DE2546664B2 - Mit ladungsverschiebung arbeitende bildaufnahmeanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildaufnahmeanordnung mit einer Matrix aus m Spalten mit jweils π ladungsgekoppelten Zellen, wobei jede Spalte ein lineares Schieberegister mit optischem Eingang bildet und Einrichtungen zum Ingangsetzen der Verschiebung längs des Registers enthält.

Die Technik der Ladungsverschiebeanordnungen, die in der angelsächsischen Terminologie als Charge-Coupled-Devices oder CCD bezeichnet werden, ist bereits bekannt und ihre Grundprinzipien sind beispielsweise in einem Aufsatz von W. S. BoyIe und G. E. Smith, »Charge coupled semiconductor devices«, in der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, April 1970, S. 587-593, und in einem Aufsatz von M. R Tompsett, »Charge transfer devices« in der Zeitschrift »Journal of Vacuum and Science Technology«, Juli/August 1972, Band 9, Nummer 4, S. 1166-1181, beschrieben.

Diese Anordnungen werden in bereits klassischer Weise verwendet, um lineare Register mit π Zellen herzustellen, in denen man π digitale oder analoge Informationen speichern und nach Belieben daraus

:ntnehmen kann, oder um Bildaufnahmeanordnungen lerzustellen, mittels welchen ein zweidimensionaies >ptisches Bild in eine elektrisches Signal umgewandelt verden kann, welches sequentiell für die Lichtintensität η den verschiedenen Elementarzciien des optischen Südes kennzeichnende Informationen liefert. Es handelt sich dabei um Matrizen, welche nxm ladungsgekoppelte Zellen enthalten, die in Zeilen und in Spalten angeordnet sind und das abzutastende optische Bild in nxm Elementarzonen zerlegen, welche durch jede der nxm Zellen der Matrix verarbeitet werden. Derartige Matrizen, die einzig und allein Festkörperbauelemente enthalten, sind geeignet, in vorteilhafter Weise die klassischen Bildaufnahmeanordnungen zu ersetzen, bei welchen als Abtasteinrichtung ein Elektronenstrahl verwendet wird.

In den linearen Registern bestehen die in einer Linie angeordneten η Zellen aus zwei oder Jrei — je nach dem, ob das Register zwei- oder dreiphasig arbeitet — MIS (Metall-lsolator-Halbleiter)- oder MOS (Metall-Oxid-Halbleiter)-Kapazitäten, die nebeneinander angeordnet sind, jede Zelle speichert die Informationen, die sie empfängt, in Form von Minoritätsladungsträgern des dotierten Halbleiters, der als Substrat für das System der MlS-Kapazitäten des Registers dient. Die elektrischen Ladungen, die diese Minoritätsladungsträger darstellen, werden in einer an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter der MIS-Kapazitäten erzeugten Inversionsschicht gespeichert, indem an ihre metallische Elektrode eine passende Spannung angelegt wird, deren Absolutwert größer ist als ein als Schwellspannung V_T bezeichneter Wert. Eine derartige Spannung erzeugt in dem Halbleiter unter der betreffenden Elektrode eine Potentialmulde, die tatsächlich aus einer mit Majoritätsladungsträgern unterbesetzten Raumladungszone besteht, und hält, wenn sie in ihrem Absolutwert den Schwellenwert erreicht und überschreitet, in der Inversionsschicht Minoritätsladungsträger fest. Diese Minoritätsladungsträger, deren Menge für die Information kennzeichnend ist, werden in dem Halbleiter entweder durch einen solche Ladungsträger liefernden elektrischen Eingang, wobei die zu speichernde Information eine Torschaltung derart beeinflußt, daß diese mehr oder weniger durchläßt, oder durch die Erzeugung von Elektronen-Löcher-Paaren durch Absorption von Photonen gebildet, wobei die Menge des an jeder Stelle und somit auf jede Zelle auflreffenden Lichtes die Menge von in jeder Zelle gespeicherten Minoritätsladungsträgern festlegt.

Die auf diese Weise in einer Zelle gespeicherten Informationen sind geeignet, von Zelle zu Zelle verschoben zu werden, indem passende Spannungen an die Elektroden ihrer MIS-Kapazitäten angelegt werden. Diese Spannungen erzeugen unter diesen Elektroden Potentialmulden, in denen die Ladungen angezogen werden. Durch Verschieben dieser Potentialmulden längs des REgisters werden die Informationen verschoben, die man auf diese Weise zu einem elektrischen Ausgang bringt, welcher ein Signal liefert, das sequentiell die Informationen wiedergibt, die entweder seriell in den elektrischen Eingang des Registers oder, wenn es sich um einen optischen Eingang handelt, parallel in die π Zellen eingegeben worden sind.

