DE3319726A1

DE3319726A1 - Festkoerper-bildaufnahme-einrichtung

Info

Publication number: DE3319726A1
Application number: DE19833319726
Authority: DE
Inventors: Masafumi Itami Hyogo Kimata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-06-01
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1983-12-22
Also published as: JPS6338865B2; US4577233A; JPS58210663A; DE3319726C2

Description

a *

Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine zweidimensionale Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung, deren besonderes Merkmal im Lesen von Signalen liegt.

Allgemein wird ein Festkörper-Bildaufnahme-Element durch
Bildung von Fotodetektoren und eines Abtastmechanismus

auf einem Halbleitermaterial wie einem Siliziumsubstrat geschaffen; es kann Bilder im Bereich von sichtbarem Licht
bis zum infraroten erfassen. Verglichen mit der konventionellen Bildaufnahmeröhre ist das Festkörper-Bildaufnahme-Element klein, hat geringes Gewicht und hohe Zuverlässigkeit. Weiter ist bei der Herstellung des Elementes die Anzahl der zu justierenden Punkte sehr klein. Deshalb spielt das Festkörper-Bildaufnahme-Element bei vielen industriellen Anwendungsfällen eine Rolle.

Der Abtastmechanismus der Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung benutzt hauptsächlich MOS-Schalter oder Ladungs-Verschiebeelemente (im folgenden als "CCD" (charge coupled device)
bezeichnet). Bei dem ersteren Abtastmechanismus werden die
Nadelimpulsstörungen, die entstehen, wenn die MOS-Schalter

Signale lesen, mit den Signalen gemischt, wodurch der Störabstand verringert wird. Die Nadelimpulsstörungen unterscheiden sich je nach den Lesezeilen, wodurch sogenannte "periodische Störungen" entstehen, wodurch der Störabstand weiter

erniedrigt wird. Infolgedessen ist der erstere Abtastmechänismus nicht bei dem Fall anwendbar, wo schwache Signale mit einem hohen Störabstand erfaßt werden sollen. Anderer-' seits werden bei dem letzteren Abtastmechanismus, insbesondere beim Zwischenzeilen-CCD-System, das weit benutzt wird, da ähnlich wie bei dem erwähnten MOS-System Fotodetektoren frei gewählt werden können, die CCD zwischen den Zeilen der Detektoren angeordnet. Um die effektiven Flächen der Detektoren zu erhöhen, ist es deshalb erwünscht, die Fläche des CCD-Bereiches so klein wie möglich zu halten.

Andererseits ist die Ladungsverschiebungskapazität der CCD's proportional der kum-ulierten Gate-Fläche je CCD-Stufe. Infolgedessen bedeutet ein Verringern der Fläche des CCD-Bereiches, daß die maximale Menge von zu verarbeitenden Ladüngen begrenzt ist. Das bedeutet schwerwiegende Probleme beim Erfassen eines kleinen Signales in einem großen Hintergrund, wie z.B. bei einem Festkörper-Bildaufnahme-Element für Infrarot.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung zu schaffen, bei der mindestens einer der Abtastmechanismen der Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung eine Ladungsverschiebungseinheit aufweist, bei der eine Mehrzahl von MOS-Gattern nebeneinander angeordnet sind, die so gestaltet sind, daß sie Signalladungen in der Ladungsverschiebungseinheit so übertragen, daß keine Nadelspitzenstörungen erzeugt werden und eine große Signalladungsmenge verarbeitet werden kann.

Im weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2a einen Schnitt entlang der Linie A-A¹ in Fig. 1;

Fig. 2b bis 2j Potentialdiagramme zur Beschreibung des Betriebes der erfindungsgemäßen Einrichtung;

und

Fig. 3 eine Zeitdarstellung zur Beschreibung des Betriebes der Taktsignale.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung, die zur Vereinfachung der Beschreibung als 3x4-Anordnung dargestellt ist. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 zweidimensional auf einem Halbleitersubstrat angeordnete Fotodetektoren, das Bezugszeichen 2 Transfer-Gatter aus auf dem Substrat gebildeten MOS-Transistoren, Bezugszeichen 3 vertikale auf dem Halbleitersubstrat gebildete Ladungsverschiebemechanismen, Bezugszeichen 4 Schnitt-Stelleneinheiten zwischen den Mechanismen 3 und einem horizontalen auf dem Halbleitersubstrat gebildeten CCD 5 und Bezugszeichen 6 einen Ausgangsvorverstärker mit einem Ausgangsanschluß 7.

