DE3327075C1 - Infrarot-Bildsensor-Anordnungen - Google Patents
Infrarot-Bildsensor-AnordnungenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung sind Infrarot-Bildsensor-Anordnungen,
die eine Vielzahl von Infrarot-Detektorelementen
(zum Beispiel aus Cadmium-Quecksilber-Tellurid) sowie
eine Signalverarbeitungsschaltung (zum Beispiel auf
einem Silizium-Schaltkreissubstrat) umfassen, die ein
für das auf die Detektorelemente auftreffenden Strahlungsbild
repräsentatives Ausgangssignal liefert.
Die Arbeit mit dem Titel "Source-Coupled HgCdTe Staring
Hybrid Focal Planes for Tactical Applications" von K.
Chow, J. D. Blackwell, J. P. Rode, D. H. Seib und W. N.
Lin in Band 267, Seite 12 bis 17 der Protokolle zum Technischen
Symposium 1981 der SPIE (Society of Photo-optical
Instrumentation Engineers) in Los Angeles beschreibt
eine Infrarot-Bildsensor-Anordnung mit einer Vielzahl
von Infrarot-Detektorelementen, in denen durch die auftreffende
Infrarotstrahlung Ladungssignale erzeugt werden,
sowie eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verarbeitung
der von den Detektorelementen kommenden Ladungssignale
zur Erzielung eines Ausgangssignals, das dem
auf die Detektorelemente auftreffenden Strahlungsbild
entspricht. Diese Schaltung enthält mindestens eine
Ladungsübertragungsleitung, mit der die Strahlungsdetektorelemente
über Eingangsanschlüsse verbunden sind.
Jedes Strahlungsdetektorelement ist zwischen den Eingangsanschluß
der Ladungsübertragungsleitung und einen
zweiten elektrischen Anschluß der genannten Vielzahl
von Detektorelementen elektrisch geschaltet. An jedem
Eingangsanschluß sind mindestens eine Speicherelektrode
und ein Abzugsgate vorhanden, um mindestens einen Teil
des Ladungssignals abzuziehen, so daß nur ein Teil des
Ladungssignals in der Ladungsübertragungsleitung übertragen
wird, und es sind Mittel vorgesehen, um die
abgezogene Ladung aus einer Speichermulde unter der
Speicherelektrode abzuleiten.
Diese bekannte Sensoranordnung hat eine Matrix von 32×32
photovoltaischen Detektorelementen, die in einer
Schicht Cadmium-Quecksilber-Tellurid auf einem Cadmium-Tellurid-Substrat
ausgebildet sind, das für die Infrarotstrahlung
durchlässig ist. Das Signalverarbeitungssubstrat
besteht aus Silizium und hat 32 parallele CCD-Leitungen
entsprechend den 32 Zeilen der Detektorelement-Matrix.
Die von den Detektorelementen ankommenden
Eingangsanschlüsse befinden sich an diesen parallelen
CCD-Leitungen, die mit den Ladungssignalen von den 32
Detektorelementreihen ein weiteres ladungsgekoppeltes
Bauelement ansteuern, das ein serielles Ausgangssignal
jeder Spalte nacheinander liefert. Der Mittenabstand
der Eingangsanschlüsse (und auch der Detektorelemente)
beträgt 80 Mikrometer. Der zweite elektrische Anschluß
der Detektorelemente liegt an Erde.
Es ist bekannt, daß die die Nutzinformation im auftreffenden
Strahlungsbild darstellende Ladung durch Ansammlung
einer starken Störladung infolge Dunkel-Leckstroms
in den Detektorelementen sowie hoher auf die Detektorelemente
auftreffender Umgebungsstrahlung überladen werden
kann. Ersteres führt dazu, daß auch bei Abwesenheit
der auftreffenden Strahlung Ladung aufgebaut wird, während
letzteres, insbesondere im Strahlungswellenband
von 8-14 Mikrometer, auftritt, wenn die Umgebung in
einer mit dem Bildsensor betrachteten Szene einen hohen
Strahlungspegel liefert, so daß der Szenenkontrast
niedrig ist und der Betrag des interessierenden Signals
nur einen sehr kleinen Teil der gesamten auf die Matrix
auftreffenden Strahlung ausmacht. Beide Arten von Störladung
können als Hintergrundladung bezeichnet werden.
Die Abzugsverarbeitung der Ladungssignale in dieser
Sensoranordnung dient zur Verbesserung des effektiven
Dynamikbereichs des CCD.
Zwei Formen des Ladungsabzugs werden beschrieben, nämlich
Ladungsteilung und Ladungs-Skimming (charge-skimming).
Zu diesem Zweck gibt es zwei Abzugsgates,
von denen das erste ein Teilungsgate (in Bild 3 der Arbeit
von Chow et al mit P bezeichnet) und das zweite
ein Schwellengate (in Bild 3 der Arbeit von Chow et al
als MET bezeichnet) ist. Bei der für diese bekannte
Bildsensoranordnung beschriebenen Betriebsart wird das
von einem Detektorelement kommende Ladungssignal während
der Integrationsdauer in einer breiten Speichermulde
unter der Speicherelektrode S und dem Teilungsgate P
aufgenommen. Das Teilungsgate P wird dann getaktet, um
die angesammelte Ladung in zwei Pakete aufzuteilen, von
denen nur das zweite, über das Schwellengate, weiterverarbeitet
wird. Das erste Ladungspaket, das einen
Großteil der ursprünglich aufgenommenen Ladung darstellt,
wird anschließend abgeleitet. Durch Einstellen
des geeigneten Schwellenwerts am Schwellengate wird ein
Teil des zweiten Ladungspakets in eine Intergrationsmulde
"abgeschöpft", die zu einer der Taktelektroden
der parallelen CCD-Leitungen gehört; genau dieser Teil
des Ladungssignals wird anschließend entlang den CCD-Leitungen
verschoben. Das Ladungs-Skimming wird gelegentlich
auch als "Hintergrundabzug" bezeichnet, da
hierbei ein gegebener Hintergrund-Ladungspegel (bestimmt
durch die Spannung des Schwellengates) vom
Ladungssignal abgezogen wird. Anschließend wird das
Teilungsgate P geöffnet, um das erste Paket und den
abgezogenen Teil des zweiten Pakets zusammenzuführen,
die dann beide zusammen über ein Drain-Gate zum Drainanschluß
eines MOSFET geleitet werden.
Das Vorhandensein so vieler Eingangsschaltelemente
(Speicherelektroden, Eingangs- und Abzugsgates und
Drain-MOSFET) zwischen den parallelen CCD-Leitungen
beschränkt den Mindest-Mittenabstand, der für die
Eingangsanschlüsse und die Detektorelemente genutzt
werden kann, und begrenzt die maximale Fläche (und
damit die Ladungs-Speicherkapazität) der Taktelektroden
der CCD-Leitungen. Bei derartigen Brennebenen-Bildsensormatrizes
ist es in der Regel auch wünschenswert,
die von den Detektorelementen kommende Ladung möglichst
lange zu sammeln und zu integrieren, und zwar so lange,
wie dies mit der Lesezeit für die CCD-Leitungen vereinbar
ist. Dies erfordert eine große Ladungskapazität
für die Speichermulden unter den Speicherelektroden.
