DE2734409C3 - Bildaufnahmegerät in CCD-Bauweise - Google Patents
Bildaufnahmegerät in CCD-BauweiseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Bildaufnahmegeräte, die aus ladungsgekoppelten Elementen aufgebaut sind.
Als Bezeichnung für ladungsgekoppelte Elemente wird im folgenden die auch im deutschen Sprachgebrauch
üblich gewordene Abkürzung CCD verwendet (von engl.: »Charg Coupled Devices«). Die vorliegende
Erfindung betrifft speziell Bildaufnahmegeräte in CCD-Bauweise, die mit sogenannter Feldübertragung
arbeiten.
Der Ausgangspunkt der Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 der Zeichnungen erläutert, die ein
Blockschaltbild eines für den Stand der Technik typischen CCD-Bildaufnahmegeräts mit Feldübertragung
zeigt, bei dem die Erfindung angewendet werden kann. Die übrigen Figuren veranschaulichen Ausführungsbeispiele
der Erfindung, und zwar zeigt:
F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäß ausgebildeten CCD-Bildaufnahmegeräts mit
Feldübertragung,
F i g. 3 eine graphische Darstellung des Kanalpotentials als Funktion der Gatespannung bei einer
CCD-Anordnung mit versenktem Kanal und einer CCD-Anordnung mit Oberflächenkanal,
F i g. 4 eine Draufsicht auf einen Td! eines mit Feldübertragung arbeitenden Bildaufnahmegeräts gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig.5 einen schematischen Querschnitt durch das Gerät nach F i g. 4 sowie Profile der sich während des
Betriebs dieses Geräts ergebenden Substratpotentiale.
Das in F i g, 1 dargestellte, für Feldübertragung
ausgelegte CCD-Bildaufnahmegerät enthält eine Matrix 10 aus lichtfühlenden Elementen, die üblicherweise als
Α-Register bezeichnet wird, eine Zwischenspeichermatrix 12, die als B-Register bekannt ist, sowie ein
Ausgangsregister 14, das gemeinhin C-Register genannt wird. Das B- und das C-Register sind abgedeckt oder
verdunkelt, durch irgendwelche. Maßnahmen (nicht dargestellt) ist dafür gesorgt, daß nichts von der
Strahlungsenergie des aufzunehmenden Bildes auf diese Register treffen kann.
Das Α-Register und das B-Register sind jeweils mit Kanalbegrenzungen versehen, die sich in Spaltenrichtung der jeweiligen Matrix erstrecken, um die einzelnen
Kanäle (d. h. die Spalten der CCD-Matrix) voneinander
zu trennen (die Kanalbegrenzungen für das B-Register sind teilweise in den F i g. 2 und 4 zu erkennen). Die in
F i g. 1 nicht eigens dargestellten Elektroden der CCD-Anordnungen können vom einschichtigen Typ
sein und z. ß. aus N-leitenden Polysiliziumbereichen bestehen, die durch P-leitende Polysiliziumbereiche
voneinander getrennt sind, wie es in der Offenlegungsschrift 26 04 081 beschrieben isL
Für die Elektroden können auch Anordnungen aus Polysilizium und sich damit überlappenden Lagen aus
Polysilizium oder Metall verwendet oder andere bekannte CCD-Elektrodenstrukturen genommen werden. Das Bildaufnahmegerät kann zwei-, drei-, vier- oder
mehrphasig betrieben werden. Eine handelsübliche Form eines solchen Geräts, die von der RCA
Corporation unter der Typenbezeichnung SID 51 232 und dem Namen »Big Sid« auf den Markt gebracht wird,
arbeitet mit Dreiphasensteuerung und hat 320 Spalten und 512 Zeilen (256 Zeilen im Α-Register und 256 im
B-Register).
Die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 1 ist einfach zu verstehen. Während der sogenannten
Integrationszeit wird eine Szene oder irgend ein anderes Bild auf das Α-Register abgebildet. Das Bild
kann aus Licht oder andersartiger Strahlungsenergie bestehen. Diese Energie bewirkt, daß an verschiedenen
Stellen des Α-Registers Ladungen entsprechend der auf die betreffenden Stellen fallenden Strahlungsintensität
erzeugt wird.
