DE2852592A1 - Bildabfuehlvorrichtung - Google Patents

Description

KARL H. WAGNER ' _SOOo MÖNCHEN 22

GEIWÜRZMÜHLSRASSE 5

^POSTFA£^f8⁴52592

5. Dezember 1978 78-T-3376

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, Kalifornien, U.S.A.

Bildabfühlvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Bildabfühlvorrrchtungen und ist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, anwendbar auf dem Gebiet der Bildabfühlsysteme, die zur Erkennung von Änderungen in einem abgefühlten Bild dienen.

In vielen Situationen ist es zweckmäßig, Bilder elektronisch abzufühlen. In einigen Fällen ist es erwünscht, ein Bild als Ganzes in einem ausgewählten Zeitaugenblick wahrzunehmen. In anderen Fällen ist es in erster Linie erwünscht, Änderungen im Bild während einer ausgewählten Zeitperiode zu erkennen, und nicht das ganze Bild in einem gegebenen Augenblick wahrzunehmen.

Es sind bereits zahlreiche Bildabfühlvorrxchtungen bekannt. Die meisten, wenn nicht sogar alle, dieser Abfühlvorrichtungen zum Abfühlen eines vollständigen Bildes machen eine komplizierte nach der Abfühlung einsetzende Datenverarbeitung erforderlich, um Bildveränderungen oder Variationen zu erkennen. Ein bekanntes Verfahren zum Erkennen von Bildvariationen sieht vor, daß ein anfänglicher Bildrahmen (Einzelbild oder Bildzone) der zu betrachtenden Szene abgefühlt wird,

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und dieses anfängliche Bild oder die anfängliche Bildzone wird in einem externen Speicher gespeichert, worauf dann dieses anfängliche Bild als eine Bezugsgröße oder Referenz verwendet wird, um mit darauffolgend abgefühlten Bildzonen der gleichen Szene verglichen zu werden, um so irgendwelche Differenzen zwischen der anfänglichen Bildzone und den darauffolgenden Bildzonen festzustellen. Die Subtraktion der festgestellten Bildintensität der darauffolgenden Zone von der festgestellten Bildintensität der anfänglichen Zone auf einer Bildelement-nach-Bildelement-Basis ergibt ein von Null verschiedenes Resultat für jedes Bildelement, welches feststellbar unterschiedliche Intensitäten der ein Ansprechen induzierenden Strahlung in den zwei Bildzonen empfing. Derartige Systeme sind außerordentlich kompliziert, da sie einen Speicher benötigen, der eine gesamte elektrische Darstellung einer anfänglichen Bildzone speichert, und zwar ohne daß dabei ein signifikanter Verlust an Intensitätsauflösung und Genauigkeit auftritt. Das Datenverarbeitungssystem muß in der Lage sein, entweder 1. die elektrische Repräsentation der darauffolgenden Bildzone zu speichern und sodann diese elektrische Repräsentation mit der elektrischen Repräsentation der anfänglichen Bildzone vergleichen, oder aber das Datenverarbeitungssystem muß 2. dazu in der Lage sein, die elektrische Repräsentation der anfänglichen Zone mit der elektrischen Repräsentation der darauffolgenden Zone in Realzeit zu vergleichen, wenn die elektrische Repräsentation des darauffolgenden Rahmens erzeugt oder empfangen wird. Welches dieser Verfahren auch immer verwendet wird, die Auflösung und Genauigkeit wird reduziert. Wenn Digitalspeicher benutzt werden, so reduziert die Digitisierung (Digitalumwandlung) die Auflösung und Genauigkeit. Wenn Analogspeicher Verwendung finden, so laufen die Daten von den.beiden Bildzonen durch unterschiedliche Vorrichtungen mit nicht identischen Eigenschaften und die Auflösung und Genauigkeit wird reduziert. Obwohl diese Systeme kompliziert und teuer sind, kann der beabsichtigte Zweck dort erreicht werden, wo die zu erkennende Szenenänderung ein Intensitätsniveau besitzt, welches die Erkennung leicht macht. Infolge der komplizierten Natur der

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bei diesen Systemen erforderlichen Signalverarbeitung, ist jedoch deren Empfindlichkeit gegenüber Szenenänderungen, die ein niedriges Intensitätsniveau besitzen oder eine kleine Änderung in einem hohen Intensitätsniveau aufweisen, weniger als optimal.

Es wird eine Bildfühlvorrichtung und ein Bildfühlsystem benötigt, und zwar geeignet sowohl zur Wahrnehmung ganzer Bilder und zur Erkennung eines beweglichen Ziels (Target) oder einer Bildänderung, wobei die Kompliziertheit und die Kosten dieses Systems vermindert sind und sich eine verbesserte Empfindlichkeit gebenüber kleinen Intensitätsänderungen und der Bewegung von Targets mit niedriger Intensität in einem Hochxntensitätshintergrund ergibt.

Zusammenfassung der Erfindung. Die Nachteile der bekannten Bildfühlvorrichtungen werden großen Teils durch eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung überwunden, und zwar durch Sammlung von infolge des Bildes photoerzeugten Ladungen in einer Anordnung aus LadungsSammelelementen vergraben innerhalb des Halbleitermaterials. Jedes Ladungssammelelement stellt die Strahlung von einem Bildelement (Pixel) des Bildes fest. Die auf jedem eingegrabenen Ladungssammelelement der Anordnung gesammelte (festgestellte) Ladung wird periodisch zu einer Ladungstransfer-Vorrichtung (charge transfer device = CTD)-Speicherzelle übertragen, welch letztere mit dem Ladungssammelelement verbunden ist, für die Übertragung oder den Transfer zu Ausgabestrukturen, die extern verwendbare Signale erzeugen. Die Erkennung eines beweglichen Ziels (oder einer Bildänderung) kann vorteilhafterweise vorgesehen werden durch Verwendung einer Mehrfachzonenspeicherung für jedes Ladungssammelelement, und zwar durch Assoziierung einer Vielzahl von CTD-Speicherzellen mit jedem Ladungssammelelement (Ladungskollektor). Sich bewegende Objekte können erkannt werden dadurch, daß man auf einer Pixel-zu-Pixel-Basis eine Ladungsdifferenzoperation ausführt, an der während zwei unterschiedlichen Zonen gesammelten Ladung. Dies liefert von

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Null verschiedene Daten für jedes Bildelement, welches eine feststellbar unterschiedliche aktinische Strahlungsintensität in der anfänglichen Zone gegenüber der in der darauffolgenden Zone aufwies, wobei auf diese Weise Mittel vorgesehen sind, um diejenigen Teile des Bildes, die sich ändern, zu identifizieren, während jeder festliegende Hintergrund, unabhängig davon was der Hintergrund ist, ignoriert wird. Das Zwischen-Zonen-Übersprechen wird minimiert und die Auflösung und Genauigkeit werden maximiert, und zwar durch 1. Assoziierung einer Vielzahl von CTD ¹S mit unabhängiger Ladungsspeichersteuerung mit jeder Spalte von Ladungskollektoren oder Sammlern derart, daß eine unterschiedliche Zone in jeder der CTD's assoziiert oder verbunden mit einer gegebenen Spalte von Ladungskollektoren gespeichert werden kann, und 2. durch Vorsehen gesonderter Ausgangs-CTD's für jede Zone und spezielle Ladungsübertragungssteuerstrukturen derart, daß die unterschiedliche Bildzonen repräsentierende Ladung zu unterschiedlichen Ausgangs-CTD¹s übertragen werden kann. Mit einer derartigen Architektur können die Zonen zum Ausgang des Systems parallel übertragen werden, wobei jede CTD (sowohl Anordnung als auch Ausgang) nur von einer einzigen Zone gesammelte Ladungen transportieren, wodurch die übertragungsinduzierte Zwischenzonen-Kreuzkopplung während der Übertragung in den Anordnungs-CTD's und in den Ausgangs-CTD's verhindert wird.

Eine unabhängige Ladungsspeichersteuerung kann erhalten werden durch Aufspaltung der Elektroden einer Fortpflanzungsphase in eine Vielzahl von gesonderten Elektroden für die Speichersteuerung.

Extern vorgesehene erste und zweite Bildzonendaten können sequentiell in die CTD-Anordnung übertragen werden und sodann in der gleichen Weise verarbeitet werden als ob sie durch die eingegrabenen Ladungssammelelemente abgefühlt wären. Auf diese Weise kann die CTD-Struktur oder -Gebilde mit einer bekannten Bildvorrichtung der Bauart mit einer einzigen

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Bildzone in jedem Zeitpunkt verwendet werden, um so ein System zu bilden, welches wie die bevorzugte monolithische Vorrichtung arbeitet.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:

eine perspektivische teilweise aufgeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Bildabfühlvorrichtung; eine vereinfachte teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf einen Teil der Vorderseite einer erfindungsgemäßen Bildabfühlanordnung;

einen vereinfachten Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 2 längs Linie 3-3;

einen vereinfachten Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 2 längs Linie 4-4;

einen vereinfachten Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 2 längs Linie 5-5;

eine vereinfachte Draufsicht der Ausgangsstruktur der Vorrichtung der Fig. 2;

einen vereinfachten Querschnitt durch die Struktur der Fig. 6 längs Linie 7-7;

einen vereinfachten Querschnitt durch die Struktur der Fig. 6 längs Linie 8-8;

einen vereinfachten Querschnitt durch die Struktur der Fig. 6 längs Linie 9-9;

Fig. 10 einen vereinfachten Querschnitt durch die Struktur der Fig. 6 längs Linie 10-10.

Die erfindungsgemäße Bildabfühlvorrichtung wird auf. einem Wafer aus Halbleiter-oder anderem Material hergestellt, welches die für die ordnungsgemäße Arbeitsweise der Vorrichtung erforderlichen Eigenschaften besitzt. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung sowie des Betriebs desselben.

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Fig.	1
Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5
Fig.	6
Fig.	7
Fig.	8
Fig.	9

Mehrere durch die Erfindung ausgeführte Operationen sind unterschiedlich, wobei aber darauf durch die Verwendung der gleichen oder einer ähnlichen Ausdrucksweise Bezug genommen werden kann. Aus Gründen der Klarheit der Beschreibung seien im folgenden einige Ausdrücke in der Weise erklärt, wie sie hier verwendet werden.

Der Ausdruck "Feststellen" (manchmal auch Detektieren) wird hinsichtlich des Prozesses oder der Funktion der Umwandlung der einfallenden Energie in gesammelte elektrische Ladungen verwendet, die die räumliche Variation oder Änderung der aktinischen Intensität dieser Energie repräsentieren.

Der Ausdruck "aktinisch" wird hinsichtlich der einfallenden Energie benutzt, welche direkt oder indirekt elektrische Ladungen erzeugt, die die Vorrichtung feststellen kann.

Der Ausdruck "erkennen" wird hinsichtlich des Verfahrens der Extrahierung oder Herausziehung ausgewählter Information aus der durch den Feststellprozeß oder das Feststellverfahren gelieferten Bildinformation verwendet. Die Erkennung oder Detektierung kann innerhalb des Halbleiterchip oder extern gegenüber diesem entsprechend der Gesamtsystemkonstruktion erfolgen.

Der Ausdruck "Wahrnehmen" wird hinsichtlich der Rezeption oder Aufnahme der Bildinformation verwendet, und zwar vorgesehen durch das Feststellverfahren und umfaßt die Aufnahme sämtlicher Bildinformation oder die Aufnahme einer geringeren Menge an erkannter Information, oder beides. Die Wahrnehmung kann innerhalb des Halbleiterchip oder extern gegenüber diesem entsprechend der Gesamtsystemkonstruktion erfolgen.

Der Ausdruck "Abfühlen" wird verwendet bezüglich des Verfahrens der Umwandlung der aktinischen einfallenden Energie in ein elektrisches Signal oder einen elektrisch induzierten Zustand repräsentativ für die räumliche Variation dieser aktinischen einfallenden Energie.

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Der Ausdruck "Abfühlen" ist somit ziemlich breit und kann umfassen so wenig wie die Feststellung und so viel wie die Feststellung und einen großen Teil der darauffolgenden Datenverarbeitung entsprechend der Art der gewünschten Information oder des Signals.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Bildabfühlvorrichtung 18 gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 perspektivisch teilweise aufgeschnitten dargestellt. Kurz gesagt besitzt die Abfühlvorrichtung 18 eine obere oder Vorderseite 20, eine untere oder Hinterseite 19, auf die das abzufühlende Bild fokussiert ist, und einen Wafer aus Gastmaterial 22. Das Gastmaterial 22 besitzt ein dünnes Segment 28, in dem Ladungssammel- oder -kollektorzonen 30 (Kollektoren) und Ladungskollektor- oder -sammlerisolationszonen 32 angeordnet sind. Auf der Oberseite des Gastmaterials 22 ist eine dielektrische Lage 50 angeordnet, und ein Satz 60 aus Ladungsübertragungsvorrichtungs(CTD)-Steuerelektroden 61, 63, 65, 67 und 69 sind auf dem Dielektrikum 50 angeordnet. Eine Vielzahl von CTD-Kanälen ist innerhalb des Gastmaterials durch Kanalstops (nicht in Fig. 1 gezeigt) definiert. Die Ladungstransferkanäle und die Kanalstops laufen senkrecht zur Länge der Elektroden von Satz 60. Die Ladungstransferkanäle, Steuerelektroden, Kanalstops und dgl. bilden einen Satz 70 aus Ladungstransfervorrichtungen, welche Bildinformation in Form von durch Ladungskollektoren 30 gesammelten Ladungen empfangen. Eine Anordnungsausgangsstruktur 100 ist in der Nähe der rechten Begrenzung der Fühlvorrichtung 18 gemäß Fig. 1 angeordnet. Die Anordnungsausgangsstruktur 100 empfängt die Bildinformation von den Ladungsübertragungs- oder -transfervorrichtungen des Satzes 70 in der Form von Ladungspaketen und transportiert diese zu einer Vorrichtungsausgangszone 140, wo extern verwendbare Signale erzeugt werden. Eine elektrische Anordnungseingangsstruktur 98 ist in der Nähe der linken Seite der Fühlvorrichtung 18 der Fig. 1 angeordnet.

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Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung sei an dieser Stelle kurz erläutert, so daß der Zweck und die gegenseitige Beziehung der noch zu beschreibenden Teile der Vorrichtungsstruktur klarer wird.

Wie in Fig. 5 gezeigt, durchdringt einfallende Energie 90, die vorzugsweise in der Form elektromagnetischer ein abzubildendes Bild formender Strahlung sein kann, das Halbleitermaterial und wird unter Erzeugung von Loch-Elektron-Paaren absorbiert. Die Träger mit einem Vorzeichen werden von den Ladungskollektorzonen 30 angezogen und gesammelt und erzeugen eine Bildintensitätsinformation in Form von Ladungsmengen gespeichert in der Nähe individueller Ladungskollektorelemente (CCE = charge collection elements). Die Sammlung dieser Träger auf den Ladungssammel- oder -kollektorelementen kann sich für eine Periode fortsetzen, die als die Bildintegrationszeit bezeichnet werden kann. Wenn die Bildintegrationsperiode abgelaufen ist, so ist ein Rahmen oder eine Zone des einfallenden Bildes festgestellt, und es wird eine CCE-zu-CTD-Transferspannung an die Elektroden 67 (oder die Elektroden 69) angelegt, um die das festgestellte Bild repräsentierenden Ladungen zu den Anordnungs-CTD's zum Auslesen zu übertragen. Diese Spannung besitzt ein Vorzeichen und eine Große, welche eine Vielzahl der Verarmungszonen veranlasst, sich von der Nähe der Vorderseite des Gastmaterials 22 aus nach unten weit hinein in die eingegrabenen Ladungssammelelemente 30 zu erstrecken. Die durch jedes Ladungssammelelement (CCE) gesammelten Träger werden in eine damit assoziierte oder verbundene Verarmungszone angezogen und wandern zur Vorderseite des Gastmaterials 22. Sodann wird die CCE-zu-CTD-Transferspannung auf eine Ladungshaltespannung reduziert, die nicht mehr Ladungen von den Ladungskollektorelementen anzieht, sondern die von jedem Ladungskollektorelement in eine gesonderte CTD-Ladungsspeicherzelle, verbunden mit diesem Element, transferierte Ladung hält. Sobald die Transferspannung auf das Speicherspannungsniveau reduziert ist, fangen die Ladungskollektorelemente 30 an, ein zweites

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Einzelbild (Bildzone) des angelegten Bildes zu sammeln. Somit fängt eine neue Bildintegrationszeit an. Beim Ablauf der zweiten Bildintegrationszeit wurde ein zweites Einzelbild (Bildzone oder Bildrahmen) des einfallenden Bildes festgestellt, und eine CCE-zu-CTD-Transferspannung wird an die Elektroden 69 (oder 67) angelegt, um die das zweite festgestellte Einzelbild zu den Anordnungs-CTD¹s zu übertragen, die nicht verwendet werden für die Speicherung der Ladungen von dem ersten Einzelbild des Bildes. Die CCE-zu-CTD-Transferspannung an den Elektroden 69 wird sodann auf eine Ladungsspeicherspannung reduziert. Mit jedem Ladungssamme1- oder -kollektorelement sind zwei CTD-Speicherzellen assoziiert, und zwar eine unter einer Elektrode 67 und eine unter einer Elektrode Die assoziierten CTD-Speicherzellen sind diejenigen zu welchen das Ladungssammelelement die Ladung direkt übertragen kann. Da jede dieser Zellen in einer unterschiedlichen CTD ist, können die CTD's,in denen sie sind,als assoziierte CTD's bezeichnet werden. Die das erste Einzelbild repräsentierenden Ladungen werden nunmehr in CTD-Speicherzellen unter Elektroden 67 gehalten, und die das zweite Einzelbild oder die zweite Bildzone repräsentierenden Ladungen werden in CTD-Speicherzellen unter den Elektroden 69 gehalten. Da Ladungsspeicherspannungen sowohl an Elektroden 67 als auch 69 angelegt sind, befinden sie sich nunmehr auf dem gleichen Potential.

