DE2600962B2

DE2600962B2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der ueberstrahlung bei halbleiterbildwandlern

Info

Publication number: DE2600962B2
Application number: DE19762600962
Authority: DE
Inventors: Peter Alan Kendall Park NJ Levine (VStA)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-01-13
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1977-10-20
Also published as: JPS5195722A; NL7600261A; DE2600962A1; CA1049122A; US3931465A; FR2297532B1; GB1529501A; DE2600962C3; JPS5346681B2; AU499966B2; FR2297532A1; AU1008676A

Description

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einen Verarmungszustand gesteuert wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen CCD-Kanal eines ^-Registers eines HalbleiterbildwandL"rs, wobei die Profile des Oberflächenpotentials fir zwei verschiedene Betriebsarten des Registers dargestellt sind, und

Fig.2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Signalen, wie sie beim Betrieb eines CCD-Bildwandlers gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet werden.

Zunächst wird auf den oberen Teil der Fig. 1 Bezug genommen. Die gezeigte CCD-Bildwandlerplatte weist ein Substrat 10 vom P-Typ und eine Vielzahl Elektroden auf, die gegenüber dem Substrat isoliert und kapazitiv damit gekoppelt sind. Die Darstellung ist insofern schematisch, als. die verwendete Isolierung, die normalerweise aus Siliciumdioxid besteht, nicht dargestellt und die Elektrodenanordnung nur sehe natisch gezeigt ist. Die zum Zwecke der Darstellung gewählte CCD-Bildwandlerplatte ist vom Typ einer dreiphasigen Bildwandlerplatte, wobei Dei einer tatsächlichen Ausführung der Schaltung die Elektroden einander überlappen können. Die Erfindung ist jedoch auch bei zwei-, vier- oder höherphasigen Einrichtungen anwendbar, die hier nicht im einzelnen gezeigt sind. Auch kann das Substrat vom N-Typ statt vom P-Typ sein, wenn die Speisespannungen mit der richtigen Polarität gewählt werden.

Die in F i g. 1 gezeigte Einrichtung kann ein Teil eines vertikalen Kanals des Bildaufnahmebereiches eines CCD-Feldes sein, der auch als Λ-Register bezeichnet wird. Während eines Teiles der Betriebszeit, die als Integrationszeit bezeichnet wird, und während der ein Bild auf dem CCD-Feld abgebildet wird, kann eine der Elektroden, das heißt die Φ-12-Elektroden in diesem Beispiel, auf einer Spannung gehalten werden, um zu bewirken, daß Verarmungsbereiche unter diesen Elektroden gebildet werden, und die restlichen Elektroden, das heißt die Φλ\- und Φ.-u-Elektroden in diesem Beispiel, können auf Potentialen gehalten werden, so daß die Substratbereiche unter diesen Elektroden in einem geringfügigen Verarmungszustand gehalten werden. Dies ist bei a in F i g. 1 gezeigt. Die Bereiche mit hoher Verarmung bilden Potentialmulden in dem Substrat, da·» heißt, sie bilden Bereiche an der Substratoberfläche, aus denen Majoritätsträger (Löcher) abgestoßen worden sind, und wo Minoritätsträger als Oberflächenladung gespeichert werden können. Die Bereiche mit geringer Verarmung des Substrates bilden Potentialsperren zwischen den Poteniialmulden. Im wesentlichen kein Teil des Substrates ist in Speicherung.

Im Betrieb wird ein Strahlungsbild durch die Elektroden, wie schematisch dargestellt ist, oder durch die Rückseite des Substrates auf die Bildwandlerplatte geworfen. Es sei zum Zwecke der Beschreibung angenommen, daß die Elektroden für die Strahlung im wesentlichen transparent sind.

Bei einer optischen Überlastung in einem Bereich, beispielsweise im Bereich der <i>.u-Elektrode 12, fließt die Potentialmulde in dem Substrat unter dieser Elektrode bald über. Diese überfließende Ladung kann dann über die Potentialsperren unter den Φαί- und Φ,Αΐ-Elektroden zu den angrenzenden Potentialmulden in demselben Kanal und möglicherweise (in Fällen einer erheblichen Überlastung) auch zu den Potentialmulden in angrenzenden Kanälen (nicht gezeigt) überließen.