Nach dem Ende der Integrationszeit (z. B. während des Vertikalaustastintervalls beim kommerziellen Fernsehen) werden die angesammelten Ladungssignale (ein
sogenanntes »Feld«, das einem Teilbild beim kommerziellen Fernsehen entsprechen kann), parallel in
Spaltenrichtung vom Α-Register zum B-Register übertragen, indem die Mehrphasenspannungen
Φα\ ■■ ■ Φαν und Φβ\ ■ ■ ■ Φβν in passender Folge angelegt
werden, wobei N eine der Anzahl der verwendeten Phasen gleiche ganze Zahl ist Anschließend werden die
Ladungen, jeweils eine Zeile auf einmal, vom B-Register zum C-Register übertragen, und jede Zeile von
Ladungen wird dann, nachdem sie das C-Register erreicht hat, unter Steuerung durch die Schiebespannungen Φα ■ · ■ Φον in Serienform aus diesem Register
hinausgeschoben. Dieses serielle Hinausschieben aus dem C-Register erfolgt mit relativ hoher Geschwindigkeit (z. B. während einer »Zeilenzeit« des kommerziellen Fernsehens). Während der Übertragung eines
Feldes vom B-Register in das C-Register kann ein neues Feld im Λ-Reeister integriert werden.
Bei dem oben erwähnten Bildaufnahmegerät des RCA-Typs SID 51 232 (»Big Sid«) sind das A-, das B-
und das C-Register sämtlich CCD-Anordnungen mit Oberflächenkanälen. Ein solcher Gerätetyp hat im
Betrieb eine Menge wesentlicher Vorteile. Zum einen werden im Α-Register nur relativ schwache Dunkelströme erzeugt. Zum anderen läßt sich bei diesem
Gerätetyp eine relativ große Ladungsmenge bei gegebener Zellengröße (Kanalbreite und Elektrodenflächi) speichern. Anders ausgedruckt kann bei Vorgabe
der zu speichernden Ladungsmenge die Kanalbreite und die Elektrodenfläche relativ klein gehalten werden, was
eine hohe Packungsdichte erlaubt, d. h. auf einer
gegebenen Substratfläche kann eine relativ große Anzahl von Ladungsspeicherplätzen untergebracht
werden. Ein weiterer Vorteil eines Α-Registers mit Oberflächenkanälen besteht in der Möglichkeit eine
sogenannte operative Überstrahlungskontrolle vorzusehen, wie sie in der USA-Patentschrift 39 31 465
beschrieben ist
Obwohl die mit Oberflächenkanälen ausgelegte Bildaufnahmegeräte äußerst gute Bilder liefern, ist noch
Raum für Verbesserungen. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß speziell das C-Register eines
derjenigen Teile ist die einer noch weiteren Verbesserung der Bildqualität entgegenstehen. Das mit Oberflächenkanälen ausgelegte C-Register erfordert für optimalen Betrieb die Einführung sogenannter »dicker
Nullen« (engl: »Fat Zeros«). Bei einer speziellen Ausführungsform werden in der Praxis diese dicken
Nullen an einem Ende des Registers in Serienform eingegeben, wenn der Inhalt des C-Registers an dessen
anderem Ende ausgeschoben wird, und diese dicken Nullen füllen dann teilweise die Potentialgruben im
C-Register. Die Information der nachfolgenden vom B-Register in das C-Register geschobenen Bildzeile
wird dann den Ladungssignalen überlagert die in den jeweiligen Stufen des C-Registers entsprechend den
eingegebenen dicken Nullen vorhanden sind.
