DE2546664C3 - Mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildaufnahmeanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildaufnahmeanordnung mit einer Matrix aus /77Spalten mit jweils »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 btreits bekannt und ihre Grundprinzipien sind beispielsweise in einem Aufsatz von W. S. Boy Ic 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. F. Tompset'. //Charge transfer devices« in der Zeitschrift »journal of Vacuum und Science Technology«, luli/August 1972. Band 9, Nummer 4, S. 1166-1181. beschrieben.

Diese Anordnungen werden in bereits klassischer Weise verwendet, um lineare Register mit 77 Zellen herzustellen in denen man «digitale oder analoge Informationen speichern und nach Belieben daraus

jn kann, oder um Bildaufnahmeanordnungen

lerzustellen, mittels welchen ein zweidimensionales optisches Bild in eine elektrisches Signal umgewandelt werden kann, welches sequentiell für die Lichtintensität in den verschiedenen Elementarzonen des optischen Bildes 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 /ixffl 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 angeordneter) η Zellen aus zwei oder drei — je nach dem, ob das Register zwei- oder dreiphasig arbeitet — MlS (Melall-Isolator-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 MlS-Kapazitäten erzeugten Inversionsschicht gespeichert, indem an ihre metallische Elektrode eine passende Spannung angelegt wird, deren Absolutwert größer ist als ein als Schwellspannung Vr bezeichneter Wert. Eine derartige Spannung erzeugt in dem Halbleiter unter der betreffenden Elektrode eine Potentialmulde, die tatsächlich aus einer mit Majoritätsladungsträgern unterbesetzten Raumladungszonc besieht, und hält, wenn sie in ihrem Absolutwert den Schwellenwert erreicht und überschreitet, in der Inversionsschicht Minoritätsladungsträger fest. Diese Minoritätsladungslrägcr, deren Menge für die Information kennzeichnend ist, werden in dem Halbleiter entweder durch einen solche Ladungsti.iger 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 auftreffenden 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 MlS-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 η Zellen eingegeben worden sind.

Zum Bilden einer Bildaufnahmematrix ordnet man mehrere lineare Register, beispielsweise ;u Register, mit optischem Eingang nebeneinander an, wobei jede Spalte der Matrix aus einem Register besteht, während iprlr» /pile aus den m MlS-Kapazitäten desselben Ranges jedes Registers besteht. Jede der π 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 ElementaiTläche kennzeichnend ist. Das auf diese Weise in nx m Elementarflachen unterteilte optische Bild wird auf der Matrix in ein elektrisches Bild umgewandelt, welches aus nxm Ladungsmengen besteht, welche die π χ m 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 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 /l-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 MlS-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 Vcrschiebungsingangsctzeinrichtungen den in Registern gemeinsam sind, die //) Register jeweils Einrichtungen zur Sperrung der Verschicbungsingangsctzeinrichtungen enthalten, wobei die Sperreinrichtungen von m-l Registern so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs der m- 1 Register 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 η 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 π χ m 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 /u integrieren.

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

l⁷ig. I eine schematischc Ansicht einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung,

E i g. 2 und 3 zwei zueinander rechtwinklige schcmalisehc Schnittansichten eines Teils der Matrix von Ei g. I, I"ig.4 und 5 Kurven, welche die Arbeitsweise einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung nach der Erfindung in zwei Varianten veranschaulichen,

Fig.6 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer abgewandelten Ausführiingsform der Matrix nach der Erfindung und

Fig. 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 Ladungsverschicbeanordnimgen J-Phasen-Ladungsvcrsehiebeanordnungcn. Selbstverständlich ist die Erfindung ebensogut bei an sich bekannten 2-Phasen-l.adungsversehiebeanordnungcn anwendbar.

Wie oben bereits kurz erwähnt, enthüll eine erfindungsgemaße Festkörperanordnung für die Bild aufnahme eine Matrix mit nxm ladungsgekoppelien /eilen, die in m Spalten von jeweils η Zellen ungeordnet sind. Da es sich hier um JPhasen-Ladungsvoi'schieheiinordnungen handelt, enthält jede Zelle drei benachbarte MIS Kapazitäten, die durch drei leitende Elektroden lcsigclogt sind.