Es ist jedoch in der Regel nicht sinnvoll, diese
Ladungskapazität durch Vergrößern der Speicherelektroden
zu erhöhen, da sich dadurch der Abstand der
Detektorelemente und der zugehörigen Eingangsanschlüsse
vergrößert. Ein kleinerer Mittenabstand ist häufig
wünschenswert, zum Beispiel ein Mittenabstand von
höchstens 50 Mikrometern.
Die Erfindung betrifft eine Infrarot-Bildsensor-Anordnung,
die eine Vielzahl von Infrarot-Detektorelementen,
in denen Ladungssignale durch auftreffende Infrarotstrahlung
erzeugt werden, sowie eine Signalverarbeitungsschaltung
zur Verarbeitung der von den Detektorelementen
kommenden Ladungssignale enthält, um ein
dem auf die Detektorelemente auftreffenden Strahlungsbild
entsprechendes Ausgangssignal zu liefern; die
genannte Schaltung enthält mindestens eine Ladungsübertragungsleitung,
mit der die Strahlungsdetektorelemente
über Eingangsanschlüsse verbunden sind, wobei
jedes Strahlungsdetektorelement zwischen den Eingangsanschluß
der Ladungsübertragungsleitung und einen
zweiten elektrischen Anschluß der genannten Vielzahl
von Detektorelementen geschaltet ist und mindestens
eine Speicherelektrode und mindestens ein Abzugsgate an
jedem der Eingangsanschlüsse vorhanden ist, um zumindest
einen Teil des Ladungssignals abzuziehen, so daß
nur ein Teil des Ladungssignals von jedem Detektorelement
über die Ladungsübertragungsleitung übertragen
wird, sowie Mittel zum Ableiten der abgezogenen Ladung
von einer Speichermulde unter der Speicherelektrode,
dergestalt, daß die abgezogene Ladung über die Strahlungsdetektorelemente
mittels einer Spannungsumschaltvorrichtung
abgeleitet wird, die mit dem zweiten
elektrischen Anschluß verbunden ist, um die an die
Strahlungsdetektorelemente angelegte Spannung umzuschalten.
Somit kann das Potential des zweiten elektrischen Anschlusses
dieser Detektorelemente auf einem Niveau gehalten
werden, während das von den Detektorelementen
kommende Ladungssignal integriert wird, und kann anschließend
mittels der Spannungsumschaltvorrichtung auf
ein anderes Niveau umgeschaltet werden, um die abgezogene
Ladung an jeder Eingangsstelle abzuleiten. Eine derartige
erfindungsgemäße Infrarot-Bildsensor-Anordnung gestattet
das Ableiten der abgezogenen Ladung in kurzer
Zeit und auf eine Art und Weise, die vergleichsweise einfach
ist und keinen Drain-MOSFET oder ein sonstiges zusätzliches
Schaltelement an den Eingangsanschlüssen erfordert.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer
zweidimensionalen Matrix, da der Abstand der parallelen
Ladungsübertragungsleitungen, an die jeweils Strahlungsdetektorelemente
über Eingangsanschlüsse angeschlossen
sind, die in bestimmten Abständen an den Leitungen angeordnet
sind, klein gehalten wird. Ein besonders kompakter
Aufbau kann erzielt werden, wenn die Infrarot-Detektorelemente
Photodioden sind, die in einem gemeinsamen
Körper oder Körper-Teil eines infrarotempfindlichen
Materials geformt sind, dessen Hauptteil ein mit dem
zweiten elektrischen Anschluß verbundener Massebereich
ist, da dieser gemeinsame Massebereich effektiv eine
zusätzliche elektrische Anschlußebene für die Ladungsübertragungsleitung(en)
schafft, ohne die Elektrodenstruktur
der Ladungsübertragungsleitung(en) zu komplizieren.
Insbesondere wenn eine vollständige Matrix
derartiger Strahlungsdetektorelemente in einem gemeinsamen
Körper oder Körper-Teil ausgebildet wird, können
alle Detektorelemente der Matrix in einfacher Weise mit
einem gemeinsamen elektrischen Anschluß versehen werden,
an den die Spannungsumschaltvorrichtung angeschlossen
wird. Es ist jedoch auch möglich (für die Anschlußanordnung
jedoch komplizierter), die Detektorelemente
einer Matrix zu einzelnen Gruppen oder Sätzen mit je
einem eigenen zweiten Anschluß zusammenzufassen, so daß
zum Beispiel jede Reihe von Detektorelementen in einer
zweidimensionalen Matrix ihren eigenen separaten Masseanschluß
und ihre eigene separate Spannungsumschaltvorrichtung
haben kann.
Die Spannungsumschaltvorrichtung kann ein Spannungsimpulsgeber
sein und kann zusammen mit der mindestens
einen Ladungsübertragungsleitung auf einem gemeinsamen
Signalverarbeitungs-Schaltkreissubstrat untergebracht
sein, auf dem die Strahlungsdetektorelemente befestigt
sind. Somit können die Impulsgeber für die Ladungsübertragungsleitung(en)
und für die Ableitung der abgezogenen
Ladung über die Strahlungsdetektorelemente zusammen
in peripheren Bereichen eines gemeinsamen
Substrats hergestellt werden, das die Ladungsübertragungsleitung(en)
enthält. Es ist jedoch auch möglich,
die Spannungsumschaltvorrichtung als separates, diskretes
Bauelement außerhalb eines Vakuumgehäuses (zum
Beispiel einer Dewar-Kapselung) auszulegen, das die
Anordnung der Infrarot-Detektorelemente enthält.
Der Ladungsabzug bei einem erfindungsgemäßen Bildsensor
kann durch Ladungs-Skimming und/oder Ladungsteilung
erfolgen. Daher besteht im Falle der Ladungsteilung
das Abzugsgate (oder zumindest eines der Abzugsgates),
die sich an den genannten Stellen befinden, aus einem
Teilungsgate, um einen vorgegebenen Teil des Ladungssignals
an dieser Stelle abzuziehen. Bei Ladungs-Skimming
jedoch besteht das Abzugsgate (oder zumindest
eines der Abzugsgates), das sich an jeder der genannten
Stellen befindet, aus einem Schwellengate, um einen gegebenen
Hintergrundpegel von dem Ladungssignal an
dieser Stelle abzuziehen. Im letzteren Fall kann ein
besonders kompakter Aufbau erzielt werden, wenn das
Schwellengate von zumindest einem Teil einer Taktelektrode
der Ladungsübertragungsleitung gebildet wird.
Weiterhin kann die Hintergrund-Speicherelektrode an
jeder Stelle durch eine oder mehrere Taktelektroden der
Ladungsübertragungsleitung gebildet werden, so daß für
die Hintergrund-Speichermulde bei kompakter Geometrie
eine hohe Ladungskapazität zur Verfügung steht. Dies
ist besonders vorteilhaft für die Minimierung des Abstands
der parallelen Ladungsübertragungsleitungen, an
die in bestimmten Abständen Strahlungsdetektorelemente
über Eingangsanschlüsse angeschlossen sind; eine derartige
Anordnung wird in unserer gleichzeitig eingereichten
Patentanmeldung (unsere Referenz: PHB 32 900)
beschrieben, die ebenfalls den Titel "Infrarot-Bildsensor-Anordnungen"
trägt.