Der Grund für die Notwendigkeit des Einfiihrens dicker Nullen in CCD-Anordnungen mit Oberflächenkanal ist bekannt und sei hier nur kurz erläutert. Bei
CCD-Anordnungen mit Oberflächenkanal gibt es Defekte in Form sogenannter »fester Haftstellen«
(engl.: »fast trapping states«) an der Substratoberfläche. Diese Haftstellen begrenzen die Leistungsfähigkeit der
Ladungsübertragung, da sie den die Information enthaltenden Ladungssignalen bei deren Wanderung
längs der Oberfläche des CCD-Kanals Ladung wegnehmen oder hinzufügen. Durch Einführung der dicken
Nullen wird dieser Übertragungsverlust wesentlich verringert und dadurch die Güte der Ladungsübertragung verbessert. Andererseits wurde jedoch gefunden,
daß die Erzeugung der dicken Nullen für ein C-Register mit Oberflächenkanal und einschichtiger Elektrodenstruktur auch Rauschkomponenten verursacht
Wenn auch die Güte der Ladungsübertragung in einem C-Register mit Oberflächekanal beim Betrieb mit
dicken Nullen relativ hoch ist gibt es immer noch ein gewisses Maß an Übertragungsverlusten (in der
Größenordnung von 10~3 bis 10~4 pro Ladungsübertragung bei Taktfrequenzen von 5 bis 10 MHz) während
der Weitergabe der Ladungssignale längs des C-Registers. Da das C-Register aus relativ vielen Stufen
bestehen kann (z. B. aus 320 Stufen), führt dieser sehr kleine Verlust pro Stufe zu einem beträchtlichen
Gesamtverlust bei denjenigen Signalen, die eine große Anzahl von Einzelübertragungen erfahren. Dieser
Übertragungsverlust äußert sich in einer Abnahme der Horizomalauflösung des CCD-Bildaufnahmegeräts.
Es gibt außerdem noch einen praktischen Gesichtspunkt, der den Gebrauch eines CCD-Bildaufnahmegeräts mit Oberflächenkanal manchmal problematisch
erscht-ίπεη läßt Wenn das Gerät in einer tragbaren
Fernsehkamera verwendet werden soll, ist es wichtig, die Spannung und Leistung und das Gewicht möglichst
gering zu halten. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Übertragungsspannungen für das A- und das B-Register
relativ niedrig (z. B. etwa 8 Volt) sein können, weil die Übertragungen in diesen Registern relativ langsam
erfolgen (etwa 200 KHz für die Übertragungen vom A-zum B-Register und etwa 15,75 KHz für die Übertragungen vom B- zum C-Register). Diese Spannung kann
von einer gewöhnlichen 12 Volt Batterie geliefert werden. Die Übertragung im C-Register finden jedoch
mit viel höherer Geschwindigkeit statt (etwa 6 MHz). In der Praxis hat sich gezeigt, daß im Falle einer
einschichtigen Elektrodenstruktur, wie sie in der weiter oben erwähnten USA-Patentanmeldung beschrieben ist,
für die Taktspannungen Φα bis Φα am C-Register etwa
15 Volt erforderlich sind. Um diese 15 Volt von der 12-Volt-Batterie zu erhalten, wird ein Gleichspannungswandler verwendet, der den Aufwand und die
Kompliziertheit des Systems vergrößert Außerdem steigt mit der höheren Spannung und mit dem
benötigten Wandler auch der Leistungsverbrauch des Systems, was die Lebensdauer der Batterie verkürzt.
Bei einem erfindungsgemäß verbesserten CCD-Bildaufnahmegerät mit Feldübertragung ist das Λ-Register
10 (Fig. 1) nach wie vor eine CCD-Anordnung mit Oberflächenkanal, während das C-Register 14 jedoch
ein Typ mit sogenanntem versenkten oder vergrabenen Kanal ist Das B-Register bleibt vorzugsweise eine
Anordnung mit Oberflächenkanälen, es kann jedoch auch ein Typ mit vergrabenen Kanälen sein.
Wenn man bei dem in F i g. 1 dargestellten Bildaufnahmegerät das C-Register mit vergrabenem Kanal
auslegt, dann ergibt sich für den Ladungsübertragungsverlust je Stufe in diesem Register ein Maß von 10-4 bis
10~5 bei Taktfrequenzen von 10 bis 20 MHz. Außerdem werden im C-Register keine »dicken Nullen« verwendet Da der Ladungsübertragungsverlust wesentlich
niedriger ist wird die Horizontalauflösung wesentlich höher, und da keine dicken Nullen in Serienform in das
C-Register eingeschoben werden, erzeugen sie auch keine Rausch- oder Störkomponenten in diesem
Register. Außerdem hat die Praxis gezeigt, daß man zum Betreiben des mit vergrabenem Kanal ausgelegten
C-Registers bei 6 MHz mit einer Taktspannung von 12Vo!t oder weniger auskommt, die sich aus der
12-Volt-Batterie ohne die Notwendigkeit eines aufwärtstransformierenden Gleichspannungswandlers entnehmen läßt (vgL in diesem Zusammenhang F i g. 3, die
veranschaulicht, daß bei einem gegebenen Gateelektrodenpotential in einer CCD-Anordnung mit vergrabenem Kanal ein höheres Kanalpotential erzeugt wird als
in einer CCD-Anordnung mit Oberflächenkanal; vgl. außerdem die in F i g. 5 veranschaulichte Arbeitsweise).
