DE3226732C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildwandler.

Ein bekannter Bildwandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs wird im folgenden anhand von Fig. 1 beschrieben.

Der in Fig. 1 in einem Ausschnitt dargestellte herkömmliche Bildwandler mit ladungsgekoppeltem Speicher (CCD) für Zwischenzeilenübertragung (Interline Transfer) enthält in einem Abtast- und Vertikalübertragungsabschnitt auf gemeinsamem Halbleitersubstrat eine Anzahl lichtempfindlicher Zonen 1, einen vertikalen Übertragerabschnitt 2 für Ladungen, Gate-Abschnitte 3 und eine Überlaufelektrode 4. Unter Aussparung des ihr zugeordneten Gate-Abschnitts 3 ist jede lichtempfindliche Zone 1 durch eine an den Gate-Abschnitt angrenzende erste Kanalbegrenzung 5, zweite Kanalbegrenzung 6 und eine vertikal verlaufende dritte Kanalbegrenzung 7 zwecks Überlaufkontrolle zwischen dem Übertragerabschnitt 2, benachbarten lichtempfindlichen Zonen 1 bzw. der Überlaufelektrode 4 eingegrenzt. Die Kanalbegrenzungen 6 und 7 bilden gemeinsam je einen Abschnitt 8, und die von der Kanalbegrenzung 7 abgekehrte Seite der Überlaufelektrode 4 grenzt an eine vierte Kanalbegrenzung 9 an.

Auf dem vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 2 in vertikal verlaufender Folge angeordnete Übertragerelektroden-Paare bestehen je aus einer ersten Übertragerelektrode 10, welche horizontal die erste Kanalbegrenzung 5 und den anschließenden Teilbereich des Übertragerabschnitts 2 überdeckt, und einer zweiten Übertragerelektrode 11, die horizontal den Gate- Abschnitt 3 mit anschließendem Teilbereich von Abschnitt 2 überdeckt und gleichzeitig als Übertragungs-Gateelektrode ausgenutzt wird. Oberhalb der Kanalbegrenzung 6 und der sich horizontal anschließenden Teilbereiche überlappen sich die beiden Übertragerelektroden 10 und 11 gegenseitig; im Betrieb erhalten sie geeignete Ladungsübertragungs-Taktsignale.

Im Betrieb treten an den zuvor erläuterten Zonen, Abschnitten, Elektroden bzw. Kanalbegrenzungen 1, 2, 3, 5, 7 und 8 mit V₁, V₂, V₃, V₅, V₇ bzw. V₈ bezeichnete Potentiale auf, zwischen denen nachstehend erläuterte Beziehungen gelten.

Während einer Lichteinfallperiode, in deren Verlauf die lichtempfindliche Zone 1 ein dem aufgenommenen Licht entsprechendes Ladungssignal erzeugt und speichert, müssen folgende Ungleichungen erfüllt sein:

• A) V₁<V₇<V₃, damit überschüssige Ladung in die Überlaufelektrode 4 abfließt und der nicht erwünschte "Überstrahlungseffekt" vermieden wird;
• B) V₂<V₃, damit eine vertikale Ladungsübertragung in den Ladungsübertragerabschnitt 2 stattfinden kann;
• C) V₇<V₅ und V₇<V₈, um die lichtempfindlichen Zonen voneinander zu trennen.

Während einer Gate-Übertragungsperiode, in deren Verlauf das in der lichtempfindlichen Zone 1 gespeicherte Ladungssignal über den Gate-Abschnitt 3 zum vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 2 übertragen wird, müssen folgende Ungleichungen erfüllt sein:

• D) V₂<V₃<V₇, um ein Abfließen des Ladungssignals in die Überlaufelektrode 4 zu verhindern;
• E) V₃<V₅ und V₃<V₈, um die lichtempfindlichen Zonen voneinander zu trennen.