Um eine große Ladungskapazität für die Hintergrund-Speichermulde
zu erhalten, wird die Hintergrund-Speicherelektrode
für jeden Eingangsanschluß vorzugsweise
durch mindestens einen Teil der beiden Taktelektroden
gebildet. In diesem Fall kann es erforderlich sein,
die Restsignal-Speichermulde entweder unterhalb einer
Signalspeicherelektrode, die auf einer Seite von zumindest
einem Teil einer Taktelektrode liegt, auszubilden,
oder aber unterhalb eines getrennt zu taktenden
Teils einer Taktelektrode. Somit kann eine der Taktelektroden
in drei getrennt zu taktende Teile unterteilt
werden, wobei der erste Teil Bestandteil der
Hintergrund-Speicherelektrode ist, der zweite Teil das
Schwellengate und der dritte Teil eine Signalspeicherelektrode
bildet, unter der die Restsignal-Speichermulde
ausgebildet werden kann. Es ist jedoch auch möglich,
die Hintergrund-Speichermulde unter einer Taktelektrode
auszubilden, die Restsignal-Speichermulde unter
einer weiteren Taktelektrode, und für das Schwellengate
eine Zwischen-Taktelektrode der Ladungsübertragungsleitung
zu verwenden.
Eine besonders kompakte Geometrie kann erzielt werden,
wenn an jeder der Eingangsanschlußstellen eine der Taktelektroden
auf einer Seite eine Aussparung besitzt und
der Eingangsanschluß und ein Eingangsgate in dieser Aussparung
angeordnet sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen jetzt
anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten
Schemazeichnungen beschrieben werden, wobei:
Fig. 1 einen Teilquerschnitt und eine teilperspektivische
Ansicht eines Teils eines Infrarot-Bildsensors einer erfindungsgemäßen
Anordnung darstellt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer derartigen
erfindungsgemäßen Sensoranordnung darstellt;
Fig. 3a einen vereinfachten schematischen Querschnitt
durch einen Eingang einer der parallelen CCD-Leitungen
der Sensoranordnung nach Fig. 2 darstellt, der zusätzlich
das Potentialmuldenprofil während der Ladungsintegration
und des Hintergrundabzugs zeigt;
die Fig. 3b bis 3e Potentialmuldenprofile im Querschnitt nach Fig. 3a in aufeinanderfolgenden Phasen des Funktionsablaufs zeigen;
die Fig. 3b bis 3e Potentialmuldenprofile im Querschnitt nach Fig. 3a in aufeinanderfolgenden Phasen des Funktionsablaufs zeigen;
Fig. 4 eine Draufsicht eines Teils einer der parallelen
CCD-Leitungen einer derartigen erfindungsgemäßen Sensoranordnung
darstellt, bei der die Restsignal-Speichermulde
seitlich angeordnet ist, und zusätzlich die Signalladungsintegrations-
und Hintergrundabzugsphase in Funktion
darstellt;
Fig. 5 eine Draufsicht von einem Teil einer der parallelen
CCD-Leitungen einer weiteren erfindungsgemäßen
Sensoranordnung darstellt und zusätzlich die Signalladungs-Integrations-
und Hintergrundabzugsphase in
Funktion darstellt;
Fig. 6a einen vereinfachten schematischen Querschnitt
durch einen Eingang einer Ladungsübertragungsleitung
einer weiteren erfindungsgemäßen Sensoranordnung darstellt
und zusätzlich das Potentialmuldenprofil während
der Ladungsintegration darstellt, und
Fig. 6b bis 6e die Potentialmuldenprofile im Querschnitt
nach Fig. 6a in verschiedenen Phasen des Funktionsablaufs
zeigen.
Es ist anzumerken, daß alle Figuren nur schematisch und
nicht maßstäblich sind, und daß die Abmessungen einiger
Teile zur Verdeutlichung und aus zeichentechnischen
Gründen stark übertrieben wurden. Die bei einer Ausführungsform
verwendeten Referenzbezeichnungen werden
im allgemeinen auch zur Bezeichnung entsprechender oder
ähnlicher Teile bei den anderen Ausführungsformen verwendet.
Die Infrarot-Bildsensor-Anordnung nach Fig. 1 und 2 umfaßt
eine Matrix von Infrarot-Detektorelementen 10, in
der durch auftreffende Infrarotstrahlung 25 Ladungssignale
erzeugt werden, sowie ein Substrat 1 mit Signalverarbeitungsschaltung,
die ein Ausgangssignal liefert, das
dem auf die Matrix auftreffenden Strahlungsbild 25 entspricht.
Dieser Substratschaltkreis umfaßt parallele
Ladungsübertragungsleitungen 30, die je eine Reihe von
Taktelektroden 31 bis 34 enthalten, die in Gruppen ª bis
z (in Fig. 2) als ladungsgekoppeltes Bauelement angeordnet
sind (zum Beispiel Gruppen von 4 Elektroden für ein
vierphasiges ladungsgekoppeltes Bauelement), um die Ladungsverschiebung
in der Leitung durch Anlegen von Taktspannungen
(zum Beispiel Φ(1), Φ(2), Φ(3) und Φ(4) für
ein Vierphasen-CCD) an diese Taktelektroden zu ermöglichen.
Der Querschnitt nach Fig. 1 verläuft über die
Breite zweier vollständiger Leitungen 30 und eines Teils
einer Leitung 30, wobei diese Leitungen in Perspektivrichtung
der Zeichnung nach Fig. 1 parallel zueinander
verlaufen. In diesem Querschnitt durch die Leitungen
30 sind nur zwei der Taktelektroden gezeigt, nämlich
die Elektroden 32 und 33. Bei der Anordnung nach Fig. 5
wäre in Fig. 1 nur die Taktelektrode 32 zu sehen.
Die Strahlungsdetektorelemente 10 sind am Schaltkreissubatrat 1
in dem Bereich befestigt, der diese parallelen
Ladungsübertragungsleitungen 30 enthält. An Stellen, die
zu einzelnen Gruppen ª bis z dieser Taktelektroden 31
bis 34 gehören und die entlang den Ladungsübertragungsleitungen
30 (d. h. in Perspektivrichtung der Zeichnung
nach Fig. 1) in bestimmten Abständen liegen, befindet
sich eine Matrix von Eingangsanschlüssen 2, 3, die der
Matrix der Detektorelemente 10 entspricht. Über diese
Eingangsanschlüsse 2, 3 sind die Detektorelemente 10 mit
den Ladungsübertragungsleitungen 30 verbunden. Der
Querschnitt nach Fig. 1 verläuft durch zwei derartige
Eingangsanschlüsse 2, 3, die, wie in der Zeichnung dargestellt,
eine Metallelektrode 3 umfassen, die mit einem
hochdotierten (N+) Halbleiter-Kontaktgebiet 2 in Kontakt
steht.
Abgesehen von der Signalverarbeitungsschaltung, die
- wie später beschrieben wird - so aufgebaut und organisiert
ist, daß eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
entsteht, ist der in Fig. 1 dargestellte spezielle
Vorrichtungsaufbau dem in unserer veröffentlichten
Britischen Patentanmeldung GB-A 20 95 905 (unsere Referenz:
PHB 32 767) beschriebenen ähnlich. So sind die
Detektorelemente 10 Photodioden, die in einem gemeinsamen
Körper 11 von infrarotempfindlichem Material, zum
Beispiel Cadmium-Quecksilber-Tellurid, aus gebildet
sind. Die Hauptmasse 14 des Körpers 11 het einen Leitfähigkeitstyp,
und jedes Detektorelement 10 hat einen
Bereich 13 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
der mit der Hauptmasse 14 einen p-n-Übergang 12 zum
Erfassen der im infrarotempfindlichen Material durch
die Infrarotstrahlung 25 erzeugten Ladungsträger bildet.