Dieses Phänomen wird als Überstrahlung bezeichnet und, wie oben erwähnt wurde, ist es in hohem Maße unerwünscht.

F i g. 1 zeigt bei b schematisch die Verhältnisse bei der sogenannten funktionsmäßigen Steuerung der Überstrahlung, die so bezeichnet wird, weil keine zusätzlichen Einrichtungen in dem CCD-FeId erforderlich sind. Während der Integrationszeit werden hier die Φα\- und Φαί-Elektroden auf solchen Potentialen gehalten, daß die Substratbereiche zwischen deii Potentialmulden im Speicherzustand gehalten werden. Mit anderen Worten sind die Potentiale so, daß Majoritätsträger (Löcher in diesem Beispiel) in diesen Bereichen des Substrates vorhanden sind. Wenn eine optische Überlastung unter diesen Bedingungen auftritt, werden die überschüssigen Minoritätsträger (Elektronen in diesem Beispiel), die aus einer gefüllten Potentialmulde überfließen, mit den Majoritätsträgern (Löchern) rekombiniert, die in den genannten Speicherungsbereichen vorhanden sind. Dadurch wird die Zahl der überschüssigen Elektronen, die andere Potentialmulden erreichen, stark reduziert, wodurch auch die Tendenz des CCD-Feldes zur Überstrahlung stark reduziert wird.

Wenn man das CCD-Feld in der eben beschriebenen Weise betreibt, tritt ein anderes Problem auf. Weil die Bereiche zwischen den Potentialmulden als Speicherbereiche betrieben werden, wird wenigstens ein größerer Teil der Minoritätsträger aus diesem Bereich entfernt. Wenn daher nach der Integrationszeit der Inhalt des /4-Registers mit einer hohen Geschwindigkeit zu dem ß-Register (nicht gezeigt) verschoben wird, ist daher keine Restladung vorhanden, die die »schnellen Grenzflächenzustände« (Ladungstraps an der Halbleiter-Isolatorgrenzfläche) in diesen Bereichen des Substrates füllen. Diese Restladungen (auch als Nullsättigungsladung bezeichnet) haben eine wichtige Funktion, indem sie den Verlust an Ladungssignal bei diesen Traps verhindern oder wenigstens erheblich reduzieren, wenn das Ladungssignal durch die drei Phasenspannungen entlang den CCD-Kanal weitergeschoben wird. Eine mehr ins Einzelne gehende Diskussion dieses Phänomens bei CCD-Bildwandlern ist in der US-Patentanmeldung 4 81 746 vom 21. Juni 1974 enthalten.

Wenn daher ein CCD-Feld in der Weise betrieben wird, wie bei b in F i g. 1 gezeigt ist, geht ein Teil der Ladungssignale, die entlang dem CCD-Kanal während der Übertragung dieser Ladungssignale zu dem ß-Register weiterbewegt werden, verloren, das heißt, dieser Teil des Ladungssignales wird von den Traps eingefangen, die in der Substratoberfläche vorhanden sind, die vorher im Speicherur.gszustand war. Das Resultat ist ein Verlust an Signalintensität und eine nachfolgende Freigabe von Streuteilen des verlorenen Signals an nachfolgende Ladungssignale. Daher wird das Ladungsmuster ausgeschmiert, was sich in einer Herabsetzung der Auflösung zeigt, die in dem später reproduzierten Bild erzielt werden kann.