Ladungsfortpflanzungsspannungen werden - vgl. Fig. 1 - an die Ladungstransferelektroden des Satzes 60 angelegt (wobei die Elektroden 67 und 69 die gleiche Spannung angelegt besitzen), um die die ersten und zweiten Einzelbilder repräsentierenden Ladungen zum Ausgang der Vorrichtung zu transferieren.

Die die zwei Einzelbilder repräsentierenden Ladungen werden zum Ausgangssystem auf einer Zeile-nach-Zeile-Basis übertragen. Das Ausgangssystem des bevorzugten Ausführungsbeispxels weist (vgl. Fig. 6) Parallel-Ausgangs-CTD's 104 und 106 auf, und zwar zusammen mit Steuerstrukturen zur übertragung der ersten Einzelbildladungen zu einer ersten der Ausgangs-CTD's und der zweiten Einzelbildladungen zu einer zweiten dieser Ausgangs-CTD's. Nachdem jede Zeile von Ladungen zu den Aus-

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gangs-CTD's übertragen ist, wird diese Zeile von Ladungen durch die Ausgangs-CTD¹s zur Vorrichtungsausgangszone 140 der Vorrichtung übertragen , wo extern verwendbare Signale erzeugt werden.

Die Struktur oder der Aufbau der Fühlvorrichtung 18 werden nunmehr im einzelnen beschrieben. Gemäß Fig. 1 besitzt die Fühlvorrichtung 18 eine untere oder Rückseite 19 und eine obere oder Vorderseite 20, sowie ein Wafer aus Gastmaterial 22, welches in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein n-Typ-Silicium ist. Zusätzlich zum Gasthaibleiter 22 weist die Vorrichtung 18 Hilfslagen, Glieder und Strukturen auf. Wafer 22 besitzt gemäß der Zeichnung ein dickes Segment 24, ein dünnes Segment 28 und ein sich verjüngendes Übergangssegment 26 in der Zone zwischen dem dicken Segment 24 und dem dünnen Segment 28. Fig. 3 zeigt deutlicher das dünne Segment 28, welches das Material aufweist, welches aktiv ist bei der Umwandlung der einfallenden Energie in für das auffallende Bild repräsentative elektrische Ladung. Wenn das auffallende Bild in der Form elektromagnetischer Strahlung ist, so ist das aktive Material normalerweise elektrooptisch aktiv und ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Halbleiter, und zwar insbesondere Silicium. Eingegrabene Ladungskollektorelemente oder Strukturen 30 sind innerhalb des dünnen Segments 28 in einer vorzugsweise rechteckigen ebenen Anordnung mit der Ebene der Anordnung parallel zur Vorderseite 20 des Wafer 22 angeordnet. Jedes Ladungssammelelement sammelt photoerzeugte Ladung assoziiert mit dem Teil des einfallenden Bildes, welches auf Segment 28 in der Nähe dieses Ladungskollektorelementes auf trifft. Die Ladungskollektorelemente können vorzugsweise eingegrabene Diodenlagen sein (dotierte p-Type, wenn Segment 28 zur dotierten η-Type gehört). Die individuellen Ladungskollektorelemente 30 sind voneinander durch dazwischen laufende Isolationswafer-Teile 31 des Segments 28 getrennt, die zur Isolierung jedes Ladungskollektorelements (CCE) von benachbarten Ladungskollektorelementen und dadurch gesammelten Ladungen dienen. Die Wafer-

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Ab

teile 31 weisen vorzugsweise Isolationszonen 32 auf, die vorzugsweise Zonen mit relativ starker Leitfähigkeits-Type-Dotierung sein können, und zwar der gleichen Leitfähigkeits-Type, wie Segment 28 (d. h. n+-Type in diesem Fall). Diese starke Dotierung hindert die Zonen 32 an einer Verarmung an Ladungsträgern infolge der an die Vorrichtung während ihres Betriebs anzulegenden CCE-zu-CTD-Transferspannungen. Dies minimiert das "Übersprechen" oder die Kreuzkopplung oder das Verschmieren von Bildelement(Pixel)-zu-Bildelement.

Wafer 22 ist vorzugsweise rechteckig, wobei sich das dicke Segment 24 vollständig um die Außenseite des Wafers herum erstreckt, um der Vorrichtung strukturelle Integrität zu verleihen. Die Dicke des dünnen Segments 28 muß entsprechend der Tiefe ausgewählt werden, auf welche die interessierende Strahlung in das Halbleitermaterial eindringt, bevor sie photoresponsive absorbiert wird. Diese Eindringtiefe hängt von sowohl der Wellenlänge der Strahlung als auch den Eigenschaften des Halbleitermaterials ab. Die Dicke des Segments 28 muß teilweise derart ausgewählt werden, daß die eingegrabenen Ladungskollektorelemente 30 auf einer Tiefe platziert werden, wo sie 1. in einer gesteuerten Weise mit den CTD's 70 der Anordnung an der Vorderseite des Wafers in Verbindung stehen, und 2. noch dicht genug zu dem Teil der Zone 28 liegen, wo die aktinische Strahlung Träger erzeugt, derart, daß die Kreuzdiffusion von Trägern von einem Bildelement (Pixel) zum anderen vor der Sammlung durch ein Ladungskollektorelement 30 auf ein annehmbar niedriges Niveau beschränkt werden kann.

Zur Minimierung der Pixel-zu-Pixel-Verschmierung infolge der Trägerdiffusion vor der Sammlung, ist es vorzuziehen, die Mehrheit der Träger auf einem Abstand gegenüber dem Ladungskollektorelement in Ausrichtung damit erzeugen zu lassen, wobei der Abstand 1/3 bis 1/2 der Breite des Ladungskollektorelementes ist. Die Breite eines Ladungskollektorelements geht von der Mitte der benachbarten Zone 32 auf einer Seite der Zone 30 zur Mitte der benachbarten Zone 32 auf der anderen Seite der Diode. Dieses 1/3 bis 1/2 Abstand-zu-Breite-Verhältnis

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stellt sicher, daß eine minimale Größe an Pixel-zu-Pixel-Verschmierung auftritt. Elektromagnetische Strahlung vieler Wellenlängen, einschließlich sichtbaren Lichtes, dringt in Silicium nur sehr wenig ein. Infolgedessen muß für eine gute zu erhaltende Auflösung mit minimaler Pixel-zu-Pixel-Verschmierung das Silicium des Teils 28 sehr dünn, nämlich 10 bis 25 μΐη ausgebildet sein. Siliciumwafers mit gleichförmiger Dicke von nur 10 bis 25 μπι sind sehr brechlich und schwer zu handhaben sowie zu verarbeiten, ohne daß hohe Bruchraten auftreten. Wenn infolgedessen ein sehr dünnes Segment 28 erforderlich ist, so wird vorzugsweise mit einem Wafer begonnen mit einer Dicke, die ausreicht, um strukturelle Integrität vorzusehen, wobei man diese Dicke für Segment 24 beibehält und das Material zur Mitte des Wafers hin wegätzt oder in anderer Weise entfernt, um ein dünnes Segment 28 mit der gewünschten Dicke zu bilden.

Der Teil 46 des dünnen Segments 28 nahe der Rückseite 19 ist vorzugsweise mit einem gradierten oder abgestuften Konzentrationsprofil ausgestattet (im bevorzugten Ausführungsbeispiel stärker dotierte n-Type), was ein eingebautes elektrisches Feld erzeugt, welches die Ladungsträger eines Vorzeichens zu den Ladungskollektorzonen 30 treibt. Dieses eingebaute elektrische Feld veranlasst die Träger (Löcher), die gesammelt werden sollen, im elektrischen Feld zu den Ladungskollektorstrukturen zu driften und weg von der Rückseite 19, die normalerweise eine höhere Rekombinationsgeschwindigkeit zeigt, als das Innere des Halbleitermaterials. Das eingebaute elektrische Feld reduziert dadurch, daß es die gewünschten Träger (Löcher) von der Rückseite weg treibt, die Anzahl dieser Träger, welche die Rückseite erreichen, wodurch die Zahl der an dieser Oberfläche zur Rekombination kommenden Träger minimiert wird und die Maximierung des Sammeloder Kollektionswirkungsgrads der Vorrichtung unterstützt wird. Die relative Tiefe der Zone 46 ist eine Konstruktionsmaßnahme .

Ein geeignetes Passivierungsdielektrikum 52, welches im wesentlichen transparent und vorzugsweise nicht reflektierend

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nt.

und nicht diffundierend gegenüber der Strahlung ist, die das auftreffende abzufühlende Bild bildet, ist auf der Oberfläche 19 des dünn gemachten Segments 28 des Halbleiterwafer vorgesehen. Die Passivierungslage 52 gestattet, daß im wesentlichen die ganze brauchbare Bildstrahlung im Halbleiter absorbiert wird, und zwar unter Verhinderung oder Minimierung der umgebungsmäßig verursachten Verschlechterung des Halbleitermaterials und der Abnahme der Empfindlichkeit der Anordnung, die diese Halbleiterverschlechterung begleiten würde.

Der Teil 58 des Wafers benachbart zur Vorderseite oder Vorderoberfläche des Wafers 22 ist vorzugsweise ziemlich stark p-Type dotiert, damit der Satz 70 aus Ladungstransfervorrichtungen (CTD's) mit vergrabenen Kanälen dort gebildet werden kann, und zwar zur Speicherung und zum Transport der durch die vergrabenen Dioden gesammelten Ladungen. Teil 58 gehört zur entgegengesetzten Leitfähigkeitstype gegenüber Zone 56, wobei darinnen eingegrabene Dioden 30 ausgebildet sind. Zone 58 bildet eine p-n-Grenzschicht 57 mit dem Teil 56. Strukturmäßig (vgl. Fig. 2 und 5) weisen die CTD's des Satzes 70 Kanalstopzonen 72 auf, die sich durch Zone 58 von Segment 28 in Zone 56 erstrecken, ein Ladungstransfervorrichtungsdielektrikum 50, wie beispielsweise thermisch gewachsenes Siliciumdioxid an der Vorderseite von Wafer 22, und einen Satz 60 aus Ladungstransfervorrichtungs-Steuerelektroden auf der dielektrischen Lage, und zwar orientiert im wesentlichen senkrecht zu den Kanalstops 72. Der Ladungstransfervorrichtungs-Elektrodensatz 60 kann vorzugsweise einen 4-Phasen-2-Niveau-Satz aus Elektroden aufweisen. Die ersten und dritten Phasenelektroden 61 bzw. 65 sind Niederniveau-Elektroden und sind direkt auf der dielektrischen Lage 50 angeordnet. Die auf dem oberen Niveau liegenden zweiten Phasenelektroden 63 und die vierten Phasenelektroden 67 und 69 sind auf einer dielektrischen Lage 78 angeordnet, die über den auf dem ersten Niveau liegenden Elektroden 61 und 65 vorgesehen ist. Jede vierte Phasen-

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elektrode weist eine Elektrode 67 und eine Elektrode 69 auf, was vorzugsweise als gespaltene vierte Phasenelektroden bezeichnet werden kann. Die Elektroden 67 und 69 ähneln zwei Kämmen, bei denen abwechselnd Zähne fehlen und die Zahn-an-Zahn angeordnet sind, wobei die Zähne des einen Kammes mit den Zähnen des anderen Kamms ineinandergreifend damit angeordnet sind. Einzelheiten dieser Struktur ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung der Figuren 3 bis 5. Die Elektroden 67 und 69 sind gesondert ausgebildet, um den Transfer der Ladungen vom ersten Einzelbild und zweiten Einzelbild von den vergrabenen Ladungskollektorelementen zu gesonderten CTD's unterzubringen. Für die CTD-Ladungsfortpflanzung werden die Elektroden 67 und 69 mit dem gleichen Potential betrieben, damit sie als eine einzige Elektrode bei der Steuerung des Ladungstransfers dienen. Man erkennt, daß die Bezeichnung einer speziellen Elektrode als die erste Phase im wesentlichen willkürlich ist mit der Ausnahme, daß sich diese Bezeichnung auf die Vorrichtungsstruktur an den Enden der CTD's bezieht.

Die Lage der Vorrxchtungsausgangsstruktur ist in Fig. 1 durch das gestrichelte Rechteck 100 dargestellt, welches längs des rechten Teils der Vorderseite 20 der Fühlvorrichtung 18 angeordnet ist. Die Ausgangsstruktur 100 empfängt Ladungen von den Ladungstränsfervorrichtungen 70 und dient zur übertragung oder zum Transfer von Bildinformation von den Ladungstränsfervorrichtungen 70 zur externen Verwendungsschaltung. Aus Gründen der Klarheit und Einfachheit zeigt Fig. 1 nur die Position der Ausgangsstruktur. Die Einzelheiten der Ausgangsstruktur 100 sind in den Figuren 6 bis 10 dargestellt und werden im folgenden diskutiert. Die Position einer wahlweisen Elektronik-Eingangsstruktur 98 ist auf der linken Seite der Vorderseite 20 der Fühlvorrichtung 18 dargestellt. Die Eingangsstruktur 98 kann dazu verwendet werden, um, wenn gewünscht, Eingangsladungen für die Ladungstransferkariäle 74 und 76 vorzusehen.

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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 1, und zwar wird auf die Vorderseite 20 geblickt. In dieser Ansicht wurde das Material zwischen den eingegrabenen Ladungskollektorelementen 30 und dem Betrachter beim größten Teil der Figur entfernt, um das Anordnungsmuster in dem die Ladungskollektordioden 30 angeordnet sind, darzustellen, und um auch darzustellen, in welcher Weise diese Dioden horizontal von einander isoliert sind durch die dazwischenlaufenden Waferteile 31 des Segments 28 und der Ladungskollektorisolationszone 32. In der oberen linken Ecke der Figur ist das Material zwischen den eingegrabenen Ladungskollektordioden 30 und dem Betrachter weggeschnitten dargestellt. Der Teil 56 des Wafers 22,der die eingegrabenen Dioden 30 von der Dielektrikumlage 50 trennt,ist das erste Material, welches über den eingegrabenen Dioden 30 liegt. Die stärker dotierte entgegengesetzte Leitfähigkeitstype aufweisende Vorderseitenzone 58 des Gastmaterials 22 erstreckt sich von der p-n-Grenzschicht 57 mit Zone 56 aus zur Zwischenschicht (Interface) 48 zwischen Gastmaterial 22 und dielektrischer Lage 50. Eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten im wesentlichen parallelen Ladungstransferkanalstops 72 teilt die Zonen 58 längs der Vorderoberfläche oder Vorderseite des Halbleiterwafers 22 in eine Vielzahl von parallelen Ladungstransfervorrichtungskanalzonen 74 und 76, die die Transferkanäle der Ladungstransfervorrichtungen des Satzes 70 bilden. Die Kanalstops 72 weisen vorzugsweise stark dotierte (in diesem Ausführungsbeispiel η-Type) Halbleiterzonen auf, und zwar angeordnet längs der Oberfläche des Segments 28 direkt parallel zur dielektrischen Lage 50 und in die Zone 56 hineinerstreckend. Die Ladungstransfer-Steuerelektroden des Satzes 60 sind vorzugsweise derart hergestellt, daß die Fortpflanzung der Ladung in den Ladungstransferkänälen 74 und 76 entweder von links nach rechts oder von rechts nach links in Fig. 2 erfolgen kann, d. h. die Elektroden induzieren symmetrische Potentiale darunter.

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Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Ladungstransferkanäle 74 und 76 vorzugsweise eingegrabene Ladungstransferkanäle, in denen die Ladungsspeicher (Transport)-Zonen der Kanäle auf einer Tiefe eingegraben sind, die ausreicht, um die nachteilige Wirkung von Oberflächenfallen auf den Ladungstransferwirkungsgrad innerhalb der Ladungstransferkanäle zu minimieren oder eliminieren. Die Ladungstransfervorrichtungs-Steuerelektroden 60 liegen über der dielektrischen Lage 50. Die Elektroden 61 und 65 des ersten Niveaus sind direkt auf der dielektrischen Lage 50 angeordnet. Eine dielektrische Lage 78 liegt über den Elektroden 61 und 65 des ersten Niveaus. Die Elektroden 67, 69 und 63 des zweiten Niveaus sind auf der dielektrischen Lage 78 angeordnet. Die Elektroden 67 bilden die vierte-Phase-Elektroden für Ladungstransfervorrichtungskanäle 74, wohingegen die Elektroden 69 die vierte Phase-Elektrode für die dazwischengehenden Ladungstransferkanäle 76 bilden.