Bei der so aufgebauten Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung sind die horizontale CCD 5 und der Ausgangsvorverstärker 6 genauso wie bei einer konventionellen Einrichtung. Das heißt, die erfindungsgemäße Einrichtung unterscheidet sich in Elementen zum vertikalen Verschieben von Ladungen, nämlich den vertikalen Ladungsverschiebemechanismen 3 und den Schnittstelleneinheiten 4. Die Struktur und der Betrieb dieser Elemente wird mit Bezug auf Fig. 2 und 3 beschrieben .

Fig. 2a ist ein Schnitt entlang einer Linie A-A¹ in Fig. 1. Der vertikale Ladungsverschiebemechanismus 3 besteht aus

vier Gate-Elektroden 3-1, 3-2, 3-3 und 3-4, die Schnittstelleneinheit 4 besteht aus zwei Gate-Elektroden 4-1 und 4-2, und das Ende der Schnittstelleneinheit 4 liegt nahe einer Gate-Elektrode 5-1 der horizontalen CCD 5. In Fig. 2a bezeichnet das Bezugszeichen 8 das Halbleitersubstrat. Unterhalb jeden Gatters ist ein Kanal ausgebildet, der ein Oberflächenkanal oder ein zugedeckter Kanal sein kann. In— Fig. 2a haben die Gate-Elektroden einen Abstand voneinander; jedoch können diese Elektroden mit einer Mehrlagenstruktur so gebildet werden, daß diese Elektroden überlappen. Taktsignale φ_γ1, φ_γ2, φ_γ3> φ_γ4> φ_3> Φ_τ und Φ_Η werden an die Gate-Elektroden 3-1 bis 3-4, 4-1, 4-2 und 5-1 jeweils angelegt. Dies gilt für den Fall von N-Kanälen; im Fall von P-Kanälen sollte die Polarität der Taktsignale geändert werden.

Das vertikale Ladungsverschieben des in Fig. 2a gezeigten Elementes wird nun mit Bezug auf die Fig. 2b bis 2j gezeigt. Fig. 2b zeigt die Potentiale des Elementes zum Zeitpunkt t. in Fig. 3. Zu diesem Zeitpunkt sind die Taktsignale Φ_ν1 bis Φ_ν4 alle auf hohem Pegel, wodurch unter den Gattern 3-1 bis 3-4 eine große Potentialmulde gebildet wird. Weiterhin ist das Niveau des Taktsignales φ_ο höher als das der Taktsignale Φ_νι bis Φ_ν4, wodurch unter dem Gatter 4-1 eine tiefere Potentialmulde gebildet wird. Andererseits wird, da das Taktsignal φ» auf hohem Pegel ist, unter dem _ Gatter 4-2 eine flache Potentialmulde gebildet. In diesem Fall verschiebt das horizonale CCD 5 Ladungen, und das Potential wird, wie von der gestrichelten Linie in Fig. 2 angedeutet, nach oben und unten verschoben. Wenn unter dieser Bedingung irgendeines der vertikal angeordneten Transfer-Gatter zur Eingabe des Inhaltes des entsprechenden Detektors 1 in den vertikalen Ladungstransfermechanismus 3 eingeschal-

— β —

tet wird, werden Signalladungen Qsig unter den Gattern 3-1 bis 3-4 plaziert. Zum Zeitpunkt t~ in Fig. 3, d.h., wenn das Taktsignal 0_V1 auf niedrigem Pegel ist, werden die Signalladungen Qsig in die Richtung des Pfeiles A geschoben, wobei sie gleichzeitig räumlich aufgeweitet werden, da die Potentialmulde unter dem Gatter 3-1 flacher wird, wie in Fig. 2c gezeigt. Weiter werden zu den Zeitpunkten t~, t. und tj. die Clock-Signale 0_V2' ^V3 ^und ^V4 J^{eweils auf%} niedrigen Pegel gesetzt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, und die Potentialmulden unter den Gattern 3-2, 3-3 und 3-4 werden nacheinander flacher, während die Signalladung Qsig in Richtung des Pfeiles A, wie in Fig. 2d, 2c und 2f gezeigt ist,