Iu Fig. I ist jede Spalte der Matrix tatsächlich ein lincurcs Register Ki, Rj... /?«„ welches uus η Zellen < Ί. O... C_n mit jeweils drei M IS-Kiipiizitiltcn besteht.

Die m Register sind in einer für diese Art von Matrizen im sich herkömmlichen Anordnung auf ein und demselben Halbleitersubstrat I hergestellt, wie es die I' i g. 1,2 und 3 /.eigen, in welchen gleiche Bezugs/eichen gleiche Elemente bezeichnen,

Diis Substrut I besteht beispielsweise «us N-Ieitendem Silicium, das mit einer dielektrischen Schicht 2 überzogen ist, die beispielsweise uus Siliciumdioxid bestehen kann. Leitende Elektroden, drei pro Zelle — nltmlich die Elektroden /in, £12. /i'u für die erste Zelle des Registers Ki; die Elektroden £21, £22, Zi¹Ji für die /weile Zelle; usw. - sind iitif die Schicht 2 uufgcbrueht, um die MOS-Kiipn/illUen der ladungsgekoppelt Zelk-n /u bilden.

Wie in den IMg. 1 und 2 diirgestclll, sind die Elektroden /Ή. /Ί.,.. ,dem System der Register Ki, ..K₁₁, t Mn die Vormischung der in einer Zolle eines Registers gespeicherten Ladungen mit den in den benachbarten Zellen der benachbarten Register gespeicherten Ladungen zu vermeiden, oder, anders ausgedrückt, um /J/ MOS-Kapazitäten längs ein und derselben Elektrode Eu ... E„j effektiv festzulegen und um m getrennte Register /?i... K,„ zu erhalten, zerlegt man die Matrix in Spalten, indem beispielsweise auf dem Substrat 1 unter der Oxidschicht 2 Diffusionen des /V* -Leilungstyps ausgeführt werden, welche äquidistante parallele Streifen 3 bilden. Diese Streifen 3 von /V⁴-Diffusionen haben eine Schwellspannung, die größer ist als die des N-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 /V*-Diffusionen liegen, werden die unter den verschiedenen Register R\ ... R₁₁, erzeugten Potcntialmulden wirksam voneinander isoliert. Andere bekannte Isolierungsverfahren sind hier ebenfalls anwendbar.

Von den Elektroden /Tu, f-\₂... sind jeweils alle dritten miteinander verbunden, da es sich hier um eine Anordnung mit drei Phasen Φι, Φ₂ und </>j handelt, an die die Taktspannungen für das Einschreiben und für die Verschiebung angelegt werden, wie weiter unten gezeigt werden wird.

F-ün lineares Ausgabcregister K_v das aus in Zellen mit

beispielsweise drei Illektroden besteht, wenn es sich hier ebenfalls um ein Register mit drei Phasen t; 1. </:. ι/1 handelt, ist auf demselben Substrat 1 wie die Matrix selbst angeordnet. Das Register R, ist in der Lage, zu einer Ausgangsdiode IK welche ein elektrisches Signal <■ abgibt, die Ladungen zu übertragen, die für die eingetragenen Informationen kennzeichnend sind, welehe es von der Matrix aus fix mZellen empfängt.

(iemäßder Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die die Verschiebung der in den Zellen der Matrix gespeii horten Ladungen von Register zu Register in (lang setzen. Während eines der in Register Wi ... R_n, m das Ausgiiberegisler K* entleert wird, verschiebt dieses die Informationen im gleichen Maße zu tier Ausgangs diode IK wobei an seine drei Phasen </1, </■.>. </ ₍ passende I iikispiinnungcn synchron mit den Taklspaniuinycn der Phasen Ψι.'/'j, </'ider Matrix angelegt werden. Während derselben Zeit sperren die gemäß dor l-rfindunj: vorgesehenen Einrichtungen die Verschiebung längs der »1- I anderen Register, in denen das Bild weiterhin integriert und gespeichert wird.