Zum Bilden einer Bildaufnahmematrix ordnet man mehrere lineare Register, beispielsweise m Register, mit optischem Eingang nebeneinander an, wobei jede Spalte der Matrix aus einem Register besteht, während \»Ap /pile aus den m MIS-Kapazitäten desselben Ranges jedes Registers besteht Jede der η Zellen jedes Registers integriert und speichert in Form von in den Potentialmulden gespeicherten Ladungen die Information, die für die Lichtintensität des optischen Bildes auf der der Zelle entsprechenden Elementarfläche kennzeichnend ist Das auf diese Weise in nxm Elementarflächen unterteilte optische Bild wird auf der Matrix in ein elektrisches Bild umgewandelt, welches aus nxm Ladungsmengen besteht, welche die nxm Lichtintensitäten auf den nxm Elementarflächen darstellen.

Das Hauptproblem dieser Matrizen besteht in der Entnahme der auf diese Weise in jeder Zelle der Matrix gespeicherten Informationen.
Während nämlich die Verschiebung Zeile für Zeile

«5 parallel längs des Systems von m Registern zu einem linearen Ausgangsregister ausgeführt wird, an welchem dann die Informationen seriell entnommen werden, wird das optische Bild weiterhin auf der Matrix integriert, wodurch eine Löschung des Bildes hervorgerufen wird.

Die Verschiebungszeit, die für das Entnehmen eines vollständigen Bildes erforderlich ist, ist nämlich lang, da η-mal ein m Informationen enthaltendes Ausgangsregister geleert werden muß.
Um diese Löschung des Bildes zu vermeiden, die diese Matrizen unbenutzbar machen würde, ist bereits eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei welcher die Zeilenzahl der Matrix verdoppelt ist, so daß zwei Zonen vorhanden sind, die zwei unterschiedliche Funktionen haben, welche sich gegenseitig nicht stören. In einer ersten Zone, auf die das abzutastende optische Bild projiziert wird, erfolgt die Integration der optischen Informationen und ihre Transformation in elektrische Ladungen, die in den Zellen mit MIS-Kapazitäten gespeichert werden. In einer zweiten Zone, die das optische Bild nicht empfängt, erfolgt die zeilenweise Entnahme der Informationen. Eine schnelle zeilenweise Verschiebung gestattet, die in der ersten Zone gespeicherten Informationen in die zweite Zone zu übertragen.

Die Schnelligkeit dieser Parallelverschiebung verhindert eine Löschung des Bildes. Die serielle Entnahme jeder Zeile kann in der zweiten Zone, die das Bild nicht empfängt, langsam vonstatten gehen.
Ein offensichtlicher Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß sie die Verwendung einer platzraubenden und teueren Matrix erfordert, da diese anstelle von nxm Zellen 2 χ nxm Zellen und eine doppelte Fläche haben muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Festkörper-Bildaufnahmeanordnung zu schaffen, bei welcher die zum Abtasten von nxm Elementarflächen eines optischen Bildes geeignete Matrix nur nxm ladungsgekoppelte Zellen enthält und dabei die Erzielung eines deutlichen Bildes unter Bewahrung eines hohen Auflösungsvermögens gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildaufnahmeanordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß, da die Verschiebungsingangsetz-

einrichtungen den m Registern gemeinsam sind, die m Register jeweils Einrichtungen zur Sperrung der Verschiebiingsingangsetzeinrichtungen enthalten, wobei die Sperreinrichtungen von m—1 Registern so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs der m— 1 Register gesperrt wird, und wobei die Sperreinrichtun gen des m-ten Registers so gesteuert werden, daß dit Verschiebung längs des m-ten Registers ausgeführ werden kann; und daß Einrichtungen vorgesehen sine

zum sequentiellen Entnehmen der in den π Zellen jedes der m Register enthaltenen η Informationen im gleichen Maße wie die m Verschiebungen, die unabhängig voneinander längs der m Register ausgeführt werden.

Da somit bei der Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung die in den nxm Matrixzellen als elektrische Ladungen gespeicherten Informationen Spalte für Spalte entnommen werden, indem Steuereinrichtungen die Verschiebung individuell längs jedes Registers ingang setzen und gleichzeitig die Verschiebung längs der m— 1 anderen Register blockieren, ist die Verschiebungszeit eines Registers ausreichend kurz, so daß die längs dieses Registers gespeicherten Informationen nicht gelöscht werden. Die anderen Register werden während dieser Zeit nicht gestört, da darin keine Verschiebung stattfindet und da sie fortfahren, das optische Bild, welches sie empfangen, normal zu integrieren.