Die Beziehung zwischen den Ladungstransfervorrichtungs-Steuerelektroden und den eingegrabenen Dioden ergibt sich klarer aus den Figuren 3 bis 5. Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung längs Linie 3-3 in Fig. 2, und zwar gesehen in Richtung der Pfeile. Der Teil des dünnen Segments 28 des Wafers 22 in Fig. 3 besitzt eine begrenzte seitliche Ausdehnung und enthält daher nur einige wenige eingegrabene-Ladungskollektorelemente 30. Die Ladungskollektorelemente 30 sind innerhalb der Dicke der Zone 28 angeordnet, und zwar in einer Ebene, die parallel zu Interface 48 verläuft. Ein Abstand von ungefähr 6 μπι trennt die Ladungskollektorelemente 30 von der p-n-Grenzschicht 57. Die p-n-Grenzschicht 57 bildet die Interface zwischen Halbleiterzonen 56 und 58. Die Vorderseite der Zone 58 bildet die Interface 48 zwischen dem Gastmaterial 22 und der darauf angeordneten dielektrischen Lage 50. Die Ladungstransfervorrichtungselektroden 61 und 65 des ersten Niveaus sind auf der dielektrischen Lage 50 angeordnet. Eine dielektrische Lage 78 liegt über den Elektroden 61 und 65 der ersten Lage (Niveau) und isoliert

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diese von den Elektroden 63,67 und 69 der zweiten Lage (Niveau), die auf der dielektrischen Lage 68 angeordnet sind, und zwar in Ausrichtung mit den Räumen zwischen den Elektroden der ersten Lage. Wie man aus der Lage der Schnittlinie 3-3 in Fig. 2 erkennt, verläuft diese Schnittlinie parallel zur Länge und innerhalb eines der Ladungstransfervorrichtungskanäle 74 (die Elektroden 67 als ihre 4-Phasen-Elektroden besitzen). Breite Teile (Zähne) der Elektroden 67 liegen über den Räumen zwischen den Elektroden 65 und 61 in den 4-Phasen-Positionen. Schmale Teile (fehlende Zähne) der Elektroden 6 9 liegen über den darunterliegenden Elektroden 65, wodurch in den Kanälen 74 die Elektroden 67 die 4-Phasen-Elektroden bilden. Die Elektroden 69 besitzen einen minimalen Effekt auf das Potential innerhalb der Ladungstransferkanäle 74, weil sie demgegenüber durch die dazwischenlaufenden Elektroden 65 abgeschirmt sind.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen den Elektroden 69 und einem darunter liegenden Ladungstransferkanal 76, wobei es sich hier um einen Schnitt durch die Vorrichtung der Fig. 2 längs der Linie 4-4 handelt. Fig. 4 ist im wesentlichen identisch zu Fig. 3, mit der Ausnahme, daß die breiten Teile (Zähne) der Elektroden 69 über den Räumen zwischen den Elektroden 65 und 61 in der Position der vierten Phase liegen, und die schmalen Teile (fehlende Zähne) der Elektroden 67 über den darunterliegenden Elektroden 61 liegen. Ähnlich wie bei Fig. 3 beschrieben, bilden die Elektroden 69 die Elektrode der vierten Phase für die darunterliegenden Ladungstransfer-Vorrichtungskanäle 76, und diese Kanäle sind gegenüber dem Potential der Elektroden 67 durch die dazwischenlaufenden Elektroden 61 abgeschirmt.

Fig. 5 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. längs Linie 5-5 gesehen in Richtung der Pfeile. Der in dieser Ansicht dargestellte Teil des verdünnten Abschnitts 28 besitzt eine begrenzte seitliche Ausdehnung und enthält daher nur wenige Ladungstransferkanalstopzonen 72 und die

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eingegrabenen Ladungskollektorstrukturen 30. Die Ladungstransferkanalanschläge oder Stops 72 sind senkrecht zur Papieroberfläche angeordnet und die Längsdimension der Elektroden verläuft parallel zur Papieroberfläche. Der Ladungstransport in den Kanälen 74 und 76 erfolgt in das Papier hinein oder aus diesem heraus parallel zur Orientierung der Kanalstops. Aus Fig.2 erkennt man, daß die Schnittlinie 5-5 senkrecht zur Fortpflänzungsrichtung in den Ladungstransferkanälen läuft und durch Elektroden 67 und 69 über den Raum zwischen den darunterliegenden Elektroden 65 und 61 Infolgedessen erscheinen in der Schnittansicht die einzelnen breiten Teile der geschnittenen Elektrode 67 nicht verbunden und getrennt durch einzelne breite Teile der geschnittenen Elektrode 69, die ebenfalls nicht verbunden erscheinen. Aus Fig. 2 wird jedoch klar, daß die dargestellten einzelnen Teile der geschnittenen Elektrode 67 durch Teile der geschnittenen Elektrode 69 verbunden sind, die außerhalb der Schnittebene liegen. Die einzelnen Teile der geschnittenen Elektrode 69 sind in gleicher Weise verbunden durch Teile der geschnittenen Elektroden 69, die außerhalb der Schnittebene liegen. Die Räume zwischen den einzelnen Teilen der Elektroden 67 und 69 treten sämtlich direkt über den Kanalstops 72 auf, und jedes breite Segment einer Elektrode 67 oder 69 überspannt die gesamte Breite des darunterliegenden Ladungstransferkanals 74 bzw. 76 oder überspannt mindestens genug davon, um das Potential darin zu steuern. Somit ist innerhalb eines Kanals 74 die Fortpflanzung gesteuert durch einen 4-Phasen-Satz aus Fortpflanzungselektroden, die die Elektroden 61, 63, 65 und 67 umfassen. Innerhalb eines Ladungstransferkanals 76 wird die Fortpflanzung gesteuert durch einen 4-Phasen-Elektrodensatz aus Elektroden 61, 63, und 69. Für die Fortpflanzung der Ladung innerhalb der Ladungstransferkanäle wird das gleiche Potential vorzugsweise an die Elektroden 67 und 69 angelegt, mit dem Ergebnis, daß die Fortpflanzung parallel in sämtlichen Ladungstransferkanälen 74 und 76 erfolgt.

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Vorzugsweise sind die eingegrabenen Dioden 30 rechteckig und besitzen ein Paar von entgegengesetzt liegenden Seiten parallel zur Fortpflanzungsrichtung in den Ladungstransferkanälen des Satzes 70 und besitzen das andere Paar entgegengesetzt liegender Seiten senkrecht zu dieser Richtung. Bezugslinien 200, 202 und 204 in den Figuren 3 und 4 und Bezugslinien 210, 212 und 214 in Fig. 5 sind vorgesehen, um die bevorzugte Position der eingegrabenen Dioden bezüglich der darüberliegenden Ladungsfortpflanzungssteuerelektroden des Satzes 60 und der Ladungsfortpflanzungskanäle 74 und 76 darzustellen. Hinsichtlich der Bewegung parallel zur Fortpflanzungsrichtung in den darüberliegenden Kanälen, wird vorgezogen, daß die Mitte der Diode 30 direkt unter der effektiven Mitte der darüberliegenden Fortpflanzungselektrode 67 oder 69 liegt (Bezugslinie 202 in den Figuren 3 und 4). Es wird ebenfalls vorgezogen, die Isolationszone 32 zentriert unter Elektroden 63 (Bezugslinien 200, 204 in Figuren 3 und 4) zu haben. Hinsichtlich der Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung in den darüberliegenden Ladungstransferkanälen wird vorgezogen, die Mitte einer eingegrabenen Diode 30 direkt unterhalb der Mitte eines darüberliegenden Kanalstops 72 zu haben (der wiederum direkt unter dem Raum zwischen den in Eingriff stehenden Zähnen der Elektroden 67 und 69 liegt) (Bezugslinie 212 in Fig. 5). Es wird ferner vorgezogen, die Mitte der Isolationszone 32 auf jeder Seite der eingegrabenen Diode zentriert unter den am nächsten nahegelegenen Kanalstopzonen 72 zu haben. Auf diese Weise ist die eingegrabene Diode 30 geometrisch so weit als möglich zentriert bezüglich der Elektroden 67 und 69 der darüberliegenden Ladungstransferkanäle 74 und 76. Insbesondere macht diese geometrisch symmetrische Beziehung zwischen jeder eingegrabenen Diode und den darüberliegenden Elektroden 67 und 69 die Ladungstransfereigenschaften der eingegrabenen Diode zur darüberliegenden Ladungstransfervorrichtung so identisch wie möglich. Die identischen Ladungstransfereigenschaften sind wichtig, wenn eine erste Rahmen- oder Einzelbild-Ladung zu den Bereichen oder Zonen unter einer der Elektroden 67 und 69 übertragen wird und eine Ladung des zweiten

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Rahmens oder Einzelbilds zu den Bereichen unter den anderen übertragen wird. Bei identischen Übertragungseigenschaften liefern gleiche Transferzeiten die gleiche Übertragung für die gleiche anfängliche Ladung unabhängig davon, ob der Transfer oder die übertragung zur Fläche oder dem Bereich unter der Elektrode"67 oder der Elektrode 69 erfolgt. Wenn die Dioden-Lesebedingungen derart sind, daß der vollständige Ladungstransfer von den Dioden zu den Ladungstransfervorrichtungen nicht erfolgt, so wird dieser Effekt im wesentlichen der gleiche sein für Übertragungen zu einem Ladungstransfervorrichtungskanal 74 und zu einem Ladungstransfervorrichtungskanal 76.

Die dargestellte Struktur gestattet, daß die Ladung, welche ein erstes Einzelbild eines abzufühlenden Szenenbildes repräsentiert, zu Ladungstransferkanälen 74 übertragen wird und sodann in Bereichen unter den Elektroden 6 7 gehalten wird, während die ein zweites Einzelbild repräsentierenden Ladungen in eingegrabenen Dioden gesammelt werden. Dieser zweite Satz von Ladungen kann dann zu den darüber liegenden Kanälen 76 transferiert und unter den Elektroden 69 gehalten werden. Die die zwei Einzelbilder des Bildes bildenden Ladungen können sodann längs der entsprechenden Kanäle 74 und 76 parallel heraustransferiert werden.

Zur Maximierung der Isolation zwischen benachbarten eingegrabenen Dioden, um dadurch ein so scharfes Bild als möglich vorzusehen, ist die Zone des Halbleiterwafers zwischen benachbarten Dioden vorzugsweise von der stark dotierten η-Type. Dies minimiert die Kreuzkopplung von gesammelter Ladung von einer eingegrabenen Diode zu einer mit einer unterschiedlichen Diode assoziierten CTD-Zelle.

Derzeit erreichbare CTD's besitzen Ladungstransferwirkungsgrade von etwas weniger als 1. Dies bedeutet, daß dann, wenn ein Ladungspaket in einer CTD-Speicherzelle um einen vollen Zyklus vorwärts transportiert wurde, eine endliche Wahrscheinlichkeit besteht, daß eine gewisse Ladung· die

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Teil dieses Pakets war, zurückgelassen wurde. Jede zurückgelassene Ladung kann sich zu der Ladung in dem Paket in der darauffolgenden CTD-Speicherzelle hinzuaddieren. Dies hat die Tendenz, die Ladung von einer gegebenen Speicherzelle in die darauffolgende Zelle oder Zellen zu verschmieren.

Zum Erhalt maximaler Genauigkeit beim Erkennen von Änderungen in einer Szene zwischen einem ersten Bild und einem zweiten Bild, muß die Kreuzkopplung zwischen den Einzelbildern minimiert werden, weil die Kreuzkopplung zwischen den Einzelbildern die Änderungen von Einzelbild zu Einzelbild verdeckt. Jede derartige zwischen den Einzelbildern auftretende Verschmierung der ersten Einzelbildladung und der zweiten Einzelbildladung stört die genaue Szenenänderungsbestimmung durch Umwandlung der ersten Einzelbildladung in die zweite Einzelbildladung und umgekehrt. Dies macht die Ladungsmenge in einem gegebenen Ladungspaket abhängig von mehr als gerade der Intensität des entsprechenden Bildelements während der Integrationszeit des entsprechenden Einzelbilds.

Die Verschmierung der ersten Einzelbild- oder zweiten Einzelbild-Ladungen innerhalb des gleichen Einzelbildes (IntraEinzelbild-Kreuzkopplung) ändert nicht die Ladungsmenge in einem Einzelbild, und beeinflusst die ersten und zweiten Einzelbilder in der gleichen Weise. Die Verschmierung einer durch ein gegebenes Ladungskollektorelement gesammelten Ladung mit Ladungen von dem gleichen Einzelbild gesammelt durch ein benachbartes Ladungskollektorelement kann die Bildschärfe verschlechtern. Die Intra-Einzelbild-Verschmierung hat jedoch eine minimale Tendenz hinsichtlich der Verdeckung von Bildänderungen und besitzt somit einen wesentlich kleineren schädlichen Einfluß als Inter-Einzelbild- · Kopplung bei sich bewegendem Target oder der Bildänderungserkennung.

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Wenn in der vorliegenden Vorrichtung alternative Zellen einer einzigen GTD verwendet würden, um erste und zweite Einzelbildladungen zu speichern, so würde irgendeine durch ineffizienten Ladungstransfer induzierte Ladungsverschmierung eine Inter-Einzelbild-Kreuzkopplung bedeuten und die Bildänderungs-Erkennungsfähigkeit des Systems verschlechtern. Da jedoch jede CTD Ladungen von nur einem Einzelbild enthält, bildet jede durch Ineffizienz beim Ladungstransfer hervorgerufene Ladungsverschmierung eine Intra-Einzelbild-Verschmierung, die eine geringere Tendenz zur Verschlechterung der Änderungserkennungsfähigkeiten besitzt. Somit minimiert dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel die Kreuzkopplung zwischen den ersten und zweiten Einzelbildern während des Transfers der die abgefühlten Bilder repräsentierenden Ladungen, und zwar durch Transfer der ersten Einzelbildladuhgen, die durch Ladungskollektorelemente einer gegebenen Spalte gesammelt wurden in eine erste CTD und der zweiten Einzelbildladungen von der gleichen Spalte in eine zweite parallele CTD. Die Erfindung macht dies möglich durch das Vorsehen gespaltener vierter Phasenelektroden 67, 69, die es ermöglichen, daß die ersten Einzelrahmenladungen zu ersten CTD ¹S 74 transferiert werden und die zweiten Einzelbildladungen zu zweiten CTD's 76 transferiert werden.

Zum Transport der in den Kanälen 74 und 76 enthaltenen Information zur externen Schaltung, können einzelne elektrische Ausgangsvorrichtungen mit externen Leitern am Ende jedes der Kanäle 74 und 76 hergestellt sein. Eine derartige Anordnung hat jedoch mehrere Nachteile. Zum ersten hat dies eine übermäßig große Anzahl von Ausgangsvorrichtungen und Ausgangsleitern zur Folge, die verwendet werden, und zwar selbst bei einer mäßigen Größe mit nur 100 Ladungstransferkanälen in der Anordnung. In einer Version, wo zwei Ladungstrans fervorrichtungskanäle mit jedem Ladungskollektorelement verbunden oder assoziiert sind, besitzt eine Anordnung mit 100 Ladungstransferkanälen nur 50 Ladungskollektorelemente längs der Anordnungsrichtung, die senkrecht zur Länge der CTD-Kanale verläuft, obwohl die Anzahl in der Richtung parallel

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zu den CTD-Kanälen nicht direkt begrenzt ist. Demgemäß benötigen die meisten Bildfühler, mit Ausnahme von BiIdfühlern, die zum Abfühlen eines begrenzten vorbestimmten Satzes möglicher Bilder, wie beispielsweise alphanumerischen Zeichen, konstruiert sind, eine Anzahl von Pixels längs zwei senkrechten Richtungen des Bildfeldes, so daß einzelne elektrische Ausgangsvorrichtungen für jeden Anordnungs-CTD-Kanal zahlenmäßig unmöglich werden, wegen der großen Anzahl erforderlicher einzelner Leiter. Zum zweiten ist es außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich, gesonderte Ausgangsvorrichtungen mit identischen Transfereigenschaften aufzubauen, insbesondere mit einer hinreichenden noch wirtschaftlichen Ausbeute. Infolgedessen würden individuelle elektrische Ausgangsvorrichtungen den Datenreduktionsprozeß komplizieren, weil Toleranzen vorgesehen werden müßten und Korrekturen für unterschiedliche Verstärkungen in den verschiedenen einzelnen Ausgangsvorrichtungen vorgenommen werden müßten. Alternativ könnte die Ladung zu einem einzigen Ausgangskanal transferiert werden, der senkrecht zu den Kanälen 74 und 76 läuft. Benachbarte Speicherzellen würden jedoch in diesem Ladungstransferkanal· die durch Bildelemente unterschiedlicher Einzelbilder erzeugten Ladungen enthalten. Somit würde die durch Ineffizienz bei der Ladungsübertragung induzierte Ladungsverschmierung Inter-Einzelbild-Kreuzkopplung sein. Dies ist für Systeme mit höchster Empfindiichkeit unannehmbar. Erfindungsgemäß werden die Kreuzkoppl·ungsprobl·eme dadurch minimiert, daß Ladungspakete von den Kanälen 74 zu einem ersten Ausgangs-CTD-Kanal 104 transferiert werden, und daß Ladungspakete von Kanälen 76 zu einem zweiten Ausgangs-CTD-Kanal 106 transferiert werden. Die Kanäle 104 und 106 sind im wesentlichen senkrecht zu den Kanälen 74 und 76 ausgerichtet. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Übertragung zu zwei gesonderten Ausgangskanälen erreicht durch Transfer von Kanal· 74-Ladungen durch (über) CTD-Kanal· 106, während Kanal· 76-Ladungen in Kanal 106 zurückerhalten werden.