Die zum Leeren eines Registers erforderliche /oil ist

ausreichend kurz, um zu vermeiden, dull der in diesem Register gespeicherte Bildteil gestört wird. Die anderer

Register werden selbstverständlich nicht gestört, da ir

ihnen keine Verschiebung stattfindet.

Die Erfindung wird nunmehr ins einzelne gehend in Rahmen einer Art der Ausführung der Einrichtungei zur Steuerung der registerweisen Verschiebung be schrieben.

Eine weitere Betrachtung der IMg. I. 2 und 3 zeig eine Leiterbahn G,, Ci₁ .,. Cl₁₁₁, die jedes Register Wi.. fto W₁₁, bedeckt und von seinen Elektroden durch ein« Isolierschicht 4 isoliert ist. Diese Leitcrbuhneu sin« beispielsweise Aluminiumstrelfcn, wenn dtis ub/.utustcn de Bild iitif die freie Seite des Substrats 1 projiziert wird wenn es durch diese Streifen himliirehprojizieri wird. s< ist klnr, dull sie, ebenso wie die linderen Schichten, di zwischen dem Bild und dem Substrat liegen, uns einen triimpurenlen oder hulbtrunspiirentcn Loitermulerin hergestellt werden müssen. Die Schicht 4 ist beispieh

\o

weise ein Oxid, welches auf der Gesamtheit der Matrix thermisch hergestellt wird; in diesem Fall bestehen die Elektroden Ew ... E_ni aus einem hochwarmfcsten Metall, beispielsweise aus polykristallinem Silicium.

Wie Fig. 3 zeigt, wird eine an die Leiterbahn G\ des auf diese Weise auf der Matrix durch die Gesamiheit der Bahnen Ci bis C, gebildeten Gitters das Potential V, der Grenzfläche S 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 (a)die Elektroden Ew. En. Eu ... 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). (c) und (f) sind Kurven der Änderung des Potentials V₁ an der Grenzfläche .S' zwischen ϊο Siliciumdioxid und Silicium in Abhängigkeit von der Strecke .v längs des Registers dargestellt. Diese Kurven entsprechen: bei (b) und (c) dem Niehtvorhandenscin einer Verschiebung und bei (d) bis (I) verschiedenen /.eilpunkten einer Verschiebung.

Zur Erzielung der Polcntialkonriguration der Kurve (b) legt man die Leiterbahn 6Ί an eine derartige Sperrspannung Van. dall die Grenzflächenpoteniiale V.sr; in den Zwischenräumen /wischen den Elektroden Huf dem Refcrcnzpoiential und beispielsweise auf 0 Volt jo sind. Die Grenzflächenpotentiale unter den verschiedenen Elektroden sind durch die an die Phasen Φι, Ψ₂ und '/'ι angelegten Spannungen festgelegt. Die Wahl dieser Spannungen erfolgt im Prinzip gemäß den bereits klassischen Regeln der l.adungsveischiebeanordnungen. Tatsächlich ist sie hier ein wenig verschieden.

Die Kurven ^und ^entsprechen dem Nichtvorhandensein einer Verschiebung längs des Registers Wi. da die Leiterbahn (1\ /wischen den Elektroden Potentialwalle erzeugt, die von den Ladungen, die in den unter den Elektroden vorhandenen Poieniialmulden gespeichert sind, nicht überwunden werden können. Sie entsprechen somit einer Integrationspenode des Hildes durch das Register Wi. Während aber diese Integration stattfindet, ist eines von den m- I anderen Registern in einer Verschiebeperiode. Die an seine Elektroden über die Phasen Ψ,, «/>.· und '/»1 angelegten Spannungen schallen somit zwischen zwei Werten um, von denen der eine negativer ist als der andere, damit in dem betreffenden Register die Verschiebung ermöglicht J° wird. Das Register Wi wird somit Ludungen in den drei MOS-Kapuzitulen jeder seiner Zellen Mimmeln und speiehern, wllhrend üblicherweise «Hein eine dieser drei Zellen zur Speicherung dient. Mun muli somit die negiiiiven Spannungen Vi und V» wühlen, zwischen denen die Phasen umgeschaltet werden, um gleichzeitig die Verschiebung lungs des betreffenden Registers und die Integration der Ladungen in den anderen Registern zu ermöglichen, Man wllhll vorteilluifterweise