Die Materialzusammensetzung kann so gewählt werden, daß
sie auf Strahlung 25 zum Beispiel im Wellenbereich von
8 bis 14 Mikrometer oder im Wellenbereich von 3 bis 5 Mikrometer
reagiert. Diese Infrarot-Detektordioden 10
haben eine Elektrodenmetallisierung 23 und 24, die mit
den Gebieten 13 beziehungsweise der Hauptmasse 14 in
Kontakt stehen. Passivierende Isolierschichten 16 und
17 befinden sich auf den gegenüberliegenden Hauptflächen
des Detektorelement-Körpers 11.
Der Detektorelement-Körper 11 ist am Schaltkreissubstrat
1, das typischerweise aus monokristallinem Silizium besteht,
durch eine Schicht elektrisch isolierenden Klebstoffs
18 befestigt. Durch die gesamte Dicke des Körpers
11 sowie durch die Klebstoffschicht verläuft eine
Matrix von Öffnungen 20 bis zu den Eingangsanschlußelektroden
3, die an der oberen Hauptfläche des Substrats 1
freiliegen. Jede der Öffnungen 20 steht in Verbindung
mit einer Detektordiode 10, und der Mittenabstand
dieser Öffnungen 20 in der Vorrichtung nach Fig. 10
kann zum Beispiel 50 Mikrometer betragen. Die Detektordiodengebiete
13 verlaufen durch die gesamte Dicke des
Körpers 11 an den Seitenwandungen der Öffnungen 20 und
sind mit den Eingangsanschlußelektroden 3 der parallelen
CCD-Leitungen 30 des Substrats 1 über die Metallisierung
23, die sich in diesen Öffnungen 20 befindet, elektrisch
verbunden. Die Metallisierung 24 kann mit dem Hauptteil
14 an der Gesamtheit der äußeren Seitenwandungen
des Körpers 11 in Kontakt stehen und über diese Seitenwandungen
hinausgehen, so daß sie eine Metallisierungsbahn
4 berührt, die an der oberen Hauptfläche des Substrats
1 freiliegt. Die Bahn 4 stellt einen gemeinsamen
Anschluß für sämtliche Detektordioden 10 der Matrix dar
und ist an einen Spannungsimpulsgeber 50 angeschlossen,
der im Substrat 1 ausgebildet ist und dessen Funktion
nachstehend beschrieben wird. Für weitere Einzelheiten
des Aufbaus und des Fertigungsverfahrens, das für die
Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet werden kann, sei auf
die genannte veröffentlichte Britische Patentanmeldung
GB-A 20 95 905 verwiesen.
Wie in Fig. 2 dargestellt, besitzt die Signalverarbeitungsschaltung
im Substrat 1 ein Parallel-Seriell-CCD-Format,
bei dem die parallelen CCD-Leitungen 30 den
Zeilen der Detektorelement-Matrix entsprechen und mit
den Ladungssignalen von diesen Zeilen ein weiteres
ladungsgekoppeltes Bauelement 40 parallel ansteuern,
das ein serielles Ausgangssignal O/P jeder Spalte nacheinander
liefert. Im Falle einer Matrix von 32×32
Detektordioden 10 gibt es 32 parallele CCD-Leitungen
30 und 32 Gruppen ª bis z der Taktelektroden 31 bis 34
entlang jeder CCD-Leitung 30. Ebenso gibt es 32 von
den Detektordioden 10 kommende Eingangsanschlüsse 2, 3,
die in bestimmten Abständen entlang der Leitung 30 angeordnet
sind. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit
zeigt Fig. 2 nur einige der Detektordioden 10, Gruppen
ª bis z, und Eingangsanschlüsse 2, 3, und es zeigt ebenfalls
nicht das volle Ausmaß der Taktelektroden 31 bis
34 über die volle Breite der CCD-Leitungen 30.
Die Ladung wird durch Vierphasen-CCD-Betrieb entlang
den Ladungsübertragungsleitungen 30 im Takt verschoben,
wobei die Taktspannungen Φ(1), Φ(2), Φ(3) und Φ(4) von
einem Impulsgeber 51 an die Taktelektroden 31 bis 34 angelegt
werden. Die entlang der Leitung 30 verschobene
Ladung gelangt in eine Potentialmulde unter einer Taktelektrode
42 der Serienausgangs-CCD-Leitung 40. Diese
CCD-Leitung 40 kann ebenfalls vom Vierphasen-Typ sein,
und die Ladung wird entlang dieser Leitung getaktet, in
dem die Taktspannungen Φ(1)′, Φ(2)′, Φ(3)′ und Φ(4)′ von
einem Impulsgeber 52 an die zugehörigen Taktelektroden
41 bis 44 angelegt werden. Das Ausgangssignal kann in
bekannter Weise mit einem Feldeffekttransistor mit
isoliertem Gate 48, der von der End-Taktelektrode 44
durch ein an einen Impulsgeber 53 angeschlossenes Ausgangsgate
45 getrennt ist, erfaßt werden. Nach Lesen
des Ausgangssignals mit dem Transistor 48 wird das Ausgangspotential
in bekannter Weise über einen weiteren
Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate 49, der an
einen Impulsgeber 54 angeschlossen ist, zurückgesetzt.
Die Ladung kann direkt vom Bereich unterhalb der letzten
Taktelektrode 34 jeder Leitung 30 zum Bereich unter den
Eingangs-Taktelektroden 42 der Leitung 40 verschoben
werden, oder diese Ladungsverschiebung kann in bekannter
Weise durch Takten über einen Zwischenpuffer mit
einem Eingangsgate und einem Ausgangsgate gesteuert
werden. Sämtliche Impulsgeber 50 bis 54 und die Transistoren
48 und 49 können mit Hilfe bekannter Technologie
im Substrat 1 ausgebildet werden, wobei die Impulsgeber
in peripheren Bereichen des Substrats 1 außerhalb des
Bereichs, in dem die Ladungsübertragungsleitungen 30 und
40 liegen, angeordnet werden.
Die Ladungsübertragungsleitungen 30 und 40 können als
Oberflächenkanal-CCD ausgebildet werden. Vorzugsweise
werden die Leitungen 30 und 40 jedoch als CCD-Kanäle im
Materialinneren oder sogenannte "bulk channel"-CCD ausgebildet,
um eine größere Ladungsübertragungs-Effizienz,
Geschwindigkeit und Ladungstransportkapazität zu erreichen.