Weiterbildungen, Vorteile und Ergebnisse der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung,

F i g. 2 und 3 zwei zueinander rechtwinklige schematische Schnittansichten eines Teils der Matrix von Fig. 1,

F i g. 4 und 5 Kurven, welche die Arbeitsweise einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung nach der Erfindung in zwei Varianten veranschaulichen,

F i g. 6 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer abgewandelten Ausführungsform der Matrix nach der Erfindung und

F i g. 7 Kurven, welche die Arbeitsweise einer Bildaufnahmeanordnung veranschaulichen, bei welcher eine Matrix gemäß F i g. 6 verwendet wird.

In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen sind die verwendeten Ladungsverschiebeanordnungen 3-Phasen-Ladungsverschiebeanordnungen. Selbstverständlich ist die Erfindung ebensogut bei an sich bekannten 2-Phasen-Ladungsverschiebeanordnungen anwendbar.

Wie oben bereits kurz erwähnt, enthält eine erfindungsgemäße Festkörperanordnung für die Bildaufnahme eine Matrix mit nxm ladungsgekoppelten Zellen, die in m Spalten von jeweils η Zellen angeordnet sind. Da es sich hier um 3-Phasen-Ladungsverschiebeanordnungen handelt, enthält jede Zelle drei benachbarte MIS-Kapazitäten, die durch drei leitende Elektroden festgelegt sind.

In F i g. 1 ist jede Spalte der Matrix tatsächlich ein lineares Register Ri, R₂... Rm, welches aus π Zellen Ci, C₂... C_n mii jeweils drei MIS-Kapazitäten besteht

Die m Register sind in einer für diese Art von Matrizen an sich herkömmlichen Anordnung auf ein und demselben Halbleitersubstrat t hergestellt, wie es die F i g. 1,2 und 3 zeigen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

Das Substrat 1 besteht beispielsweise aus N-leitendem Silicium, das mit einer dielektrischen Schicht 2 überzogen ist, die beispielsweise aus Siliciumdioxid bestehen kann. Leitende Elektroden, drei pro Zelle — nämlich die Elektroden £ii, Ea, En für die erste Zelle des Registers Ri; die Elektroden £21, £22. £23 für die zweite Zelle; usw. — sind auf die Schicht 2 aufgebracht, um die MOS-Kapazitäten der ladungsgekoppelten Zellen zu bilden.

Wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt, sind die Elektroden E₁₁, £12 -. · dem System der Register Ri... A₀, gemeinsam. Um die Vermischung der in einer Zelle eines Registers gespeicherten Ladungen mit den in den benachbarten Zellen der benachbarten Register gespeicherten Ladungen zu vermeiden, oder, anders ausgedrückt, um m MOS-Kapazitäten längs ein und derselben Elektrode Eu ... E„z effektiv festzulegen und um m getrennte Register Ri... R_m zu erhalten, zerlegt man die Matrix in Spalten, indem beispielsweise auf dem Substrat 1 unter der Oxidschicht 2 Diffusionen des N⁺ -Leitungstyps ausgeführt werden, weiche äquidistante parallele Streifen 3 bilden. Diese Streifen 3 von N⁺ -Diffusionen haben eine Schwellspannung, die größer ist als die des /V-Substrats. Indem für die an die Elektroden angelegten Steuerspannungen sowohl für die Integration als auch für die Verschiebung Werte gewählt werden, die zwischen der Schwellspannung der MOS-Kapazitäten und der der N⁺ -Diffusionen liegen, werden die unter den verschiedenen Register R\... R_n, erzeugten Potentialmulden wirksam voneinander isoliert. Andere bekannte Isolierungsverfahren sind hier ebenfalls anwendbar.

Von den Elektroden £n, £12... sind jeweils alle dritten miteinander verbunden, da es sich hier um eine Anordnung mit drei Phasen Φι, Φι und Φ3 handelt, an die die Taktspannungen für das Einschreiben und für die Verschiebung angelegt werden, wie weiter unten gezeigt werden wird.

Ein lineares Ausgaberegister R* das aus m Zellen mit

beispielsweise drei Elektroden besteht, wenn es sich hier ebenfalls um ein Register mit drei Phasen φι, ψ2, ψ3 handelt, ist auf demselben Substrat 1 wie die Matrix selbst angeordnet. Das Register R_s ist in der Lage, zu einer Ausgangsdiode £>$, welche ein elektrisches Signal s abgibt, die Ladungen zu übertragen, die für die eingetragenen Informationen kennzeichnend sind, welehe es von der Matrix aus η χ m Zellen empfängt.