wobei Vf die oben definierte Schwellspannung ist,

15Ie Tatstiche, daß die Spannung | Vi| kleiner ist uls die Spannung |V_?| erlaubt, dull die Verschiebung von Ladungen in dein betreffende Register In zweckmäßiger Welse von den durch die Spannungen Vi gesteuerten KupuzlilUcn zu den durch die Spannung V₁ gesteuerten benachbarten Kapazitäten erfolgt. Die durch die

60 Spannungen V, und V₂ gesteuerten Grenzflächen S liegen auf dem Potential V91 bzw. Vy₂.

Die Tatsache, daß die Spannungen | V;| und | V₂| beide größer als die Spannung | V^ sind, erlaubt, daß die Integration und die Speicherung in zweckmäßiger Weise in den m-\ 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 Iritcgrationsperiode befinden, werden nämlich die drei MOS-Kapazitäten jeder Zelle nacheinander ihre Elektrode auf einem Potential V) haben, da eines von den m Registern immer in einem Vcrsehicbungszustand ist. Es ist somit erforderlich, daß die MOS-Kapazitäten, an die das Potential Vi angelegt ist, die positiven Ladungen bewahren können, die darin gespeichert worden sind. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß | V|| > | V;| ist. Deshalb werden die positiven Ladungen, die während einer Integration von den Kapazitäten angezogen worden sind, welche die tiefsten Potentialmuldcn darstellen, d. h. von denjenigen, die durch die Spannungen 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 Potentialmuldcn eingezeichnet sind, welche unter den drei Elektroden jeder Zelle vorhanden sind.

Wenn es sich darum handelt, die Verschiebung längs eines Registers, beispielsweise längs des Registers Wi, in Gang zu setzen, damit die Informationen, die es enthält, das Ausgaberegisier Rs füllen, schaltet man die an die Leiterbahn ΟΊ angelegte Spannung auf einen negativen Wert um, der als Verschicbespannung Va bezeichnet wird. Der Wert dieser Verschiebespannung \'\,i hängt von der betreffenden Ausführungsform ab. In allen !"allen soll er so groß sein, daß für das Potential Vs<;\ der (iren/fläche S in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden gilr.

In dem in l'ig. 4 dargestellten EaII, in welchem die klassischen Probleme der Oberflächen/usiiiiule nicht berücksichtigt sind, weil sie em weder durch zusätzliche Maßnahmen gelösi sind oder weil beispielsweise die Verschiebung gemäß an sich bekannten Verfahren im Volumen stattfindet, ist V<,j derart gewählt, daß gilt Vv(Ji = V'si. wie es die Kurve (d) ζι.'ΐμΐ, die dem Anfang der Verschiebung entspricht. Wahrend di«s« Spaiuuint Vf;; an die Leiterbahn Gi ungelegt ist, liegt an dct Leiterbahnen Gj ·<· G_n, der anderen Register dit Sperrspannung Vs/jun.

In einer ersten Zelt der Verschiebung, welches die be fdJdurgeMcllic ist. werden die in den drei MOS-Kapuzi tllten jeder Zelle gespeicherten Ladungen in ein un< derselben Kapazität zusummengcfaUt, und zwar ii derjenigen Kupu/itUt, deren Poteniiulmulde am tlefsiei ist - hier unter den Elektroden Um, /.».... /:'„j.