Fig. 1 zeigt ein solches Element mit Kanal im
Materialinneren, bei dem die Ladungsübertragungsleitung
ein völlig verarmtes n-Kanalgebiet 26 besitzt, bei dem
die Potentialmulden unter den Taktelektroden 31 bis 34
ausgebildet werden. Das n-Kanalgebiet 26 befindet sich
in einem schwachdotierten Siliziumsubstrat. Die Konfiguration
des n-Kanalgebiets 26 im Substrat 1 entspricht
dem Parallel-Serien-Format der Leitungen 30 und 40. Ein
höher dotiertes p-Sperrgebiet verläuft an der Peripherie
dieses n-Gebiets 26 im p-Substrat. Die Taktelektroden
31 bis 34 und 41 bis 44 sowie sonstige Elektroden, die
Gates und Speicherelektroden bilden, werden typischerweise
aus dotiertem polykristallinem Silizium gebildet
und von der Siliziumsubstrat-Oberfläche durch eine isolierende
dielektrische Schicht, typischerweise aus
Siliziumdioxid, isoliert. Diese Elektroden sind voneinander
getrennt und größtenteils auch mit elektrisch
isolierendem Material wie zum Beispiel Siliziumdioxid
bedeckt. Das elektrisch isolierende Material auf der
Siliziumsubstrat-Oberfläche ist in Fig. 1 mit der
Ziffer 5 bezeichnet. Im allgemeinen ist es wünschenswert,
aneinandergrenzende Taktelektroden der CCD-Leitungen
leicht zu überlappen, und dies kann in konventioneller
Weise erreicht werden, indem jede zweite
Elektrode (zum Beispiel die Elektroden 31, 33 und 42,
44) in einem zweiten Aufbringungsschritt gebildet werden,
nachdem auf den vorher aufgebrachten anderen Taktelektroden
(zum Beispiel den Elektroden 32, 34 und 41,
43) eine Isolierschicht gebildet wurde. Diese Überlappung
ist jedoch aus Gründen der Klarheit der Darstellung
in den Zeichnungen nicht wiedergegeben.
Bei der Sensoranordnung nach Fig. 1 und 2 wird nicht
das gesamte an den Eingangsanschlüssen 2, 3 von den
Detektordioden 10 entwickelte Ladungssignal entlang den
parallelen CCD-Leitungen 30 verschoben. Daher enthält
das von den Detektordioden 10 kommende Ladungssignal
einen hohen Hintergrundladungspegel infolge des Dunkel-Leckstroms
in den Detektordioden und des geringen thermischen
Kontrasts in der betrachteten Szene. Zumindest
ein bedeutender Teil dieser Hintergrundladung wird an
jedem Eingangsanschluß abgezogen und gemäß der vorliegenden
Erfindung über die Strahlungsdetektorelemente 10
abgeleitet. Zwei spezifische Beispiele besonderer Anordnungen
mit einem Eingangsgate 61, einer Hintergrund-Speicherelektrode
62, einem Schwellen-Abzugsgate 63
und einer Restsignal-Speicherelektrode 64 zur Realisierung
dieses Hintergrundabzugs sind in Fig. 4 und Fig. 5
dargestellt. Die allgemeinen Prinzipien und der Funktionsablauf
dieses Hintergrundabzugs und der Ableitung
werden jedoch zuerst anhand der Fig. 3a bis 3b beschrieben.
Zwecks klarer Darstellung in der Zeichnung
ist die Anordnung des Schwellengates 63 und der Restsignal-Speicherelektrode
64 an jeder Eingangsanschlußstelle
in Verbindung mit den einzelnen Elektrodengruppen
ª bis z in Fig. 2 nicht wiedergegeben. Weiterhin sind,
wie später anhand von Fig. 5 beschrieben, kein getrenntes
Gate 63, keine getrennte Elektrode 64 und kein getrennter
Impulsgeber 57 erforderlich.
Fig. 3a ist ein vereinfachter schematischer Querschnitt
durch einen Eingang einer der parallelen CCD-Leitungen
30, der einen Eingangsanschluß 2, 3 an einer Stelle der
Leitung 30, sowie eine Hintergrund-Speicherelektrode 62,
ein Eingangsgate 61 zwischen dem Eingangsanschluß 2, 3
und der Hintergrund-Speicherelektrode 62, ein Schwellengate
63 zwischen der Hintergrund-Speicherelektrode
62 und einer Signal-Speicherelektrode 64 zeigt. Der
Pfeil 75 stellt die Sammlung und Integration des von
der Detektordiode 10 kommenden Ladungssignals an dieser
Stelle dar. Während dieser Phase wird die Detektordiode
10 durch die am gemeinsamen Anschluß 4 und am
Eingangsgate 61 anliegenden Spannungen ganz vorspannungslos
gehalten; in einem typischen Beispiel der Anordnung
mit im Materialinneren befindlichem ("buried")
n-leitenden CCD-Kanal nach Fig. 1 kann der Detektordiodenanschluß
4 durch den Ruhespannungspegel des
Impulsgebers 50 auf etwa +5 Volt gehalten werden, und
an das Eingangsgate 61 wird ein höherer Spannungspegel
(zum Beispiel etwa +8 Volt) vom Geber 56 angelegt, um
die Schwellenspannung des Gates 61 zu berücksichtigen.
Der durch die Strahlung erzeugte Photostrom fließt dann
über den Eingangsanschluß 2, 3, wie durch Pfeil 75 gezeigt,
in die Speichermulden.
Die Hintergrund-Speicherelektrode 62 und das Schwellengate
63 dienen zum Abzug eines gegebenen Hintergrundpegels
vom Ladungssignal an diesem Eingangsanschluß 2, 3,
so daß nur der nach diesem Abzug verbleibende Teil des
Ladungssignals übertragen wird. Dieser Abzug ist auch
als Ladungssignal-Skimming bekannt. Die abgezogene Hintergrundladung
wird während des Skimming in einer Potentialmulde
72 unter der Hintergrund-Speicherelektrode 72
gehalten, während die Restsignalladung, die vom Hintergrund
"abgeschöpft" ("skimmed") wird, in einer Potentialmulde
74 unter der Restsignal-Speicherelektrode 64 gesammelt
wird. In Fig. 3a erläutert der Pfeil 76 das
Ladungs-Skimming. Die Ladungspegel in der Hintergrund-Speichermulde
72 und der Restsignal-Speichermulde 74
werden durch die Linien 77 beziehungsweise 78 dargestellt.
Gemäß der in der genannten, gleichzeitig eingereichten
Patentanmeldung beschriebenen Erfindung wird die Hintergrund-Speicherelektrode
62 an jeder Eingangsanschlußstelle
der parallelen CCD-Leitungen 30 durch
mindestens einen Teil von mindestens einer der Taktelektroden
32, 33, 34 der zugehörigen Ladungsübertragungsleitung
30 gebildet, wie in Fig. 3a gezeigt. Die
Tiefe der Hintergrund-Speichermulde 72 unter der zumindest
einen Taktelektrode 32, 33, 34 wird durch die
vom Impulsgeber 51 an diese Elektrode angelegte Taktspannung
Φ(2), Φ(3), Φ(4) gesteuert, so daß, wenn zwei
oder mehr Taktelektroden 32, 33, 34 als Hintergrund-Speicherelektrode
verwendet werden, ihre Spannungen
Φ(2), Φ(3), Φ(4) während der Hintergrundspeicher- und
Skimmingphase zusammen getaktet werden, so daß sich
unter diesen beiden oder mehr Elektroden 32, 33, 34 eine
gemeinsame Potentialmulde 72 bildet. Die Hintergrund-Speichermulde
72 unter der zumindest einen Taktelektrode
32, 33, 34 ist mit dem Eingangsanschluß 2, 3 über das
Eingangsgate 61 und mit der Restsignal-Speichermulde 74
über das Schwellengate 63 gekoppelt. Obwohl in Fig. 3a
nicht dargestellt, können das Schwellengate 63 und die
Restsignal-Speicherelektrode 64 ebenfalls durch zumindest
einen getrennt taktbaren Teil von zumindest einer
Taktelektrode (32, 33, 34) der CCD-Leitung 30 gebildet
werden, wie in der genannten, gleichzeitig eingereichten
Patentanmeldung beschrieben.