Gemäß der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die die Verschiebung der in den Zellen der Matrix gespeicherten Ladungen von Register zu Register in Gang setzen. Während eines der m Register Ri... R_n, in das Ausgaberegister R_s entleert wird, verschiebt dieses die Informationen im gleichen Maße zu der Ausgangsdiode Df, wobei an seine drei Phasen φι, ψ2, ψ3 passende Taktspannungen synchron mit den Taktspa.inungen der Phasen Φι, Φ₂, Φ₃ der Matrix angelegt werden. Während derselben Zeit sperren die gemäß der Erfindung vorgesehenen Einrichtungen die Verschiebung längs der m— 1 anderen Register, in denen das Bild weiterhin integriert und gespeichert wird.

Die zum Leeren eines Registers erforderliche Zeit ist ausreichend kurz, um zu vermeiden, daß der in diesem Register gespeicherte Bildteil gestört wird Die anderen Register werden selbstverständlich nicht gestört, da in ihnen keine Verschiebung stattfindet

Die Erfindung wird nunmehr ins einzelne gehend im Rahmen einer Art der Ausführung der Einrichtunger zur Steuerung der registerweisen Verschiebung beschrieben.

Eine weitere Betrachtung der Fig. 1, 2 und 3 zeigi eine Leiterbahn Gi, G₂... G_n, die jedes Register R₁.. Rm bedeckt und von seinen Elektroden durch eine Isolierschicht 4 isoliert ist Diese Leiterbahnen sine beispielsweise Aluminiumstreifen, wenn das abzutastende Bild auf die freie Seite des Substrats 1 projiziert wird wenn es durch diese Streifen hindurchprojiziert wird, st ist klar, daß sie, ebenso wie die anderen Schichten, dw zwischen dem Bfld and dem Substrat Gegen, aas einen transparenten oder hafbtransparenten Lehermateria hergestellt werden müssen. Die Schicht 4 ist beispieis

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weise ein Oxid, welches auf der Gesamtheit der Matrix thermisch hergestellt wird; in diesem Fall bestehen die Elektroden E\\...E_nz aus einem hochwarmfesten Metall, beispielsweise aus polykristallinem Silicium.

Wie Fig.3 zeige, wird eine an die Leiterbahn G\ des auf diese Weise auf der Matrix durch die Gesamtheit der Bahnen G\ bis G_ngebildeten Gitters das Potential V_sder Grenzfläche 5 in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden steuern. Man kann durch Verändern dieses Potentials die Verschiebung längs des Registers blockieren oder in Gang setzen, was anhand von F i g. 4 erläutert wird.

In Fig.4 sind schematisch bei fa^die Elektroden Ew. E\2, En ... in einer Schnittansicht längs eines Registers (wie in Fig.3) dargestellt, wobei zur übersichtlicheren Darstellung in der Figur der Halbleiter, die verschiedenen Oxidschichten und die Leiterbahn G\ weggelassen sind.

Bei (b), (c), (d), (e) und (f) sind Kurven der Änderung des Potentials V₅ an der Grenzfläche S zwischen Siliciumdioxid und Silicium in Abhängigkeit von der Strecke χ längs des Registers dargestellt. Diese Kurven entsprechen: bei (b) und (c) dem NichtVorhandensein einer Verschiebung und bei (d) bis (f) verschiedenen Zeitpunkten einer Verschiebung.

Zur Erzielung der Potentialkonfiguration der Kurve (b) legt man die Leiterbahn Ci an eine derartige Sperrspannung V_Cb. daß die Grenzflächenpotentiale Vsc in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden auf dem Referenzpotential und beispielsweise auf 0 Volt sind. Die Grenzflächenpotentiale unter den verschiedenen Elektroden sind durch die an die Phasen Φι, Φ₂ und Φι angelegten Spannungen festgelegt. Die Wahl dieser Spannungen erfolgt im Prinzip gemäß den bereits klassischen Regeln der Ladungsverschiebeanordnungen. Tatsächlich ist sie hier ein wenig verschieden.

Die Kurven (b)\ix\d fo)entsprechen dem Nichtvorhandensein einer Verschiebung längs des Registers R\, dp die Leiterbahn G\ zwischen den Elektroden Potentialwälle erzeugt, die von den Ladungen, die in den unter den Elektroden vorhandenen Potentialmulden gespeichert sind, nicht überwunden werden können. Sie entsprechen somit einer Integrationsperiode des Bildes durch das Register R\. Während aber diese Integration stattfindet, ist eines von den m- 1 anderen Registern in einer Verschiebeperiode. Die an seine Elektroden über die Phasen Φι, Φ₂ und Φ3 angelegten Spannungen schalten somit zwischen zwei Werten um, von denen der eine negativer ist als der andere, damit in dem betreffenden Register die Verschiebung ermöglicht wird. Das Register R\ wird somit Ladungen in den drei MOS-Kapazitäten jeder seiner Zellen sammeln und speichern, während üblicherweise allein eine dieser drei Zellen zur Speicherung dient Man muß somit die negativen Spannungen Vi und V₂ wählen, zwischen denen die Phasen umgeschaltet werden, um gleichzeitig die Verschiebung längs des betreffenden Registers und die Integration der Ladungen in den anderen Registern zu ermöglichen. Man wählt vorteflhafterweise