Wenn unter der Voraussetzung der gleichen Verunreinigungsdichte im Gate-Abschnitt 3 und im Abschnitt 8 in der Gateübertragungsperiode an die zweite Übertragerelektrode 11 eine Gateübertragungsspannung angelegt wird, dann fließt ein Teil des Ladungssignals über den Abschnitt 8 in die Überlaufelektrode 4 ab, weil V₃=V₈ und damit die Ungleichung E) nicht erfüllt wird. Deshalb wird in der Praxis der Gate-Abschnitt 3 mit einer anderen Verunreinigungsdichte als der Abschnitt 8 hergestellt, damit in der Gateübertragungsperiode das Potential V₃ von 3 betragsmäßig größer (tieferer Potentialtopf) als das Potential V₈ von 8 wird. Damit werden die Ungleichungen D) und E) erfüllt. Als Folge unterschiedlicher verwendeter Masken fallen die Grenzlinien a-b und c-d (Fig. 1) zwischen dem Ladungsübertragerabschnitt 2 und der ersten Kanalbegrenzung 5 nicht mit den Grenzlinien b-c (Fig. 1) zwischen dem Abschnitt 2 und dem Gate-Abschnitt 3 zusammen, so daß der vertikale Ladungsübertragerabschnitt 2 durch die Kanalbegrenzung 5 auf eine Breite w₁ und durch den Gate-Abschnitt 3 auf eine Breite w₂ eingeengt wird. Die beiden Breiten w₁ und w₂ sind in Fig. 1 gleich groß dargestellt, da sie sich nur wenig voneinander unterscheiden. Als Folge davon entsteht eine störende Potentialdifferenz zwischen einem durch die Linien a-a′-b′-b-a umschlossenen Bereich und einem durch die Linien b-b′-c-c′-b umschlossenen anderen Bereich des Übertragerabschnitts 2.

Selbst wenn es mittels hochpräziser Maskentechnik bei der Verunreinigungsdiffusion im Herstellprozeß dieses bekannten Bildwandlers gelänge, die Breite w₁=w₂ zu machen, dann würde wegen der Verunreinigungsdichte-Unterschiede zwischen dem Gate- Abschnitt 3 und der Kanalbegrenzung 5 immer noch eine unerwünschte Potentialdifferenz zwischen den im vorstehenden Textabsatz angegebenen Bereichen bestehen bleiben, die Ladungsübertragungseigenschaften des vertikalen Ladungsübertragerabschnitts 2 eingeschränkt und damit die Qualität des herkömmlichen Zwischenzeilen-CCD-Bildwandlers herabgesetzt werden.

Ein CCD-Bildwandler mit allen Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs mit Ausnahme des Merkmals c ist aus DE 29 30 402 A1 bekannt. Dieser Bildwandler ist so ausgebildet und wird so betrieben, daß überschüssige Ladungsträger in Oberflächen-Rekombinationszentren eingefangen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CCD-Bildwandler mit verbesserten Ladungsübertragungseigenschaften anzugeben.

Der erfindungsgemäße Bildwandler ist durch die Merkmale des Patentanspruchs gegeben. Er zeichnet sich durch gleiche Verunreinigungsdichte aller Kanalbegrenzungen und eine Abschirmung der oberen Übertragungselektrode durch die untere über den horizontalen Kanalbegrenzungen aus.

Dadurch, daß Kanalbegrenzungsabschnitte nicht mit unterschiedlichen Verunreinigungsdichten hergestellt werden müssen, hat der Ladungsübertragerabschnitt in seinem vertikalen Verlauf stets eine gleichmäßige Breite, weswegen während der Ladungsübertragung keine störenden Potentialunterschiede auftreten können. Die verbesserten Vertikalübertragungseigenschaften haben zur Folge, daß der erfindungsgemäße Bildwandler mit äußerst schmal bemessenen vertikalen Ladungsübertragungsabschnitten auskommt und miniaturisiert sowie als besonders lichtempfindlicher Typ hergestellt werden kann. Da auf vergleichbarer Fläche eine größere Anzahl lichtempfindlicher Zonen als bei herkömmlichen Bildwandlern untergebracht werden kann, wird als weiterer Vorteil höhere Bildauflösung erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Fig. 2 bis 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Ausschnitt-Darstellung eines zum Stand der Technik zählenden Zwischenzeilen-CCD-Bildwandlers;

Fig. 2 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandlers;

Fig. 3 eine vergrößerte Ausschnitt-Darstellung zum erfindungsgemäßen Bildwandler und

Fig. 4A und 4B graphische Darstellungen von zur Verwendung in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 geeigneten Übertragungs- Taktsignalen.

