DE3120458A1

DE3120458A1 - Festkoerper-bildsensoranordnung

Info

Publication number: DE3120458A1
Application number: DE19813120458
Authority: DE
Inventors: Kenju Ootsu Shiga Horii; Sumio Ibaraki Osaka Terakawa
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-05-22
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1982-02-04
Also published as: JPS56164681A; DE3120458C2; US4450484A

Description

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Anwaltsakte: 31 623

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildsensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine der wichtigsten Forderungen bei Fe-stkörper-Bildsensoren ist ein hohes Auflösungsvermögen, damit die Anzahl Bildelemente vorzugsweise soweit wie möglich erhöht werden kann. Infolgedessen werden im allgemeinen MOS-LSI-Verfahren angewendet, da auf verhältnismäßig einfache Weise ein höherer Integrationsgrad erhalten werden kann und, eine Bildeinheit, ein Schieberegister und eine Einrichtung zum Verbinden der beiden Einheiten in einem einheitlichen Aufbau ausgebildet werden, kann. Im allgemeinen können die Festkörper-Bildsensoren in MOS-(Metalloxidhalbleiter-) und in CCD-(ladungsgekoppelte)Sensoren aufgeteilt werden. Jedoch kann in der Praxis mit keiner dieser Ausführungsformen ein zufriedenstellend hoher Auflösungsgrad und ein befriedigender Störabstand erhalten werden.

Um die vorerwähnten und andere Schwierigkeiten bei den herkömmlichen MOS- und CCD-Festkörper-Bildsensoren zu überwinden, haben, wie nachstehend im einzelnen ausgeführt wird, die Erfinder ( der vorliegenden Anmeldung) in der deutschen Patentan-

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meldung P 30 39 264.4 einen Festkörper-Bildsensor mit einer Anzahl photoelektrischer Wandlerelemente, die in einer (m χ η) Matrix angeordnet sind, mit einer Ladungstransfereinrichtung_/ die eine Lichtsignalladungs-Transferanordnung mit einem vertikalen MOS-Schieberegister und Schaltelementen, um gleichzeitig die in einer Spalte aus photoelektrischen Wandlerelementen gespeicherte Lichtsignalladung an eine vertikale übertragungsleitung zu übertragen, mit Transfergliedern, um die Lichtsignalladung auf der vertikalen übertragungsleitung an ein horizontales Schieberegister zu übertragen ,und mitSpeicherkondensatorelemente aufweist, und mit einer Signalabgabestufe vorgeschlagen, um eine Lichtsignalladung zu erhalten, welche horizontal über das horizontale Schieberegister übertragen worden ist, welches ein horizontales CCD-Schieberegister aufweist.

Bei dem Festkörper-Bildsensor mit dem vorbeschriebenen Aufbau können ein hohes Auflösungsvermögen und ein hoher Störabstand erhalten werden, was bisher bei herkömmlichen Festkörper-Bildsensoren nicht erreichbar war; jedoch ist auch bei diesem Festkörper-Bildsensor noch viel zu verbessern, nämlich die Beständigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit gegen überstrahlen (blooming) oder die Fähigkeit^ein überstrahlen zu vermeiden. Zu einem sogenannten Überstrahlen kommt es, wenn die durch das einfallende Licht erzeugte Ladung die maximale LadungsSpeicherkapazität eines photoelektrischen Wandlerelementes überschreitet. Wie in der vorerwähnten deutschen Patentanmeldung P 30 39 264.4 beschrieben,erreicht, selbst wenn die Beständigkeit

gegen überstrahlen (oder die entsprechende Anti-Überstrahlcharakteristik) verbessert ist, wenn der Lichtpunkt (etwa 10% der vertikalen Richtung der ganzen Fläche der Bildelemente) auffällt, die sogenannte überstrahlungsladung das Zehnfache dessen, was erzeugt wird, wenn die Lichtmenge gesättigt ist. Um somit einen Festkörper-Bildsensor zu schaffen, welcher auch in der Praxis zufriedenstellt, muß daher die Beständigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit gegen ein überstrahlen (oder die sogenannte Anti-Überstrahlcharakteristik) weiter verbessert werden.

Um ein überstrahlen bei den herkömmlichen MOS- oder CCD-Festkörper-Bildsensoren zu vermeiden, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden; jedoch ist noch kein Verfahren vorgeschlagen worden, mit welchem das sogenannte überstrahlen grundsätzlich oder vollständig vermieden werden kann. Die Erfindung soll daher eine Festkörper-Bildsensoranordnung schaffen, welche ein hohes Auflösungsvermögen und einen hohen Störoder Rauschabstand aufweist und bei welcher das sogenannte überstrahlen sowie ein Verschmieren im wesentlichen vermieden werden kann. Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Festkörper-Sensoranordnung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Festkörper-Bildsensoranordnung eine Anzahl photoelektri-