In einer zweiten Zelt, wenn die Spannungen Vi und V umschulten, wobei die Phase Φ? von Vj auf Vi geh wlthrend die Phase «/»1 von Vi auf V₃ geht und die l'has Φι auf Vi bleibt, erfolgt die Übertragung normal Ιΐΐημ des Registers Wi, wobei die Ladungen von den an di Phase Φι angeschlossenen Elektroden unter diejenige gehen, die an die Phase Φι angeschlossen sind, Kurve (c) und ((). Danach wird die Phase Φι von Vi auf I umgeschüttet, wahrend die Phase Φ, von V; auf \

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 Ci ... G_m mit Ausnahme einer Leiterbahn die Spannung Vcβ an, welche die Blockierung der Verschiebungen längs der entsprechenden Register bewirkt. |ede der m Stufen des Registers 5 legt der Reihe nach an die Leiterbahn, die sie steuert, die Verschiebespannung Vr,/ an. Die Umschaltung der Verschiebespannung von einer Leiterbahn zur nächsten des Gitters Ci... G_n, 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, '/>> und '/»ι 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 /u setzen, das mil unterschiedlichen Spannungen vorgespannt ist. weisen eine gewisse Anzahl zusätzlicher Vorteile auf, welche die Bildaufnahmeanordnungen nach der Erfindung besonders interessant machen.

Wahrend der Verschiebung sind nämlich die Zwischenräume /wischen 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 Jjini angeordnet weiden, wobei es sich um eine Abmessung handelt, die in derartigen Anordnungen gewöhnlich kritisch ist. Daraus resultiert eine Vereinfachung bei der Herstellung der Matrix, du die Photogravüreioleranzen viel größer sein können.

lim \\euerer Vorieil betnl'lt d,is Problem der »()herflachen/usr.iiule«, d. h. der l-'angsidlen, die .111 der (iien/lläche .S'/wischen Siliciumdioxid und Silicium sehr schnell einen Teil der Ladungen der Information wiihrend der Verschiebungen einlangen können und sie sehr liingsiiin wieder freigeben, während die Verschiebungen fortgesetzt werden, wodurch tier Verschie-Iningswii kungrigniil gesenkt wird.

Es ist bislmg bekannt, diese Oberllächcn/tisiände unlei dun Elektroden Mündig /.u siiuigen. indem ein so »Üodensutz« von Ladungen mit Hilfe eines elektrischen Eingunges in die Register eingegeben wird. Indem die Elektroden der Register immer derart vorgespannt werden, daß unter diesen Elektroden eine Riuimludung aufrechterhalten wird, sättigen dort die Ladungen des s$ Ludungsbodensotzcs ständig die Oberflttehenzuslünde. Dagegen werden in dun Zwischenräumen oder »gaps« /wischen den Elektroden die ObcrflUchen/ustundc nicht gesättigt, du es dort keinen ständigen Ludungsbodensttt/. gibt. to

In den Matrizen mich der Erfindung weisen auch die Zwischenräume /wischen den Elektroden der Register wahrend der Verschiebungen Rnumludiings/onen auf. und zwar dunk der Leiterbuhnen Cn.,. Cn, die durch die Versehlebespunnung Vornegutiworgespunnt sind, Sie 6j können sogar, wenn clic Spannung VnHm Absolutwert größer Ist uls die Schwellsptinnung Vn Inversionsschieh· ten aufweisen, die in der Luge sind, positive Ludungen festzuhalten. Es ist auf diese Weise möglich, die Oberflächenzustände nicht nur unter den Elektroden sondern auch zwischen ihnen zu sättigen, was anhanc von F i g. 5 deutlich werden wird.

Zu diesem Zweck erlaubt ein an sich herkömmlichei elektrischer Eingang, der in Fig.3 schematisch durch die Diode IO und die Torschaltung 11 dargestellt ist, ir jedes Register Grundladungen Q_a einzugeben. Bevor die Abtastung eines Bildes ausgeführt wird, bringt man alle Leiterbahnen C, ... G_n, auf das Verschiebepotentia V₍;r, welches hier im Absolutwert größer als die Schwellspannung V₇- ist, und durch Aufsteuern det Torschaltung 11 läßt man die Grundladungen Q passieren. Die Verschiebung längs aller Register wire derart gesteuert, daß sie mit diesen Grundladunger gefüllt werden. Man steuert außerdem die Torschaltung 11, die ein Register mit Grundladungen Q₀ speist jedesmal dann auf, wenn man eine Verschiebung läng; dieses Registers veranlaßt.