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Die Ausgangsstruktur für das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in Draufsicht in Fig. 6 gezeigt. Aus Gründen der Klarheit sind die Ladungstransfervorrichtungs-Steuerelektroden 60 in Fig. 6 weggelassen, wobei aber deren Positionen in einer der Figuren 7 bis 10 dargestellt sind. Die Ausgangsstruktur 100 weist ein Paar von Ladungstransfervorrichtungskanälen 104 und 106 auf, die vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu den Ladungstransferkanälen 74 und 76 orientiert sind. Die Fortpflanzung innerhalb der Kanäle 104 und 106 wird durch einen Satz 120 von Transfersteuerelektroden gesteuert. Satz 120 weist eine Vielzahl von Elektroden auf, die ein 4-Phasen-Fortpflanzungssystem umfassen. Jede der Elektroden einer gegebenen Phase ist durch die gleiche Bezugszahl identifiziert. Somit weist der Satz 120 Vielzahlen von Elektroden 122, 124, 126 und 128 auf. Der Transport von Ladung in die Ausgangsladungstransferkanäle 104 und 106 von Anordnungskanälen 74 und 76 wird gesteuert durch Transfer-Gate-Elektroden 110 und 112 und eine Vielzahl von Kanalstopzonen 116. Die Kanäle 104 und 106 sind voneinander durch die Vielzahl von Kanalstop-zonen 116 und Transfer-Gate-Elektroden 112 getrennt, die parallel zur Länge der Kanäle 104 und 106 ausgerichtet ist. Die Transfer-Gate-Elektrode 112 liegt unter den Fortpflanzungssteuerelektroden 120, um das Potential in dem Gebiet zwischen den Kanälen 104 und 106 zu steuern. Der Kanal 104 ist auf der vom Kanal 106 weg gelegenen Seite durch eine Kanalstopzone 114 begrenzt.

Jede der Elektroden 122, 124, 126 und 128 ist über Kanal 104 versetzt relativ zu dessen Position über Kanal 106. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Teile dieser Elektroden, die über der Zone zwischen den Kanälen 104 und 106 liegen, in einem solchen Muster anordnet, daß sie unter einem Winkel gegenüber diesen Kanälen liegen.

Eine Ausgangszone 140 am unteren Ende der Ausgangskanäle 104 und 106 steht mit den beiden dieser Kanäle in Verbindung und

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wandelt die von den Kanälen empfangenen Ladungen in extern verwendbare Signale um. Die Ausgangszone 140 ist derart geformt, daß sie Ladungen von Kanälen 104 und 106 in einer alternierenden Weise empfängt. Somit arbeitet die Ausgangszone 140 als ein einfacher 2 zu 1-Multiplexer.

Zwei Eingangszonen 154 und 156 können wahlweise an den oberen Enden der Kanäle 1o4 bzw. 1o6 vorgesehen sein. Alternativ kann eine einzige Eingangszone 150 ähnlich zur Ausgangszone 140 vorgesehen sein. Eingangszonen 154 und 156 (oder 150) können verwendet werden, um Ladungen in die Ausgangs-CTD¹s 104 bzw. 106 einzuführen, und zwar für den Transfer zu den CTD's 74 und 76 der Anordnung.

Während des Auslesens wird der selektive Transfer von Information von Kanal 106 zu Kanal 104 erreicht unter Verwendung der Struktur der Kanalstopzonen 116, Transferelektrode 112 und durch Versetzen der Elektroden des Transfersteuersatzes 120 zwischen Kanälen 106 und 104. Die Art und Weise in der dies den selektiven Transfer von Ladungspaketen empfangen von Kanälen 74 zu Kanal 104 gestattet, wird im folgenden erläutert, während der Diskussion der Arbeitsweise der Ausgangsstruktur. Die Einzelheiten der Ausgangsstruktur können im einzelnen unter Bezugnahme auf die Figuren 7, 8, 9 und 10 verstanden werden, die Querschnitte durch die Struktur der Fig. 6 sind, und zwar längs der Linie 7-7 bzw. 8-8 bzw. 9-9 bzw. 10-10.

Im Interesse der Klarheit sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 7 die Elektrode 122, obwohl dies so scheinen möchte, nicht parallel zur Elektrode 112 läuft und auch nicht schwimmt (floating), sondern vielmehr kreuzt die Schnittlinie 7-7 vollständig durch den Diagonalteil der Elektrode 122, der über der Kanalstopzone 116 liegt. Die Situation ist ähnlich bezüglich der Elektrode 126 in Fig. 9, allerdings mit der Ausnahme, daß die diagonal geschnittene Elektrode 126 nicht über einer Kanalstopzone an der Ebene des Schnitts 9-9

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liegt. In Fig. 8 erscheinen die Elektroden 67 und 69 jeweils schmale Elektroden zu sein, die weit voneinander mit Abstand angeordnet sind. Dies liegt daran, daß die Schnittebene durch einen Kanalstop in einem Gebiet zwischen einem breiten Teil der Elektrode 67 und einem breiten Teil der Elektrode 69 läuft, wo zur Verhinderung eines Kurzschlusses dazwischen die beiden Elektroden schmal sind. Das heißt, die Schnittlinie 8-8 in Fig. 6 würde, wenn sie verlängert würde, eine Linie wie 210 der Fig. 5 schneiden. Im übrigen kann die Struktur der Figuren 7 bis 10 unter Bezugnahme auf Fig. 6 und deren Beschreibung verstanden werden.

Die Eingabemittel 98 können einzelne Eingabevorrichtungen für jeden der Ladungstransferkanäle der Anordnung aufweisen. Es wird jedoch vorgezogen, daß die Eingabemittel 98 entweder eine einzige CTD sind, die senkrecht zu den Anordnungs-CTD's laufen, oder eine Struktur ähnlich den Ausgangsmitteln 100. In jedem Falle werden Daten serienmäßig in die Eingabemittel eingegeben, und zwar eine Zeile zu jeder Zeit, für den Transfer in die CTD's der Anordnung in Parallelform (auf eine wohlbekannte Weise entsprechend dem Serien-Parallel-Teil der Serien-Parallel-Serien-Fortpflanzung).

Arbeitsweise.

Ein Bild einer abzufühlenden Szene wird auf die Rückseite 19 eines dünn ausgebildeten Segments 28 des Halbleiterwafer 22 fokussiert. Dieses Bild weist vorzugsweise Energie auf, auf welche das Halbleiterpaar durch die Erzeugung von Loch-Elektronen-Eaaren anspricht, und ist vorzugsweise in der Form elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge, die direkt durch das Halbleitermaterial absorbierbar ist,.und zwar unter gleichzeitiger Erzeugung von einem oder mehreren Loch-Elektronen-Paaren. Es können jedoch auch Verfahren verwendet werden, die beispielsweise eine bildempfindliche darüberliegende Lage vorsehen, welche Träger in den Halbleiter injiziert, solange nur die Lage Träger vorsieht, die von den eingegrabenen Ladungskollektorzonen gesammelt

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werden können, und solange nur diese Träger in jedem Pixel in Anzahlen vorhanden sind, die bestimmt sind durch die Intensität des einfallenden Lichtes auf das Pixel. Es können auch andere Ladungserzeugungsverfahren verwendet werden, solange sie das erwähnte Kriterium hinsichtlich Zahl und Sammlungsfähigkeit erfüllen.

Wenn bei der Absorption eines Photons innerhalb der Zone zwischen den eingegrabenen Dioden 30 und der Rückseite 19 des Segments 28 ein Lochelektronenpaar erzeugt ist, so wird das Loch des Paars von der am nächsten liegenden eingegrabenen Diode 30 angezogen, und zwar durch das durch die Diode erzeugte elektrische Feld und die gradierte Dotierung des Teils des Halbleitermaterials 46 zwischen der eingegrabenen Diode 30 und der Rückseite 19 des Wafers. Wenn der Träger zwischen der eingegrabenen Diode und der Vorderseite des Gastmaterials 22 erzeugt wird, so kann er durch die eingegrabene Diode oder durch die CTD darüber gesammelt werden, abhängig von der Position wo er erzeugt wurde, den Weg längs welchem er diffundiert und schließlich abhängig von den an die CTD angelegten Vorspannungen. Wegen dieser Ungewissheit bei der Sammlung wird es als bevorzugt angesehen, die Vorrichtung in einer Weise herzustellen, welche die Trägererzeugung in der Zone vermeidet, wo diese direkt durch die CTD gesammelt werden können. Wenn eine derartige direkte Sammlung nicht vermieden werden kann, so muß der Datenreduzierprozeß die direkt durch die CTD gesammelten Ladungen berücksichtigen. Wenn die Ladungsspeicherung verhindernde Potentiale an die CTD's während der ersten Bildintegrationszeit angelegt werden, so wird keine Ladung direkt durch das CTD gesammelt. Während der zweiten Einzelbildintegrationszeit muß jedoch eine Speicherspannung an die die erste Einzelbildladung.speichernden Stellen angelegt werden, und diese Stellen können direkt eine Ladung während dieser Zeit sammeln, wodurch die Ladung, die sie speichern, erhöht wird. Dies führt eine Ladung in die ersten Einzelbildpakete ein, die eine scheinbare Vergrößerung der ersten Einzelbildintensität hervorruft. Der durch die direkt von der CTD gesammelte Ladung hervorgerufene Ungleich-

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gewichtseffekt kann dadurch reduziert werden, daß man Speicherpotentiale an die Einzelbildspeicherstellen der CTD's (d. h. Elektroden 67 und 69) während beider Bildintegrationszeiten anlegt. Auf diese Weise sammeln beide Speicherstellen oder Speicherplätze direkt Ladung während beider Integrationszeiten, und irgendwelche Differenzen in den Größen sind üblicherweise Effekte zweiter Ordnung hinsichtlich der Ladungsgesamtdifferenzen. Wenn man mit C_n1 die durch eine gegebene

£5 I

eingegrabene Kollektorzone für das erste Einzelbild gesammelte Ladung bezeichnet, und mit C„~ die Ladung für das zweite Einzelbild, die direkt während des ersten Einzelbilds durch . die zugehörige oder asso*ziierte erste Einzelbildspeicherfläche mit C _nl und die durch die zugehörige zweite Einzelbildspeicherfläche oder Speichergebiet gesammelte Ladung mit C ₁, und wenn man schließlich die während des zweiten Einzelbilds durch das erste Einzelbildspeichergebiet direkt gesammelte Ladung mit C _n9 und die durch das zweite Einzelbild-

2 speichergebiet gesammelte Ladung mit C _D2 bezeichnet, so_(< gelten nach Transfer der Ladung C₂ zur zweiten Einzelbildspeicherzone (Speichergebiet) für die gesamte in den ersten und

1 2 zweiten Einzelbildgebieten gespeicherte Ladung (C _ bzw. C _T) die folgenden Ausdrücke:

^C\ = ^GB1 ^{+ C1}D1 ^{+ C1}D2 ^Und

T _β- B2 ^U D1 ^U D2*

Wenn man annimmt, daß die Bildintensität über die gesamte einge-'grabene Kollektorzone (Pixel) hinweg gleichförmig ist, dann ist die direkt durch die Speicherstellen dieses Pixel gesa.m-

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melte Ladung (C . und C .) die gleiche während der ersten Integrationszeit. Während der zweiten Integrationszeit werden die zwei Speicherstellen direkt gleiche Ladungsme'ngen sammeln, mit Ausnahme der Einflüsse höherer Ordnung auf die LadungsSammlung, die sich aus der in der ersten Einzelbildspeicherzelle gespeicherten größeren Ladung ergeben, die dann C. und auch C _n1 enthält".

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Wenn man diese vereinfachende Annahme macht, daß nämlich die Bildintensität über das Pixel hinweg gleichförmig ist, so

1 2
ergibt sich C₁ = C _n1. Wenn man ferner Differenzen zweiter

12 1 2

Ordnung in C _n„ und C _n„ ignoriert, so ist ^c no ~ ^c d2 es ergibt sich wie gewünscht:

C-C=C — C

T T B1 B2·

Wenn die vereinfachenden Annahmen nicht gültig sind, so hängt der Störeffekt der direkten Ladungssammelung durch die CTD 's von der dadurch gesammelten Ladungsmenge ab, und zwar verglichen mit der Menge gesammelt durch die Ladungskollektorelemente (CCE's) 30 und dem Ausmaß mit dem sich die direkt gesammelten Ladungsmengen unterscheiden. Somit minimiert die Herstellung der Vorrichtung in einer Weise, welche die Erzeugung der meisten Träger zwischen der Rückseite 19 und den CCE's hervorruft jeden störenden Effekt der direkten LadungsSammlung durch Minimierung der direkten LadungsSammlung.

Die photoerzeugte Ladung kann sich auf den eingegrabenen Ladungskollektorelementen (CCE) (Dioden) 30 für eine Zeitperiode sammeln, die entsprechend der erwarteten Intensität des abzufühlenden Bildes bestimmt ist. Diese Zeitperiode kann als eine erste Ladungsintegrationszeit bezeichnet werden. Wenn die erste Ladungsintegrationszeit vorüber ist, werden Isolationsspannungen an die Elektroden 61 und 65 angelegt, wenn diese nicht, bereits angelegt wurden,um die direkte CTD-Ladungssammlung zu verhindern. Sodann wird eine CCE-zu-CTD-Transferspannung an alle Elektroden 67 angelegt. Diese Spannungen können gemeinsam als ein Ladungssammlüngselement-Lesespannungs^atz bezeichnet werden. Die Größe und Dauer der CCE-zu-CTD-Transferspannung hängt von der Dicke der dielektrischen Lagen 50 und 78, den Dotierniveaus der Vorrichtung, der Tieie auf welche die Dioden 30 unter der Interface 48 eingegraben sind/ und der Ladungskapzität der Diode ab. Um einen schnellen vollständigen Transfer der gesammelten Ladung von den Dioden 30 zu den Ladungstransfervorrichtungs-

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kanälen 74 zu erhalten, sollte die CCE-zu-CTD-Transferspannung ausreichen, um die Verarmungszone"unter jede Elektrode 67 auszudehen, und zwar weit bis in die Diodenzone hinein bis zum. Ende der Lesezeit- Die gesammelte Ladung wird von der eingegrabenen Diode zur Potentialzelle der Ladungstransfervorrichtung transferiert, die durch die angelegte CCE-zu-CTD-Transf erspannung erzeugt wird. Die an die Elektroden 61 udn 65 angelegten Isolationsspannungen verhindern ein zeitliches Ausbreiten des Ladungspakets. Die CCE-zu-CTD-Transferspannung an den Elektroden 67 wird sodann auf ein Lade-Halteniveau reduziert, welches das gesammelte Ladungspaket unter" der Elektrode 67 hält. Die Isolationsspannungen werden auf den Elektroden 61 und 65 gehalten, um zu verhindern, daß sich die Ladungspakete ausbreiten und vermischen. Da der.Diodenlesesatz an Spannungen an sämtliche Elektroden 61, 63 und 67 gleichzeitig angelegt wird, wird die Ladung auf jeder eingegrabenen Ladungskollektorstruktur in eine zugehörige Speicherzelle eines Kanals 74 zur gleichen Zeit übertragen. Die in den Speicherzellen oder Speicherquellen der Ladungstransfervorrichtungen 74 unter den Elektroden 67 gehaltenen Ladungen bilden ein erstes oder anfänglicnes Einzelbild der abz>ufüh- , lenden Szene, wie dies während der ersten Integrationszeit auftrat. Eine neue Ladungskollektorintegrationsperiode

» · beginnt dann, wenn die CCE-zu-CTD-Transferspannung auf ein Ladungsspeicherniveau reduziert wird. Am Ende dieser zweiten Ladungsintegrationszeit wird eine CCE-zu-CTD-Transferspannung an die Elektroden 69 angelegt, während die Isolationsspannungen auf den Elektroden 61 und 65 beibehalten werden und die Speicherspannung auf den Elektroden 67 beibehalten wird. Dies veranlasst die in jeder Diode während der zweiten Ladungsintegrationszeit gesammelte Ladung zu einer Potentialzelle oder -quelle unter der Elektrode 69 im darüberliegenden Ladungstransferkanal 76 zu transferieren. Die CCE-zu-CTD-Transferspannung wird sodann auf eine Ladungspeicherspannung reduziert. Die in den Speicherzellen oder -quellen der Ladungstransfervorrichtungen 76 unter den Elektroden 69 gehaltenen Ladungen bilden eine zweite Bildzone der abzüfühlenden Szene, wie sie während der zweiten Integrationszeit auftrat.