Während der in Fig. 3a dargestellten Phase der Ladungssignal-Integration
und des Skimming ermöglicht das
durch einen Impulsgeber 56 (sie Fig. 2) an das Eingangsgate
61 angelegte Potential, daß von der Strahlungsdetektordiode
10 injizierte Ladungsträger wie durch
Pfeil 75 dargestellt zur Hintergrund-Speichermulde 72
fließen. Die in dieser Mulde 72 gehaltene Ladungsmenge
(und damit der vom Ladungssignal abgezogene Hintergrundpegel
77) wird durch die Taktspannung Φ(2), Φ(3), Φ(4)
bestimmt, die an der (den) die Hintergrund-Speicher
elektrode 62 bildenden Taktelektrode(n) 32, 33, 34
anliegt, sowie durch die Potentialbarriere, die
zwischen den Mulden 72 und 74 durch die von einem
Impulsgeber (57 in Fig. 2) an das Schwellengate 63
angelegte Spannung entsteht. Ein Spannungsimpuls wird
auch auf die Elektrode 64 gegeben, um die Tiefe der
Speichermulde 74 für das "abgeschöpfte" Ladungssignal
78 zu steuern. Benachbarte Hintergrund-Speichermulden
72 entlang der CCD-Leitungen 30 werden durch Potential
barrieren voneinander getrennt, die unter mindestens
einer Taktelektrode (31 im gegebenen Beispiel) jeder
Gruppe durch den Spannungspegel Φ(1), der vom Impuls
geber 51 während dieser Phase des Funktionsablaufs auf
diese Elektrode 31 gegeben wird, entstehen.
Am Ende der Ladungssignal-Integrationsphase wird die an
das Schwellengate 63 durch den zugehörigen Impulsgeber
(57) angelegte Spannung reduziert, um die darunterlie
gende Potentialbarriere zu erhöhen, so daß die Ladung
78 in der Mulde 74 von der abgezogenen Hintergrundla
dung 77 in der Mulde 72 getrennt wird, wie in Fig. 3b
dargestellt. Die abgezogene Hintergrundspannung 77
wird dann von der CCD-Leitung 30 weggeführt, bevor die
Restsignalladung 78 entlang der CCD-Leitung 30 ver
schoben wird. Erfindungsgemäß wird dies durch Takten
des am gemeinsamen elektrischen Anschluß 4 der Strah
lungsdetektordioden 10 anliegenden Spannungspegels mit
Hilfe des Impulsgebers 50 bewirkt. Ebenso wird der am
Eingangsgate 61 anliegende Spannungspegel mit Hilfe des
Impulsgebers 56 getaktet. Der Anschluß 4 wird von
seinem Ruhepotentialpegel auf einen hohen Potential
wert, dessen Vorzeichen dem der abzuführenden Ladung 77
entgegengesetzt ist, getaktet, so daß die Dioden 10 in
Vorwärtsrichtung vorgespannt werden; somit wird der An
schluß 4, in einem typischen Beispiel einer Anordnung
mit CCD-Kanal im Materialinneren (buried-channel
device) nach Fig. 1, wo die Ladungsträger 77 Elektronen
sind, auf ein hohes positives Potential, zum Beispiel
+10 Volt, gebracht. Das Eingangsdate 61 wird ebenso
auf ein hohes Potentail getaktet. Das durch Pfeil 79
im Fig. 3c dargestellte Ergebnis ist, daß die abgezo
gene Ladung 77 dann von der Hintergrund-Speichermulde
72 über den Eingangsanschluß 2, 3, die zugehörige in
Vorwärtsrichtung vorgespannte Detektordiode 10 und den
gemeinsamen Detektordioden-Anschluß 4 zum Impulsgeber
50 fließt. Die Spannungspegel von Anschluß 4 und Ein
gangsgate 61 werden dann herabgesetzt, wobei der An
schluß 4 auf seinen Ruhespannungswert (+5 Volt im oben
gegebenen Beispiel) getaktet wird. Nach Abführen der
Hintergrundladung 77 von den CCD-Leitungen 30 kann die
Restsignalladung 78 jetzt entlang den CCD-Leitungen 30
zur Serienausgangs-CCD-Leitung 40 getaktet werden.
Hierfür ist die vom Geber 56 an das Eingangsgate 61
angelegte Spannung so bemessen, daß der Eingangsan
schluß 2, 3 von der CCD-Leitung 30 getrennt wird, und
anschließend legt der Impulsgeber 51 getrennte Span
nungspegel an die Taktelektroden 31 bis 34 an. Fig. 3d
zeigt die Situation, in der eine Potentialmulde 71
unter einer Taktelektrode (zum Beispiel 34) jeder
Gruppe gebildet wird, wobei diese Mulden 71 entlang den
CCD-Leitungen 30 durch Potentialbarrieren voneinander
getrennt sind, die unter den anderen Taktelektroden
(zum Beispiel 31 bis 33) gebildet werden. Das Schwel
lengate 63 wird dann geöffnet, und die Potentialmulde
74 unter der Elektrode 64 wird durch die daran angeleg
ten Spannungen (zum Beispiel vom Impulsgeber 57)
reduziert, so daß die Restsignalladung 78 in diese
Mulde 71 geleitet wird. Mittels der an den Elektroden
31 bis 34 anliegenden Taktspannungen Φ(1), Φ(2), Φ(3),
Φ(4) wird dieses Ladungspaket 78 sodann zu einer Mulde
unter der nächsten Taktelektrode (zum Beispiel Elek
trode 31) geleitet und so nach und nach entlang der
CCD-Leitung 30 durch normalen Vierphasen-CCD-Betrieb
zur Serienausgangsleitung 40 verschoben.
Fig. 4 zeigt ein mögliches Layout der Elektroden 31 bis
34 an jeder Eingangsanschlußstelle. In diesem Beispiel
werden die Taktelektroden 32, 33 und 34 alle zusammen
zur Bildung der Hintergrund-Speicherelektrode 32 ver
wendet, und der Einganganschluß 2, 3 und das Eingangs
gate 61 sind in einer Aussparung auf einer Seite der
Taktelektrode 33 angeordnet. In diesem Beispiel werden
auch die Restsignal-Speicherelektrode 63 und das Schwel
lengate 64 durch Elektroden gebildet, die auf einer
Seite der Taktelektrode 64 liegen. Obwohl in Fig. 4
zur klareren Darstellung nicht wiedergegeben, ist im
allgemeinen zwischen dem Eingangsanschlußgebiet 2 und
dem Eingangsgate 61, zwischen dem Eingangsgate 61 und
der Taktelektrode 33, zwischen den Taktelektroden 33
und 34, 34 und 31, 31 und 32 und 32 beziehungsweise 33,
zwischen der Taktelektrode 34 und dem Schwellengate 64,
sowie zwischen dem Schwellengate 64 und der Signal
speicherelektrode 63 eine leichte Überlappung vorhanden.
Während der Ladungsintegration und dem Hintergrundabzug
wird in den Potentialmulden unter den in Fig. 4 schraf
fiert gezeichneten Elektroden Ladung gesammelt, und
zwar die Hintergrundladung 77 unter den Elektroden 32,
33 und 34 und die "abgeschöpfte" Signalladung 78 unter
der Elektrode 64.
Fig. 5 zeigt ein weiteres mögliches Layout der Elek
troden an jeder Eingangsanschlußstelle, bei dem die
Taktelektroden der CCD-Leitung 30 nicht nur zur Bildung
der Hintergrund-Speichermulde 72, sondern auch des
Schwellengates 63 und der Speichermulde für das "abge
schöpfte" Signal 74 dienen. Damit wird eine besonders
kompakte Anordnung erreicht, die kein zusätzliches
Schaltelement zwischen den CCD-Leitungen 30 für den
Hintergrundabzug und die Hintergrundableitung erfordert.