Außerdem wurde gefunden, daß auch die erforderliche Leistung zum Betreiben des C-Registers im Falle eines
vergrabenen Kanals wesentlich niedriger ist als im Falle eines Oberflächenkanals.
In einem erfindungsgemäBen Bildaufnahmegerät
können alle Register auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (ein einziges Halbleiterplättchen) gebildet
sein; bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
handelt es sich z. B. jeweils um ein P-leitendes Substrat
Das A- und das B-Register der Ausführungsform nact F i g. 2 sind beide mit Oberflächenkanal ausgelegt unc
werden mit Dreiphasensteuerung betrieben. Die Fig.; zeigt teilweise das B-Register und das C-Register eine
Ausführungsform der Erfindung. Die Elektroden wie z. B. 20,22 und 24 können einschichtig sein und sind nu
schematisch dargestellt In Vertikalrichtung laufende P+-Diffusionen (Kanalbegrenzungen) wie z.B. 26, 2J
und 30 definieren die Grenze der vertikalen CCD-Kanä Ie. Jeder dieser Kanäle besteht aus einer CCD-Anord
nung mit Oberflächenkanal. Ein typischer Kanal, wie ei mit 32 bezeichnet ist, kann etwa 25,4 μπι breit sein. Die
Kanalbegrenzungen sind an ihren Enden verbreitert, un dort kleine öffnungen oder Durchlässe 34 zu bilden
durch die hindurch Ladungen in das C-Register fließer können.
Das C-Register ist ein Register mit vergrabenen Kanal, was durch die gepunktete Darstellung zurr
Ausdruck kommen soll. Das Substrat ist P-Ieitend, unc der vergrabene Kanal sei durch einen sehr dünnet
N-ieitenden Bereich an der Oberfläche des Substrat: hergestellt, der einen PN-Halbleiterübergang mit den
Substrat bildet Der vergrabene Kanal ist an einen Rand durch eine Kanalbegrenzung z. B. in Form eine
P+-Diffusionsgebiets 36 begrenzt. Da die Kapazitä einer Potentialgrube für eine gegebene Elektrodenflä
ehe bei einem vergrabenen Kanal geringer ist als be einem Register mit Oberflächenkanal, wird der vergra
bene Kanal wesentlich breiter als die vertikal verlaufen den Oberflächenkanäle des β-Registers ausgelegt (ii
der Praxis z. B. doppelt so breit oder noch breiter). Be einer praktischen Ausführungsform, bei der da:
B-Register 25,4 μπι breite Kanäle 32 hat, beträgt du
Breite w des vergrabenen Kanals beispielsweise 50,8 μπι.
Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig.2 laß
sich relativ einfach erklären. Nach einer gewisse! Integrationszeit wird der Inhalt des A- Registers (Fig. 1
in das B-Register geschoben. Es sei z. B. angenommen
daß nach dem Ende dieser Übertragung eine Zeile ode Reihe von Ladungssignalen vorübergehend unter eine
mit der Phase 1 (Φβι) angesteuerten Elektrode 2i
gespeichert ist Zu diesem Zeitpunkt ist die Φ si-Span
nung verhältnismäßig positiv, während die Φβι- um
ΦίΒ-Spannungen weniger positiv, z. B. gleich 0, sind
Diese Zeile von Ladungssignalen wird dann durch die Φβι- und Φ «-Spannungen nacheinander zuerst unter die
Elektrode 22 und dann unter die Elektrode 2' geschoben. Wenn Φ« positiv wird, dann wird auch
relativ positiv, wodurch eine Potentialgrube unter der Φα-Elektroden wie z. B. der Elektrode 40 geschaffet
wird. Das zu dieser Zeit in einem Kanal 32 unter de Elektrode 24 vorhandene Ladungssignal läuft unter die
Elektrode 40 im C-Register. Die Ladungsübertragunj vom B-Register in das C-Register ist beendet wenn die
$arSpannung auf ihren niedrigen Wert zurückkehrt während die Φα-Spannung hoch bleibt Bei eine:
praktischen Ausfühningsform kann der Hub dei
Mehrphasenspannungen des B-Registers (z.B. dei
ΦίΒ-Spannung) von 0 bis 11 Volt gehen, während dei
Hub der Mehrphasenspannungen des C-Registers (ζ. Β
der Φα-Spannung) von —2 bis +8VoIt gehen kann
wobei in beiden Fällen die Vorspannung des Substrat mit 0 angenommen wird. In Fig.3 läßt sich erkennen
daß bei diesen Spannungswerten (es ist auch eine andere Wahl dieser Werte möglich) derartige Substratpotentia
Ie entstehen, daß eine Ladungsübertragung aus den
Bereich des Kanals 32 unterhalb der Elektrode 24 in den Bereich des Substrats unterhalb der Elektrode 40
stattfindet Es sei erwähnt, daß im ß-Register der von 0
bis 11 Volt gehende Spannungshub zu einer Änderung des Oberflächenpotentials am Substrat von 0 bis ■>
ungefähr 8,5 Volt führt, und daß im C-Register der von — 2 bis +8VoIt gehende Spannungshub zu einer
Änderung des Kanalpotentials von etwas über 8 Volt bis auf ungefähr 16 Volt führt.
Der vorstehend beschriebene Vorgang läuft in allen ι ο
vertikalen Kanälen ab, d. h. die unter der Elektrode 24 gespeicherte Zeile von Ladungssignalen wird in
paralleler Weise unter die Φα-Elektroden des C-Registers geschoben. Anschließend wandern die Ladungssignale
unter dem Einfluß der Spannungen Φα, Φα und ι ·>
Φα längs durch das C-Register, um an einem Ausgangsanschluß dieses Registers (in Fig. 1 bei IS
gezeigt) Bildsignale in Serienform zu erzeugen.
Während bei der Ausführungsform nach F i g. 2 die Obergabe aus dem Oberflächenkanal in den vergrabenen
Kanal hinter der Elektrode 24 stattfindet, kann diese Obergabe auch unter der Elektrode 24 erfolgen.
Die Fig.4 zeigt eine zweite Ausführungsform der
Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach Fig.2 darin unterscheidet, daß das B-Register zwei
zusätzliche Elektroden 42 und 44 enthält, wobei die Elektrode 42 wesentlich breiter als die restlichen
Elektroden des B-Registers und auch breiter als die Elektrode 44 ist Der vergrabene Kanal erstreckt sich
von der Kanalbegrenzung 46 bis unter die Elektrode 42. Es ist nicht notwendig, den Rand 48 des vergrabenen
Kanals allzu genau auszurichten. Dieser Rand 48 sollte wesentlich näher am Rand 50 der Elektrode 42 als am
Rand 52 dieser Elektrode liegen, und diese grobe Vorschrift ist relativ einfach zu erfüllen. Die breite
Elektrode 42 bringt auch eine Potentialgrube erhöhter Kapazität (verglichen mit dem Fall einer schmalen
Elektrode, unter der Bereiche sowohl des vergrabenen Kanals als auch des Oberflächenkanals vorhanden sind).
Die erhöhte Kapazität der Potentialgrube erlaubt die vorübergehende Speicherung von Ladung, während
Ladungen im C-Register aus diesem Register hinausgeschoben werden, wie es in F i g. 5 dargestellt ist.
Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach F i g. 4 während der Übertragung vom B-Register in das
C-Register ist in F i g. 5 veranschaulicht. Die verschiedenen dargestellten Substratpotentiale können aus der
graphischen Darstellung nach F i g. 3 ermittelt werden, worin die Beziehung zwischen dem Gateelektrodenpotential
und dem Substratpotential gezeigt ist Die F i g. 5 sü zeigt bei a) die verschiedenen Substratpotentiale im
Augenblick, wo das Ladungssignal an der Φκ-Elektrode
41 ankommt Diese Elektrode liegt auf +10 Volt, um ein Substratoberflächenpotential von 8 Volt zu erzeugen.