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Unter der Voraussetzung, daß die Vorrichtung richtig aufgebaut wurde, sind die Ladungstransfereigenschaften im wesentlichen identisch für jede der eingegrabenen Dioden zu den individuellen zugehörigen Speicherzellen bei jeder der zugehörigen Ladungstransfervorrichtungen. Dies ist besonders dann gültig, wenn eien CCE-zu-CTD-Transferspannungsgröße und -dauer verwendet wird, die die vollständige Verarmung der Ladungskollektorelemente während des Lesezyklus sicherstellt. Wenn die ersten und zweiten Ladungsintegrationszeiten identisch sind, so gilt infolgedessen, daß jede Differenz in der in den CTD-Potentialquellen in den CTD's 74 und 76 gespeicherten Spannung über ein gegebenes eingegrabenes Ladungskollektorelement das Ergebnis einer Differenz in der Intensität der aktinischen Energie sein muß, die in der Nähe dieses Elements auftrifft, und zwar während der ersten und zweiten Ladungsintegrationszeit (unter der Annahme, daß die direkte Sammlung durch die CTD vermieden oder vernachlässigbar ist). Aus Gründen der Klarheit bei der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels sei auf folgendes hingewiesen: Eine Spalte von Ladungskollektorelementen im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind definiert als diejenigen Elemente, die unter einem gegebenen CTD-Kanal liegen, und eine Zeile (Reihe) von Ladungskollektorelementen im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird definiert als senkrecht zur Spalte von Elementen verlaufend. Eine Zeile von CTD-Speicherzellen wird definiert als diejenigen Speicherzellen, die über einer Zeile von Elementen angeordnet sind. Die Zeile der Dioden am nächsten zum Ausgangssystem wird als die erste Zeile bezeichnet.

Wenn Ladungstransfervorrichtungs-Fortpflanzungsspannungen an den 4-Phasen-Satz von Elektroden 61, 63,65 und (67-, 69) angelegt werden, so wird das gleiche Potential an die beiden Elektroden 67 und 69 angelegt, damit die Fortpflanzung parallel in den benachbarten Kanälen 74 und 76 erfolgt. Wenn keine CTD-Speicherzellen zwischen der ersten Zeile von CTD-Zellen und dem Ausgangssystem liegen, dann werden während eines ersten Zyklus der CTD-Fortpflanzungsspannungen die Ladungen

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in der ersten Zeile der CTD-Speicherzellen zu den CTD's der Ausgangsmittel 100 transferiert, und jede andere Zeile bewegt sich einen Zyklus längs der CTD's des Satzes 70 nach vorne. Nachdem die auf diese Weise in den Ausgangs-CTD's angeordneten Ladungspakte durch die elektrische Ausgangszone 140 verarbeitet sind, wird die Zeile der Ladungspakete, die ursprünglich empfangen wurde, von den Ladungstransfervorrichtungen von den eingegrabenen Dioden in der zweiten Zeile zu den CTD's der Ausgangsmittel 100 transportiert und die anderen Zeilen werden um einen Zyklus vorwärts bewegt. Jedesmal dann, wenn die Zeilen von Ladungspaketen in den Anordnungs-CTD's um einen CTD-Zyklus nach vorne transportiert werden, entsteht eine Zeile leerer CTD-Speicherzellen am hinteren Ende der CTD's, wenn nicht eine Ladungseingangsschaltung 98 an diesem Ende der CTD's vorrr^sehen ist und Ladungseingangsinduzierbedingungen eingeprägt besitzt. Die Vorwärtsfortpflanzung in den Kanälen 74 und 76 kann ein kontinuierlicher Prozeß sein, wenn die an den Anordnungstransferelektrodensatz 60 angelegten Fortpflanzungssignale und die an den Ausgangstransferelektrodensatz 120 angelegten Fortpflanzungssignale in ordnungsgemäßer Weise hinsichtlich Frequenz, Phase und Amplitude in Beziehung stehen. Die Fortpflanzung in den Kanälen 74 und 76 kann jedoch auf einer Start- und Stopbasis erfolgen. Dies tritt dann auf, wenn nach Übertragung einer Zeile von Ladungspaketen zu den CTD's der Ausgangsmittel 100 des bevorzugten Ausführungsbeispiels die Fortpflanzung der Ladung innerhalb der Ladungstransfervorrichtungen 70 der Anordnung zeitweise angehalten wird, bis Ladungspakete, die zu den CTD's der Ausgangsmittel 100 transferiert wurden, durch die elektrische Ausgangszone 140 der Ausgangsmittel 100 transferiert wurden.

Die Arbeitsweise der Ausgangsschaltung wird unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 10 beschrieben. Eine Reihe von Ladungspaketen existiert oder wird in den Teil eines jeden der Ladungstransferkanäle 74 und 76 übertragen, der unter der in Fig. 7 gezeigten Elektrode 63 liegt. Diese Ladung kann dort für eine gewünschte Zeit£.eriode dadurch gehalten werden, daß man die an die Ladungstransfersteuerelektroden des

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Satzes 60 angelegten Fortpflanzungsspannungen festhält. Die Ladungen in den Paketen der ersten Zeile der Speicherzellen der Ladungstransfervorrichtungen 70 werden zu den Ausgangsladungstransferkanälen 104 und 106 transferiert, und zwar als ein anfänglicher Schritt bei deren Transport zur externen Schaltung für die weitere Verwendung. In Vorbereitung für den Transfer der Ladungspakete in der ersten Zeile der Speicherzellen zu den Ladungstransferkanälen 1o4 und 106 werden Taschen induzierende Spannungen an die Elektroden 124 und 128 angelegt, und Isolationsspannungen werden an die Elektroden 122 und 126 angelegt. Dies induziert isolierte Ladungsspeichertaschen in den Kanälen 104 und 106 unter jeder der Elektroden 124 und 128. Im Kanal sind die unter den Elektroden 124 liegenden Taschen in Ausrichtung mit Kanal 76, und die unter den Elektroden 128 liegenden Taschen sind in Ausrichtung mit den Kanälen 74. Im Kanal 104 sind die unter den Elektroden 124 liegenden Taschen in Ausrichtung mit den Kanälen 74, und die unter den Elektroden 128 liegenden Taschen sind in Ausrichtung mit den Kanälen 76. Diese Ausrichtungsänderung ist ein Ergebnis der Winkelbildung der Teile der zwischen den Kanälen 104 und 106 liegenden Elektroden 124 und 128. Der Ladungstransfer von der ersten Zeile der Speicherzellen der Ladungstransfer-Vorrichtungsanordnung 70 (der unter Elektrode 63 in Fig. 7 liegenden) zu den Kanälen 104 und 106 kann entweder als ein Einschritt- oder Zweischritt-Verfahren erreicht werden. Zunächst sei ein Einschritt-Verfahren beschrieben, worauf dann der Zweischritt-Prozeß kurz erwähnt sei.

Die an die Elektroden 128 angelegten Taschen induzierenden Spannungen reichen aus, um darunter Potentialquellen (Taschen, Zellen) zu erzeugen, die in der Lage sind, entweder im Kanal 106 oder 104 das gesamte Ladungspaket zu halten, das in irgendeiner Tasche in irgendeinem der Kanäle 74 oder 76 enthalten ist. Die an die Elektroden 124 angelegten Spannungen reichen aus, um darunter Taschen zu induzieren, die ausreichend tiefer sind als die unter den Elektroden 128 induzierten Taschen, so daß die Taschen unter den Elektroden 124 in der Lage sind,

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das gesamte in irgendeiner Tasche in irgendeinem der Kanäle 74 und 76 enthaltene gesamte Ladungspaket auf einem tieferen Potential zu halten, als das tiefste Potential in irgendeiner Tasche unter einer Elektrode 128. Wenn infolgedessen die Ladung von einer Tasche transferiert wird zu einer Tasche unter einer Elektrode 128, die mit einer Tasche unter einer Elektrode 124 verbunden ist, so wird das gesamte Paket zur Tasche unter Elektrode 124 wandern und dort gehalten werden. Eine Taschen induzierende Spannung wird an die Transferelektrode 112 angelegt, um darunter eine Tasche zu erzeugen, die so Lief oder etwas tiefer ist als die im Kanal 106 durch Elektrode 128 induzierte Tasche, die aber flacher ist als die in Kanal 104 durch Elektrode 124 induzierte Tasche, so daß die Tasche unter der Elektrode 124 ein gesamtes Paket auf einem tieferen Potential halten kann, als das unter Elektrode 112. Jede dieser Taschen unter Elektrode 112 ist in Ausrichtung mit Kanal 74, wie dies in Fig.9 dargestellt ist. Das Ausgangssystem ist nunmehr bereit, die erste Zeile von Ladungspaketen zu empfangen. Die Spannung, angelegt an die Anordnungs-zu-Ausgangsmittel-Transfer-Gate-Elektrode 110, wird auf einen Wert eingestellt, der eine Tasche darunter erzeugt, welche eine richtige Tiefe besitzt, um jedes in der ersten Zeile der CTD-Anordnung 70 gehaltene Ladungspaket zur Übertragung zur Tasche des damit ausgerichteten Kanals 106 zu veranlassen. Die oben diskutierten Spannungen können als Ladungsrezeptions spannungen für die Ausgangsstruktur 100 bezeichnet werden, weil sie die Struktur 100 in die Lage versetzen. Ladung von der CTD-Anordnung 70 zu empfangen.

Die in der Anfangszexlenposition jedes Kanals 76 gehaltene Ladung wandert in die ausgerichtete Tasche, die im Kanal 106 und der Elektrode 124 induziert ist. Das Paket-verbleibt in dieser Tasche bis die angelegten Spannungen geändert werden. Die allgemeine Form dieser Potentialquelle ist in Fig. 7 durch die gestrichelte Linie 130 dargestellt, wobei es sich hier um einen Querschnitt durch die Ausgangs-

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struktur 100 in Ausrichtung mit der Mitte des Kanals 76 handelt. Die an die Elektrode 110 angelegte Spannung induziert eine Potentialquelle, die tiefer ist als die Quelle unter der Elektrode 63. Die an die Elektrode 110 angelegte Spannung kann ein Wechselstrom oder Gleichstromsignal sein, wobei aber das bevorzugte Signale eine gepulste Gleichspannung ist. Die an jede der Elektroden 124 angelegte Spannung induziert darunter innerhalb des Kanals 106 eine ladungsanziehende Tasche. Die unter jeder Elektrode 124 induzierte Potentialquelle liegt tiefer als eine unter Elektrode 110 induzierte. In der Zone zwischen den Kanälen 104 und 106 wird die Spannung an der Elektrode 124 gehindert, eine Ladung anziehende Tasche zu induzieren, weil die Transfer-Gate-Elektrode 112 das Material vom Potential an Elektrode 124 abschirmt, und weil ferner die Kanalstopzonen 116 das Material von den Potentialen an Elektroden 112 abschirmt. Die in den Kanal 106 vom Kanal 76 angezogene Ladung breitet sich nicht entlang der Länge des Kanals 106 aus, und zwar deshalb, weil an die Elektroden 122 und 126 Spannungen angelegt sind, die die Ausbildung von Potentialquellen darunter verhindern, die tief genug sind, um den Durchgang der Ladung zu gestatten. Das durch die Elektroden 122 und 126 angelegte Potential in Kombination mit den Kanalstopdiffusionen 72 der Kanäle 74 und 76 und der Kanalstopzone 116 der Ausgangsschaltung erzeugen eine Barriere, welche die Taschen unter den Elektroden 124 im Kanal 106 in der Vorwärts-, Rückwärts- und einer Seitwärtsrichtung begrenzt. Dies in Fig. 8 dargestellt, wobei es sich dort um einen Querschnitt handelt, der in Ausrichtung mit einer Elektrode 122 über dem Kanal 106 verläuft. Ein Querschnitt durch einen Kanalstop 72 in Ausrichtung mit einer Elektrode 126 über dem Kanal 106 würde ähnlich zu Fig. 8 sein, mit der Ausnahme, daß die Elektroden 122, 128 und 126 durch Elektroden 126 bzw. 124 bzw. 122 ersetzt wären.

Jedes Ladungspaket in der Anfangszeile der Kanäle 74 wird in eine Tasche in Kanal 106 unter eine Elektrode 128 hinein angezogen, und zwar in der gleichen Weise, wie dies eben für

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die Pakete in Kanälen 76 beschrieben wurde. Anders jedoch als im eben beschriebenen Fall ist das damit ausgerichtete Material unter der Elektrode 112 nicht durch einen Kanalstop 116 abgeschirmt. Infolgedessen breitet sich das Paket von innerhalb des Kanals 106 zur Fläche oder zum Gebiet unter Transfer-Gate 112 aus, wenn die Tasche darunter die gleiche Tiefe besitzt, oder wird dort angezogen, wenn die Tasche darunter tiefer ist als die unter Elektrode 128 in Kanal 106. Das Ladungspaket wird sodann in die Tasche unter Elektrode 124 in Kanal 104 angezogen, und zwar durch die tiefere Potentialquelle darinnen. Die Form der Potentialquelle, die sich von unterhalb der Elektrode 63 innerhalb eines Kanals 74 aus unter eine Elektrode 124 in Kanal 104 erstreckt, ist in Fig. 9 durch die gestrichelte Linie 134 dargestellt. Die transferierte Ladung wird an einer Ausbreitung in unerwünschte Gebiete gehindert, durch die Potentiale an Elektroden 122 und 126 über Kanal 106, die die Ausbreitung der Ladung von unterhalb der Elektrode 128 längs Kanal 106 verhindern/ durch Kanalstopzonen 116, welche die Ausbreitung der Ladung außerhalb des Gebietes in Ausrichtung mit dem Kanal 74 beim Durchlauf unter Elektrode einschränken, die Potentiale an Elektroden 122 und 126 über Kanal 104, welche die Ausbreitung der Ladung von unterhalb der Elektrode 124 längs Kanal 104 verhindern, und durch Kanalstopzone 114, die die Ausbreitung der Ladung von unterhalb Kanal 104 verhindert.

Wenn eine hinreichende Zeit bereitgestellt wurde, damit die Ladungen unter den Elektroden 63 zu den Kanälen 106 und 104 wandern, werden die Spannungen an den Transfergates 110 und 112 derart eingestellt, um die Potentialquellen darunter zu eliminieren oder diese mindestens flach genug zu machen, um zu verhindern, daß Ladung innerhalb der Kanäle 106· und seitwärts bezüglich der Länge dieser Kanäle wandert.

Die Elektrode 110 wurde so beschrieben, daß ihr Potential zur Steuerung des Ladungstransportes darunter verändert wird.

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Die Elektrode 110 kann jedoch auf einem Gleichspannungspegel gehalten werden, wenn dieser ein Pegel ist., der verhindert, daß Ladungen im Kanal 106 zu dem Gebiet unterhalb der Elektrode 110 wandern, und zwar während der Fortpflanzung innerhalb Kanal 106, und an die Anordnungssteuerelektroden 60 angelegte Steuerpotentiale sind derart, daß sie in ordnungsgemäßer Weise den Ladungstransfer in das Gebiet unter Elektrode 110 synchronisieren. Obwohl die obige Beschreibung von der Schaffung einer Potentialquelle unter der Elektrode 110 spricht, die tiefer ist als eine unter Elektrode 63, so kann das gewünschte Ergebnis doch auch erhalten werden, dadurch, daß man das Potential der Elektrode 63 derart anhebt, daß die Ladung darunter zum Gebiet unter der Elektrode 110 angezogen wird.

Die Ladungsrezeptionsoperation kann als eine Zweischrittoperation anstelle einer Einschrittoperation ausgeführt werden, und zwar durch Aufrechterhaltung der Elektrode 112 auf einem Isolationspotential während das Transferpotential an die Elektrode 110 angelegt ist, um sämtliche Ladungspakete der ersten Zeile zum Kanal 106 zu übertragen und dort zu halten. Wenn gewünscht, kann dies mit Elektroden 124 und 128 auf dem gleichen Potential getan werden, da keine Ladungsanziehung von unterhalb der einen zu unterhalb der anderen auftritt. Nachdem die Elektrode 110 auf ein Isolationspotential zurückgebracht ist, wird ein Transferpotential an die Elektrode 112 angelegt, um die Übertragung der von Kanälen 74 empfangenen Ladungspakete in Kanal 106 zu Kanal zu gestatten. Die Übertragung der Kanal-74-Pakete von Kanal zu Kanal 104 muß erfolgen bei Elektroden 124 und 128 auf Potentialen, die diese Ladungen von unterhalb der Elektroden 128 zu Gebieten unte· Elektroden 124 anziehen. Die Elektrode 112 wird sodann auf ein Isolierpotential zurückgebracht. Sobald die Elektrode 112 auf Isolierpotential zurückgekehrt ist, sind die Bedingungen oder Zustände der Ausgangsschaltung die gleichen wie sie am Ende der einstufigen Ladungsrezeptionsoperation waren, d. h. nachdem die Elektroden 110 und 112 auf Isolationspotentiale zurückgekehrt waren.

