zwischen den Fühlstellen eines Kanals. Das Oberflächenpotential bei 44, 46 sei beispielsweise +4 Volt und bei 43, 45 sei es 5$ +3 Volt. Sollte ein Überstrahlen vorkommen, danr fließt daher die überschüssige Ladung über die niedrigere Überstrahlungssperre zur Sammelschiene und kann daher eher von dieser fortgeleitct werden al: von einer Fühlstelle in einem Kanal zur nächstbenach te barten Fühlstelle dieses Kanals zu fließen.

Die Funktion der Sammelschiene 30 und de zugeordneten Elektrode 32 ist am deutlichsten in de F i g. 6 und der F i g. 9b zu erkennen. Die F i g. 6 zeigt da Profil des Oberflächenpotentials über die Breite eine *S ladungsgekoppelten Kanals, und F i g. 9b zeigt das Prof des Oberflächenpotentials längs der Länge eine ladungsgekoppelten Kanals. Für den vorliegenden Fa sei angenommen, daß die Polysilizium-Elektrode 22b ai

einer Spannung von +14 Volt gehalten wird. Infolge dieser Spannung bildet sich eine Potentialsenke im P-leitenden Siliziumsubstrat, und zwar unmittelbar unterhalb des dicht am Substrat liegenden Teils der Elektrode. Es sei ferner angenommen, daß Licht- oder andere Strahlungsenergie von unten auf das Substrat projiziert wird. Schließlich sei angenommen, daß das Substrat den in Fig. 2c gezeigten Aufbau hat (in den Fig.6 und 9b nicht zu sehen). Das dieses Substrat erreichende Licht erzeugt Elektronen als Minoritälsträ- ,₀ ger, die in der Potentialsenke 40 gespeichert werden. Diese Senke ist natürlich nur ein Schema, wie man sich die Speicherung der Ladung an der Grenzschicht zwischen der Oberfläche des Substrats und der Isolierschicht, d. h. einer Siliziumdioxydschicht, vorstel- ij len kann.

Wenn diese Ladungsspeicherstelle nur mäßig viel Strahlungsenergie empfängt, dann füllt sich die Potentialsenke 40 der F i g. 6 bis auf ein Niveau, wie es mit der gestrichelten Linie 42 angedeutet ist. Diese Ladung wird örtlich begrenzt durch die Potentialschwellen 44 und 46, die durch die Elektroden 32 und 32a hervorgerufen werden, und durch die Kanalbarrieren 45, 47, 49, die durch die Aluminiumelektroden 24a, 26a und 28a hervorgerufen werden (wie in den F i g. 9a und 9b gezeigt). Die Überstrahlungssperren 44 und 46 entstehen durch den verhältnismäßig niedrigen Spannungswert von z. B. +5,8 Volt, auf dem diese Elektroden 32 gehalten werden, sowie durch die räumliche Anordnung, d. h. das überstehen der Ränder der Elektroden 32,32a über die Ränder der Sammelschiene 30. Die Kanalbarrieren 45 und 47 entstehen durch die an der Aluminiumelektrode 24a liegenden 10 Volt und die an der Elektrode 22.-) liegenden 14 Volt.

Wenn mehr Strahlungsenergie auf eine Fühlstelle trifft, dann reicht die erzeugte Ladung zum Auffüllen der Senke aus, wie es mit der gestrichelten Linie 48 in F i g. 6 gezeigt ist. (Das höchste Niveau, bis zu dem die Senke aufgefüllt werden kann, wird durch die Höhe der von den Elektroden 32, 32a usw. gebildeten Potentialberge bestimmt, da die Barrieren bzw. Schwellen 43 und 45 unter den Aluminiumelektroden 20a und 24a in Fig. 9b noch höher als diese Potentialberge sind.) Wenn jedoch die Strahlungsenergie diese Intensität übersteigt, dann ergießt sich das Ladungssignal über die Überstrahlungssperren 44 und 46 und wird durch die Sammelschienen 30 und 30a aus der Matrix fortgeleitet.