Um diesen unerwünschten Verlust an Auflösung so weit wie möglich auf ein Minimum herabzusetzen, können die Speicherungsbereiche nur in einen verhältnismäßig geringen Speicherungszustand versetzt werden, daß heißt, in einigen Fällen in einen geringeren Speicherungszustand, als es tatsächlich erwünscht wäre, um die Überstrahlung zu eliminieren. In einer praktischen Ausführung eines CCD-Feldes, das in der bei b in F i g. 1 gezeigten Weise betrieben wurde, hat es sich gezeigt, daß Überstrahlungen von 15:1 bis 20 :1 verarbeitet werden können. Es hat sich jedoch ferner

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gezeigt, daß es bei erheblich höheren optischen Überlastungen erforderlich ist, daß die Substratbereiche im Speicherzustand in einen solch großen Speicherzustand versetzt werden müssen, daß der sich ergebende Verlust an Auflösung nicht mehr tragbar ist.

F i g. 2 zeigt ein verbessertes Verfahren zur funktionsmäßigen Steuerung der Überstrahlung gemäß der Erfindung. Während der Integrationszeit ist die Φ,42-Spannung so groß, daß die Substratfläche unter den Φα2-Elektroden in den Verarmungszustand versetzt wird, und die Φαί- und ΦΛΐ-Spannungen sind so groß, daß die Substratoberfläche unter diesen Elektroden in den Speicherungszustand versetz« wird. Das Speicherungsniveau kann jedoch erheblich größer als das Niveau sein, das bisher verwendet wurde, und wie es bei b in F i g. 1 dargestellt ist.

Am Ende der Integrationszeit beginnen die Mehrphasenspannungen nicht unmittelbar. Stattdessen werden die Φλ\- und «P^-Elektroden auf solche Spannungsniveaus gelegt, daß die Substratbereiche unter diesen Elektroden in den Verarmungszustand getrieben werden. Dies findet während des Intervalls Δΐ\ von Fig.2 statt. Während des Intervalls Δί\ wird die $^₂-Spannung erheblich positiver gemacht als sie vorher war, um die Tiefe der Potentialmulde zu vergrößern und dadurch zu verhindern, daß ein Ladungssignal aufgrund der niedrigen Potentialsperren unterhalb der Φα\- und Φ/u-Elektroden entweichen kann. Dieses zusätzliche Verzögerungszeitintervall Δι, kann beispielsweise 0,1 msec (Millisekunden), daß heißt KX^sec (Mikrosekünden), betragen. Während dieser Zeitdauer sammelt der Substratbereich unter den Φ_Α\- und ΦAi-Elektroden, da er im Verarmungszustand ist, eine Restladung an. Diese Restladung resultiert hauptsächlich aus der Strahlung (Licht), die die Substratoberfläche erreicht. Diese Strahlung kann eine Vorbelastungsstrahlung (bias light) sein, wie in der oben genannten Anmeldung beschrieben wurde, oder es kann sich bei dieser Strahlung um die Hintergrundstrahlung handeln, die allgemein bei jedem Bild, das betrachtet wird, vorhanden ist. Ein Teil des sich ansammelnden Ladungssignals kann auch auf thermisch erzeugter Ladung beruhen.

Wenn das CCD-FeId in der oben beschriebenen und in Fig.2 gezeigten Weise betrieben wurde, hat es siel gezeigt, daß die Auflösung des reproduzierten Bilde außerordentlich gut ist, wenn der Inhalt des Λ-Register durch die dreiphasigen Wellenformen, die in Fig.; gezeigt sind, in das ß-Register (nicht gezeigt) übertra gen und das in dem ß-Register gespeicherte BiU nachfolgend reproduziert wird. Ferner hat es sich al: möglich herausgestellt, das CCD-FeId mit viel größerer optischen Überlastungen zu betreiben, als es vorhei möglich war. Es hat sich gezeigt, daß der CCD-BiId wandler eine optische Überlastung von etwa 50: I aushalten kann, wobei fast keine Überstrahlunf stattfand, während die bisherige Grenze, wie ober erwähnt wurde, zwischen 15 :1 und 20 :1 lag.