\Vi\<\Vi\<\U
wobei Vrdte oben definierte Schweflspannung ist

Die Tatsache, daß die Spannung | V,} kleiner ist als die Spannung |V₂| erlaubt, daß die Verschiebung von Ladungen in dem betreffende Register in zweckmäßiger Weise von den durch die Spannungen V₁ gesteuerten Kapazitäten zu den durch die Spannung V₂ gesteuerten benachbarten Kapazitäten erfolgt Die durch die Spannungen Vi und V2 gesteuerten Grenzflächen S liegen auf dem Potential V_S\ bzw. V₅₂.

Die Tatsache, daß die Spannungen | V₇J und | V₂| beidi größer als die Spannung | Vj\ sind, erlaubt, daß dii Integration und die Speicherung in zweckmäßige Weise in den m-1 Registern ausgeführt werden, in welchen keine Verschiebung stattfindet, und zwar trotz des Vorhandenseins einer Verschiebung in dem m-ten Register.

In den Registern, die sich in einer Integrationsperiode befinden, werden nämlich die drei MOS-Kapazitäten jeder Zelle nacheinander ihre Elektrode auf einem Potential Vi haben, da eines von den m Registern imme in einem Verschiebungszustand ist. Es ist somi erforderlich, daß die MOS-Kapazitäten, an die da Potential Vi angelegt ist, die positiven Ladungen bewahren können, die darin gespeichert worden sind. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß | Vi| > | Vj\ ist Deshalb werden die positiven Ladungen, die während einer Integration von den Kapazitäten angezogen worden sind, welche die tiefsten Potentialmulden darstellen, d. h. von denjenigen, die durch die Spannun gen V₂ gesteuert werden, darin bleiben, wenn an diese Kapazitäten die Spannungen Vi angelegt werden. Die drei Kapazitäten jeder Zelle werden somit Ladungen integrieren und speichern. Das wird durch die positiven Ladungen dargestellt, die an den Kurven (b) und (c) in die Potentialmulden eingezeichnet sind, welche unte den drei Elektroden jeder Zelle vorhanden sind.

Wenn es sich darum handelt, die Verschiebung läng eines Registers, beispielsweise längs des Registers Ru in Gang zu setzen, damit die Informationen, die es enthält das Ausgaberegister Äs füllen, schaltet man die an di Leiterbahn G\ angelegte Spannung auf einen negativen Wert um, der als Verschiebespannung Vor bezeichne wird. Der Wert dieser Verschiebespannung Vor häng von der betreffenden Ausführungsform ab. In allen Fällen soll er so groß sein, daß für das Potential Vsci de Grenzfläche S in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden gilt:

In dem in F i g. 4 dargestellten Fall, in welchem di klassischen Probleme der Oberflächenzustände nich berücksichtigt sind, weil sie entweder durch zusätzlich Maßnahmen gelöst sind oder weil beispielsweise di Verschiebung gemäß an sich bekannten Verfahren im Volumen stattfindet ist V_Cr derart gewählt, daß gilt Vsgi = Vsi, wie es die Kurve (d) zeigt die dem Anfang der Verschiebung entspricht. Während diese Spannung Vct an die Leiterbahn G\ angelegt ist liegt an den Leiterbahnen G₂ ... G_n, der anderen Register di Sperrspannung Vsb an.

In einer ersten Zeit der Verschiebung, welches die be

(d) dargestellte ist werden die in den drei MOS-Kapazi· täten jeder Zelle gespeicherten Ladungen in ein unc derselben Kapazität zusammengefaßt, und zwar it derjenigen Kapazität deren Potentialmulde am tiefster ist — hier unter den Elektroden En, E₂₂,... E&.

in einer zweiten Zeit wenn die Spannungen VJ und umschalter, wobei die Phase Φ2 von V₂ auf Vj geht während die Phase Φί von Vj auf V₂ geht und die Phase Φι auf Vi bleibt, erfolgt die Übertragung normal läng! des Registers Ru wobei die Ladungen von den an die Phase Φ₂ angeschlossenen Elektroden unter diejenige! gehen, die an die Phase Φ₃ angeschlossen sind, Kurvei (e) und (Ql Danach wird die Phase Φι von Vj auf V umgeschaltet während die Phase Φ₂ von V₂ auf V

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umgeschaltet wird, wobei die Ladungen dann unter die mit der Phase Φ\ verbundenen Elektroden gehen usw.