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scher Wandlerelemente, die in einer (m χ η)-Matrix angeordnet sind, eine Lichtsignal-Ladungs-Transfereinrichtung mit einem vertikalen MOS-Schieberegister und Schaltelementen, wodurch die auf den photoelektrischen Wandlerelementen einer Spalte gespeicherte Lichtsignalladung gleichzeitig an eine entsprechende vertikale übertragungsleitung übertragen werden kann, eine weitere Ladungstransfereinrichtung mit Übertragungsgliedern und Speicherkondensatorelementen, wodurch die an die vertikale übertragungsleitung übertragene Lichtsignalladung in ein horizontales Schieberegister übertragen werden kann, und eine Signalabgabestufe auf, von welcher aus die Lichtsignalladung, welche über die horizontale Transfereinrichtung horizontal übertragen worden ist, gehalten werden kann, wobei das horizontale Schieberegister ein CCD-Schieberegister ist.

Durch die Erfindung kann nicht nur das sogenannte überstrahlen, sondern auch das Verschmieren vollständig beseitigt werden. Außerdem braucht eine Bildeinheit nicht mehr mit einer zusätzlichen Anordnung versehen zu werden, wie beispielsweise einer epitaktischen Anordnung, · p-leitenden Wänden ₍ Überlauf-Drainanschlüssen oder überlauf-Drainsteuergliedern. Im Vergleich zu den herkömmlichen Pestkörper-Bildsensoren sind nicht nur das Auflösungsvermögen und der Störabstand, sondern auch die sogenannten Anti-Überstrahl- und die Anti-Schmier-Eigenschaften erheblich verbessert. Folglich weist eine zweidimensionale Festkörper-Bildsensoranordnung gemäß der Erfindung ausgezeichnete Kenndaten auf, welche für eine auf einer

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Platte untergebrachte Festkörper-Farbbildsensoranordnung benötigt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Darstellung zur Erläuterung des einem

zweidimensionalen MOS-Festkörper-Bildsensor zugrundeliegenden Prinzips;

Fig.2 eine Darstellung zur Erläuterung des einem

zwei'dimensionalen CCD-Bildtransfer-Festkörperbildsensor zugrundeliegenden Prinzips;

Fig.3A eine Schaltung eines in der deutschen Pa

tentanmeldung P 30 39 264.4 beschriebenen Festkörper-Bildsensors;

Fig.3B ein Zeitdiagramm von Ansteuerimpulsen zur

Erläuterung deren Arbeitsweise;

Fig.4A eine Schaltung einer bevorzugten Ausfüh

rungsform der Erfindung, und

Fig.4B ein Zeitdiagramm von Ansteuerimpulsen zur

Erläuterung der Arbeitsweise der bevorzug-

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ten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Anhand von Fig.! wird der Grundgedanke eines MOS-Festkörper-Bildsensors beschrieben. Ein MOS-Schieberegister 1 zum horizontalen Abtasten und ein MOS-Schieberegister 2 zum vertikalen Abtasten werden im allgemeinen durch zwei Phasentaktimpulse angesteuert. Entsprechend den Taktimpulsen wird ein Startimpuls, welcher an eine erste Stufe angelegt wird, um eine vorbestimmte Zeit verschoben, um so die Schiebeimpulse zu erhalten, welche wiederum abgegeben werden, um Impulseingabeleitungen 3-1, 3-2, .... und 3-η sowie 4-1, 4-2, ... und 4-m abzutasten. Entsprechend d*iesen Impulsfolgen werden dann horizonale MOS-Schalter 5 und vertikale MOS-Schalter 6 nacheinander geschlossen und geöffnet, so daß die Signale von Photodioden 7 durch Verwenden der Diffusionsschichten an den Quellen- oder Sourceelektroden der vertikalen MOS-Schalter 6 und über vertikale Übertragungsleitungen 8-1, 8-2, ... und 8-n an einer Video-Ausgangs leitung 9 erhalten werden. Das Signal auf der Video-Ausgangsleitung 9 ist der Strom, der von einer Energiequelle 11 zum Wiederladen der Dioden erhalten worden ist, welche durch den Lichteinfall während einer Bildperiode entladen worden sind. Das Signal wird dann über einen Abschlußwiderstand 10 gelesen.

In Fig.2 ist eine übliche Ausführungsform der CCD-Festkörper-Bildsensoren, d.h. eines Bildtransfer-Festkörper-Bildsensors dargestellt. Ein photoelektrischer Wandler oder eine Umsetz-

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einheit 20 zum Speichern der Lichtsignalladung weist im allgemeinen ein ladungsgekoppeltes Element mit Oberflächenkanal auf. Die Lichtsignalladung, die von dem photoelektrischen Wandler oder der Umsetzeinheit 20 erhalten worden ist, wird während einer vertikalen Rücklaufzeit unmittelbar an eine Lichtsignalladung -Speichereinheit 21 übertragen, wobei die Einheit 21 bei der Einheit 20 angeordnet ist. Die Lichtsignalladung-Speichereinheit 21 weist im allgemeinen ein ladungsgekoppeltes Element mit Oberflächenkanal auf. Während einer horizontalen Rücklaufzeit wird die Bildsignalladung von der Einheit 21 bei entsprechenden Transfertaktimpulsen an ein horizontales Schieberegister 22, das ladungsgekoppelte Elemente mit vergrabenen, tiefer liegenden Kanälen aufweist, und an eine Signalabgabeeinheit 23 übertragen.