Nachdem die vorangehende Operation des Füllen; der Register mit Grundladungen ausgeführt worden ist geht man zu der Abtastung des Bildes über, wie ober beschrieben. Wenn die Gilterstreifen C, ... C_n, an dei Sperrspannung V_Cfl liegen, Kurve (c) von F i g. 5, gehen die zuvor in der Inversionsschicht der Zwischenräume zwischen den Elektroden gespeicherten Ladungen clci Grundladungen in die Raumladungszonen unter der Elektroden. Die MOS-Kapazitäten speichern so nichl nur die Ladungen Q„ die dem abgetasteten Bild entsprechen, sondern auch die Grundladungen Q₀.

Wenn die Verschiebung längs eines Registers in Gang gesetzt ist, Kurve (J) von I- i g. 5, werden die dem Bile entsprechenden Ladungen ζλ unter den Elektroden zusammengefaßt, welche die tiefsten Potentialmulden aufweisen, während Ladungen Q_n in die Potentialmulden gehen, die unter den Zwischenräumen /wischenden Elektroden durch das (iitterpotential l',,/ er/cugl worden sind.

Wenn danach die Verschiebung fortgesetzt wird Kurven (c) und (I), wobei die Oberfliichen/iisiilnde überall einschließlich zwischen den Elektroden durch Ladungen Q₀ gesättigt sind, werden die die Informationen kennzeichnenden Ladungen vollständig verschoben.

I·" 1 g. b zeigt schematise!! in einer Schnitiiinsicht längs eines Registers, beispielsweise längs des Registers R\ eine Abwandlung der Matrix nach der Erfindung, clic sich von der von Fig. i durch die Geometrie ihrer Oxidschicht 4 unterscheidet. I- i g. 7 dient zur Erläuterung ihrer Betriebsweise.

Es handelt sich hier, wie in dem Pull von F-"ig.4. um Lndungsversehieberegisier, in welchem mnn Oberfl«· chen/usMnde nicht berücksichtigt, beispielsweise wenn es sieh ubermuls um Register mit Ludungsverschicbung im Volumen hundclt. die mnnchmul mich uls Regster »mit vergrabenem Kunul« bezeichnet werden, bei weichen diese Obcrnitehe11zustttr.de keinen Einfluß uul die Verschiebung hüben.

Es ist in diesem Full nützlich, unter den Zwischenräumen /wischen den Elektroden Inversionsschichten uurreehiZuerhulten, und mnn kunn Verschiebungen vornehmen, indem on die Leitorbahn des betreffenden Regster«,, beispielsweise un die Leiierbnhn Oi des Registers «,, die an die !»hasten Φι, Φί uno Φι ungelegte Spunnung umgeschaltet wird, wie in den FI g. 6 und 1 dargestellt.

In einer ersten Zeil, die mit den beiden vorungehen· den Fallen Identisch lsi, Ist dus Potential der Leiterbahn

Ci das Sperrpotential Van, Kurve (b).

Während einer Zeit, die der Zusammenfassung der Ladungen unter den mittleren Elektroden der Zellen, d. h. unter denjenigen Zellen, die mit der Phase «/»> verbunden sind, Kurve (c), und der Verschiebung der Ladungen dieser Elektroden zu den mit der Phase Φι verbundenen Elektroden entspricht, Kurven (d) und (c), wird das Potential der Leiterbahn G\ in jedem Zeitpunkt das Potential der Phase Ψ; sein. Da keine Ladung zurückbleibt, wie es in 1^: 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 Gegensat/, zu dem, was sich in der Anordnung von F i g. 4 ergeben würde, ist die Verschiebung gleichmäßiger als in F i g. 4, da das Potential der Grenzfläche .S' des Zwischenraumes

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

Wenn es sich darum handelt, die Ladungen der mit der Phase </'i verbundenen Elektroden /u den mit der Phase </'i vei'.mndenen Elektroden zu verschieben, Kurven (f)iuvi (g), wird das Potential der Leiterbahn G\ auf die Phase </»i umgeschaltet, so daß gilt V_(;, = W»i usw.