Dadurch kann die Ladungstransportkapazität der CCD-
Leitungen maximiert werden. Bei den Leitungen 30 nach
Fig. 5 handelt es sich nach wie vor um Vierphasen-CCD-
Leitungen, jedoch wird in diesem Beispiel nur die
Taktelektrode 32 als Hintergrund-Speicherelektrode 62
verwendet. Die Taktelektrode 33 wird als Schwellengate
63 verwendet, und die Taktelektrode 34 dient als Spei
cherelektrode 64 für das "abgeschöpfte" Signal, während
die Eletrode 31 zur Trennung der Hintergrund-Speicher
mulde unter der Elektrode 32 von der vorangehenden
Mulde für das "abgeschöpfte" Signal unter Elektrode 34
dient. Diese Funktionen erfolgen alle durch Wahl ge
eigneter Taktspannungspegel Φ(1), Φ(2), Φ(3) und Φ(4),
die während der Phase der Ladungsintegration und des
Hintergrundabzugs vom Impulsgeber 51 angelegt werden.
Somit gibt es keinen getrennten Impulsgeber 57.
Bei dem Layout nach Fig. 5 wird die Hintergrundladung
77 in einer Potentialmulde unter der schraffiert ge
zeichneten Elektrode 32 gehalten, während die "abge
schöpfte" Signalladung 78 unter der schraffiert gezeich
neten Elektrode 34 gesammelt wird. Am Ende der Phase
der Ladungsintegration und des Hintergrundabzugs wird
die vom Geber 50 an den gemeinsamen Detektordiodenan
schluß 4 angelegte Spannung vom Ruhepegel auf ein hohes
positives Potential angehoben, und die vom Impulsgeber
56 an das Eingangsgate 61 angelegte Spannung wird eben
so angehoben, um die abgezogene Hintergrundladung 77
über die in Vorwärtsrichtung vorgespannten Detektor
dioden 10 von den CCD-Leitungen 30 in gleicher Weise wie
anhand von Fig. 3c beschrieben abzuführen. Nach Rück
stellung des Eingangsgates 61 wie in Fig. 3d wird dann
die "abgeschöpfte" Signalladung 78 unter der Taktelek
trode 61 durch normalen Vierphasen-CCD-Betrieb allmäh
lich entlang der CCD-Leitung 30 verschoben.
In den bisher beschriebenen Ausführungsformen diente
das Abzugsgate 63 als Schwellengate für den Hinter
grundabzug in der Skimming-Betriebsart. Es ist jedoch
möglich, diese Elektrodenkonfigurationen in einer
Ladungsteilungs-Betriebsart einzusetzen, um einen gege
benen Teil des Ladungssignals an jeder Stelle abzu
ziehen. In diesem letzteren Fall wird das Abzugsgate
63 während der Phase der Ladungssignalsammlung und
-integration auf einem Potential gehalten, das etwa
dem der Speicherelektroden 62 und 64 entspricht, so daß
in dieser Phase eine einzige breite Potentialmulde ent
steht. Anschließend wird das Potential von Gate 63
herabgesetzt, um eine Mulde 72 unter der Elektrode 62
von einer Mulde 64 unter der Elektrode 64 zu trennen
und das Ladungssignal zwischen diesen beiden Mulden
aufzuteilen. Mittels der von den Impulsgebern 50 und
56 angelegten Spannungen werden die Detektordioden 10
und das Eingangsgate 61 dann in ähnlicher Weise wie in
Fig. 3c dargestellt getaktet, um den in Mulde 72
gehaltenen Teil des Ladungssignals abzuführen.
Die Anwendung der Erfindung in Anordnungen, die sowohl
mit Ladungsteilung als auch mit Ladungsabzug arbeiten,
ist ebenfalls möglich. Ein Beispiel ist in den Fig. 6a
bis 6e dargestellt. In diesem Beispiel kann zumin
dest die Elektrode 64 von einem der Taktelektroden der
CCD-Leitung 30 gebildet werden. Die Anordnung ent
spricht der Anordnung nach den Fig. 3a bis 3c, außer
daß hier ein Teilungsgate 69 vorhanden ist, durch das
die Potentialmulde 72 in zwei getrennte Mulden 72a und
72b unterteilt werden kann. Wie durch Pfeil 75 in Fig. 6a
angedeutet, wird das von der Detektordiode 10 kom
mende Ladungssignal während der Integrationsphase in
einer breiten Speichermulde 72 unter der Speicherelek
trode 62 und dem Teilungsgate 69 gesammelt. Die Mulde
72 ist durch das am Schwellengate 63 anliegende Poten
tial von der Haupt-CCD-Leitung 30 getrennt. Das Tei
lungsgate 69 wird sodann getaktet, um die gesammelte
Ladung in zwei Pakete zu teilen, von denen das erste
in der Mulde 72a und das zweite in der Mulde 72b ge
halten wird, wie in Fig. 6b dargestellt. Durch Ab
senken des Schwellenpegels von Schwellengate 63 auf den
geeigneten Wert wird ein Teil 78 des zweiten Ladungs
pakets, wie durch Pfeil 76 in Fig. 6c dargestellt, in
eine Mulde unter der Elektrode 74 "abgeschöpft". Genau
dieser Teil 78 wird anschließend, wie in Fig. 6d ge
zeigt, entlang der CCD-Leitung 30 verschoben. Nach
Takten des Gates 63 zur Trennung der CCD-Leitung 30 von
der Mulde 72b wird das Teilungsgate 69 wieder geöffnet,
um das erste Paket und den abgezogenen Teil des zweiten
Pakets wie in Fig. 6d gezeigt, zusammenzuführen. Auf
ähnliche Weise wie für Fig. 3c beschrieben werden so
dann der gemeinsame Detektordiodenanschluß 4 und das
Eingangsgate 61 mittels der Impulsgeber 50 beziehungs
weise 56 auf ein hohes Potential getaktet, so daß
dieses vereinte Ladungspaket 80, wie durch Pfeil 79 in
Fig. 6e angegeben, über den Eingangsanschluß 2, 3, die
zugehörige in Vorwärtsrichtung vorgespannte Detektor
diode 10 und den gemeinsamen Detektordiodenanschluß 4
zum Impulsgeber 50 abgeführt wird.
Es ist offensichtlich, daß im Rahmen der vorliegenden
Erfindung viele weitere Modifikationen möglich sind.
So kann statt der Verwendung eines getrennten Eingangs
gates 61 und einer getrennten Speicherelektrode 62 das
abgezogene Ladungssignal bei einigen Anordnungen nur im
hochdodierten Diffusionsgebiet 2 einer Eingangsdiode
gespeichert werden, und ein Abzugsgate 63 kann als Ein
gangsgate zwischen diesem Diodengebiet 2 und der CCD-
Leitung 30 dienen.