In dem vorstehend beschriebenen MOS-Festkörper-Bildsensor weist jedes Element in einer Spalte m und in einer Zeile η einen p-n-Ubergang auf, so daß die Signaltrennung zwischen benachbarten Bildelementen besser ist. Wegen der Gatekapazität der horizontalen MOS-Transistoren und der floatenden Kapazität zwischen der Gate- und der Drainelektrode haben die horizontalen Abtastimpulse, die durch das horizontale MOS-Schieberegister 1 erzeugt werden, nadeiförmige Rauschspitzen auf der Videoausgangsleitung zur Folge. Änderungen in diesen Rauschspitzen sind die Hauptursache für die sogenannten periodischen Störungen, durch welche der Störabstand des Videosignals stark gemindert wird und welche den größten Nachteil des MOS-Fest-

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- 11 körper-Bildsensors darstellen.

Inzwischen weist das horizontale Abtastschieberegister in dem CCD-Bildtransfer-Festkörper-Bildsensor ladungsgekoppelte Elemente mit vergrabenen Kanälen auf, so daß die fest vorgegebenen periodischen Störungen äußerst gering sind und folglich der Störabstand besser ist. Wegen der grundsätzlichen Arbeitsweise bei der Bildübertragung der Signallädung von der photoelektrischen Umsetzeinheit an die Lichtsignalladungs-Speichereinheit und bei der anschließenden übertragung der Signalladung an das horizontale Schieberegister müssen mehr als m Übertragungsschritte durchgeführt werden, so daß Ubertragungsverluste unvermeidlich sind. Außerdem ändert sich der Abfall de.r Signalladung während der übertragung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Abstand von dem horizontalen Abtastschieberegister. Daher kann mit keinem dieser Systeme in zufriedenstellender Weise ein hohes Auflösungsvermögen und ein hoher Störabstand erhalten werden.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, haben die Erfinder in der deutschen Patentanmeldung P 30 39 264.4 einen Pestkörper-Bildsensor beschrieben, welcher eine Anzahl photoelektrischer Wandlerelemente_;die in einer (m χ η) Matrix angeordnet sind, eine Ladungstransfereinrichtung mit einer Bildsignalladungs-Transferanordnung, die ein vertikales MOS-Schieberegister und Schaltelemente zum übertragen der in einer Spalte aus photoelektrischen Wandlerelementen gespeicherten Bildsignalladung

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an eine vertikale übertragungsleitung, Transferglieder zum übertragen der Bildsignalladung auf der vertikalen Übertragungsleitung an ein horizontales Schieberegister, und Speicherkondensatorelemente aufweist, und eine Signalabgabestufe aufweist, um die Lichtsignalladung zu erhalten, welche über das horizontale Schieberegister, welches ein horizontales CCD-Schieberegister aufweist, horizontal übertragen worden ist.

In Fig.3 ist ein Beispiel der in der deutschen Patentanmeldung P 30 39 264.4 beschriebenen Ausführungsformen dargestellt. Bildelemente, die jeweils eine Photodiode 31 und einen damit . verbundenen vertikalen MOS-Schalter 32 aufweisen, sind in einer (m χ η)- Matrixanordnung angeordnet, welche in Fig.3A der Einfachheit halber als eine (4 χ 4)-Matrixanordnung dargestellt ist. Die Steuer- oder Gateelektroden der vertikalen MOS-Schalter 32 in jeder Spalte sind jeweils mit einer vertikalen Abtastimpuls-Eingabeleitung 33 verbunden, welche wiederum mit einem vertikalen MOS-Schieberegister 34 verbunden sind. Die Senken- oder Drainelektroden der vertikalen MOS-Schalter 32 jeder Zeile sind jeweils mit einer vertikalen übertragungsleitung 35 verbunden, welche wiederum mit der Quellen- oder Sourceelektrode eines MOS-Transfertransistors 36 verbunden ist, welcher ein erstes Transfergate aufweist. Die Gateelektroden der MOS-Transfertransistoren 36 sind jeweils mit einer ersten Eingabesteuerleitung 37 verbunden. Eine der Elektroden der Speicherkondensatorelemente 39 sind jeweils mit einer Speicher-Eingangssteuerleitung 38 verbunden, während die anderen Elek-

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troden jeweils mit den Drainelektroden der MOS-Transfertransistoren verbunden sind, wodurch eine Speichereinheit N geschaffen istο Zweite Transfer-Steuer- oder Gateelektroden 310 sind jeweils mit einer zweiten Eingangssteuerleitung 311 verbunden. Ein horizontales CCD-Schieberegister 312 mit vergrabenem, tiefer . liegendem Kanal (das der Kürze halber nachstehend nur noch als das "horizontale Schieberegister" bezeichnete wird) ist bei den zweiten Transfer-Steuerelektroden 310 angeordnet und mit einer Signalabgabestufe 313 verbunden. In der folgenden Beschreibung ist angenommen, daß alle MOS-Schalter solche des N-Kanal-Enhancement-Typs sind; jedoch ist die Arbeitsweise die gleiche oder zumindest ähnlich, selbst wenn andere Arten von MOS-Schaltern verwendet werden.