Der in Fig. 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Festkörper-Bildwandler für Zwischenzeilenübertragung umfaßt eine aus einer Vielzahl von in horizontalen Zeilen und vertikalen Reihen angeordneten lichtempfindlichen Zonen 21, je einen vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 22 neben jeder vertikalen Reihe sowie je einen Gate-Abschnitt 23 zwischen jeder lichtempfindlichen Zone 21 und dem zugeordneten Übertragerabschnitt 22 gebildetem Abtast- und Vertikalübertragungsabschnitt L, einen an diesem Abschnitt L angeschlossenen Horizontalübertragungsabschnitt M und einen mit dem Abschnitt M verbundenen Ausgangsabschnitt N. Während die Abschnitte M und N dem Stand der Technik ähnlich sind, zeichnet sich der erfindungsgemäße Abtast- und Vertikalübertragungsabschnitt L durch einen neuartigen Aufbau mit entsprechendem Betriebsverhalten aus.

In dem in Fig. 3 vergrößert dargestellten Ausschnitt aus dem Abschnitt L von Fig. 2 befinden sich (vergleichbar mit den eingangs erläuterten Abschnitten bzw. Elektroden 1, 2, 3 und 4 von Fig. 1) auf dem gemeinsamen Halbleitersubstrat die lichtempfindlichen Zonen 21 zwischen dem ihnen zugeordneten vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 22 und einer Überlaufelektrode 24. Die lichtempfindliche Zone 21 ist eingefaßt durch eine zwischen der Zone 21 und dem Abschnitt 22 befindliche und dort mit einem Flächenteil den Gate-Abschnitt 23 bildende erste Kanalbegrenzung 25, zwei jeweils zwischen zwei benachbarten Zonen 21 liegende zweite Kanalbegrenzungen 26 und eine zwischen der Zone 21 und der Überlaufelektrode 24 liegende und dabei als Überlaufkontrollgate wirkende dritte Kanalbegrenzung 27. Alle diese Kanalbegrenzungen 25, 26, 27 einschließlich Gate- Abschnitt 23 sind mit gleicher Verunreinigungsdichte hergestellt; folglich hat auch ein im Kreuzungsbereich der Kanalbegrenzungen 26 und 27 entstandener Abschnitt 28 dieselbe Verunreinigungsdichte wie der Gate-Abschnitt 23. Die von der dritten Kanalbegrenzung 27 abgekehrte Seite der Überlaufelektrode 24 grenzt an eine vierte Kanalbegrenzung 29 an.

Vertikalübertragungselektroden für die Ladungsübertragung in dem Übertragerabschnitt 22 in Vertikalrichtung bestehen aus einer die erste Kanalbegrenzung 25 und den benachbarten Bereich des Übertragerabschnitts 22 überdeckenden ersten Übertragerelektrode 30 und einer den Gate-Abschnitt 23 sowie den benachbarten Bereich des Übertragerabschnitts 22 überdeckenden und gleichzeitig als Übertrager-Gateelektrode wirkenden zweiten Übertragerelektrode 31. Die beiden Elektroden 30 und 31 überlappen sich gegenseitig über der zweiten Kanalbegrenzung 26 und den horizontal angrenzenden Bereichen. Als besonderes Merkmal hat die unter der zweiten Übertragerelektrode 31 angeordnete erste Übertragerelektrode 30 über der zweiten Kanalbegrenzung 26 eine größere Breite als die darüberliegende Elektrode 31, so daß auf diese Weise die zweite Übertragerelektrode 31 durch die Elektrode 30 vollständig gegenüber der Kanalbegrenzung 26 und dem Abschnitt 28 abgeschirmt ist. Zahlreiche erste und zweite Übertragerelektroden 30 und 31 befinden sich in wechselnder Folge in senkrechter Richtung auf dem vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 22 und werden mit geeigneten Übertragungstaktsignalen gespeist. Eine auf der dritten Kanalbegrenzung 27 angeordnete Überlauf-Gateelektrode erhält eine passende Vorspannung.