wurden

geschoben/ Wenn das Taktsignal φ_γ4 auf niedrigen Pegel gesetzt wird, werden die Signalladungen Qsig in der Potentialmulde in dem Gatter 4-1 gespeichert. Das Gatter 4-1 sollte eine Kapazität haben, die groß genug zur Speicherung der Signalladungen Qsig ist; wenn jedoch das Taktsignal φς auf hohem Pegel ist, ist es nicht immer notwendig, daß das Potential tiefer als jenes unter den Gattern 3-1 bis 3-4 ist, d.h., das erstere kann die gleiche Tiefe haben wie das letztere. Nachdem ein horizontales Linienabtasten der horizontalen CCD stattgefunden hat, wobei die Signalladungen Qsig am Gatter 4-1 gesammelt wurden, wird zum Zeitpunkt tg in Fig. 3 das Taktsignal 0„ an das Gatter 5-3 des horizontalen CCD auf hohen Pegel angehoben, während das Taktsignal φ~ an das Gatter 4-2 auf hohen Pegel gehoben wird. Als Ergebnis sind die Potentiale unter den Gattern so wie in Fig. 2g gezeigt. Bei dieser Betriebsart wurde das Potential unter dem Gatter 4-2 höher gemacht als jene unter den Gattern 4-1 und 5-1; dies ist jedoch nicht immer erforderlich, d.h., das erstere kann auf dem gleichen Niveau wie das letztere sein. Zum Zeitpunkt t_rj in Fig. 3 wird das Taktsignal 0„ auf niedrigen Pegel gesetzt und das Potential

— ρ —

A-

unter dem Gatter 4-1 wird flacher wie in Fig. 2a gezeigt, wodurch die Signalladungen Qsig in die Potentialmulde unter dem Gatter 5-1 bewegt werden. Danach, zum Zeitpunkt t_Q in Fig.-3, wird das Taktsignal Φ- auf niedrigen Pegel gesetzt, und das Potential unter dem Gatter 4-2 wird flacher wie in Fig. 2i gezeigt, wodurch die Signalladungen Qsig von dem horizontalen CCD 5 transferiert werden. D.h., das horizontale CCD 5 empfängt das Signal (die Signalladungen Qsig) und transferiert es an den Ausgangsvorverstärker 6.

Wenn das Signal so zu dem horizontalen CCD 5 transferiert ist, d.h. zum Zeitpunkt t_g in Fig. 3 werden die Taktsignale ^y₁ bis Φ_ν4 und 0„ wieder auf hohen Pegel gesetzt; d.h. der gleiche Zustand wie zum Zeitpunkt t- wird erhalten, so daß der oben beschriebene Betriebszyklus wieder ausgeführt werden kann.

Der Betrieb der Einrichtung wurde bezüglich des Falles beschrieben, bei dem der Inhalt eines Detektors in einem vertikalen Ladungsverschiebemechanismus ausgelesen wird; der gleiche Betrieb läuft jedoch gleichzeitig in allen vertikalen Ladungsverschiebungsmecnanismen ab.

Infolgedessen werden ähnlich wie bei einem konventionellen CCD-System Ladungen durch Potentialmulden transferiert. Deshalb wird, anders als beim MOS-System, kein Nadelspitzenrauschen erzeugt. Die Menge der bearbeiteten Signalladungen wird von der Potentialmulde für eine vertikale Zeile des erfindungsgemäßen vertikalen Ladungsverschiebemechanismus 3 bestimmt. Infolgedessen kann die Menge von Signalladun- gen beträchtlich groß sein, und sogar ausreichend groß, wenn die Breite des die vertikale Signalleitung bildenden Kanales verringert wird. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung können die Gatter 4-1 und das horizontale CCD außerhalb

- ar© -

der Anordnung von Detektoren 1 gebildet werden. Infolgedessen wird die Begrenzung bezüglich der Größe reduziert, und deshalb können die vertikalen Ladungsverschiebemechanismen 3 und die horizontalen CCD 5 gemäß der benötigten Ladungsmenge einfach vergrößert werden. In der oben beschriebenen Einrichtung wird der vertikale Ladungsverschiebemechanismus 3 während einer horizontalen Periode abgetastet (wobei die Ladungen gewöhnlich durch den vertikalen Ladungsverschiebemechanismus 3 für einen Zeitraum der ungefähr maximal einer Bildwechselzeit entspricht, transferiert werden) und die Zeit, die die Signalladungen Qsig in dem Kanal verbringen, wird reduziert. Dadurch können Kanalleckstrom und Nachzieheffekt verringert werden.