Die Arbeitsweise des Festkörper-Bildsensors mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist im einzelnen in der deutschen Patentanmeldung P 30 39 264.4 beschrieben, auf welche hiermit Bezug genommen wird, so daß hier eine weitere Beschreibung unterbleiben kann. Wie in Fig.3B dargestellt, werden automatisch vorgespannte Ladungstransferimpulse, welche vom Zeitpunkt t- bis tg auftreten, als AnSteuerimpulse verwendet.

Der Festkörper-Bildsensor der vorbeschriebenen Ausführungsform besitzt ein hohes Auflösungsvermögen und einen hohen Störabstand , der bisher bei herkömmlichen Bildsensoren nicht erreicht worden ist. Wenn Licht auffällt, welches eine Ladung erzeugt, die über die maximale Speicherkapazität des

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photoelektrischen Wandlerelements hinausgeht, kommt es zu dem sogenannten Überstrahlen. Eine Unterdrückung des überstrahlens ist anhand von einigen Ausführungsformen in der bereits mehrfach angeführten deutschen Patentanmeldung P 30 39 264.4 beschrieben. Wenn ein Lichtpunkt oder - fleck (etwa 10% der vertikalen Richtung der Gesamtfläche der Bildelemente) auffällt, ist das überstrahlen das Zehnfache der Sättigungs-Lichtmenge. Folglich muß der vorbeschriebene Festkörper-Bildsensor weiter verbessert werden, damit das überstrahlen in befriedigender Weise unterdrückt werden kann, selbst wenn Licht mit einer höheren Intensität auf die Bildelemente fällt.

Um das sogenannte überstrahlen in den MOS- oder CCD-Festkörper-Bildsensoren zu unterdrücken, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist ein Verfahren mit Überlauf-Drain- oder Senkenanschlüssen und mit Überlauf-Senken-Steuergates in einer Bildeinheit vorgeschlagen worden, wobei jedoch die Integrationsdichte begrenzt ist. Außerdem ist die Fläche eines Lichtsensors geopfert, so daß die Empfindlichkeit schlechter ist. Ferner ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei welchem eine Bildeinheit einen epitaktischen Aufbau aufweist, so daß die Ladung, die das sogenannte überstrahlen zur Folge hat, an ein Substrat übertragen werden kann. Jedoch liegt die Anti-Überstrahlcharakteristik in der Größenordnung des Zehnfachen der Sättigungslichtmenge, was in der Praxis nicht zufriedenstellend ist. Somit ist für einen MOS- oder CCD-Festkörper-Bildsensor bis jetzt noch keine grund-

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sätzliche Lösung bezüglich des Uberstrahlens vorgeschlagen worden .

Die Erfindung schafft einen Festkörper-Bildsensor, welcher eine höhere Anti-Überstrahlcharakteristik, als sie bisher erhalten werden konnte, ein hohes Auflösungsvermögen, einen hohen Störabstand sowie eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

In Fig„4A ist eine Schaltung einer zweidimensionalen Festkörper-Bildsensoranordnung gemäß der Erfindung beschrieben, in welcher eine Anzahl Bildelemente, die jeweils eine Photodiode 31 und einen damit verbundenen vertikalen HOS-Schalter 32 aufweisen, in einer (m χ η)-Matrixanordnung angeordnet sind; hierbei ist in Fig.4A der Einfachheit halber eine (4 χ 4)-Matrixanordnung dargestellt. Die Gate- oder Steuerelektroden der vertikalen MOS-Schalter 32 in jeder Spalte sind jeweils mit einer vertikalen Abtastimpuls-Eingabeleitung 33 verbunden, welche wiederum mit einem vertikalen MOS-Schieberegister 34 verbunden sind. Die Drain- oder Senkenelektroden der vertikalen MOS-Schaltef 32 in jeder Zeile sind jeweils mit einer vertikalen Übertragungsleitung 35 verbunden, welche jeweils mit der Quellen- oder Sourceelektrode eines MOS-Transfertransistors 36 verbunden ist , welcher ein erstes Transfergate bildet. Eine der Elektroden von Speicherkondensatoren 39 sind jeweils mit einer Speichersteuer-Eingabeleitung 38 verbunden, während die anderen Elektroden mit den Senken- oder Drainelektroden der MOS-Transfertransistoren 36 verbunden sind, wodurch eine Spei-