Eine Steuereinrichtung 5, beispielsweise ein Schieberegister mit mStufen, legt an alle Leiterbahnen G\ ... G_n, mit Ausnahme einer Leiterbahn die Spannung Van an, welche die Blockierung der Verschiebungen längs der entsprechenden Register bewirkt. Jede der m Stufen des Registers 5 legt der Reihe nach an die Leiterbahn, die sie steuert, die Verschiebespannung Vor an. Die Umschaltung der Verschiebespannung von einer Leiterbahn zur nächsten des Gitters Gi... G_1n erfolgt mit einer Taktfrequenz, die von der Dauer T der Elementarverschiebung eines linearen Registers abhängt, d. h. von der Dauer der Verschiebung von einer MOS-Kapazität zur nächsten, und von der Anzahl der Zellen des Registers. Zu diesem Zweck arbeitet der Eingang 6 des Schieberegisters 5, der diese Umschaltung steuert, mit dem Taktgeber synchron, der die Umschaltung der Phasen Φι, Φϊ und Φι steuert.

Die Maßnahmen, die oben beschrieben worden sind und die darin bestehen, die Verschiebungen längs der Register mit Hilfe eines leitenden Gitters zu blockieren oder in Gang zu setzen, das mit unterschiedlichen Spannungen vorgespannt ist, weisen eine gewisse Anzahl zusätzlicher Vorteile auf, welche die Bildaufnahmeanordnungen nach der Erfindung besonders interessant machen.

Während der Verschiebung sind nämlich die Zwischenräume zwischen den Elektroden durch dieses Gitter passend vorgespannt und ein klassisches Problem der ladungsgekoppelten Anordnungen, nämlich das des Potentialwalls aufgrund dieser Zwischenräume stellt sich nicht mehr. Die Elektroden können also mit ausreichendem Abstand voneinander und insbesondere mit einem Abstand von mehr als 3 μιη angeordnet werden, wobei es sich um eine Abmessung handelt, die in derartigen Anordnungen gewöhnlich kritisch ist. Daraus resultiert eine Vereinfachung bei der Herstellung der Matrix, da die Photogravüretoleranzen viel größer sein können.

Ein weiterer Vorteil betrifft das Problem der »Oberflächenzustände«, d. h. der Fangstellen, die an der Grenzfläche Szwischen Siliciumdioxid und Silicium sehr schnell einen Teil der Ladungen der Information während der Verschiebungen einfangen können und sie sehr langsam wieder freigeben, während die Verschiebungen fortgesetzt werden, wodurch der Verschiebungswirkungsgrad gesenkt wird.

Es ist bislang bekannt, diese Oberflächenzustände unter den Elektroden ständig zu sättigen, indem ein »Bodensa'z« von Ladungen mit Hilfe eines elektrischen Einganges in die Register eingegeben wird. Indem die Elektroden der Register immer derart vorgespannt werden, daß unter diesen Elektroden eine Raumladung aufrechterhalten wird, sättigen dort die Ladungen des Ladungsbodensatzes ständig die Oberflächenzustände. Dagegen werden in den Zwischenräumen oder »gaps« zwischen den Elektroden die Oberflächenzustände nicht gesättigt, da es dort keinen ständigen Ladungsboden satz gibt

In den Matrizen nach der Erfindung weisen auch die Zwischenräume zwischen den Elektroden der Register während der Verschiebungen Raumladungszonen auf. und zwar dank der Leiterbahnen G\... G_n, die durch die Verschiebespannung Vgt negativ vorgespannt sind. Sie können sogar, wenn die Spannung Vgt im Absolutwert größer ist als die SchweHspannong Vr, Inversionsschichten aufweisen, die in der Lage sind, positive Ladungen festzuhalten. Es ist auf diese Weise möglich, die Oberflächenzustände nicht nur unter den Elektroden, sondern auch zwischen ihnen zu sättigen, was anhand von F i g. 5 deutlich werden wird.

Zu diesem Zweck erlaubt ein an sich herkömmlicher elektrischer Eingang, der in Fig.3 schematisch durch die Diode 10 und die Torschaltung Il dargestellt ist, in jedes Register Grundladungen ζ\> einzugeben. Bevor die Abtastung eines Bildes ausgeführt wird, bringt man alle

ίο Leiterbahnen Ci ... G_n, auf das Verschiebepotential Vct, welches hier im Absolutwert größer als die Schwellspannung Vt ist, und durch Aufsteuern der Torschaltung 11 läßt man die Grundladungen Qo passieren. Die Verschiebung längs aller Register wird derart gesteuert, daß sie mit diesen Grundladungen gefüllt werden. Man steuert außerdem die Torschaltung 11. die ein Register mit Grundladungen Q₀ speist, jedesmal dann auf, wenn man eine Verschiebung längs dieses Registers veranlaßt.