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Aus Fig. 6 erkennt man im Hinblick auf die vorausgegangene Beschreibung, daß jedes von einem Kanal 74 transferierte Ladungspaket innerhalb Kanal 104 unter einer Elektrode 124 gehalten wird, und daß jedes von einem Kanal 76 transferierte Ladungspaket innerhalb Kanal 106 gehalten wird, und zwar ebenfalls unter einer Elektrode 124. Somit kann die Ladung in den Kanälen 104 und 106 längs der Kanäle 104 bzw. 106 fortgepflanzt werden, und zwar gleichzeitig und in der gleichen Richtung durch Anlegen von 4-Phasen-Fortpflanzungsspannungen an die Steuerelektroden des Satzes 120.

Ladungen von sowohl Kanal 104 als auch 106 werden in die Ausgangszone 140 am Ende der Kanäle 1o4 und 106 eintreten, wenn sie aus dem Ende der Kanäle 104 und 106 heraus fortgepflanzt werden. Die Kanäle alternieren bei der Vorsehung einer Ladung für die Ausgangszone, wobei das erste in die Ausgangszone 140 eintretende Ladungspaket von Kanal 104 kommt, während das nächste Ladungspaket von Kanal 106 kommt. Diese alternierende Einspeisung der Ladung wird dem System aufgeprägt durch eine Kombination der Orientierung der Ausgangszone 140 senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung in den Kanälen 104 und.106 und durch die versetzte Natur der Elektroden zwischen den Kanälen 104 und 106. Dieser Effekt kann auch durch andere Strukturen erhalten werden. Die Ladungsfortpflanzungsrate in den Kanälen 104 und 106 wird auf einen Wert vorgenommen, der gestattet, daß jedes Ladungspaket aus der Ausgangszone 140 entfernt werden kann, und zwar vor der Eingabe des darauffolgenden Ladungspakets in diese Zone. Auf diese Weise kommen die aus der Ausgangszone austretenden aufeinanderfolgenden Pakete von alternierenden Einzelbildern (Kanälen), und das durch ein gegebenes Ladungskollektorelement während des ersten Einzelbildes gesammelte Ladungspaket,und das durch das Ladungskollektorelement während des zweiten Einzelbildes gesammelte Ladungspaket sind benachbart zueinander im Ausgangsfluß oder -strom. Ob das erste oder zweite Einzelbildpaket von einem gegebenen Ladungskollektorelement das erste dieses

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Paares ist, welches durch die Ausgangszone läuft, hängt davon ab, ob die CTD's 74 oder 76 zur Speicherung des ersten Einzelbildes der Ladungen verwendet werden.

Obwohl die Anordnung unter Bezugnahme auf den vierten Phasenelektrodensplit in zwei ineinandergreifende Kämme beschrieben wurde, so ist doch das Konzept der Struktur verallgemeinerbar, und zwar auf eine größere Anzahl von Splits oder Aufspaltungen für die Elektrode unter Verwendung eines zusätzlichen Leiterniveaus derart, daß drei oder mehrere "Kämme" ineinandergreifen. Die Ausgangsstruktur kann auf eine größere Anzahl (n) von Auscjangskanälen verallgemeinert werden, und zwar durch Vorsehen zusätzlicher Transferelektroden ähnlich der Elektrode 112, zusätzlicher Kanalstopzonen, ähnlich Kanalstops 116, Fortpflanzungselektroden-Versetzungen vor jedem zusätzlichen Kanal und durch Wiederausrichtung der Struktur, um jedes n-te Paket beginnend mit Paket Nr. 1 in Kanal 106, jedes n-te Paket beginnend mit Paket Nr. 2 in Kanal 104, jedes n-te Paket beginnend mit Paket Nr. 3 im ersten zusätzlichen Kanal usw. zu halten. Die Logistik des Ladungstransfers von den Anordnungs-CTD's zu den Ausgangs-CTD's in diesen ausgedehnten Ausführungsbeispielen (n>2) sind komplizierter als beim , bevorzugten Ausführungsbeispiel (n = 2). Die Spannungssteuerlogistik kann jedoch dadurch vereinfacht werden, daß man die Transfer-Gates, wie 112, in gesonderte steuerbare Segmente aufteilt, wobei jedes Segment sich in Ausrichtung mit einem Anordnungs-CTD einer gegebenen gemeinsam verbundenen Gruppe befindet.

Bei der Datensammlungsoperation des bevorzugten Ausführungsbeispiels gibt es nur zwei Stellen, in denen Ladungen von unterschiedlichen Einzelbildern durch die gleiche Zone aufeinanderfolgend laufen; jede dieser Stellen wird als eine Überlappung bezeichnet, weil das darauffolgende Paket die vom vorausgehenden Paket zurückgelassenen Ladungen überlappt. Dies tritt einmal auf, wenn die Ladung von Kanälen 74 und zu Kanälen 106 und 104 übertragen wird und ein zweites Mal

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in der Ausgangszone. In der ersten dieser Stellen laufen die Ladungen, enthalten in Kanälen 74, durch Teile von Kanal 106, um zu Kanal 104 zu gelangen. Dieser Teil des Kanals 106 wird darauffolgend von den Ladungen in Kanal 106 durchschritten, die von Kanälen 76 kamen. Diese aufeinanderfolgende Fortpflanzung von abwechselnden Einzelbildladungen durch die gleiche Zone macht die Inter-Einzelbild-Ladungsverschmierung (Kreuzkopplung) möglich, da der Ladungstransferwxrkungsgrad dieser Operation etwas kleiner als 1 ist. Jegliche Ladungsverschmierung zwischen Einzelbildern bei diesem Transfer wird jedoch minimal sein, da nur eine Überlappung auftritt, wohingegen bei Systemen ähnlicher Größe, die nicht dieses Parallel-Parallel-Transfersystem verwenden, mehrere hundert Überlappungen pro Anordnungskanal und innerhalb eines einzigen Ausgangsladungstransferkanals auftreten würden. Die Kreuzkopplung kann ferner minimiert werden, wenn vor dem Anlegen der Fortpflanzungsspannungen an die Kanäle 104 und 106 eine Spannung an die Elektrode 128 angelegt wird, die durch Rekombination jede Ladung beseitigt, die in dem Gebiet in Kanal 106 in Ausrichtung mit Kanal 74 zurückgehalten wurde.

An den .zweiten Stellen (Ausgangszone 140), wo die Ladungen von alternierenden Einzelbilderndurch die gleiche Zone verlaufen, haben die Ineffizienzen des Ladungstransfers einen recht minimalen Schmiereffekt, wenn ein akzeptabler Transferwirkungsgrad erreicht wird. Wiederum ist das Schmieren minimal, weil es nur eine einzige Zone gibt (die Ausgangszone 140), durch welche ein gegebenes zweites Einzelbildpaket einem gegebenen ersten Einzelbildpaket folgt. Wenn die Ausgangszone einen minimalen Transferwirkungsgrad von 0,999 zeigt, dann wird höchstens 0,1% der Ladung des ersten durch die Zone 140 laufenden Pakets in dieser Zone gelassen, um das nächste durch die Zone 140 laufende Paket zu beeinflussen. Dies führt nur einen sehr kleinen Fehler ein. Ferner würde das Vorsehen von zwei gesonderten Ausgangszonen (eine für jeden der Kanäle 104 und 106) die Datensammelfehler wesentlich vergrößern, und zwar wegen der Differenzen bei der tatsächlichen Verstärkung dieser Ausgangszonen.

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Die an diesen zwei Stellen eintretende Datendegradierung oder -Verschlechterung durch aufeinanderfolgende Übertragung alternierender Einzelbilddaten macht eine sehr geringe Größe bei der Intereinzelbild-Kreuzkopplung wahrscheinlich. Verglichen jedoch mit Systemen, welche beide Dateneinzelbilder von einer gegebenen Spalte von LadungsSammelelementen in der gleichen CTD speichern, ist das erfindungsgemäße System eine außerordentliche Verbesserung. Bei den erwähnten Systemen ruft jede Übertragung innerhalb der Anordnung eine Intereinzelbild-Kreuzkopplung hervor. Das heißt, wenn zwei Pakete von unterschiedlichen Einzelbildern einen Kanal in der Anordnung in aufeinanderfolgenden CTD-Speicherquellen hinab fortgepflanzt würde, so könnte das erste oder leitende Paket (unter Annahme eines Transferwirkungsgrads von 0,998) ein Maximum von 0,2% seiner Ladung an jeder Stelle längs des Kanals zurücklassen. Der Einfluß dieser Ladungen wäre von kumulativer Natur und würde eine viel größere Verschmierung und Datenverschlechterung erzeugen, als dies beim erfindungs.gemäßen System der Fall ist. Eine einzige Ausgangszone 140 wird, trotz der inhärenten Möglichkeit einer geringen Verschmierung zwischen Ladungspaketen von unterschiedlichen Einzelbildern, gegenüber zwei gesonderten Ausgangszonen bevorzugt, weil die Schwierigkeiten bei der Herstellung von zwei identischen Ausgangszonen wesentlich größer sind als die Schwierigkeiten infolge der aufeinanderfolgenden Transfers oder Übertragungen durch die einzige Ausgangszone.

Aus der Ausgangszone 140 können die Ladungspakete in eine gewünschte Ausgangsform auf irgendeine Weise umgewandelt werden, die für die CTD ¹S geeignet ist. Geeignete Ausgangsvorrichtungen und Schaltungen sind dabei bekannt. Spannungsausgangsgrößen, erhalten durch die Verwendung einer Feldeffektausgangsvorrichtung, werden bevorzugt.

Von der Ausgangszone 140 laufen die Daten zu den externen Verwendungsmitteln 200, die derart aufgebaut sein können, daß sie irgendwelche gewünschten Operationen an den Daten ausführen, um daraus die gewünschte Information zu erhalten. Zur

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Änderung der Bilderkennung weisen die externen Verwendungsmittel 200 vorzugsweise Differenz- oder Differentialverstärkermittel 204 sowie Schaltmittel 202 auf, um die ersten Einzelbildsignale zu einem ersten Eingang des Differenzverstärkers und die zweiten Einzelbildsignale zu einem zweiten Eingang der Differenzverstärkermittel zu leiten. Der Differenzverstärker erzeugt Ausgangssignale, welche für die vorzeichenmäßige Differenz zwischen den ersten und zweiten Einzelbildern auf einer Pixel-für-Pixel-Basis repräsentativ sind. Somit wird das Ausgangssignal, welches sich aus dem ersten vom Kanal 104 ankommenden Paket ergibt, vorzugsweise für den ersten Eingang eines Differenzverstärkers vorgesehen, und das Ausgangssignal, welches sich aus dem ersten vom Kanal 106 ankommenden Ladungspaket ergibt, wird an den anderen Eingang dieses Verstärkers angelegt, um ein Signal zu erzeugen, welches für jede Differenz repräsentativ ist, die in der in diesen zwei Paketen enthaltenen Ladung repräsentativ ist, wobei diese beiden Pakete die ersten und zweiten Einzelbildladungen bilden, die durch ein einziges Ladungskollektorelement, d.h. von einem einzigen Pixel, gesammelt wurden. Wenn das auf dieses Ladungskollektorelement auftreffende Bild sich nicht vom Beginn der ersten Integrationszeit bis nach dem Ende der zweiten Integrationszeit änderte, dann wird die Ladung in den zwei Paketen die gleiche sein und der Differenzverstärker erzeugt eine Null-Ausgangsgröße. Wenn jedoch die aktinische Intensität des auf das Ladungskollektorelement auftreffenden Bildes zwischen oder während der Einzelbilder Eins und Zwei geändert wird, so wird die Ladungsmenge in den zwei Paketen unterschiedlich sein und der Differenzverstärker wird eine Ausgangsgröße ungleich Null erzeugen, die für diese Ladungsdifferenz repräsentativ ist. Vorzugsweise hängt der Sinn der Ausgangsgröße des Differentialverstärkers davon ab, ob die Ladung vom Einzelbild Eins größer oder kleiner ist als die Ladung vom Einzelbild Zwei.

Auf diese Weise werden jedwede Bildänderungen von Einzelbild Eins zu Einzelbild Zwei - festgestellt durch die eingegrabenen Ladungskollektorelemente in Verbindung mit der ersten Zeile

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.A.

der CTD-Ladungsspeicherzellen - erkannt, wenn die erste Zeile von in Kanäle 104 und 106 eingeladenen Ladungspaketen heraus fortgepflanzt wird. Sobald alle diese Ladungspakete zur Ausgangszone 140 transferiert sind, werden die an die Elektroden 110 und 112 und an Satz 120 der Steuerelektroden angelegten Spannungen auf Ladungsrezeptions- oder Aufnahmespannungen geändert. Daraufhin werden die an die Fortpflanzungselektroden 60 der Kanäle 74 und 76 (wenn zuvor gestoppt) angelegten Fortpflanzungsspannungen um einen Zyklus weitergeschaltet, um die nächste Spalte von Ladungspaketen in Kanäle 106 und 104 zu transferieren. Der Prozess der Ladungsfortpflanzung aus den Kanälen 104 und 106 und der Vorschub der Ladung in Kanälen 74 und 76 wird wiederholt, bis alle Ladungspakete der ersten und zweiten Einzelbilder des Bildes durch die Ausgangszone 140 transferiert sind.

Die die einzelnen Pixel-Ladungsdifferenzen repräsentierenden Spannungen können in analoger oder digitaler Form gespeichert werden oder weiterverarbeitet werden, um zusätzliche Information daraus zu entnehmen, und zwar geschieht dies entsprechend den Erfordernissen des Systems oder entsprechend der zu erlangenden oder zu behaltenden Information.

Die Ausgangszone 140, welche die CTO-Ladungspakete in Nicht-CTD-Infοrmationsformen umwandelt, ist als direkt gekoppelt mit den Auf: rangsladungstransferkanälen 104 und 106 dargestellt, weil dies das derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiel ist. Wenn sich jedoch die Möglichkeit weiterentwickelt, die Signalverarbeitung direkt innerhalb der Ladungstransfervorrich tungen vorzunehmen, so kann es zweckmäßig werden, einige Datenmanipulationen, wie beispielsweise eine gewisse Datenreduktion, vorzunehmen, bevor extern verwendbare Signale erzeugt werden. Diese Verarbeitung könnte zwischen den vorhandenen Enden der Kanäle 104 und 106 und der Ausgangszone 140 stattfinden oder sogar innerhalb der Anordnungs-CTD's 70

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oder Ausgangs- oder Ausgabe-CTD's.

Wenn die gesamte CTD-Ausgangsfortpflanzungsfolge in einer einzigen Ladungsintegrationszeit erreicht werden kann, wie dies bevorzugt wird, dann wird eine neue erste Ladungsintegrationszeit begonnen, sobald das zweite Ladungseinzelbild von den Ladungskollektorelementen zum Kanal 76 übertragen ist, und am Ende dieser neuen ersten Ladungsintegrationszeit wird ein neues erstes Einzelbild aus integrierter Ladung zu den Kanälen 74 transferiert, wonach ein neues zweites Einzelbild in den eingegrabenen Ladungskollektorstrukturen integriert und zu Kanälen 76 am Ende dieser Integrationszeit transferiert wird. Sobald die neuen ersten und zweiten Einzelbilder in den CTD's 74 und 76 sind, wird die CTD-Ausgangsfortpf lanzungsfolge wiederholt, um jedwede Bildänderung oder Targetbewegung während dieser Einzelbilder festzustellen.

Wenn es gewünscht ist, ein gesamtes Bild und nicht eine Änderung in diesem Bild wahrzunehmen, so können die gesammelten Ladungen aus der Anordnung ausgelesen werden, und zwar nachdem jedes Einzelbild integriert ist,und die Ladungen werden als Pixel-Intensitätssignale gehandhabt. Unter derartigen Umständen ist es nicnt notwendig, eine Einzelbild-zu-Einzelbild-Differenzoperation an den Ladungen in der Nachausgangs-Verarbeitungsschaltung vorzunehmen, da die gewünschten Ausgangsdaten ein vollständiges 'Bild sind, und nicht Daten, welche die sich ändernden Teile des festgestellten Bildes betonen. Die Hauptänderung muß somit in der Nachausgangs-Verarbeitung der Daten erfolgen.

Wenn die CTD-Ausgangsfortpflanzungsfolge länger dauert als eine Ladungsintegrationszeit, dann sollte jede Ladung, die sich in den Ladungskollektorelementen während der Ausgangsfolge angesammelt hat, entfernt werden vor dem Beginn der nächsten Bildabfühlfolge. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man CCE-zu-CTD-Lesepotentiale an Elektroden 67 und Elektroden 69 anlegt, um sämtliche Ladung von den eingegrabenen Kollektorstrukturen zu den Kanälen 74 und 76 zu trans- .