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chereinheit N geschaffen ist. Zweite Transfer-Steuer- oder Gateelektroden 310 sind nahe bei den Kondensatoren 39 angeordnet und gemeinsam mit einer zweiten Steuereingabeleitung 311 verbunden. Die einenElektroden von Anschlußkondensatoren (315), welche MOS-Kondensatoren sind, sind gemeinsam mit einer MOS-Kondensator-Eingabeleitung 314 verbunden, während deren andere Elektroden mit den Senken- oder Drainelektroden der Transistoren verbunden sind, wodurch eine Anschlußeinheit S geschaffen ist. Die Quellen- oder Sourceelektroden eines dritten Transfergates oder Übertragungsgliedes 316 und eines vierten Transfergates oder Übertragungsgliedes 317 sind mit der Anschlußeinheit S verbunden. Die Steuer- oder Gateelektroden des dritten Übertragungsgliedes 316 sind mit einer dritten Eingabeleitung 31.8 verbunden. Die Senken- oder Drainelektroden des dritten Übertragungsgliedes 316 sind mit einer Durchlaufleitung 319 verbunden. Ein horizontales CCD-Schieberegister 312 mit vergrabenem, tiefer verlegtem Kanal (das der Kürze halber nachstehend nur noch als "horizontales Schieberegister" bezeichnet wird) ist bei den vierten Übertragungsgliedern 317 angeordnet und mit einer Signalabgabestufe 313 verbunden. Die Steueroder Gateelektroden der vierten Übertragungsglieder 317 sind mit einer vierten Steuereingabeleitung 320 verbunden. Die Enden der vertikalen übertragungsleitung 35, die den Enden gegenüberliegen, die mit den ersten Übertragungsgliedern 36 verbunden sind, sind mit den Source- oder Quellenelektroden von fünften Transfergates oder Übertragungsgliedern 321 verbunden. Die Senken- oder Drainelektroden der Transferglieder 321 sind

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mit einer Überlauf-Senkenleitung 322 und die Steuer- oder Gateelektroden sind mit einer fünften Steuereingabeleitung 323 verbunden .

Als nächstes wird die Arbeitsweise beschrieben. Hierbei soll
das auftreffende Licht so stark sein, daß es zu einem sogenannten überstrahlen (blooming) kommt. Die Überstrahlladung, die
von den Photodioden 31 übergelaufen ist, fließt über die Kanäle unter den Steuerelektroden der vertikalen MOS-Schalter 32
auf die vertikale übertragungsleitung 35. Während einer horizontalen Abtastung wird eine entsprechende Spannung an die
Übertragungsglied-Eingabeleitung 323 angelegt, so daß die fünften Übertragungslieder 321 angeschaltet werden und folglich
beinahe, die gesamte Überstrahlladung auf den vertikalen Übertragungsleitungen 35 über die Überlauf-Senkenleitung 322 entladen wird. Danach werden die Transfergates bzw. übertragungsglieder 321 abgeschaltet. Bei der nächsten Horizontalabtastung werden automatisch vorgespannte Ladungstransferimpulse an die
Impulseingabeleitungen 37, 38 und 311 angelegt, so daß die gesamte verbliebene Überstrahlladung über die Speichereinheiten N an die Anschlußeinheiten S entladen wird. Danach wird die
Überstrahlladung, die an die Anschlußeinheiten S übertragen
worden ist, über die übertragungsglieder 316 an die Durchlaufsenkenleitung 319 abgegeben bzw. entladen. In diesem Fall wird das Kanalpotential unter den Übertragungsgliedern 317 niedriger gehalten als das Kanalpotential unter den Übertragungsgliedern 316, so daß keine Überstrahlladung in das horizontale

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Schieberegister 312 fließt. Wenn diese Schritte durchgeführt sind,ist keine Überstrahlladung auf den vertikalen Übertragungsleitungen 35 vorhanden. Als nächstes werden die vertikalen Abtastimpulse an die vertikalen MOS-Schalter 32 angelegt, so daß die auf den Photodioden 31 gespeicherte Signalladung an die vertikale übertragungsleitung 35 übertragen wird. Die Signalladung auf der vertikalen übertragungsleitung 35 wird über die Speichereinheit N aufgrund der automatisch vorgespannten Ladungsübertragung an die Anschlußeinheiten S und über das Übertragungsglied 317 gleichzeitig an das horizontale Schieberegister 312 übertragen. Das Kanalpotential unter dem Verbindungsglied 317 ist höher gehalten als das Kanalpotential unter dem Übertragungsglied 316, so daß keine Signalleitung in die Dur.chlauf Senkenleitung 319 fließt. Die Signalladung, die an das horizontale Schieberegister 312 übertragen worden ist, wird an die Signalabgabestufe 313 übertragen und entsprechend den jeweiligen Transfertaktimpulsen gelesen. Nachdem die Signalladung an die Anschlußeinheit S übertragen worden ist, wird das Übertragungsglied 321 angeschaltet, so daß die Überstrahlladung, die von den Dioden während der nächsten Horizontalabtastung überfließt, an die ÜberlaufSenkenleitung 311 abgegeben und entladen wird. Die gleichen Schritte wiederholen sich bei der folgenden Horizontalabtastung.