Wenn die erfindungsgemäßen Sammelschienen 30, 30a nicht vorhanden wären, dann würde das Ladungssignal entweder auf andere Fühlstellen überfließen und sich dort ansammeln oder es würde sich entlang in den ladungsgekoppelten Kanal ergießen oder es würden auch beide Fälle eintreten. Die bei dem vorliegenden System vorgesehenen Polysilizium-Elektroden 32 und 32a bilden aber immer noch Potentialsenken zur gegenseitigen Trennung der Kanäle, selbst wenn die Sammelschienen 30, 30a usw. fehlen. Wenn ein ausreichend niedriges Potential aufrechterhalten wird, dann verhindern die besagten Elektroden, daß die überschüssige Ladung in einem Kanal auf den nächsten Kanal übergeht

Die im vorliegenden Fall verwendeten Matrizen können auf mehrere verschiedene Arten betrieben werden. Fig.7 veranschaulicht eine Betriebsweise, bei welcher während der optischen Integrationszeit eine Gruppe der Elektroden auf +10 Volt und die andere Gruppe auf +14 Volt während der Ladungsübertragung gehalten werden, wobei den Elektroden zwei sich überlappende Spannungen eines Zweiphasensignals angelegt werden. Die sich hierbei ergebende Arbeitsweise ist in Fig. 9 dargestellt. Während der Integrationszeit bilden die mit Φ,«= 14 Volt beaufschlagten Elektroden relativ tiefe Potentialsenken an den Fühlstellen, und die mit Φ,μ = 10 Volt beaufschlagten Elektroden bilden flachere Senken. Die Überstrahlungssperren-Elektrode 32. die auf +5,8 Volt gehalten wird, schafft eine Potentialschwelle in Höhe von +4 Volt an der Oberfläche des Substrats. Dies ist mit der strichpunktierten Linie gezeigt. Die anderen angegebenen Werte beziehen sich auf Potentiale an der Oberfläche des Substrats. Somit bewirken die 14 Volt an der Elektrode 226 ein Oberflächenpotential von 9 Volt, während die 14 Volt an der Elektrode 22a ein Oberflächenpotential von +5 Volt zur Folge haben. Die an den Elektroden 206 und 24b liegenden 10 Volt bewirken ein Oberflächenpotential von 6 Volt, und die an den Elektroden 20a und 24a liegenden 10 Volt bewirken die 3 Volt hohen Kanalbarrieren 43 und 45. Der Wert für Φ«= 14 Volt wurde gewählt, um die angesammelte Ladung auf ein Maximum zu begrenzen, welches durch die sich überlappenden 10-Volt-Mehrphasensignale mit 10 Volt Gleichvorspannung übertragen werden kann.

Die F i g. 9b zeigt den Empfang von zwei verschiedenen Lichtintensitäten. Das die Elektroden 20 und 22 erreichende Licht ist relativ stark, so daß die betreffenden Potentialsenken im wesentlichen »gefüllt« werden. Das die Elektroden 24 und 26 erreichende Licht ist viel schwächer, so daß sich an den entsprechenden Stellen weniger Ladung ansammelt.

Nach der optischen Integrationszeit, die in F i g. 7 mit »optische Erfassung« bezeichnet ist. beginnt die zweiphasige Taktspannung. Hierdurch wird die Ladung zum Fließen veranlaßt. Zum Zeitpunkt t\ haben die Potentialsenken den in Fi g. 9c gezeigten Zustand. Die gesamte unter den Elektroden 20. 22 vorhandene Ladung hat sich nun unter der Elektrode 22b angesammelt. In ähnlicher Weise hat sich die unter den Elektroden 24, 26 befindliche Ladung unter der Elektrode 26b angesammelt. Während der nachfolgenden Zeitabschnitte wandert die Ladung weiter nach rechts. Im Falle der F i g. 1 bedeutet dies, daß die Ladung entlang den Spalten der Lichtfühlermatrix nach unten und in die Zwischenspeichermatrix wandert.

Die Fig. 8 zeigt den Betrieb mit Wellenformen, die sich nicht überlappen. Die während der Integrationszeil gebildeten Potentialsenken sind in F i g. 10b gezeigt, unc der Ladungsfluß ist in F i g. 1 Oc dargestellt. Bei diesem ir Fig. 10 veranschaulichten Beispiel wird die Vorspan nung während der Integrationszeit auf 9 Volt vermindert, um die Gesamtladung, die sich an jeden Auflösungselement ansammeln kann, zu begrenzen. E; sei bemerkt (vgl. F i g. 10b), daß für jedes Auflösungsele ment zwei Potentialsenken vorhanden sind, die (bis zui Überstrahlungssperre) angefüllt werden können, dat jedoch nur eine angefüllte Senke übertragen werdei kann (wie in F i g. 1 Od für t = (2 gezeigt).