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ferieren. Wenn hinreichend viel Zeit vergangen ist, um die Verarmung der Ladungskollektorelemente sicherzustellen, dann wird die an die Elektroden 67 und 69 angelegte Spannung auf unterhalb die Leseschwelle reduziert. Dies leitet die Integrationszeit für das neue erste Einzelbild ein. Die unerwünschte Ladung in den Kanälen 74 und 76 kann auf irgendeine Anzahl von Wegen beseitigt werden. Als erstes können die an die Transferelektroden 60 angelegten Spannungen auf ein Niveau reduziert werden, wo die die Ladungen haltenden Potentialquellen aufhören zu existieren und die Ladungen werden in die Masse der Vorrichtung freigegeben, wo sie rekombinieren. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Ladungskollektorstrukturen einen Teil der so freigegebenen Ladung anziehen könnten und auf diese Weise das nächste Einzelbild stören würden. Demgemäß besteht das bevorzugte Verfahren darin, Spannungen an die Elektroden 110, 112 und die Elektroden des Steuersatzes 120 anzulegen, um eine einzige kontinuierliche Potentialquelle zu bilden, und zwar von der Ausgangsposition der Kanäle 74 und 76 zur Ausgangszone 140, und sodann erfolgt der Transfer der Ladung innerhalb der Kanäle 74 und 76 zu den Kanälen 104 und 106. Dieser Ladungstransfer erfolgt sehr schnell, da keine Notwendigkeit besteht, die Integrität einzelner Ladungspakete aufrechtzuerhalten. Sobald die gesamte Ladung aus den Kanälen 74 und 76 heraustransferiert ist, kann die Spannung an der Transferelektrode 110 auf eine geändert werden, welche die Kanäle 74 und 76 von Kanal 106 isoliert. Sobald die Kanäle 74 und 76 von Kanal 106 isoliert sind, ist viel Zeit verfügbar, innerhalb welcher irgendwelche in den Kanälen 104 und 106 verbliebene Ladung zu den Ausgangsmitteln 140 bewegt werden kann, da die gesamte Integrationszeit für das neue zweite Einzelbild, und im allgemeinen ein Teil der ersten Integrationszeit, zum Verbrauch verbleibt, bevor neue Daten zum Transfer aus der Anordnung bereit sind.

Alternative Mittel zur Entfernung der Ladung bestehen darin, daß man Eingangsmittel 98 als einen Ladungsabfluß verwendet und eine Rückwärtsfortpflanzungsspannungssequenz an die Trans-

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ferelektroden des Satzes 60' anlegt, um die Ladungen nach rückwärts durch diese Kanäle in die Eingangsmittel 98 fortzupflanzen. Als letzte Alternative könnte ein Ladungsabfluß jenseits Kanal 104 vorgesehen sein und der Kanalstop 114 könnte in ein Transfergate ähnlich den Transfergates 110 und 112 geändert werden. Zum Abfließenlassen der Ladung würde das Transfergate, welches den Kanalstop 114 ersetzt, auf einem Potential gehalten werden, welches jegliche Ladung in Kanal 104 veranlaßt, in den Ladungsabfluß zu fließen. Es sind viele mögliche Verfahren verfügbar, um die unerwünschte Ladung aus den eingegrabenen Ladungskollektorstrukturen durch das CTD-System zu entfernen. Obwohl die obige Diskussion beispielhaft für mögliche Verfahren ist, so ist diese Diskussion jedoch nicht umfassend und der Fachmann kann weitere Möglichkeiten vorsehen, um im Rahmen der Erfindung die Ladung zu eliminieren. Ferner kann die Ansammlung unerwünschter Ladung dadurch eliminiert werden, daß man das Auftreffen des Bildes auf die Fühleranordnung solange verhindert, bis eine neue erste Ladungsintegrationszeit bereit ist zu beginnen. Dies kann man durch mechanische, elektrooptische oder Verschlußmittel erreichen.

Unter Verwendung von Ladungstransferfortpflanzungsraten in der Größenordnung von 1,0965 kHz in den Kanälen 74 und 76 und einer Fortpflanzungsrate von 125 kHz in den Kanälen 104 und 106 können die beiden Einzelbilder an Bildinformation aus einer Fühlvorrichtung oder einem Sensor mit einer 110 χ 110-Anordnung von eingegrabenen Ladungskollektorstrukturen in einer Periode von ungefähr 0,1 Sekunden heraus fortgepflanzt werden. Demgemäß wären spezielle Ladungseliminationsverfahren nur erforderlich bei Ladungsintegrationszeiten, die kleiner sind als ungefähr 0,1 Sekunden.

Zum Erhalt höchster Genauigkeit muß die Zeitperiode'vom Beginn der ersten Einzelbildladungsintegrationsperiode bis nach dem Transfer des bzw. der Einzelbild(er) durch die Ausgangszone 140 wesentlich kleiner sein als die Zeitperiode, die

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erforderlich ist, damit sich die CTD-Potentialquellen mit thermisch erzeugter Ladung füllen. Andernfalls kann die thermisch erzeugte Ladung das abzufühlende Bild verdecken. Ferner sollte ein Halbleiter ausgewählt werden, der im wesentlichen sämtliche einfallende Bildstrahlung absorbiert, bevor die Strahlung eine Tiefe erreicht, wo die fotoerzeugten Ladungen direkt durch die CTD gesammelt würden. Wenn demgemäß tief eindringende Strahlung erwartet wird, die nicht ein gewünschter Teil des abzufühlenden Bildes ist, so sollte eine geeignete Filterung verwendet werden, um die durch diese Strahlung induzierte Interferenz zu minimieren.

Wenn lange Ladungsintegrationsperioden wegen der Natur des abzufühlenden Bildes erforderlich sind, so kann die Sensoroder Fühleranordnung auf einen Punkt abgekühlt werden, wo die thermische Ladungserzeugung auf einen Wert reduziert ist, der niedrig genug liegt, so daß die Bildabfühlung nicht beeinflußt wird.

Wenn dies getan werden soll, so können die Ladungen von den ersten und zweiten Einzelbildern vereinigt werden, um ein hergestelltes Einzelbild zu bilden, das die Summe der ersten und zweiten Einzelbilder ist. Solange der Ausgangskanal 106 eine hinreichende Ladungsspeicher- und Transport-Kapazität besitzt, kann dies dadurch getan werden, daß man den ersten Schritt einer zweistufigen Anordnung-zu-Ausgangs-Mittel-100-Ladungsübertragung vornimmt, wobei die Ladungen von der ersten Zeile der Anordnung in Kanal 106 transferiert werden und die Ladungspakete von Kanälen 74 und der Elektrode 128 in Kanal 106 gehalten werden und die Ladungspakete von Kanälen 76 werden unter den Elektroden 124 im Kanal 106 gehalten. Sodann werden, anstelle daß man zuläßt, daß die Ladungen von Kanal 74 unter die Transferdatenelektrode 112 laufen, die Spannungen an den Elektroden 126 geändert, um die Tiefe der Potentialquelle darunter zu vergrößern,und die Spannungen an den Elektroden 124 werden geändert, um die Tiefe der Potentialquelle darunter zu verringern, was zur Folge hat, daß die Ladungen unter

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den Elektroden 124 durch die Zone unter den Elektroden 128 fließen. Dies vereinigt die zwei Ladungssätze von den ersten und zweiten Einzelbildern, die von dem gleichen Pixel kommen, um so das neu hergestellte Einzelbild zu bilden, in welchem die Ladung für jedes Pixel die Summe der ersten Einzelbildladung und der zweiten Einzelbildladung für dieses Pixel ist. Diese Ladungspakete werden sodann aus dem Ausgangskanal 106 ausgelesen in Ausgangszone 140 hinein, und zwar durch Anlegen von 4-Phasen-Fortpflanzungsspannungen an die Elektroden des Transfersatzes 120. Sodann wird diese Operation für jede aufeinanderfolgende Zeile von Ladungen von der Anordnung wiederholt, bis das gesamte hergestellte Einzelbild ausgelesen ist. Das erfindungsgemäße System besitzt einen sehr breiten Dynamikbereich zur Feststellung der Targetbewegung. Dies ergibt sich aus der Handhabung der durch ein erstes Einzelbild und der durch ein zweites Einzelbild erzeugten Ladungen, und zwar auf identischen Wegen, so daß sie ähnlicne Operationen gleichzeitig im größtmöglichen Umfang erfahren und subtrahiert oder verglichen werden vor der Bestimmung ihrer Menge. Alle Operationen/ mit Ausnahme des Transfers von Kanälen 74 und 76 zu Kanälen 104 und 106 sind so identisch wie möglich konstruiert. Für die ersten Einzelbild- und zweiten Einzelbild-Ladungen, gesammelt durch eine gegebene eingegrabene Diode, erfolgen alle Transfers gleichzeitig mit Ausnahme der Transfers von der Diode zu den Kanälen 74 und 76 und von den Kanälen 104 und 106 durch Ausgangszone 140.

Der Dynamikbereich dieser Bildabfühlvorrichtung kann für die gesamte Bilderkennung vergrößert werden durch Feststellung und Speicherung von zwei gesonderten Einzelbildern, und zwar eines in Kanälen 74 und eines in Kanälen 76 vor dem Auslesen. Ein erstes dieser beiden Einzelbilder (im folgenden kurz als "kurzes Einzelbild" bezeichnet) kann über eine Zeitperiode integriert werden, die nahe der maximalen Integrationszeit liegt, die zulässig ist, ohne daß der oder die Pixel(s) mit der größten aktinischen Intensität das in Ausrichtung damit befindliche Ladungskollektorelement überfluten, wodurch die LadungsSammlung nichtlinear wird oder sich zu benachbarten

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Pixels hin ausbreitet und dort ein überstrahlen ("Blooming") hervorruft. Das andere Einzelbild (im folgenden manchmal als das "lange Einzelbild" bezeichnet) kann über eine wesentlich längere Periode als die eben angegebene Integrationszeit hinweg integriert werden. Das "lange Einzelbild" leidet an einer nichtlinearen LadungsSammlung und/oder -überstrahlung in der Nähe der Pixels mit hoher aktinischer Intensität. Jedoch wird die tatsächliche aktinische Intensität der eine niedrige aktinische Intensität aufweisenden Pixel, die hinreichend weit von den eine hohe aktinische Intensität aufweisenden Pixels entfernt sind, genauer bestimmt durch die längere Integrationszeit. Während der Datenreduktion können die aus der längeren Integrationszeit erhaltenen aktinischen Intensitätswerte (wenn erforderlich mit geeigneter Maßstabseinrichtung) verwendet werden als repräsentativ für die tatsächliche aktinische Intensität der eine niedrige Intensität aufweisenden Pixels, um einen hohen Genauigkeitswert für die aktnische Intensität dieser Pixels zu erhalten. Die durch die kurze Integrationszeit bestimmten Intensitäten können (wenn erforderlich mit geeigneter Maßstabseinstellung) als repräsentativ für die tatsächliche aktinische Intensität der Hochintensitäts-Pixels verwendet werden. Welches Einzelbild für welche Pixels verwendet werden sollte, kann bestimmt werden durch Benutzung eines experimentell bestimmten Maximalwerts der angezeigten Intensität aus dem "langen Einzelbild" und jedes Pixel mit größerer Intensität als dieser Schwellenwert im "langen Einzelbild" hat den Wert bestimmt in dem "kürzeren Einzelbild", welches anstelle des vom "langen Einzelbild" verwendet wird. Alternativ kann eine niedrige IntensitätsschwelIe an dem "kurzen Einzelbild" verwendet werden, und für Pixels, deren Intensität unter diesen Wert fällt, kann stattdessen der im "langen Einzelbild" erhaltene Wert verwendet werden.

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Der selektive Ladungstransfer vom Kanal 106 zu Kanal 104 kann durch andere Strukturen als die dargestellten erreicht werden. Beispielsweise können die Elektroden des Satzes 120 gerade ausgebildet sein und die Kanten der Kanalstopzonen 116, die nicht parallel zu den Kanten der Kanäle verlaufen, können unter einem Winkel angeordnet sein, so daß der für den Ladungsfluß zwischen den Kanälen 106 und 104 verfügbare Pfad unter einem nicht senkrechten Winkel zur Fortpflanzungsrichtung des Kanals verläuft. Als weitere Alternative können die Kanalstops 116 nur in Ausrichtung mit den Kanalstops 72 der Anordnung 70 angeordnet sein, und die versetzten, dargestellten Elektroden werden verwendet. Unter diesen Umständen müßten die an die Elektroden 112, 124 und 128 angelegten Taschen induzierenden Potentiale derart sein, daß das gesamte Ladungspaket von einem Kanal.76 innerhalb Kanal 106 unter einer Elektrode 124 in der Weise gehalten würde, daß das Überlaufen der Ladung in die Zone unter Elektrode 112 verhindert würde. Der Fachmann kann viele Wege angeben, um selektiv die in den Kanälen 74 entstehenden Ladungen zum Kanal 104 zu transferieren, während die Ladungen von Kanälen 76 in Kanal 106 zurückgehalten werden.

Wenn eine abgewandelte Ausbildung des selektiven Transfersystems verwendet wird, .kann es notwendig sein, die Position oder Struktur der elektrischen Ausgangszone 140 zu modifizieren, um die Eigenschaften des bevorzugten Systems aufrechtzuerhalten, indem die Kanäle 104 und 106 Ladung für die Ausgangszone alternierend vorsehen. Infolgedessen wird die dargestellte Struktur (wenn auch nicht ausschließlich) als selektives Transfersystem bevorzugt.

Es sei bemerkt, daß dann, wenn dies als notwendig erachtet wird, der Durchgang der Einzelbildladung durch Kanal 106 auf dem Weg zu Kanal 104 eliminiert werden könnte dadurch, daß man die Kanäle 74 und 76 veranlaßt, in entgegengesetzten Richtungen die Fortpflanzung vorzusehen, und zwar durch die Anwendung zickzackförmiger Fortpflanzungselektroden. Wenn man dies tut und die Verwendung einer einzigen Ausgangszone noch

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immer erwünscht ist, so müßten die Kanäle 104 und 106 Ladung anfangs in einer Richtung senkrecht zur Länge von Kanal 74 und 76 und sodann parallel zur Länge der Kanäle 74 und 7 6 zur gemeinsamen Ausgangszone fortpflanzen. Obwohl eine derartige Struktur denkbar ist, wird angenommen, daß der einzige Ladungsdurchlauf von einem ersten Einzelbild durch den Kanal 106 eine minimale Verschmierungsmöglichkeit einführt und daß die alternative Struktur mehr Nachteile hätte. Selbst wenn sich bei der Verwendung der bevorzugten Struktur eine leichte Verschmierung ergibt, so sollte doch die vergrößerte Vorrichtungsausbeute und verminderte Kompliziertheit der Vorrichtung und die geringere Anzahl erforderlicher Übertragungen bei der bevorzugten Vorrichtungen die Vorteile überwiegen, die man bei Verwendung der alternativen Struktur erhält.

Die Anordnungs- und Ausgangs-Ladungstransfervorrichtungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels können für Speicherzwecke verwendet werden, und zwar unabhängig von der Bildabfühlfähigkeit der eingegrabenen Ladungskollektorelemente. Information kann in die CTD's der Anordnung über Eingangssystem 98 eingeführt werden.

Alternativ kann das Ausgangssystem 100 als ein Eingangssystem verwendet werden, und zwar entweder unter Verwendung der Ausgangszone 140 als Eingangszone oder durch Verwendung der Eingangszone 154 oder 156 (oder 150). Die auf diese Weise eingeführte Information wird längs eines Ausgangskanals, wie beispielsweise 106, fortgepflanzt und von diesem Kanal in die CTD's der Anordnung transferiert. Gute Ergebnisse werden erhalten bei Verwendung der CTD's des bevorzugten Ausführungsbeispiels als Dual-Einzelbildspeicher in Vereinigung mit einer bekannten Bildabfühlvorrichtung (die darauffolgend ein einziges Einzelbild feststelle und ausliest, und zwar vor der Feststellung eines darauffolgenden Einzelbildes), um so ein System zu bilden, welches betriebsmäßig ähnlich dem bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet. Dies kann erreicht werden durch Auslesen der Bildinformation aus der "ein einziges Einzelbild zu einer Zeit"-Fühlvorrichtung, durch Einfügen desselben in einen elektronischen Eingang einer Eingangs-(oder Ausgangs-)CTD des bevorzug-

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ten Ausführungsbeispiels und durch Transfer dieser Eingangsgröße zu CTD-Kanälen 74 (oder 76) der Anordnung auf einer Zeile-für-Zeile-Basis, um die erste Einzelbildinformation in der CTD-Anordnung in Kanälen 74 zu speichern. Sobald diese Information in der Anordnung gespeichert ist, wird an die Elektroden 67 eine Speicherspannung angelegt, welche eine Potentialquelle aufrechterhalt, die tief genug ist, daß die unter der Elektrode 67 gespeicherten Ladungen nicht beeinflußt werden durch das Anlegen von Transferpotentialen an die Elektroden 61, 63, 65 und 69- Danach werden ein zweites Einzelbild repräsentierende Ladungen durch die Bildfühlvorrichtung erhalten und für die Eingangs-CTD vorgesehen, und sie werden von dieser zu den Kanälen 76 (74) übertragen, und zwar auf einer Zeile-für-Zeile-Basis, wobei jede Zeile über die Anordnung fortschreitet, wenn die darauffolgende Zeile vom Eingangs-CTD zum Kanal 76 der Anordnung übertragen wird, während die Ladungen in den Kanälen 74 stationär verbleiben. Wenn beide Einzelbilder des Bildes in der CTD-Anordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels gespeichert sind, so werden die ersten und zweiten Einzelbildladungen, gesammelt durch ein gegebenes Element der Bildabfühlvorrichtung, in zugehörigen oder assoziierten Speicherzellen unter zugehörigen Elektroden 67 und 69 in zugehörigen (benachbarten) CTD-Kanälen gespeichert, und zwar in einer im wesentlichen identischen Weise, wie dies zuvor hinsichtlich des Betriebs des bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, und zwar unter Verwendung der eingebauten Bildfeststellmöglichkeiten. Sodann wird die Bildinformation auf einer Zeile-für-Zeile-Basis ausgelesen, wobei das erste Einzelbild zu einem der Ausgangskanäle 104, 106 transferiert wird, und die zweite Einzelbildinformation wird zum anderen dieser Kanäle transferiert. Auf diese Weise können die Differenzen zwischen den ersten und zweiten Einzelbildern in einer Weise bestimmt werden, die im wesentlichen die gleiche ist wie die vom bevorzugten Ausführungsbeispiel

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verwendet, und zwar unter Verwendung der eigenen Bildfeststellmöglichkeiten .