In Fig.4B ist ein Zeitdiagramm von Ansteuerimpulsen dargestellt, entsprechend welchen die vorbeschriebenen Schritte durchgeführt werden. Potentiale^ ₂ .j, V₃₇ und V₃₈ zeigen die Wellenformen der

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Impulsspannungen an, die an die Impulseingabeleitungen 321, bzw. 38 angelegt sind. Ein Potential V„ zeigt den vertikalen Abtastimpuls an, welcher an das vertikale Schieberegister 34 angelegt wird. Mit V_T ist das Potential und mit C_ ist die Ka-

Jb Ju

pazität der vertikalen übertragungsleitung 35 bezeichnet, wenn letztere niedrig ist. Die Ladung Q₀, die von der Photodiode überläuft, welche einem überstrahlen ausgesetzt ist, fließt auf die vertikale übertragungsleitung 35. Bei einer Horizontalabtastung werden die Verbindungsglieder 321 angeschaltet, so daß die überstrahlladung über die überlaufsenkenleitung beispielsweise bei Sättigungsbetrieb abgegeben bzw. entladen wird. Eine an die übertragungsglieder 321 anzulegende Spannung ist so gewählt, daß das Kanalpotential VA₂-] unter den Übertragungsgliedern 321 der folgenden Beziehung genügt:

^V321 = ^V321 -^VLi < ^VL ■

T
wobei V₃₂,.die Schwellenwertspannung der übertragungsglieder 321 ist. Als Ergebnis wird dann die Überstrahlladung Q_ß auf den vertikalen Übertragungsleitungen 35 annähernd an die Überlaufsenkenleitung 322 übertragen, so daß die Überstrahlladung Q_B ", die noch auf den vertikalen Übertragungsleitungen 35 verblieben ist,in die Größenordnung von C_T (V_T - Vl-,-J kommt.

Jj Jj oi I

Wenn daher der Wert (V - ^V321^ ^{so m}iⁿ*^mal wie möglich gemacht

wird, kann die verbliebene Überstrahlladung Q_^r beinahe gleich derSpeicherkapazität einer Photodiode 31 gemacht werden. Zum Zeitpunkt t-j bei dem nächsten horizontalen Rücklauf wird die Impulsspannung wieder V₃₂₁. Unter diesen Bedingungen bleibt

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dann die Überstrahlladung Q* auf den vertikalen Übertragungs-

JtJ

leitungen 35. Als nächstes werden dann von den Zeitpunkten t₂ bis t_ die automatisch vorgespannten Ladungstransferimpulse dazu benutzt, .die überstrahlladung Q_,^r, die auf den MOS-Kondensatoren 315 verblieben ist/ über die Speichereinheiten N mit einem hohen Wirkungsgrad zu übertragen. Zum Zeitpunkt t„ wird die Impulsspannung V-₁₈ an die Übertragungsglied-Eingabeleitung 318 angelegt, so daß die Ladung Q„ an die Durchlauf-

Jd

senkenleitung 319 übertragen wird. Unter diesen Voraussetzungen bleibt dann keine Überstrahlladung auf den vertikalen Übertragungsleitungen 35 zurück.

Danach wird zum Zeitpunkt t_1Q der vertikale Abtastimpuls V durch das vertikale Schieberegister 34 erzeugt und an die vertikalen MOS-Schalter 32 angelegt. Da die Kapazität C_T der ver-

JU

tikalen übertragungsleitung 35 bei weitem größer ist als die Kapazität C_pD der Photodiode 31, wird die in der Photodiode 31 gespeicherte Signalladung an die vertikale übertragungsleitung 35 übertragen. Von den Zeitpunkten t' bis ti werden die automatisch vorgespannten Ladungstransferimpulse verwendet, um die Signalladung auf der vertikalen übertragungsleitung 35 mit einem höheren Wirkungsgrad an den MOS-Anschlußkondensator 315 zu übertragen. Als nächstes wird zum Zeitpunkt ti die Impuls-

spannung an die Übertragungsglied-Eingabeleitung 320 angelegt, so daß die Signalladung in das horizontale Schieberegister 312 übertragen wird. Vor der nächsten Horizontalabtastung wird die Impulsspannung zum Zeitpunkt t'_Q wieder an die übertragungs-