Nachdem die vorangehende Operation des Füllens der Register mit Grundladungen ausgeführt worden ist, geht man zu der Abtastung des Bildes über, wie oben beschrieben. Wenn die Gitterstreifen G, ... G_n, an der Sperrspannung V_Gb liegen. Kurve (c) von F i g. 5, gehen

die zuvor in der Inversionsschicht der Zwischenräume zwischen den Elektroden gespeicherten Ladungen der Grundladungen in die Raumladungszonen unter den Elektroden. Die MOS-Kapazitäten speichern so nicht nur die Ladungen Q₅, die dem abgetasteten Bild entsprechen, sondern auch die Grundladungen Ob-Wenn die Verschiebung längs eines Registers in Gang gesetzt ist, Kurve (d) von F i g. 5, werden die dem Bild entsprechenden Ladungen Q_s unter den Elektroden zusammengefaßt, welche die tiefsten Potentialmulden aufweisen, während Ladungen Q₀ in die Potentialmulden gehen, die unter den Zwischenräumen zwischen den Elektroden durch das Gitterpotential V_Gt erzeugt worden sind.

Wenn danach die Verschiebung fortgesetzt wird,

Kurven (e) und (Q, wobei die Oberflächenzustände überall einschließlich zwischen den Elektroden durch Ladungen Qp gesättigt sind, werden die die Informationen kennzeichnenden Ladungen vollständig verschoben.

F i g. 6 zeigt schematisch in einer Schnittansicht längs eines Registers, beispielsweise längs des Registers Ru eine Abwandlung der Matrix nach der Erfindung, die sich von der von F i g. 3 durch die Geometrie ihrer Oxidschicht 4 unterscheidet. F i g. 7 dient zur Erläute-

rung ihrer Betriebsweise.

Es handelt sich hier, wie in dem Fall von Fig.4, um Ladungsverschieberegister, in welchem man Oberflächenzustände nicht berücksichtigt, beispielsweise wenn es sich abermals um Register mit Ladungsverschiebung

im Volumen handelt, die manchmal auch als Register »mit vergrabenem Kanal« bezeichnet werden, bei weichen diese Oberflächenzustände keinen Einfluß auf die Verschiebung haben.

Es ist in diesem FaJl nützlich, unter den Zwischenräu-

men zwischen den Elektroden Inversionsschichten aufrechtzuerhalten, und man kann Verschiebungen vornehmen, indem an die Leiterbahn des betreffenden Registers, beispielsweise an die Leiterbahn Gi des Registers R₁, die an die Phasen Φι, Φ₂ und Φ₃ angelegte

Spannung umgeschaltet wird, wie in den Fig.6 and 7 dargestellt.

In einer ersten Zeit die mit den beiden vorangehenden Fällen identisch ist, ist das Potential der Leiterbahn

Ci das Sperrpotential Vco, Kurve (b).

Während einer Zeit, die der Zusammenfassung der Ladungen unter den midieren Elektroden der Zellen, d. h. unter denjenigen Zellen, die mit der Phase Φ2 verbunden sind, Kurve (c), und der Verschiebung der Ladungen dieser Elektroden zu den mit der Phase Φι verbundenen Elektroden entspricht, Kurven (d) und (e), wird das Potential der Leiterbahn G\ in jedem Zeitpunkt das Potential der Phase Φ2 sein. Da keine Ladung zurückbleibt, wie es in F i g. 5 der Fall war, wird auf diese Weise die Dynamik der Anordnung vergrößert, welche Informationen mit größerer Amplitude abtasten kann, Außerdem, und im Gegensatz zu dem, was sich in der Anordnung von Fig. 4 ergeben würde, ist die Verschiebung gleichmäßiger als in Fig.4, da das Potential der Grenzfläche S des Zwischenraumes

zwischen den Elektroden zwischen zwei Kapazitäten, zwischen denen die Verschiebung erfolgt, immer zwischen den Potentialen der Grenzflächen 5 dieser beiden Kapazitäten liegt.

Wenn es sich darum handelt, die Ladungen der mit der Phase Φ3 verbundenen Elektroden zu den mit der Phase Φ\ verbundenen Elektroden zu verschieben, Kurven (V^ und (g), wird das Potential der Leiterbahn G\ auf die Phase Φ₃ umgeschaltet, so daß gilt V_Ci = V<Z>₃ usw.