An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Wahl de Elektrodenspannung für die optische Integrationszei beim vorliegenden Beispiel so getroffen ist, daß die voi jedem Auflösungseiement maximal erfaßte Ladunj nicht größer ist als die größtmögliche Ladung, die nocl aus der Matrix heraustransportiert werden kann. Eim andere Möglichkeit zur Kontrolle der maximal erfaßtei Ladung besteht darin, das den Elektroden 32, 32, angelegte Potential zu ändern. Diese Art der Kontroll·

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wird später an Hand der Fig. 14 beschrieben.

Bei der in Fig. 10b gezeigten Arbeitsweise wirken alle a-Elektroden als Sperrelektroden zur Verhinderung eines Ladungsflusses von einer Fühlstelle eines Kanals zur nächsten Fühlstelle in demselben Kanal. Wenn die an irgendeiner Fühlstelle vorhandene Ladung den durch die Elektroden 32 bestimmten Pegel übersteigt, dann fließt diese Ladung in die Sammelschiene. Da die an den Kanalbarrieren unter den a-Elektroden durch Licht hervogerufene Ladung die Neigung hat, in die Sammelschiene 30 zu fließen, ist die in Rede stehende Anordnung etwas weniger empfindlich als die in F i g. 9b gezeigte Anordnung, wo nur jede zweite a-Elektrode während der Integrationszeit als Sperrelektrode wirkt und wo der Aufbau so getroffen ist, daß sich tiefere Senken bilden, die mehr Ladung ansammeln können. Die in Fig. 10b gezeigte Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß dort während der Übergabe des Bildes kein Überstrahlen auftritt.

Die in den Fig. 7 und 11 veranschaulichte Verwendung von sich überlappenden Taktimpulsen macht es möglich, daß je Stufe eine hohe maximale Ladung übertragen werden kann. Bei sehr starken Überbelastungen jedoch, die so groß sind, daß während der Übertragung des Ladungssignals von der Lichtfühlermatrix zur Zwischenspeichermatrix ein Überstrahlen stattfinden kann, ist die Überstrahlungskontrolle nicht mehr wirksam, wie es mit der gepunkteten Linie in F i g. 9 für Φ4i =Φ.42 = 20 Volt gezeigt ist. Der Grund hierfür ist, daß das Potential der Überstrahlungssperre ( + 4 Volt) weniger positiv als das Oberflächenpotential ( + 6 Volt) unter den Aluminiumelekiroden 22a. 24a während derjenigen Zeiten ist, wo die Impulse der Spannungen Φ.41 und Φ.42 den gleichen positiven Maximalwert haben (z.B. zum Zeitpunkt h in Fig. 7). Daher fließt die überschüssige Ladung nicht über den 4 Volt hohen Potentialberg zur Sammelschiene, sondern wandert statt dessen über den niedrigeren Potentialberg ( + 6 Volt) zur nächstbcnachbartcn Spcichcrstcile im selben Kanal.

Bei einem Betrieb mit sich nicht überlappenden Taktimpulsen, wie er in den Fig. 8 und 10 veranschaulicht ist, kann kein Überstrahlen während des Übertragungsvorgangs auftreten. In diesem Fall ergeben sich bei sehr starker Überbelastung mit Strahlungsenergie lediglich sogenannte »Fahnen«. Das heißt, obwohl die optische Überlastung auf ein Auflösungselement begrenzt ist und obwohl durch die Sammelschiene ein Streuen der Ladung längs des Kanals oder in benachbarte Kanäle verhindert wird, kommt es bei genügend starker Überbelastung vor, daß sich das nach dem Punkt der Überbelastung übertragene Element mit Ladung füllt. Die hierdurch auftretenden Fahnen (auch Verschmierung oder Nachzieheffekt genannt) erscheinen nur bei sehr starken Überbelastungen, da die Verweilzeit eines bestimmten Elements an einer Stelle typischerweise um ein Vielfaches kurzer (etwa lOOmal kürzer) als die Integrationszeit ist. Außerdem entspricht der durch die Fahnen gestörte Bereich nur demjenigen Teil einer vertikalen Linie, der während der Auslesung den Punkt der Überbelastung überstreicht.