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glieder 321 angelegt, so daß die überStrahlladung, die auf die vertikalen Übertragungsleitungen 35 läuft, an die überlaufsenkenleitung 322 bei der folgenden Horizontalabtastung abgegeben bwz. entladen werden kann. Während der Horizontalabtastung wird entsprechend den jeweiligen Transfertaktimpulsen die Signalladung an die Signalabgabestufe 313 übertragen und an dieser gelesen. Die vorbeschriebenen Schritte werden bei dem nächsten horizontalen Rücklauf, der auf die Horizontalabtastung folgt, wiederholt„

Selbst wenn wegen der vorbeschriebenen Arbeitsweise die Anschluß-MOS-Kondensatoren 315 entfernt werden, wird die Arbeitsweise überhaupt nicht nachteilig beeinflußt; wenn sie aber nicht vorgesehen wären, würden die übertragungsglieder oder Transfergates 310 sehr wahrscheinlich durch die übertra-. gungsglieder oder Transfergates 317 moduliert, so daß ein Rauschen erzeugt würde. Ferner hat das Vorsehen der fiOS-Anschlußkondensatoren 315 den Vorteil, daß die Breite und Länge der Gate- oder Steuerelektroden der Verbindungsglieder 316 und 317 vergrößert werden kann.

Gemäß der Erfindung kann somit die Überstrahlladung, die von den Photodioden auf die vertikale Übertragungsleitungen überlauf t^ vor dem Lesen der richtigen Signalladung beseitigt werden, so daß es zu keinem überstrahlen kommt. Außerdem kann im Vergleich zu den herkömmlichen Ausführungen, bei welchen die Überlaufsenkenstruktur in der Bildeixiheit, der epitaktische Aufbau,

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oder p-leitende Wandungen in der Bildeinheit vorgesehen sind, damit die Überstrahlladung an das Substrat abgegeben und entladen wird/ die Integrationsdichte verbessert werden. Folglich kann gemäß der Erfindung die Größe eines Chips sehr kompakt bemessen werden, und die Bildelementdichte kann erhöht werden. Bisher werden die automatisch vorgespannten Ladungstransferimpulse einmal verwendet, um die überstrahl- oder die Signalladung zu übertragen; selbstverständlich können sie auch eine entsprechende Anzahl Mal während eines wirksamen horizontalen Rücklaufs verwendet werden, so daß der Übertragungswirkungsgrad verbessert werden kann.

Außer den in Fig.4B dargestellten Ansteuerimpulsen können auch verschiedene andere Impulse verwendet werden, wie nachstehend beschrieben wird. Die Übertragungsglieder 321 können als Schalter benutzt werden. In diesem Fall wird dann das Potential auf der ÜberlaufSenkenleitung 322 niedriger gehalten als das Potential V₁. bei dem horizontalen Rücklauf, und die übertra-

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gungslieder 322 werden als Schalter betrieben, so daß die Überstrahlladung auf den vertikalen Übertragungsleitungen 35 vollständig an die ÜberlaufSenkenleitung 322 abgegeben und entladen wird. Folglich verbleibt die Ladung, welche bei Schaltbetrieb von der ÜberlaufSenkenleitung 322 injiziert wird, auf den vertikalen Übertragungsleitungen. Danach wird entsprechend den vorgespannten Ladungstransferimpulsen, wie sie in Fig.4B dargestellt sind, die übertragene Ladung auf der Durchlaufsenkenleitung 319 ausgeräumt bzw. entfernt, und dann wird die

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Signalladung von Photodioden 31 an das horizontale Schieberegister 312 und dann an die Signalabgabestufe 313 übertragen, wo sie gelesen wird.

Nunmehr wird eine andere Form von Ansteuerimpulsen beschrieben. Die übertragungsglieder 321 werden während der Zeitabschnitte ausgeschaltet gehalten. Zuerst wird dann eine entsprechende Spannung während einer Horizontalabtastung an die Impulseingabeleitung 37, 38 und 311 angelegt, so daß die Überstrahlladung auf den vertikalen' Übertragungsleitungen 35 an die MOS-Anschlußkondensatoren 315 übertragen wird.und dann wird beinahe die gesamte Überstrahlladung über die Eingabeleitung 318 an die Durchlaufsenkenleitung 319 abgegeben und entladen. Während des nächsten horizontalen Rücklaufs wird entsprechend den Impulsen V₃₇, V₃₈ und V₃₁₁-, wie in Fig.4B dargestellt ist, die verbliebene Überstrahlladung bei dem automatisch vorgespannten Ladungsübertragungsbetrieb an die Durchlaufsenkenleitung abgegeben , und dann wird die Signalladung an das horizontale Schieberegister 312 übertragen und an der Ausgabestufe 313 gelesen. Die Impulsspannung V₃₁₁ kann während des gesamten horizontalen Rücklaufs eine Gleichspannung sein, oder die Impulsspannung V_^ kann nur während des horizontalen Rücklaufs eine Gleichspannung sein. Es können auch andere Asisteuerimpulse verwendet werden, solange das Ladungsübertragungsprinzip gemäß der Erfindung durchgeführt wird.