Bei der oben beschriebenen Einrichtung hat der vertikale Ladungsverschiebemechanismus 3 vier Gatter 3-1 bis 3-4; die Erfindung ist jedoch nicht darauf oder dadurch beschränkt. Das heißt, der gleiche Effekt kann mit einer Mehrzahl von Gattern erreicht werden; jedoch sollte die Größe eines jeden Gatters und die Anzahl von Gattern dadurch bestimmt werden, daß die Transfereffektivität in Betracht gezogen wird. In der oben beschriebenen Einrichtung ist der Kanal des vertikalen Ladungsverschiebemechanismus 3 ein N-Kanal; es kann jedoch auch ein P-Kanal sein. Weiter sind bei der oben beschriebenen Einrichtung die Gatter des vertikalen Ladungsverschiebemechanismus 3 und die Verschiebegatter individuell vorgesehen. Wenn jedoch dreiwertige Taktsignale benutzt werden wie im Fall des konventionellen CCD-Systemes, kann jedes Gatter des vertikalen Ladungsverschiebemechanismus 3 und das zugehörige Transfergatter in einem gemeinsamen Gatter zusammengefaßt sein.

Bei der Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung mit einem' Abtastmechanismus zum Lesen der Ausgangssignale der Foto-

— M. —

detektoren weist erfindungsgemäß mindestens eine der Einrichtungen zur Bildung des Abtastmechanismus die Ladungsverschiebeeinheit, in der eine Mehrzahl von MOS-Gattern nebeneinander angeordnet sind und eine MOS-Gatter-Steuereinheit zum Zuführen von Signalen an die MOS-Gatter, auf, so daß Signalladungen unter den MOS-Gattern der Ladungsverschiebeeinheit bewegt werden. Infolgedessen werden keine Nadelspitzenstörungen erzeugt, und eine große Menge von Signalladungen kann verarbeitet werden.

Lee

rseite

Claims

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Halbleiter-Bildaufnahme-Einrichtung mit einem Abtastmechanismus zum Lesen und zur Ausgabe von Ausgabesignalen von Fotodetektoren,

gekennzeichnet durch mindestens eine Einrichtung zur BiI-dung des Abtastmechanismus mit einer Ladungsverschiebeeinheit, in der eine Mehrzahl von MOS-Gattern nebeneinander angeordnet sind, eine MOS-Gatter-Steuereinheit zum Anlegen von Signalen an die Mehrzahl von MOS-Gattern zur Bildung einer Potentialmulde unter allen Gattern der Ladungsver-Schiebeeinheit in einem ersten Zeitraum, zur Einführung einer Signalladung in die Potentialmulde zu einem zweiten Zeitraum und um die Potentialmulden nacheinander in einer dem Ladungstransfer entgegengesetzten Richtung verschwinden zu lassen zur Bewegung der Signalladungen unter den MOS-Gattern der Ladungsverschiebeeinheit in einem dritten Zeitraum.

2. Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem MOS-Gatter ein Kanal ausgebildet ist.

3. Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal ein Oberflächenkanal ist.

4. Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal ein unter dem MOS-Gatter zugedeckter Kanal ist.

5. Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsverschiebeeinheit als vertikale Verschiebeeinheit benutzt wird.

6. Festkörper-Bildaufnahme-Einrichtung mit einem Abtastmechanismus zum Lesen und zur Ausgabe von Ausgangssignalen von Fotodetektoren,
gekennzeichnet durch

eine Ladungsverschiebeeinheit als vertikale Signalverschiebeeinheit des Abtastmechanismus,in dem eine Mehrzahl von MOS-Gattern nebeneinander angeordnet sind, eine MOS-Gatter-Steuereinheit zum Zuführen von Signalen an die Mehrzahl von MOS-Gattern zur Bildung von Potentialmulden unter allen Gattern der Ladungsverschiebeeinheit zu einem ersten Zeitraum, zur Einführung von Signalen von den Fotodetektoren in die Potentialmulde zu einem zweiten Zeitraum und um die Potentialmulden nacheinander in einer dem Ladungstransfer entgegengesetzten Richtung verschwinden zu lassen zur Bewegung der Signalladungen unter den MOS-Gattern der Ladungsverschiebeeinheit zu einem dritten Zeitraum, eine Ladungsverschiebeeinrichtung als horizontale Ladungs-

transfereinheit des Abtastmechanismus zur Ausgabe der Signalladungen von der vertikalen Ladungsverschiebeeinheit, und mindestens zwei MOS-Gatter, die die Ladungstransfereinheit mit der Ladungsverschiebeeinrichtung verbinden.