Die Überstrahlungskontrolle wurde in den vorangegangenen Beispielen für den Fall von ladungsgekoppelten Bildaufnahmegeräten des Zweiphasentyps beschrie ben. Im Grunde kann dieselbe Art der Überstrahlungskontrolle auch bei einem Gerät des Vierphasentyps oder des Dreiphasentyps angewendet werden. In diesem Fall kann die Überstrahlungskontrolle sowohl während der Erfassungszeit als auch während der Zeit der Ladungsübertragung erfolgen, indem man die Elektroden für die Überstrahlungssperre auf konstantem Potential hält. Während der optischen Erfassungs-

s zeit braucht man nicht eigens auf die Begrenzung dei erfaßten Ladungssignals zu achten. Diese etwas einfachere Überstrahlungskontrolle ist deswegen möglich, weil im Falle von Dreiphasen- oder Vierphasen-Matrizen während eines Teils des Arbeitszyklus nur eine einzige Potentialsenke vorhanden ist, die unter nur einer Elektrode aus einer Elektrodengruppe liegt. Im Augenblick dieses Zustands fließt die gesamte Ladung in die für jede Stufe einzige Polentialsenke. Wenn nun Jas Gesamtsignal zu stark ist, ergießt es sich über die

Überstrahlungssperre in die Sammelschiene. Dies ist in den Fig. 11 und 12 veranschaulicht.

In der F i g. 12a ist gezeigt, wie die Elektroden an eine vierphasige Spannungsversorgung angeschlossen sind Während der Integrationszeit können den Elektroden Gleichspannungen zugeführt werden. Während der Auslesung erhalten die Elektroden die in Fig. 11 gezeigten Signalwellen. Der Ladungsfluß geht aus den Fig. 12b und 12c hervor.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform eines mit 4 Phasen gesteuerten ladungsgekoppelien Bildfühlers unter den Polysilizium- und Aluminiumelektroden Kanäle gleicher Oxydstärke aufweist, sei für den Fall der Fig.! 2a angenommen, daß die Kanäle unterschiedliche Oxydstärken haben, wie in den F i g. 3, 4 und 5 gezeigt Daher sind, um den gewünschten Vierphasenbetrieb zu zeigen, die Taktspannungen wie in Fig. 11 gewählt. Es sei jedoch hervorgehoben, daß im Falle von Kanälen eir und derselben Oxyddicke der in den Fig. 12b und 12c dargestellte Betrieb erreicht werden kann, wenn mar Taktspannungen mit denselben Amplituden für alle Phasen verwendet.

Alles oben Gesagte soll lediglich deutlich machen, dal: der Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung nichi von der speziellen Art abhängt, wie die Ladungen irr einzelnen geführt werden (obwohl einige Arter gegenüber anderen gewisse Vorteile haben). Be erfindungsgemäßen Anordnungen wird verhindert, daC die an einer Lichtfühlstelle durch starke optische Überbelastung hervorgerufene überschüssige Ladung

ein Überstrahlen verursacht, welches durch Streuung des Ladungssignals sowohl längs des CCD-Kanals als auch zwischen benachbarten ladungsspeichernden Kanälen entstehen könnte.

Nachstehend sind typische Zahlenwerte für die

S° Dirnensionierung der bisher beschriebenen Ausfüh rungsformen der Erfindung (Dimensionen nach F i g. 3' genannt:

X\ = 500 Ä X₇ = 1000 Ä -Y₃ = 2400 Ä Xa = 1000Ä AT₅ = 1700⁼Ä
Dotierung des Substrats

Der Aufbau der bisher beschriebenen Matrix is' derselbe wie gemäß der deutschen Patentanmeldung P 22 01 1503. Die speziell angegebenen Oxydstärker gehen jedoch für thermisch gewachsene Oxyde ir HCl-Dampf bei 900⁰C. Die Oxydstärken X_u X₂ und X werden auf die gewünschte Dicke anwachsen gelassen während die isolierenden Oxydstärken X, und ^₅ au den Polysilizium-Elektroden den Werten entsprechen

die sich grob aus den Wachstumsgeschwindigkeiten von SiCh-Polysilizium errechnen.