Die Elektrode 42 liegt auf +6VoIt, um unter ihrem
Bereich 42a ein Substratoberflächenpotential von 5 Volt und unter ihrem Bereich 426 ein Potential von
+14,5 Volt für den vergrabenen Kanal zu erzeugen. Es
sei angenommen, daß die Potenttalgrube 60 unter der Elektrode 41 relativ voll ist, so daß ein Teil des fao
Ladungssignals über die 5-Volt-Barriere läuft und in die
Potentialgrube 62 unter dem Teil 426 der Elektrode 42 fließt
Während der folgenden Zeitspanne, die bei b) in F ig. 5 veranschaulicht ist, ist das Potential Φ st der
Elektrode 41 von +10 Volt auf + 2 Volt verringert Das
Oberflächenpotential unter der Elektrode 41 ist entsprechend auf etwa +1,7 Volt vermindert, so daß der
Rest des unter der Elektrode 41 befindlichen Ladungssignals in die Grube 62 fließt. Während dieser
Zeitspanne (und auch während der vorangegangenen Periode) liegt die Gateelektrode 44 auf einem Potential
Vc2 von —8 Volt, um eine +2,8 Volt-Barriere zu bilden
und dadurch zu verhindern, daß irgendwelche Teile des unter der Elektrode 42 vorhandenen Ladungssignals in
das C-Register fließen.
Während des nächstfolgenden Zeitintervalls, das bei c) in Fig.5 dargestellt ist, ist das der Elektrode 42
angelegte Potential Vc\ von +6VoIt verringert, und
gleichzeitig ist das der Elektrode 44 angelegte Potential Vci con -8 Volt auf 0 Volt erhöht. Diese Potentialänderungen
haben zur Folge, daß die Tiefe der Potentialgrube unter dem Bereich 426 der Elektrode 42 geringer
wird und daß die Potentialbarriere unter der Elektrode 44 verschwindet und dort das gleiche Potential von
+ 9,5VoIt entsteht, wie es der vergrabene Kanal
unterhalb der Elektrode 53 des C-Registers hat. Unter diesen Bedingungen läuft das unter dem Teil 426 der
Elektrode 42 gespeicherte Ladungssignal unter die Elektroden 44 und 53, wie es bei c) in Fig.5
veranschaulicht ist Gleichzeitig bewirkt die Abnahme der Spannung Vgl daß die Höhe der unter dem Bereich
42a der Elektrode 42 befindlichen Barriere von 5 Volt auf 0 Volt abnimmt Zur gleichen Zeit wird die der
Elektrode 41 angelegte Spannung Φβι von + 2 Volt auf
+ 10 Volt erhöht, so daß ein neues Ladungssignal aus dem B-Register in die dadurch gebildete 8-Volt-Grube
fließt. Selbst wenn diese Grube hierdurch voll wird, kann dieses Ladungssignal wegen der 0-Volt-Barriere unter
dem Bereich 42a der Elektrode 42 nicht unter die Elektrode 42 gelangen.
Die F i g. 5 zeigt bei d) dieselben Bedingungen, wie sie bei a) dargestellt sind. Die sich hier abspielenden
Vorgänge werden bei Betrachtung dieser Figur deutlich. Die Spannung Vcn liegt bei — 8VoIt so daß am
vergrabenen Kanal eine +2,8-Volt-Barriere vorhanden ist die das B-Register vom C-Register trennt. Das
Ladungssignal unter der Elektrode 53 kann nun mit hoher Geschwindigkeit längs des C-Registers weitergegeben
werden, um am Ausgangsanschluß 15 (F i g. 1) die Bildsignale in Serienform zu liefern.
Es ist auch möglich, sowohl das B-Register als auch das C-Register mit vergrabenen Kanälen auszulegen.