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel· ist hinsichtlich seiner Fähigkeit, Daten auf diese Weise zu verarbeiten, einzigartig, da es mit identischen Kanälen ausgebildet ist, die wegen der Aufspaltung der 4-Phasen-Elektrode Daten von unterschiedlichen Einzelbildern ineinandergreifend in einer Weise aufweisen können, die Differenz- oder Änderungs-Bestimmungen auf einer Element-für-Element-Basis erleichtern, wobei die Gesamtheit der Ladungstransferoperationen,ausgeführt an jedem Datensatz, im wesentlichen identisch ist, wodurch Ladungsdifferenzen minimiert oder eliminiert werden, die ein Ergebnis des Ladungsspeichersystems sind (und nicht Änderungen im Bild oder den Daten zwischen Einzelbildern) .

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für die Vorrichtung bestellt darin, mit einem Siliciumwafer zu beginnen und die Zone 46 epitaxial darauf aufzuwachsen, wobei kontinuierlich der Dotierpegel oder das Dotierniveau darinnen verändert wird, um die Dotierpro filgradierung der Zone 46 zu erzeugen. Das Wacnstum der Siliciumepitaxiallage wird sodann mit einer konstanten Dotierkonzentration fortgesetzt, um den Teil der Zone 28 zu bilden, der zwischen die Zone 46 und'die p-n-Grenzschicht fällt. Wenn gewünscht, kann dieses Epitaxialwachstum für die Herstellung der Ladungskollektorelemente 30 und der Trenn- oder Isolationszonen 32 durch Diffusion unterbrochen werden. Es wird jedoch bevorzugt, diese Zonen durch Ionenimplantation zu erzeugen, nachdem das Wachstum der Zone 56 vollständig ist. Danach wird eine zweite Epitaxialzone von entgegengesetzte Leitfähigkeitstype über die Zone 56 aufgewachsen, wodurch die p-n-Grenzschicht 57 gebildet wird. Nach der Vollendung des Wachstums der Zone 58 kann der Ladungstransferkanals top 72 vorgesehen werden durch Diffusion in die Zone 58 oder durch Ionenimplantation in die Zone 58. Die Herstellung der übrigen Vorrichtung ist von üblicher Art

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entsprechend der Herstellung normaler ladungsgekoppelter Vorrichtungen, wobei die dielektrische Lage 50 ausgebildet wird, worauf dann die Metallisierung der ersten Lage abgeschieden und definiert wird, worauf dann die zweite dielektrische Lage 78 ausgebildet wird und die zweite Lage aus Metallisierung darauf abgeschieden und definiert wird. Bei einer geeigneten Herstellungsstufe der Gesamtvorrichtung wird die dicke Zone der fertigen Vorrichtung 24 maskiert und der unmaskierte Teil des anfänglichen Wafers wird geätzt mit einem vorzugsweise kristallographisch selektivem Ätzmittel, um eine dünne Zone 28 und eine Übergangszone 26 zu bilden. Die Beendigung des Ätzvorgangs bei der gewünschten Dicke für die dünnere Zone 28 kann dadurch sichergestellt werden, daß man das ursprüngliche Halbleitersubstrat von entgegengesetzter Leitfähigkeitstype zu der der Zone 46 macht und ein elektrolytisches Ätzverfahren benutzt, welches von Natur aus langsamer dann wird, wenn die Zone 46 von entgegengesetzter Leitfähigkeitstype angetroffen wird. Der Ätzvorgang zur Bildung der dünnen Zone 28 sollte an einem Punkt im Verfahren ausgeführt werden, wo die Struktur, die in dieser Zone verbleibt, für die Herstellungszwecke selbsttragend ist, wobei aber andererseits der Vorgang an einem Punkt ausgeführt werden könnte, der für den Herstellungsprozess günstig ist, solange nur schädliche Einwirkungen auf die Vorrichtung vermieden-werden.

Es können zahlreiche andere Herstellungsverfahren benutzt werden, solange nur eine betriebsfähige Struktur erzeugt wird.

Das derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiel, welches die Bild- und Speicherfunktionen kombiniert, hat die folgenden angenäherten Werte: Segment 28 hat eine Dicke von 20 bis 25 Mikrometer, einen Dotierpegel von ungefähr 1x10 cm η-Type an

15 der Rückseite 19 und einen Dotierpegel von ungefähr" 3 χ 10 cm η-Type auf der Tiefe, wo die eingegrabenen Dioden sich befinden. Jedes Bildfeststellpixel ist quadratisch und annähernd 45,7 Mikrometer lang auf einer Seite. Jede eingegrabene Diode ist quadratisch und besitzt annähernd 33 Mikrometer Länge auf einer Seite. Die stark dotierten Trenn- oder Isolationszonen 32 sind annähernd 6 Mikrometer breit und annähernd 3 Mikrometer gegenüber

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den Dioden auf jeder Seite angeordnet. Die Dioden besitzen eine angenäherte Dicke von 0,5 Mikrometer, ebenso wie die stark dotierten Isolationszonen. Die eingegrabenen Dioden werden durch Ionenimplantation von Bor mit einer Dosis von ungefähr 8 χ 10 /cm bei 180 KeV mit einem 7°-Winkel gebildet. Die Isolationszonen 32 werden durch ionenimplantierten Phosphor

12 gebildet, und zwar mit einer Dosis von ungefähr 1 χ 10 /cm bei 180 KeV und einem Winkel von 7°. Die Zonen 58, in denen sich die eingegrabenen Kanäle ausbilden, werden aus einem

12 2 Borimplantationsmittel von 1 χ 10 /cm bei 150 KeV und bei einem Winkel von 7 hergestellt. Die Kanalanschläge sind phosphordotiert durch Diffusion und besitzen einen Widerstandswert von ungefähr 20 Ohm/a und eine Breite von ungefähr 7 Mikrometer. Die Kanäle besitzen Breiten von annähernd 16 Mikrometer. Die Gates des unteren Niveaus sind ungefähr 15 Mikrometer breit und um ungefähr 8 Mikrometer voneinander mit Abstand angeordnet und sie sind annähernd 0,5 Mikrometer dick aus stark dotierten n-Type-Polysilicium. Die Oberfläche dieser Elektroden ist oxydiert zur Bildung der dielektrischen Lage 78.

Diese Vorrichtungen können als kombinierte Abbildvorrichtungen und Speicher verwendet werden oder aber sie können als Speicher für gesonderte "ein Einzelbild zu einer Zeit"-Abbildvorrichtungen benutzt werden, wie oben beschrieben.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel besitzt eine ebene Brennoberfläche, wobei jedoch die Brennoberfläche irgendeine Form besitzen kann, die für das verwendete optische System zweckmäßig ist, solange die Form betriebsfähig und herstellbar ist,

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet Silicium als Halbleitermaterial. Es können jedoch auch andere Halbleiter, wie beispielsweise Germanium, Gallium, Arsenid, andere Verbindungen der Gruppe III - Gruppe V sowie andere Halbleiter und Materialien anstelle von Silicium verwendet werden, so-

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lange diese Materialien nur den notwendigen Ladungsfluß vorsehen können. Die Leitfähigkeitstypen der verschiedenen Zonen können umgekehrt oder, nach Wunsch, modifiziert werden.

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Claims (7)

1. -yt -

   Patentansprüche

   Bildabfühlvorrichtung, gekennzeichnet durch:

   Halbleitermittel, welche eine Ladungstransfervorrichtungswirkung unterstützen und fotoempfindlich sind gegenüber elektrischer Strahlung mit einer Wellenlänge innerhalb eines vorbestimmten interessierenden Bereichs, um bei (fotoansprechender) Absorption eines Photons mit einer Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Bereichs Ladungsträger zu erzeugen, und wobei die Halbleitermittel ferner Vorder- und Rückseiten besitzen, deren letztere zur Aufnahme der Bildinformation in der Form elektromagnetischer Strahlung dient, welche Wellenlängen innerhalb des vorbestimmten Bereichs besitzt,

   eine Vielzahl von Ladungstransfervorrichtungsmitteln, angeordnet längs der Vorderseite der Halbleitermittel, wobei die Ladungstransfervorrichtungsmittel folgendes aufweisen: dielektrische Mittel angeordnet an der Vorderseite der Halbleitermittel, eine Vielzahl von Ladungstransfersteuerelektrodenmitteln mit einem Multiphasensatz, und zwar angeordnet auf den dielektrischen Mitteln zur Steuerung des Ladungstransports in den Ladungstransfervorrichtungsmitteln, eine Vielzahl von Ladungstransferkanaltrennmitteln, welche den Teil der Halbleitermittel in der Nähe der Vorderseite in eine Vielzahl von Ladungstransferkanälen aufteilen, wobei der Ladungstransport darinnen gesteuert wird durch die Steuerelektrodenmittel und Ausgangsmittel zur Umwandlung der innerhalb der Ladungstransferkanäle transportierten Ladung in extern verwendbare Signale,

   und eine Vielzahl von eingegrabenen Ladungskollektormitteln zum Sammeln und zeitweisen Speichern von fotoerzeugten Ladungsträgern, wobei die Ladungskollektormittel auf· einem vorbestimmten Abstand gegenüber der Vorderseite der Halbleitermittel angeordnet sind, und wobei der erwähnte vorbestimmte Abstand groß genug ist, um die unerwünschte Ladungsverbindung zwischen der Ladung auf den Ladungskollektormitteln und der Ladung in den Ladungstransfervorrichtungsmitteln zu minimieren, und wobei der vorbestimmte Abstand klein genug ist, um

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   ORIGINAL INSPECTED

   zu ermöglichen, daß die fotoerzeugten Ladungsträger, gesammelt von den Ladungskollektormitteln, in steuerbarer Weise von den Ladungskollektormitteln zu den Ladungstransfervorrichtungsmitteln transportiert werden, und zwar für den Transport von den Ladungskollektormitteln zu den Ausgangsmitteln.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für mindestens eine Fortpflanzungsphase gespaltene (split) Elektroden sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem der Ladungskollektormittel mindestens zwei Ladungstransfervorrichtungsmittel verbunden sind, auf welche Ladung auf den Ladungskollektormitteln selektiv und steuerbar übertragen werden kann.
4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ladungstransfervorrichtungsmittel mit jedem der Ladungskollektormittel verbunden sind, und daß die erwähnten Ausgangsmittel das Signal von den zwei Ladungstransfervorrichtungsmitteln, mit denen gegebene Ladungskollektormittel verbunden sind, kombiniert und ein Ausgangssignal vorsieht, welches einen Wert besitzt, der repräsentativ ist für die Differenz in der Ladungsmenge, die an den Ausgangsmitteln in den zwei zugehörigen (verbundenen) Kanälen ankommt, und zwar von den gegebenen Ladungskollektormitteln.
5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungskollektormittel in einer rechteckigen Anordnung angeordnet sind, wodurch das abzufühlenden Bild in eine entsprechende Anordnung von Bildeleraenten aufgeteilt ist.

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6. 6. Ladungstransfervorrichtungsanordnung, gekennzeichnet uurch

   eine Vielzahl von Änordnungsladungstransfervorrichtungen, deren Kanäle in einer ersten Richtung parallel ausgerichtet sind, wobei die Kanäle durch erste Kanalstopmittel· getrennt sind, wobei die erwähnte Vielzahl erste Kanäle aufweist, die mindestens mit zweiten Kanälen ineinandergreifen, einen Multiphasensatz von Anordnungs-CTD-Ladungstransfersteuerelektroden, angeordnet zur Steuerung der Potentiale innerhalb der Kanäle der CTD-Ladungstransfervorrichtungen, wobei die Steuerelektroden von mindestens einer Phase des Satzes der Anordnungs-CTD-Ladungstransfersteuerelektroden mindestens zwei Untersätze von miteinander in Eingriff stehenden Eiektroden aufweist, wobei ein erster Untersatz der Eiektroden das Potential· innerhaib der Teiie der ersten Kanäl·e darunter steuert und ein zweiter Untersatz der Eiektroden das Potential· innerhalb der Teiie der zweiten Kanäle darunter steuert,

   mindestens erste und zweite Ausgangsiadungstransfervorrichtungen, deren Kanäle im wesentlichen para^el· zu einer zweiten Richtung ausgerichtet sind, die im wesentiichen senkrecht zur ersten Richtung veriäuft,

   wobei die erste Ausgangs-CTD zur Ladungsaufnahme von den ersten CTD's der Anordnung dient,

   und wobei schiießüch die zweite Ausgangs-CTD zur Annahme von Ladung von den zweiten CTD's der Anordnung dient.
7. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, mit Anordnungs-CTD-zu-Ausgangs-CTD-Transfersteuermitteln, gekennzeichnet durch erste Transfergatemittel ausgerichtet para^el· zur zweiten Richtung und angei rdnet. zwischen den Anordnungs-CTD's und den Ausgangs -CTD's, wobei die ersten Transfergatemittel· in der Lage sind, die Anordnungs-CTD's von den Ausgangs-CTD¹s zu isolieren oder die Ladungsübertragung zwischen den Anordnungs-CTD's zu den Ausgangs-CTD¹s zu ermöyiichen, und zwar entsprechend den an die ersten Transfergatemittel angelegten Spannungen, wobei der Kanal· des ersten Ausgangs-CTD's dort positioniert ist, wo er in Ladungsverbindung mit den

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   Anordnungs-CTD's steht, wenn die ersten Transfergatemittel den Ladungstransfer zwischen den Anordnungs-CTD's und dem ersten Ausgangs-CTD ermöglichen, und wobei der Kanal der zweiten Ausgangs-CTD's mit Abstand angeordnet ist gegenüber dem Kanal des ersten Ausgangs-CTD durch zweite Kanalstopmittel, welch letztere folgendes aufweisen: feste Kanalstopmittel, welche die ersten und zweiten Ausgangs-CTD 's in Ausrichtung mit den ersten CTD's der Anordnung isolieren, zweite Transfergatemittel angeordnet zur .Steuerung des Potentials in den Zonen zwischen den ersten und zweiten Ausgangs-CTD¹s, wo sie nicht isoliert sind durch die festen Kanalstopmittel, und wobei die zweiten Transfergatemittel in der Lage sind, die ersten und zweiten Ausgangskanäle voneinander zu isolieren, und zwar beim Anlegen einer ersten Spannung daran, und wobei die Ladungsverbindung zwischen den ersten und zweiten Ausgangskanälen in Zonen ermöglicht wird, die nicht in Ausrichtung sich befinden mit den ersten CTD's der Anordnung, und zwar beim Anlegen einer zweiten Spannung daran,

   wobei dritte Kanalstopmittel den zweiten Ausgangs-CTD-Kanal auf der Seite derselben begrenzen, die von den zweiten Kanalstopmitteln weg gelegen ist,

   und wobei schließlich die Ausgangs-CTD-Transfersteuerelektroden über den Ausgangs-CTD-Kanälen angeordnet sind, um die Potentiale innerhalb der Kanäle der Ausgangsladungstransfervorrichtungen zu steuern, wobei die Ausgangs-CTD-Transfersteuerelektroden folgendes aufweisen:

   über dem ersten Ausgangs-CTD-Kanal erste Phasenelektroden in Ausrichtung mit den ersten Anordnungs-CTD¹s, dritte Phasenelektroden in Ausrichtung mit den zweiten Anordnungs-CTD¹ s, zweite Phasenelektroden zwischen den ersten und dritten Phasenelektroden und vierte Phasenelektroden zwischen den dritten Phasenelektroden und den ersten Phasenelektroden der nächsten Periode der Ausgangs-CTD-Transfersteuerelektroden, und über dem zweiten Ausgangskanal erste Phasenelektro-

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   den in Ausrichtung mit Gebieten des darunterliegenden Kanals, die in Ladungsverbindung stehen mit den Teilen des ersten Ausgangskanals unter den dritten Phasenelektroden der Ausgangs-CTD-Transfersteuerelektroden, und zwar beim Anlegen der zweiten Spannung an die zweiten Transfergatemittel.

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