Gemäß der Erfindung kann somit das sogenannte überstrahlen

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in der Festkörper-Bildsensoranordnung vollständig beseitigt werden. Außer dem sogenannten überstrahlen kommt es in der Festkörper-Bildsensoranordnung zu der Erscheinung des sogenannten "Verschmierens". Zu dieser Erscheinung kommt es, da die Ladung, die durch Licht erzeugt wird, das in der Nähe der Drain- oder Senkenelektroden auffällt, welche mit den vertikalen Übertragungsleitungen verbunden sind, sich an den Senkenelektroden sammelt und sich mit der richtigen Lichtsignalladung vermischt,so daß der Störabstand verschlechtert wird. (Diese Ladung wird "Dunkelstromladung" oder "falsche Lichtsignalladung" bezeichnet). Gemäß der Erfindung kann die sogenannte falsche Lichtsignalleitung, welche ein Verschmieren zur Folge hat, auf eine Weise beseitigt werden, die im wesentlichen der Art und- Weise entspricht, die vorstehend in Verbindung mit der Beseitigung der Überstrahlladung beschrieben ist . Außerdem kann die Dunkelstromladung, die auf der vertikalen übertragungsleitung während der horizontalen Abtastung erzeugt worden ist, ebenfalls beseitigt werden. Folglich kann ein Videosignal sehr hoher Güte erhalten werden. Bei den herkömmlichen MOS- oder CCD-Festkörper-Bildsensoren ist es aufgrund des dort zugrundeliegenden Prinzips nicht möglich, die falsche Lichtsignalladung zu beseitigen.

Wenn ein Festkörper-Bildsensor eine große Anzahl von Bildelementen aufweist, werden die gerad- und die ungeradzahlig bezeichneten vertikalen Übertragungsleitungen so angeordnet, wie in Fig.4A dargestellt ist, so daß die übertragungsVerluste

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infolge des sehr schnellen Betriebs des horizontalen Schieberegisters vermieden werden können. Außerdem kann die Integrationsdichte weiter verbessert werden.

Ende der Beschreibung

Claims

Patentansprüche

hj. Festkörper-Bildsensoranordnung mit einer Anzahl photoelektrischer Wandlerelemente, die in einer Matrix angeordnet sind, mit einer ersten Ladungstransfereinrichtung zum übertragen der auf den photoelektrischen Wandlerelementen gespeicherten Lichtsignalladung an vertikale Übertragungsleitungen, mit einer zweiten La*- dungstransfereinrichtung zum übertragen der an die vertikalen übertragungsleitüngen übertragenen Ladung an eine horizontale übertragungseinrichtung, und mit einer Signalabgabestufe zum Ab-

VII/XX/Ha

■0(089)988272 988273 988274 983310

Telegramme: BERGSTAPFPATENT München TELEX; 0524560 BERG d

Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 70020011) Sttifl Code: HYPO DE MM Bayei Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

geben der durch die horizontale übertragungseinrichtung übertragenen Ladung, gekennzeichnet durch eine dritte Ladungstransfereinrichtung, die zwischen der zweiten Ladungstransfereinrichtung und der horizontalen Transfereinrichtung angeordnet ist, um außer einer vorbestimmten Lichtsignalladung die Ladung zu entfernen und die vorbestimmte Lichtsignalladung an die horizontale Übertragungseinrichtung zu übertragen .

2. Festkörper-Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die dritte Ladungstransfereinrichtung eine erste Übertragungsgliedanordnung, die mit der zweiten Ladungstransfereinrichtung verbunden ist, um außer der vorbestimmten Lichtsignalladung die Ladung abzugeben und zu entladen, eine mit der Übertragungsgliedanordnung verbundene Ausräumstufe und eine zweite Übertragungsgliedanordnung aufweist, um nur die vorbestimmte Lichtsignalladung an die horizontale Transfereinrichtung zu übertragen.

3. Festkörper-Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Ladungstransfereinrichtung Anschlußkondensatoren ,die mit der zweiten Ladungstransfereinrichtung verbunden sind, eine erste Übertragungsgliedanordnung, die mit der zweiten Ladungstransfereinrichtung verbunden ist, um außer der vorbestimmten Lichtsignalladung die Ladung abzugeben und zu entladen, eine mit der ersten Übertragungsgliedanordnung verbundene Ausräumstufe und

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eine zitfeite Übertragungsgliedanordnung aufweist, um nur die vorbestimmte Lichtsignalladung an die horizontale Transfereinrichtung zu übertragen.

4. Festkörper-Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Übertragungsleitungen eine vierte Ladungstransfereinrichtung aufweisen oder mit dieser verbunden sind, um außer der vorbestimmten Lichtsignalladung Ladung zu übertragen.

5. Festkörper-Bildsensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daßdie vierte Ladungstransfereinrichtung eine vierte Übertragungsgliedanordnung, um außer der vorbestimmten Lichtsignalladung die Ladung zu übertragen, und eine Ausräumstufe aufweist.

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