Die Polysilizium-Elektroden in den beschriebenen Anordnungen können beispielsweise folgendermaßen gebildet werden: Zunächst wird in HCI-Dampf von 900⁰C eine 500 A dicke Oxydschicht (X_x) gezüchtet. Darauf wird die undotierte Polysiliziumschicht von etwa 5000 Ä Dicke niedergeschlagen. Die erste Polysiliziumschicht, d. h. die Elektroden für die Überstrahlungssperre, wird durch eine in dem gewünschten Muster eingebrachte Bor-Dotierung definiert. Dann werden die undoiierten Polysiliziumbereiche entfernt, was mittels einer heißen KOH-Ätze geschieht, die für das stark mit Bor dotierte Polysilizium eine viel langsamere Ätzgeschwindigkeit entwickelt. Da die heiße KOH-Ätze das S1O2 nicht angreift und da die zur Definierung des Bor-Dotierungsmusters herangezogene SiO2-Maske vor dem Beginn der KOH-Ätzung vom Polysilizium entfernt wird, bekommt das Polysilizium bei diesem Verfahren sehr glatte Ränder, ohne daß das SiO: unter den Polysilizium-Elektroden unterschnitten wird. Die auf diese Weise gebildeten Polysilizium-Elektroden sind durch thermisch gezüchtetes SiO₂ (X*, ebenfalls in HCI-Dampf von 900⁰C gezüchtet) isoliert. Diese Schicht (X^) wird zur selben Zeit gebildet, wo auch das »Kanaloxyd« (X^) für die zweite Lage der Polysilizium-Elektroden bis zur gewünschten Dicke gezüchtet wird. Das selbe Verfahren wird wiederholt, um die isolierende Oxydschicht (Xi) zu bilden, wenn das Kanaloxyd X3 bis zur gewünschten Dicke gezüchtet wird.

Ein anderer Weg zur Erreichung eines ähnlichen Aufbaus, jedoch mit einer einzigen Kanaldickc. ist die Verwendung eines mehrschichtigen Kanaloxyds, beispielsweise S1O2 —AI2O3 oder SiO₂-Si₃N₄ für das erste Oxyd. Da AI2O5 oder S13N4 das Wachstum des SiO₂ an der SiO?-Si-Grenzschicht praktisch stoppt, können in diesem Falle beide Ebenen des Polysiliziums durch ein thermisch gezüchtetes SiO₂ isoliert werden, während das Kanaloxyd für alle Elektroden im wesentlichen konstant bleibt.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt. Das Substrat besteht hier aus N-leitendem Silizium. Die Sammelschiene 50 besteht aus einer P ⁺ -Diffusion in dem N-Ieitcnden Siliziumsubstrat. Die Elektrode 52 besteht aus P+ -leitendem Polysilizium und ist mit der P + -Diffusionszone 50 verbunden.

In diesem Fall erfolgt die Diffusion der Sammelschiene durch Ausdiffundierung aus den P + -Ieitenden Elektroden für die Übertragungssperren, wodurch eine einzelne Sammelschiene entsteht Die Wirkungsweise dieses Aufbaus ist ähnlich wie weiter oben beschrieben, nur daß nun die Differenz zwischen dem Potential der Überstrahlungssperre und dem Potential der durch Diffusion gebildeten Sammelschiene in der Größenordnung von 1 Volt liegt Diese relativ kleine Potentialdifferenz beschränkt den Höchstwert des Stromes, der von der Sammelschiene geleitet werden kann. Der tatsächliche Wert dieser Potentialdifferenz entspricht der MOS-Inversionsschwellenspannung und hängt ab von der Dotierung des Substrats, der Dicke der SiO₂-Schicht unter den Elektroden für die Überstrahlungssperre und der festen Ladung in dieser Oxydschicht. Die in F i g. 13 gezeigte Ausführungsform dieses Typs enthält ladungsgekoppelte Elemente mit P-leitendem Kanal, weil in diesem Fall die gewöhnliche positive feste Ladung im Oxyd die Potentialdifferenz zu vergrößern trachtet Es sei jedoch erwähnt daß bei Oxyden mit einer festen Ladung von praktisch Null ähnliche Strukturen auch für ladungsgekoppelte Elemente mit N-leitendem Kanal verwendet werden können. Natürlich müssen in diesem letzteren Fall die Polysilizium-Elektroden mit N+ -Dotierung hergestellt werden.