Um einen Überblick über die relativen Zeiten zi geben, die beim Betrieb des CCD-Feldes gemäß Fig.; auftreten, sei angenommen, daß das beschriebene CCD-Feld entsprechend den Bedingungen des kommer ziellen Fernsehens betrieben wird. Hier ist die Teilbildzeit '/«> see, die Ladungsübertragungszeit (während der der Inhalt des Bildwandlerfcldes/'-A-Rcgister] in das fl-Speichcrfcld /"ß-Register] übertragen wird) entspricht der vertikalen Rücklaufzeit und kann etwa SHX^sec betragen, und die Integrationszeit kann den Rest der Teilbildzeit, das heißt den Hauptteil der '/60 see, einnehmen.

In einem CCD-Feld, das in der Praxis erprobt wurde, wurde das Zeitintervall At\ auf 100μ5εΰ eingestellt, wobei sich die gewünschte, befriedigende Arbeitsweise ergab. Das Zeitintervall kann erhöht werden, wenn das Substrat in einem höheren Speicherungszustand während der Integrationszeit betrieben wird. Wenn während des Intervalls Δ t\ die Tiefe der Verarmungsbereiche unter den Φ_Αγ und Φ_Α\-Elektroden weiter vergrößert wird, sollte auch die Tiefe der Potentialmulden unter den #.42-Elektroden entsprechend vergrößert werden, um einen Verlust an Ladungssignal zu verhindern.

Das Zeitintervall Δί₂ (die Dauer einer Periode der Mehrphasenspannung) hängt zum Teil von der Zahl der Reihen in dem /4-Register ab. Bei einem CCD-FeId mit 200 Reihen zeigt eine einfache Berechnung, daß das Intervall Δ t₂ etwas über 4 μsecund für ein CCD-FeId mit 500 Reihen etwas unter 2 μβεΰ betragen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