Die Obergabe von dem mit Oberflächenkanälen ausgebildeten /4-Register kann in diesem Fall nach der
in Fig.2 veranschaulichten Methode erfolgen, oder gewünschtenfalls kann auch eine gesonderte Gateelektrode
größerer Breite verwendet werden, wie es in den Fig.4 und 5 veranschaulicht ist Ein Nachteil dieser
Ausführungsform besteht darin, daß in einem solchen B-Register die Kapazität der Potentialgruben für
Ladungssignale kleiner ist als bei dem gleich großen mit Oberflächenkanal ausgelegten Λ-Register. Diese Eigenheit
läßt sich nicht ausgleichen, ohne daß andere Probleme entstehen. Wenn man beispielsweise die
Elektroden im B-Register breiter macht, um deren Fläche zu vergrößern, dann wird die Vertikalauflösung
geringer. Wenn jedoch nur das C-Register mit vergrabenem Kanal ausgelegt ist, wie es die Fig.2, 4
und 5 zeigen, dann kann man eine erhöhte Ladungsspeicherkapazität einfach dadurch erreichen, daß man
die Breite des CCD-Kanals des C-Registers vergrößert, wie es dargestellt ist Durch diese Maßnahme wird die
Auflösung nicht vermindert, weil hier die vergrößerte Breite in Vertikalrichtung geht Die Horizontalauflösung
wird aus den bereits beschriebenen Gründen
verbessert.
Ein mit vergrabenem Kanal ausgelegtes Register für den dargestellten Typ eines Bildaufnahmegeräts mit
P-Ieitendem Substrat (N-leitendem Kanal) kann auf folgende Weise hergestellt werden: Bevor Elektroden
aufgebracht werden, wird zunächst eine relativ dicke Schicht (5000 A) aus Siliziumdioxid durch thermisches
Wachstum auf dem Substrat gebildet, indem das Substrat erhitzt wird. Dann wird mit Hilfe photolithographischer
Verfahren die Oxidschicht an demjenigen Teil des Substrats entfernt, wo der vergrabene Kanal zu
bilden ist. Hierauf wird ein zur N-Le:tung führender Stoff wie z. B. Phosphor in das Substrat implantiert. Bei
einem in der Praxis ausgeführten Verfahren mit Phosphordotierung wurde eine Dosis von
1,3 χ 1012cm-2 mit einer Spannung von 200 KeV
implantiert. Die weitere Herstellung des Bildaufnahmegeräts erfolgt dann auf herkömmliche Weise. Die
Oxidschicht an den Kanälen mag bei allen Registern einschließlich des mit vergrabenem Kanal ausgelegten
Registers 2000 A betragen und durch thermisches Wachstum gebildet werden.
Die vorstehend beschriebenen und dargestellten Alisführungsformen der Erfindung, bei denen P-leitende
Substrate und N-Implantationen zur Bildung der
ίο vergrabenen Kanäle verwendet werden, sind lediglich
als Beispiele anzusehen, d. h. man kann das Gerät auch mit Oberflächenkanälen auf N-leitendem Substrat
ausbilden und die vergrabenen Kanäle durch P-leitende Bereiche an der Oberfläche des Substrats schaffen. In
diesem Fall sind die Polaritäten der zum Betrieb verwendeten Spannungen entsprechend zu ändern.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Mit Feldübertragung arbeitendes Bildaufnahmegerät aus ladungsgekoppelten Elementen (CCD- s
Bauweise), mit einem ersten Register in CCD-Bauweise, dessen Kanaltyp ein Oberflächenkanal ist und
das als Antwort auf ein aufprojiziertes Strahlungsbild Ladungssignale erzeugt und speichert, ferner
mit einem zweiten Register in CCD-Bauweise, das ι υ mit dem ersten Register gekoppelt ist und in welches
ein Feld von Ladungssignalen aus dem ersten Register zum Zwecke der Zwischenspeicherung
einschiebbar ist, sowie mit einem dritten Register in CCD-Bauweise, das mit dem zweiten Register
gekoppelt ist, um von dort die zu jeweils einer Zeile des Feldes gehörenden Ladungssignale parallel zu
empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß
das dritte Register (14) ein Typ mit vergrabenem Kanal ist >o
2. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Register (10) aus einer
Vielzahl von sich in der Spaltenrichtung des Feldes erstreckenden CCD-Kanälen besteht, deren jeder im
wesentlichen die gleiche Breite in Zeilenrichtung hat, 2-, und daß das dritte Register (14) aus einem sich in
Zeilenrichtung erstreckenden CCD-Kanal besteht; daß der Kanal des dritten Registers eine in der
Spaltenrichtung gemessene Breite (w) hat, die wesentlich größer als die Breite der CCD-Kanäle j«
des ersten Registers (10) ist.
3. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des CCD-Kanals des
dritten Registers (14) mindestens doppelt so groß wie die Breite der CCD-Kanäie des ersten Registers r>
(10) ist.
4. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Register (12) aus
einer Vielzahl von sich in Spaltenrichtung des Feldes erstreckenden CCD-Kanälen und aus einer Vielzahl
von sich in Zeilenrichtung über die Spalten der CCD-Kanäle erstreckenden Elektroden besteht, die
alle im wesentlichen gleiche Breite haben; daß das zweite Register (12) in Spaltenrichtung gesehen
hinter seiner dem ersten Register (10) am weitesten 4 entfernt liegenden Registerelektrode (41) eine erste
Gateelektrode (42) aufweist, deren Breite wesentlich größer als die Breite der anderen Registerelektroden
des zweiten Registers ist und hinter der sich eine zweite Gateelektrode (44) befindet, die unmittelbar ίο
an das dritte Register (14) angrenzt; daß sich die erste und die zweite Gateelektrode quer über die
Spalten der CCD-Kanäle erstrecken; daß das mit vergrabenem Kanal ausgelegte dritte Register (14)
aus einem Substrat eines ersten Leitungstyps v> besteht, das einen Oberflächenbereich eines dazu
entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, der bis unter die besagte erste Gateelektrode (42) reicht und
sich im wesentlichen über die gesamte Länge der ersten Gateelektrode eri treckt. w
>
5. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Register (12) eine
Vielzahl von sich in Zeilenrichtung erstreckenden Elektroden aufweist, deren letzte (24) in unmittelbarer
Nachbarschaft des dritten Registers (14) liegt <-,
und die alle quer über die Spalten der CCD-Kanäle laufen; daß das mit vergrabenem Kanal ausgelegte
dritte Register (14) ein Substrat eines ersten Leitungstyps aufweist, auf dem ein Oberflächenbereich
eines dazu entgegengesetzten Leitungstyps gebildet ist, der an einem hinter der letzten
Elektrode des zweiten Registers liegenden Bereich des Substrats endet und überlappungsfrei mit dieser
letzten Registerelektrode ist
6. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Register (12) eine
Vielzahl von sich in Zeilenrichtung erstreckenden Elektroden aufweist, deren letzte in unmittelbarer
Nachbarschaft des dritten Registers (14) liegt und die sich alle quer über die Spalten der CCD-Kanäle
erstrecken, und daß das mit vergrabenem Kanal ausgelegte dritte Register (14) ein Substrat eines
ersten Leitungstyps aufweist, auf dem ein Oberflächenbereich eines dazu entgegengesetzten Leitungstyps gebildet ist, der vom dritten Register bis unter
die letzte Registerelcktrode des zweiten Registers reicht und sich im wesentlichen über die gesamte
Länge dieser letzten Registerelektrode erstreckt.
7. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Register (10) aus einer
Vielzahl von sich in Spaltenrichtung des Feldes erstreckenden CCD-Kanälen besteht die mit den
CCD-Kanälen des zweiten Registers (12) ausgerichtet sind und die alle im wesentlichen die gleiche
Breite in Zeilenrichtung haben, und daß sich der vergrabene Kanal des dritten Registers (14) in
Zeilenriciitung erstreckt und in Spaltenrichtung eine Breite hat, die wesentlich größer als die Breite der
Kanäle des ersten und des zweiten Registers (10,12) ist.
8. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanaltyp des zweiten
Registers (12) ein vergrabener Kanal ist.
9. Bildaufnahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanaltyp des zweiten
Registers (12) ein Oberflächenkanal ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB31953/76A GB1559860A (en) | 1976-12-14 | 1976-12-14 | Surface-channel ccd image sensor with buried-channel output register |
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CA (1) | CA1090453A (de) |
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