Die Arbeitsweise der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform ist im wesentlichen wie weiter oben beschrieben, nur daß das Potential der diffundierten Sammelschiene nunmehr unabhängig von". Potential der Überstrahlungssperre gesteuert werden kann. Wie in den weiter oben beschriebenen Fällen ist bei einer Sammelsehienenspannung von —5.8 Volt das resultierende Potential der Überstrahlungssperre etwa —4 Volt, vorausgesetzt, daß im Oxyd keine feste Ladung vorhanden ist.

Zur Erläuterung des Betriebs der bis hierher beschriebenen Anordnung zur Überslrahlungskontroile sei angenommen, daß die den Sammelschienen angelegte Spannung Vbbus und die den Elektroden für die Überstrahlungssperre angelegte Spannung Vb Br konstant ist. Wie jedoch in Fig. 14 gezeigt, hat man durch Änderung der obengenannten Spannung eine zusätzliche Steuermöglichkeit für den Betrieb des ladungsgekoppelten Bildfühlers.

Zunächst seien die Fälle betrachtet, wo das in Fig. 14b gezeigte Potential V_fl.g_r der Elektrode für die Überstrahlungssperre gesteuert wird. Das maximale Ladungssignal, welches in der Potentialsenke unter irgendeiner Elektrode gespeichert werden kann, läßt sich durch Einstellung dieses Potentials Ve-Br festlegen. Eine solche Einstellung legt den Sättigungswcrt des erfaßten Ladungssignals fest und kann beispielsweise eine Methode sein, um das maximale Ladungssignal festzulegen, welches während der optischen Integrationszeit in einem Auflösungselement gesammelt werden kann. Im Extremfall, wenn die Überstrahlungssperrc positiver als das Oberflächenpotential im ladungsgekoppelten Kanal gemacht werden kann, wird die gesamte in dem Kanal eingeführte Ladung zur diffundierten Sammelschiene fließen.

Zwei nützliche Anwendungen dieses Effekts sind ir der Fig. 15 ve-anschaulicht. Fig. 15b zeigt mit detr Profil des Oberflächenpotentials längs des ladungsgekoppelten Kanals die Art der optischen Signalerfassung bei welcher die unter den Elektroden 2Qb und 24/ erfaßte Ladung gesammelt wird, während die unter der übrigen Elektroden erfaßte Ladung sowohl zui Sammelschiene als auch zu den Senken unter der Elektroden 20b und 246 fließt. Mit dieser Art dei Steuerung kann das Auflösungsvermögen der Licht fühlermatrix verbessert werden, wenn man das La dungssignal unter verschiedenen Elektroden von Bild zt Bild abwechselnd erfaßt. In diesem Fall können dii Überstrahlungssperren während des die Ladungsüber tragung enthaltenden Teils des Zyklus angehobei werden, um den Ladungsübertragungsvorgang nicht zi stören.

Die zweite Art der Steuerung der Überstrahlungs sperre ist in Fig. 15c veranschaulicht und kann zu Realisierung eines »Elektronischen Verschlusses« her angezogen werden. In diesem Fall kann so lange kein Ladung in der Potentialsenke angesammelt werden, wi die Überstrahlungssperre auf einem höheren Potentii als das maximale Potential im ladungsgekoppelte Kanal gehalten wird.