Im Betrieb treten (ähnlich wie bei dem in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten herkömmlichen Zwischenzeilen-Bildwandler) an den erläuterten Zonen, Abschnitten, Elektroden bzw. Kanalbegrenzungen 21, 22, 23, 25, 27 und 28 mit V₂₁, V₂₂, V₂₃, V₂₅, V₂₇ bzw. V₂₈ bezeichnete Potentiale auf, zwischen denen die nachstehend aufgeführten Beziehungen bestehen.

Während einer Lichteinfallperiode, in welcher die lichtempfindliche Zone 21 ein dem empfangenen Licht entsprechendes Ladungssignal erzeugt und speichert, müssen folgende Ungleichungen erfüllt sein:

• A′) V₂₁<V₂₇<V₂₃,
• B′) V₂₂<V₂₃,
• C′) V₂₇<V₂₅ und V₂₇<V₂₈.

Während einer Gate-Übertragungsperiode, in deren Verlauf das in der lichtempfindlichen Zone 21 gespeicherte Ladungssignal über den Gate-Abschnitt 23 zum vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 22 übertragen wird, müssen folgende Ungleichungen erfüllt sein:

• D′) V₂₂<V₂₃<V₂₇,
• E′) V₂₃<V₂₅ und V₂₃<V₂₈.

Weil erfindungsgemäß in Fig. 3 die zweite Übertragerelektrode 31 durch die erste Übertragerelektrode 30 gegenüber der zweiten Kanalbegrenzung 26 und dem Abschnitt 28 vollständig abgeschirmt ist, kann das durch die der zweiten Übertragerelektrode 31 zugeführte Spannung erzeugte elektrische Feld die Abschnitte 26 und 28 gar nicht oder nur sehr geringfügig beeinflussen. Trotz gleicher Verunreinigungsdichte in den Abschnitten 23 und 28 ist während der Zufuhr der Gate-Übertragerspannung an die zweite Übertragerelektrode 31 innerhalb der Gate-Übertragungsperiode eine unabhängige Potentialausbildung einerseits im Gate-Abschnitt 23 und andererseits im Abschnitt 28, und somit eine Erfüllung sämtlicher Ungleichungen A′) bis E′) möglich. Es ist lediglich notwendig, den Übertragerelektroden 30 und 31 während der Gate- Übertragungsperiode unterschiedliche Spannungen zuzuführen. Bei Verwendung eines 4-phasigen Vertikalübertragungstaktsignals gibt es in dieser Hinsicht keine Probleme; bei Verwendung eines 2-phasigen Vertikalübertragungstaktsignals müssen dagegen die beiden Übertragerelektroden 30 und 31 während der Vertikalübertragungsperiode, in der das Ladungssignal über den Übertragerabschnitt 22 vertikal in den Horizontalübertragungsabschnitt M übertragen wird, ein gemeinsames Taktsignal, während der Gate- Übertragungsperiode dagegen unterschiedliche Taktsignale erhalten.