Zur Erzielung einer solchen Arbeitsweise ist die Matrix in der in E i g. b dargestellten Weise aufgebaut Die die Gitiersircil'en G\ ... G_n, bildende Aluminiumschicht ist in den Zwischenräumen zwischen der Elektroden von dem Halbleiter I durch dieselbe Oxidschicht 2 wie die Elektroden des Registers getrennt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Palentansprüche:

   I. Mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildaufnahmeanordnung mit einer Matrix aus m Spalten S 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 /77 Registern (R\ ... R_n,) gemeinsam sind, die m Register jeweils Einrichtungen zur Sperrung der Verschiebungsingangsetzeinrichtungen enthalten, wobei die Sperreinrichtungen von /77—1 Registern so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs der /77-!Register gesperrt wird, und wobei die Sperreinrichtungen des /77-ten Registers so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs des /7j-ten Registers ausgeführt werden kann; und daß Einrichtungen vorgesehen sind zum sequentiellen Entnehmen der in den /1 Zellen jedes der /77 Register enthaltenen η Informationen im gleichen Maße wie die /7? Verschiebungen, die unabhängig voneinander längs der /7? Register ausgeführt werden.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Zellen der Register aus MIS-Kapazitäten bestehen, die durch die leitenden Elektroden (Eu, E12, ...) festgelegt sind, welche auf einer Isolierschicht (2) gebildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat (1) ruht, wobei die Elektroden Teil der Verschiebungsingangsetzeinrichtungen sind und gestatten, längs der Register die elektrischen Ladungen zu verschieben, welche durch die Lichtinformationen erzeugt worden sind, die sie empfangen; bei der die /77 Register (R\ ... R_n,) 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 (Vsa) 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 /77— I Registern sperrt, und das Potential auf einen Wert bringen, der die Ausführung der Verschiebung in dem /77-ten Register gestattet.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern des Grenzflächenpotentials der Zwischenräume zwischen den Elektroden der /77 Register ein leitendes Gitter enthalten, welches aus m Leiterbahnen (G\... C_n,^ besteht, die jeweils auf jedem der /77 Register (R\ ... R_n,) gebildet sind, weiche 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. 4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Steuerung des Gitters, die an tv- I seiner Leiterbahnen eine Sperrspannung (Vcb) anlegen, welche die Potentiale der Grenzfläche der Zwischenräume zwischen den Elektroden der entsprechenden m-\ Register auf den Wert bringt der die Verschiebungen sperrt, und die an die /77-te Leiterbahn eine Verschiebespannung (V_CT) 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 /7 der Zollen der Register und von der Verschiebungszeit in einer Zelle abhängig ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern des Gitters ein Schieberegisters (5) mit m Stufen und /77 Ausgängen enthalten, die jeweils mit einer der m Leiterbahnen des Gitters verbunden sind.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der /71 Register einen elektrischen Eingang (10, U) hat, der ihm während jeder Verschiebung elektrische Grundlagen (Qo) liefert, die zum Sättigen der Oberflächcnzustijnde der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Isolator des Registers dienen.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis b. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum sequentiellen Entnehmen der in den /7 Zellen jedes Registers enthaltenen Informationen im gleichen Maß wie die Verschiebung des Registers ein lineares Ausgabeschieberegister (Rs) enthalten, welches auf demselben Substrat wie die /77 Register der Matrix angeordnet ist und m Zellen enthält, welche die jedes der n? Register der Matrix verlassenden Ladungen aufnehmen und sie zu einer Ausgangseinrichtung (gleiten.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Schieberegister 3-Phasen-Register sind.