Schließlich kann man durch Steuerung des Samme schienenpotentials Vb-bus(bei festem Potential V_fl.Brde Elektrode für die Überstrahlungssperre) die Empfinc

13 ⁽ 14

lichkeit der Lichtfühlermatrix einstellen. Hiermit wird dann werden mehr und mehr optisch erze

praktisch eine elektronische veränderbare Irisblende Ladungsträger direkt zur Sammelschiene gezogen.

geschaffen. Eine solche Steuerung wurde bisher bei größte Empfindlichkeitsabnahme wird erreicht, ν

Silizium-Vidikons durchgeführt und läßt sich ebenso bei die von den Sammelschienen gebildeten Verarmung

einem ladungsgekoppelten Bildfühier anwenden. Eine <_· nen die dem CCD-Kanal entsprechenden Verarmu

derartige Empfindlichkeitssteuerung kann man auf zonen vollständig umgeben. Eine solche Art

folgende Weise erreichen: Wenn die diffundierte Empfindlichtkeitssteuerung ist für rote und infra

Sammelschiene mehr und mehr positiv gemacht wird. Signale nicht so wirksam wie für kurzwelligere Sign

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühlermatrix, bestehend aus einem Substrat und mindestens zwei benachbarten Reihen oder »Kanälen« von Ladungsspeicherstellen, die bei Erregung durch Strahlungsenergie Ladungen am Substrat speichern und deren jede eine Elektrodenanordnung aufweist, welche auf ein derartiges Potential legbar ist, daß sie zur Bildung einer Sperre für einen Ladungsfluß aus der betreffenden Speicherstelle in die nächstbenachbar- te Speicherstelle derselben Reihe führt, dadurch gekennzeichnet, daß im Substrat zwischen den beiden Reihen eine Sammelschiene (z. B. 30) eingebettet ist, d\e auf einem Potential gehalten ist, welches sie zu einem Abfluß für Ladungen macht; daß eine Einrichtung (z. B. 32) vorhanden ist, die zwischen jeder Reihe und der Sammelschiene eine Potentialschwelle bildet, die niedriger ist als die besagte Sperre zwischen den Speicherstellen ein- und derselben Reihe, jedoch noch ausreichend hoch, um das Ansammeln reichlicher Ladungsmengen an einer Speicherstelle als Antwort auf deren Erregung mit Strahlungsenergie zu gestatten.

2. Ladungsgekoppeite Strahlungsfühlermairix nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschiene (z. B. 30,30.7 in F i g. 3 oder 50, 50a in Fig. 13) aus einer Diffusionszone des Substrats besteht, die von einem anderen Leitfähigkeitstyp als der Rest des Substrats ist.

3. Ladungsgekoppehe Strahlungsfühlermatrix nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung /ur Bildung der Potentialschwelle eine vom Substrat beabstandete Elektrode (/.. B. 32) ist, die breiter als die Sammelschiene (/. B. 30) ist und diese beidseitig überragt und auf einem anderen Potential gehalten ist als die Sammelschiene.

4. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühlermatrix nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung der Potentialschwelle eine Elektrode (z. B. 52 in Fig. 13) ist. die direkt mit de: Sammelschiene (/.. B. 50) über mindestens einen großen Teil ihrer Länge verbunden ist und die breiter als diese Schiene ist und diese beidseitig überragt, wobei die überragenden Teile der Elektrode vom Substrat beabstandet sind.

5. Ladungsgekoppelte Strahhmgsfühl'.ermatrix nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Potential, welches der die Potentialschwelle bildenden Elektrode (/. B. 32) angelegt ist. veränderbar ist. um die Höhe der Potentialschwelle zwischen jeder Reihe und der Sammelschiene (/. B. 30) /u beeinflussen.

b. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühlcrmatrix nach Anspruch 5. gekennzeichnet durch eine so weite Veränderbarkeit des de: Elektrode (/.. B. 3:2) angelegten Potentials. da!' -.:..!; die WiAu- der Potentialschwelle /wi-.cher jode:' Reihe und der Sammelschiene (,' Ii 30) ausreichend \«. ei! vcrändei ¹^ laßt. i::v /umin·.:·. ' den ;:iößu:' Teil de:' mJi ansoiiMcn .n di ·' '■' ;hen ;u:sanimi linien I .idling /ι:: Sammelschiene Η" 'iileiier imk! dadurch gleichsam einen clektruni .J:c:, Verschluß für die Mair \ hcr/uste'lei

7. !.,idtmgsgek-ippclu Sirahlungsfühicrniiitr χ nach Ansnriicl". 'ί. ladurcl; cekeniveichnet, daß das an die Sammelschiene (z. B. 30) gelegte Potential veränderbar ist.