Das in Fig. 4A dargestellte Beispiel eines 4-phasigen Vertikalübertragungstaktsignals für einen erfindungsgemäßen Festkörper- Bildwandler gemäß Fig. 2 mit einer Elektrodenanordnung gemäß Fig. 3 umfaßt vier Taktsignale Φ₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄, von denen jedes eine Vielzahl von Taktimpulsen ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ bzw. ϕ₄ mit einer der betreffenden Zeilenperiode entsprechenden unterschiedlichen Phasenlage enthält. Diese 4-phasigen Taktsignale Φ₁ bis Φ₄ werden jedem aus je einer ersten und zweiten Übertragerelektrode 30, 31 gebildeten Übertragerelektrodenpaar zugeführt. Ferner kommt zu dem Taktsignal Φ₁ in jeder ungeradzahligen Feldperiode F₁ im Zeitabstand t_r eine Gatespannung V_r und zu dem Taktsignalk Φ₃ in jeder geradzahligen Feldperiode F₂ im Abstand t_r die Gatespannung V_r.

Das in Fig. 4B dargestellte Beispiel eines 2-phasigen Vertikalübertragungstaktsignals umfaßt ein aus einem Signalpaar Φ′₁₁ und Φ′₁₂ zusammengesetztes Taktsignal Φ′₁ und ein aus einem Signalpaar Φ′₂₁ und Φ′₂₂ zusammengesetztes Taktsignal Φ′₂, die jedem Übertragerelektrodenpaar 30, 31 zugeführt werden. Die Signale Φ′₁₁ und Φ′₁₂ enthalten mehrere Taktimpulse Φ′₁ einer Polarität und die Signale Φ′₂₁ und Φ′₂₂ mehrere Taktimpulse Φ′₂ entgegengesetzter Polarität; die Taktimpulse Φ′₁ und Φ′₂ treten mit jeder Zeilenperiode auf. Ferner kommt zu dem Taktsignal Φ′₁₁ in jeder ungeradzahligen Feldperiode F₁ im Zeitabstand t_r die Gatespannung V_r und zu dem Taktsignal Φ′₂₁ in jeder geradzahligen Feldperiode F₂ im Abstand t_r die Gatespannung V_r.

Durch Zuführen des 4-phasigen Übertragungstaktsignals gemäß Fig. 4A oder des 2-phasigen Übertragungstaktsignals gemäß Fig. 4B erhalten die Vertikal-Übertragerelektrodenpaare 30/31 der lichtempfindlichen Zonen 21, bei denen eine Ladungsübertragung durch ihren Gate-Abschnitt 23 durchzuführen ist, in der Gate-Übertragungsperiode vorgegebene unterschiedliche Spannungen, um damit das in der betreffenden lichtempfindlichen Zone 21 gespeicherte Ladungssignal über den Gate-Abschnitt 23 auf den vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 22 und danach über diesen Abschnitt 22 weiter in den Horizontalübertragungsabschnitt M zu übertragen.

Claims (2)

1. CCD-Bildwandler mit:

   • a) einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zonen (21) als Sensorelemente, die in horizontalen Zeilen und vertikalen Spalten angeordnet sind;
   • b) einem vertikalen Ladungsübertragerabschnitt (22) auf einer Seite jeder Spalte von Sensorelementen;
   • c) einer Überlaufelektrode (24) auf der anderen Seite jeder Spalte von Sensorelementen;
   • d) horizontalen Kanalbegrenzungen (26) und vertikalen Kanalbegrenzungen (23+25, 28), die jedes Sensorelement umschließen, zu welchen vertikalen Kanalbegrenzungen ein Gateabschnitt (23) zwischen jedem Sensorelement und dem zugehörigen vertikalen Ladungsübertragerabschnitt gehört;
   • e) ersten und zweiten horizontalen Übertragungselektroden (30, 31) die sich über den horizontalen Kanalbegrenzungen überlappen; und
   • f) einem mit den Enden der vertikalen Ladungsübertragerabschnitte verbundenen Horizontalübertragungsabschnitt;
2. dadurch gekennzeichnet, daß alle Kanalbegrenzungen (23+25, 26, 28) einschließlich des Gateabschnitts (23) gleiche Verunreinigungsdichte aufweisen und die untere (30) der beiden Übertragungselektroden über jeder horizontalen Kanalbegrenzung (26) so breit ausgebildet ist, daß sie die horizontale Kanalbegrenzung gegen die obere Übertragungselektrode (31) abschirmt.