Zur Erzielung einer solchen Arbeitsweise ist die Matrix in der in Fig.6 dargestellten Weise aufgebaut. Die die Gitterstreifen G\ ... G_m bildende Aluminiumschicht ist in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden von dem Halbleiter 1 durch dieselbe Oxidschicht 2 wie die Elektroden des Registers getrennt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildaufnahmeanordnung mit einer Matrix aus m Spalten mit jeweils η ladungsgekoppelten Zellen, wobei jede Spalte ein lineares Schieberegister mit optischem Eingang bildet und Einrichtungen zum Ingangsetzen der Verschiebung längs des Registers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß, da die Verschiebungsingangsetzeinrichtungen den m Registern (R\ ... R_m) gemeinsam sind, die mRegister jeweils Einrichtungen zur Sperrung der Verschiebungsingangsetzeinrichtungen enthalten, wobei die Sperreinrichtungen von m—\ Registern so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs der /n—lRegister gesperrt wird, und wobei die Sperreinrichtungen des m-ten Registers so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs des m-ten Registers ausgeführt werden kann; und daß Einrichtungen vorgesehen sind zum sequentiellen Entnehmen der in den π Zellen jedes der m Register enthaltenen η Informationen im gleichen Maße wie die m Verschiebungen, die unabhängig voneinander längs der m Register ausgeführt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Zellen der Register aus MlS-Kapazitäten bestehen, die durch die leitenden Elektroden (Ew, En, ...) festgelegt sind, welche auf einer Isolierschicht (2) gebildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat (1) ruht, wobei die Elektroden Teil der Verschiebungsingangsetzeinnchtungen sind und gestatten, längs der Register die elek.rischen Ladungen zu verschieben, welche durch die Lichtinformationen erzeugt worden sind, die sie empfangen; bei der die m Register (R] ... R_m) auf demselben Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind; und bei der Einrichtungen (3) vorgesehen sind zum Isolieren der in einem Register erzeugten Ladungen von den in den benachbarten Registern erzeugten Ladungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Sperren der Einrichtungen zum Ingangsetzen der Verschiebung längs jedes Registers aus Einrichtungen bestehen zum Steuern des Potentials (Vsc) der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden der verschiedenen Register, wobei diese Einrichtungen das Potential auf einen Wert bringen, der die Verschiebung, die normalerweise durch die gemeinsamen Elektroden in Gang gesetzt wird, in m-\ Registern sperrt, und das Potential auf einen Wert bringen, der die Ausführung der Verschiebung in dem /?j-ten Register gestattet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern des Grenzflächenpotentials der Zwischenräume zwitchen den Elektroden der in Register ein leitendes Gitter enthalten, welches aus m Leiterbahnen (G\... G_m)besteht, die jeweils auf jedem der m Register (R\ ■ ■ ■ Rm) gebildet sind, welche zuvor mit einer Schicht (2) aus einem Isoliermaterial überzogen worden sind, wobei die Leiterbahnen des Gitters in der Lage sind, die von ihnen gesteuerten Grenzflächen der Zwischenräume zwischen den Elektroden der Register auf vorbestimmte Potentiale zu bringen, wenn an sie Taktspannungen angelegt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Steuerung des Gitters, die an m—\ seiner Leiterbahnen eine Sperrspannung (Vcb) anlegen, welche die Potentiale der Grenzfläche der Zwischenräume zwischen den Elektroden der entsprechenden m— 1 Register auf den Wert bringt, der die Verschiebungen sperrt, und die an die m-te Leiterbahn eine Verschiebespannung (Vct) anlegen, welche die Grenzflächenpotentiale der Zwischenräume zwischen den Elektroden des entsprechenden Registers auf den Wert bringt, der die Verschiebung gestattet, wobei die Einrichtungen zum Steuern des Gitters die Verschiebespannung (Vct) nacheinander an jede der m Leiterbahnen des Gitters während einer Zeit anlegen, die von der Anzahl π der Zellen der Register und von der

iS Verschiebungszeit in einer Zelle abhängig ist

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern des Gitters ein Schieberegisters (5) mit m Stufen und m Ausgängen enthalten, die jeweils mit einer der m Leiterbahnen des Gitters verbunden sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der m Register einen elektrischen Eingang (10, 11) hat, der ihm während jeder Verschiebung elektrische Grundla-

*5 gen (Qo) liefert, die zum Sättigen der Oberflächenzustände der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Isolator des Registers dienen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum sequentiellen Entnehmen der in den η Zellen jedes Registers enthaltenen Informationen im gleichen Maß wie die Verschiebung des Registers ein lineares Ausgabeschieberegister (R_s) enthalten, welches auf demselben Substrat wie die m Register der Matrix angeordnet ist und m Zellen enthält, welche die jedes der m Register der Matrix verlassenden Ladungen aufnehmen und sie zu einer Ausgangseinrichtung ("DJ leiten.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Schieberegister 3-Phasen-Register sind.