26 OO Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der Überstrahlung bei Halbleiterbildwandlern mit einem nach dem Ladungskopplungsprinzip arbeitenden Bildaufnahmefeld, daß ein Substrat und kapazitiv mit dem Substrat gekoppelte Elektroden aufweist, wobei während der Integrationszeit ein bestimmter, erster Teil von Elektroden auf einem Potential gehalten wird, um "° Verarmungsbereiche in den Substratbereichen unterhalb diesen Elektroden zu erzeugen, in denen Ladung gespeichert werden kann, während ei:: anderer Teil der Elektroden auf einem Potential gehalten wird, um Speicherungsbereiche in dem '5 Substrat zwischen den Verarmungsbereichen zu ei zeugen, und wobei nach der Integrationszeit Vielphasenspannungen an die Elektroden angelegt werden, um die gespeicherte Ladung entlang dem Substrat weiterzubewegen, dadurch gekenn- x> zeichnet, daß am Ende der Integrationszeit und vor dem Anlegen der Mehrphasenspannungen das Potential an dem genannten, anderen Teil der Elektroden (die Elektroden, die entweder eine 'Aii-Spannung oder eine Φ ,^Spannung aufnehmen) ^5 während eines kurzen Zeitintervalles (Δί\) auf einen Wert geändert wird, der die Substratbereiche, die vorher im Speicherungszustand waren, in den Verarmungszustand versetzt, und daß gleichzeitig das an den bestimmten, ersten Teil der Elektroden (die Elektroden, die die Φ «-Spannung aufnehmen) auf einen Wert geändert wird, um die Substratbereiche unter dem bestimmten, ersten Teil der Elektroden in einen tieferen Verarmungszustand zu treiben.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem nach dem Ladungskopplungsprinzip arbeitenden Bildwandler, der ein Halbleitersubstrat, eine Vielzahl Elektroden, die unter Abstand zueinander entlang der Länge des Substrates angeordnet und kapazitiv mit dem Substrat gekoppelt sind, und eine Einrichtung aufweist, die während der Integrationszeit wirksam ist, um einen bestimmten, ersten Teil der Elektroden, zwischen denen ein zweiter Teil der Elektroden liegt, auf einem Potential zu halten, so daß Verarmungsbereiche in dem Substrat gebildet werden, und um den anderen Teil, das heißt die dazwischenliegenden, Elektroden auf einem Potential zu halten, um Speicherungsbereiche in dem Substrat zwischen den Verarmungsbereichen zu bilden, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die während eines verhältnismäßig kurzen Zeitintervalls (Δί\) nach der Integrationszeit wirksam sind, um das an dem zweiten Teil der Elektroden (die Elektroden, an denen Φλι- oder Φ,υ-Spannungen anliegen) auf einen Wert zu ändern, so daß Verarmungsbereiche in dem Substrat gebildet werden, und um gleichzeitig das Potential, das an den ersten Teil der Elektroden (die Elektroden, die eine «i^-Spannung empfangen) auf ^o einen Wert zu ändern, um das Substrat unter dem ersten Teil der Elektroden in einen tieferen Verarmungszustand zu treiben, wobei der Verlust an Ladungssignal von den Substratbereichen unter dem ersten Teil der Elektroden während dem Zeitinter- &5 vall (Δΐι) vermieden wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Wenn ein Feld photoempfindlicher Zellen, z. B. das Feld einer nach dem Ladungskopplungsprinzip arbeitenden Halbleiter-Bildwandlerplatte mit einem Bild beaufschlagt wird, in dem bestimmte Bereiche sehr viel heller sind als andere Bereiche, tritt die Gefahr einer Überlastung der stark beleuchteten Teile des Feldes auf. Bei einem Feld der oben erwähnten Art, das im folgenden CCD-FeId (CCD-charge coupled device) bezeichnet werden soll, hat eine Uberbelichtung eines bestimmten Bereiches zur Folge, das dort ein viel größeres Ladungssignal erzeugt wird, als an der betreffenden Stelle gespeichert werden kann. Die überschüssige Ladung neigt dann dazu, sich auf eine oder mehrere benachbarte Bereiche entlang einem oder mehrerer CCD-Kanäle auszubreiten. Der Effekt einer solchen Ladungsausbreitung wird mit »Überstrahlung« bezeichnet, d. h. der stark belichtete Bereich erscheint in dem aus dem Feld herausgelesenen und reproduzierten Bild viel größer als er in Wirklichkeit ist.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die beschriebenen Überstrahlungseffekte zu beseitigen oder zumindest zu verringern. So ist es z. B. aus der Veröffentlichung von CH. Sequin »Blooming Suppression in Charge Coupled Array Image Devices«, Bell System Technical! Journal, October 1972, Seite 1923, bekannt, im Substrat eines CCD-Halbleiterbildwandlers sogenannte Überstrahlungs-Sammelleitungen vorzusehen, die die durch eine übermäßige Beleuchtung erzeugten, überfließenden Ladungen ableiten. Diese Lösung hat den Nachteil., daß auf dem Substrat, wo der Platz sowieso schon äußerst knapp ist, zusätzliche Leitungen vorgesehen werden müssen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Uberstrah lung durch furktionsmäßige Steuerung des Halbleiterbildwandlers zu kontrollieren. Hierbei werden Bereiche des Substrats neben den Bereichen, in denen die Ladung erfaßt bzw. abgetastet wird, als Speicherbereiche zur Verfügung gestellt und die gewöhnlich aus Minoritätsträgern bestehende überschüssige Ladung wird dazu veranlaßt, mit Majoritätsträgern in diesen Speicherbereichen zu rekombinieren. Im bekannten Falle tritt dabei jedoch ein neues Problem auf, da ein Teil des Ladungssignales bei der Übertragung in Haft-Stellen (traps) verlorengeht, was mit einer Verringerung der Auflösung des wiedergegebenen Bildes verbunden ist. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur funktionsmäßigen Steuerung der Überstrahlung anzugeben, bei denen Überstrahlungseffekte ohne zusätzliche Elektroden und ohne nennenswerten Auflösungsverlust vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Unteranspruch betrifft eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bei dem Verfahren und der Einrichtung gemäß der Erfindung werden also Überstrahlungseffekte vermieden und eine ausgezeichnete Auflösung des reproduzierten Hildes gewährleistet, indem die Speicherbereiche des Substrats am Ende der Integrationszeit und vor der Übertragung des Inhalts der Bildaufnahmebereiche f,4-Register) in die Bildspeicherbereiche fß-Register) in