Statt der Infrarotstrahlungs-Detektordiode 10 aus
Cadmium-Quecksilber-Tellurid in der in Fig. 1 darge
stellten Form können diese in einer epitaxialen
Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Schicht auf einem Cadmium-
Tellurid-Substrat ausgebildet werden, wobei ihre ein
zelnen Elektrodenanschlüsse 23 wie in der in Fig. 1
dargestellten Anordnung der bereits erwähnten Arbeit
von Chow et al. aus Indium oder sonstigen Metall-bump-
Verbindungen bestehen. Das Innere der Cadmium-Queck
silber-Tellurid-Schicht kann nach wie vor ein gemein
sames Diodengebiet (14) bilden, das mit dem gemeinsamen
elektrischen Anschluß 4 verbunden ist. Es ist eben
falls möglich, daß jede Infrarotstrahlungs-Detektor
diode 10 in einem getrennten Körper aus Cadmium-Queck
silber-Tellurid ausgebildet wird, der auf dem Signalver
arbeitungsschaltkreis-Substrat 1 befestigt ist. Der
artige Anordnungen sind in Fig. 10 des Artikels "CCD
Readout of Infra-red Hybrid Focal-Plane Arrays" auf den
Seiten 175 bis 188 der IEEE Transactions of Electron
Devices, Band ED-27, Nr. 1 vom Januar 1980, auf das in
unserer gleichzeitig eingereichten Patentannmeldung
82 04 158 (unsere Referenz: PHB 32 767) verwiesen wird,
dargestellt. Insbesondere im letzteren Fall können die
Detektordioden 10 der Matrix in Gruppen mit verschie
denen Gemeinschaftsanschlüssen 4 unterteilt werden. So
kann jede Zeile (oder alternativ jede Spalte) Detektor
dioden 10 in einer zweidimensionalen Matrix ihren
eigenen Gemeinschaftsanschluß 4 haben, der erfindungs
gemäß an einen eigenen Impulsgeber 50 angeschlossen
ist. Andere infrarotempfindliche Materialien, zum
Beispiel Blei-Zinn-Tellurid und Indium-Antimonid können
für die Detektordioden 10 verwendet werden. Es ist
ebenfalls möglich, die Detektordioden 10 für den Ein
satz im nahen Infrarotbereich aus Silizium herzustellen.
Anstelle von CCD-Elementen können für die Ladungsver
schiebungsleitungen BBD-Elemente verwendet werden.
Claims (11)
1. Infrarot-Bildsensor-Anordnung, bestehend aus
einer Vielzahl von Infrarotstrahlungs-Detektorele
menten, in denen durch die auftreffende Infrarot
strahlung Ladungssignale erzeugt werden, und einer
Signalverarbeitungsschaltung für die Verarbeitung
der von den Detektorelementen kommenden Ladungs
signale zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das
dem auf die Detektorelemente auffallenden Strah
lungsbild entspricht, wobei die genannte Schaltung
mindestens eine Ladungsübertragungsleitung enthält,
an die die Strahlungsdetektorelemente über Eingangs
anschlüsse gekoppelt sind, wobei jedes Detektorele
ment zwischen den Eingangsanschluß der Ladungsüber
tragungsleitung und einen zweiten elektrischen An
schluß der genannten Vielzahl von Detektorelementen
geschaltet ist und an jedem der Eingangsanschlüsse
mindestens eine Speicherelektrode und mindestens
ein Abzugsgate vorhanden ist, um zumindest einen
Teil des Ladungssignals abzuziehen, so daß nur ein
Teil des Ladungssignals von jedem Detektorelement
entlang der Ladungsübertragungsleitung übertragen
wird, sowie Mittel zum Abführen der abgezogenen
Ladung aus einer Speichermulde unter der Speicher
elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die abgezo
gene Ladung über die Strahlungsdetektorelemente
mittels einer Spannungsschaltvorrichtung abgeführt
wird, die mit dem zweiten elektrischen Anschluß
verbunden ist, so daß sie die an den Strahlungs
detektorelementen anliegende Spannung schaltet.
2. Bildsensor-Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsumschalt
vorrichtung ein Spannungsimpulsgeber ist.
3. Bildsensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsschaltvorrichtung
und die zumindest eine Ladungsverschiebungsleitung sich
in einem Signalverarbeitungsschaltkreis-Substrat befinden,
an dem die Strahlungsdetektorelemente befestigt sind.
4. Bildsensor-Anordnung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungs
detektorelemente Photodioden sind, die in einem gemein
samen Körper oder Körper-Teil aus infrarotempfindlichem
Material ausgebildet sind, dessen Hauptmasse ein gemein
sames Gebiet darstellt, das mit dem zweiten elektrischen
Anschluß verbunden ist.
5. Bildsensor-Anordnung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungs
übertragungsleitung zu einer Vielzahl paralleler Ladungs
übertragungsleitungen gehört und Strahlungsdetektorelemente,
die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, an
diese Leitungen über Eingangsanschlüsse in bestimmten Ab
ständen entlang dieser Leitungen angeschlossen sind.
6. Bildsensor-Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Strahlungsdetektor
elemente der Matrix einen gemeinsamen zweiten elektrischen
Anschluß haben, an den die Spannungsumschaltvorrichtung
angeschlossen ist.
7. Bildsensor-Anordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß an jeder der genannten Stellen
jede Ladungsübertragungsleitung eine Taktelektrode besitzt,
die auf einer Seite eine Aussparung hat, und ein Eingangs
gate und der Eingangsanschluß in jeder der genannten Aussparungen
angeordnet ist.
8. Bildsensor-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektorelemente
Photodioden aus Cadmium-Quecksilber-Tellurid sind.
9. Bildsensor-Anordnung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das an jedem Ein
gangsanschluß vorhandene mindestens eine Abzugsgate
ein Schwellengate umfaßt, um an diesem Eingang einen ge
gebenen Hintergrundpegel vom Ladungssignal abzuziehen.
10. Bildsensor-Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß das Schwellengate von zumindest einem Teil einer
Taktelektrode der Ladungsübertragungsleitung gebildet
wird.
11. Bildsensor-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das an jedem der Eingangs
anschlüsse vorhandene zumindest eine Abzugsgate ein Tei
lungsgate umfaßt, um an diesem Eingang einen gegebenen
Teil des Ladungssignals abzuziehen.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB8221786A GB2246237B (en) | 1982-07-28 | 1982-07-28 | Infra-red radiation imaging device arrangements |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3327075C1 true DE3327075C1 (de) | 1992-09-24 |
Family
ID=10531953
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3327075A Expired - Lifetime DE3327075C1 (de) | 1982-07-28 | 1983-07-27 | Infrarot-Bildsensor-Anordnungen |
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Country | Link |
---|---|
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DE (1) | DE3327075C1 (de) |
FR (1) | FR2682814B1 (de) |
GB (1) | GB2246237B (de) |
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US5236871A (en) * | 1992-04-29 | 1993-08-17 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method for producing a hybridization of detector array and integrated circuit for readout |
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- 1982-07-28 GB GB8221786A patent/GB2246237B/en not_active Expired
-
1983
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- 1983-07-27 FR FR8312419A patent/FR2682814B1/fr not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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FR2682814B1 (fr) | 1994-03-25 |
US5155362A (en) | 1992-10-13 |
GB2246237A (en) | 1992-01-22 |
GB2246237B (en) | 1992-06-03 |
FR2682814A1 (fr) | 1993-04-23 |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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Free format text: MANITZ, G., DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT. FINSTERWALD, M., DIPL.-ING. DIPL.-WIRTSCH.-ING., 80538 MUENCHENROTERMUND, H., DIPL.-PHYS., 70372 STUTTGART HEYN, H., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANWAELTE, 80538 MUENCHEN |
|
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Owner name: BAE SYSTEMS ELECTRONICS LTD., FARNBOROUGH, HAMPSHI |