DE3530222A1

DE3530222A1 - Ladungsuebertragungs-bildaufnahmevorrichtung des zwischenzeilen-typs

Info

Publication number: DE3530222A1
Application number: DE19853530222
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kodaira Tokio/Tokyo Akiyama; Kenji Katsuta Ibaraki Itoh; Norio Tokio/Tokyo Koike; Masaaki Tokorozawa Saitama Nakai; Shinya Kanagawa Ohba; Iwao Tokio/Tokyo Takemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1986-03-06
Also published as: NL8502270A; DE3530222C2; KR920010830B1; JPH0578946B2; JPS6153766A; US4774586A; KR860002151A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, bei der photoelektrische Wandlerelemente und Ladungsübertragungseinrichtungen zum Abrufen von Signalladungen aus den jeweiligen Elementen in einem Halbleitersubstrat integriert sind.

Es sind Festkörper-Bildaufnähmevorrichtungen entwickelt worden, die als Ladungsübertragungseinrichtungen ladungsgekoppelte Einrichtungen (im folgenden mit CCDs abgekürzt) verwenden.

CCD-Bildaufnahmevorrichtungen weisen wegen ihrer geringen Rauscheigenschaften eine hohe effektive Empfindlichkeit auf und haben als hauptsächliche Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen eine Zukunft. Die CCD-Bildaufnahmevorrichtungen teilt man grob in solche des Bildübertragungs-Typs und solche des Zwischenzeilen-Typs ein.

Der Bildübertragungs-Typ ist mit drei wesentlichen Nachteilen behaftet:

(1) Er benötigt nicht nur einen Bildbereich, sondern auch einen Speicherbereich, erfordert daher große Chip-Größen und geht mit geringer

Ausbeute einher;

(2) In Horizontalrichtung muß eine große Anzahl von Pixeln angeordnet sein, um die gewünschte Auflösung zu erzielen;

(3) Er weist geringe Empfindlichkeit auf.

In den .vergangenen Jahren waren daher Bemühungen in Forschung und Entwicklung auf den Zwischenzeilen-Typ gerichtet, der keinen der obigen Nachteile aufweist. Eine Beschreibung der CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs findet sich in dem "Preprint of the 1980 Symposium of the Inst, of Television Engineers of Japan",

Seiten 33 - 34.

Die Figuren 1A und 1B zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs. In Fig. 1A ist mit der Bezugsziffer 1 ein photoelektrisches Wandlerelement bezeichnet, das beispielsweise aus einer Photodiode besteht. Mit 2 und 3 sind Vertikal- und Horizontal-CCD-Schieberegister bezeichnet, die dazu dienen, optische Signale von den photoelektrischen Wandlerelementen einer Ausgangsklemme 4 zuzuführen. Bei den Gruppen von Einrichtungen 5-1 bis 5-4 und 6-1 bis 6-2 handelt es sich um Taktgeneratoren für die Vertikalbzw. Horizontal-Schieberegister. Im vorliegenden Beispiel werden für diese Schieberegister ein vier- bzw. ein zweiphasiger Taktgenerator verwendet; es ist jedoch auch möglich, generell mit vier- oder mit zwei-phasigen Takten zu arbeiten. Mit der Bezugsziffer 7 ist ein Übertragungs-Gate bezeichnet, das die in der Photodiode gespeicherte Ladung auf das Vertikal-Schieberegister 2 überträgt. Die Vorrichtung, bei der es sich um eine Schwarz-Weiß-Bildauf— 0 nahmevorrichtung handelt, kann durch Aufschichten eines Farbfilters auch zur Farbbildaufnahme verwendet werden, wobei jede Photodiode mit Farbinformation beaufschlagt wird.

Fig. 1B zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel.

Dabei besteht die Photodiode 1 beispielsweise aus einem Halbleiter mit einem n-Störstoff. Mit dem Symbol 2-1 ist eine der das Vertikal-CCD-Schieberegister bildenden Elektroden bezeichnet; das Symbol 2d bezeichnet eine Störstoffschicht (beispielsweise des n-Typs), die den Kanal des Vertikal-Schieberegisters zu einem buried-channel macht (diese Schicht ist bei einem Oberflächenkanal nicht erforderlich); mit 8 ist ein Substrat beispielsweise des p-Typs bezeichnet; mit 9 ein Gate-Oxidfilm (z.B. ein

dünner SiO₂-FiIm), der die Elektrode gegenüber dem Substrat isoliert, und mit 10 ein Feldoxidfilm (z.B. ein dicker SiO₃-FiIm) zur Trennung der Pixel.

Wie oben erwähnt, ist die Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs gegenüber derjenigen des Bildübertragungs-Typs insofern von Vorteil, als sie sich wegen ihrer geringen Chip-Größe zur Massenfertigung eignet, nur eine kleine Anzahl an horizontalen Pixeln (etwa 1/3 der beim Bildübertragungs-Typ erforderlichen horizontalen Pixel) erfordert und hohe Empfindlichkeit aufweist. Selbst der Zwischenzeilen-Typ ist jedoch in seiner Leistung den gegenwärtig beim Fernsehen eingesetzten Bildaufnahmeröhren unterlegen und ist mit den folgenden schwierigen Problemen behaftet, die noch zu lösen sind:

(1) In Vertikalrichtung wird mit Zeilensprungabtastung gearbeitet. Bei der Bildaufnahmevorrichtung werden beispielsweise die Pixel-Signale in den ungeraden Zeilen (d.h. in den Zeilen 1,3, 5, ...2N-1) im ersten Halbbild und die in den geraden Zeilen (2, 4, 6,...2N) im zweiten Halbbild ausgelesen. Infolgedessen werden im ersten Halbbild des nächsten Bildes die Signale derjenigen Zeilen, die nicht im vorhergehenden Halbbild ausgelesen worden sind (d.h. der ungeraden Zeilen), zusätzlich zu neuen Signalen ausgelesen (ein Phänomen, das gewöhnlich als "Nachzieheffekt" bezeichnet wird). Eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist, zeigt keinen Nachzieheffekt. In Wirklichkeit tritt ein solcher jedoch aufgrund des oben

beschriebenen Zeilensprungverfahrens auf. Das Ausmaß des Nachzieheffektes beträgt bis hinauf zu 50% und ist stärker als bei Elektronenstrahlröhren. Dieses Maß ist für das menschliche Auge unangenehm.

(2) In Vertikalrichtung sind Filter der gleichen Farbe über zwei Pixelzeilen hinweg vorgesehen. Daher weist die Vorrichtung in Vertikalrichtung trotz der Anwendung der Zeilensprung-Abtastung sowie der Verwendung von schachbrett-artigen

Farbfiltern (wobei Filter der Farbe grün, der Hauptkomponente des Leuchtdichtesignals, gegenüber den Rot- und Blau-Filtern in doppelter Anzahl vorhanden sind), nur ein Auflösungsvermögen auf, das der halben Pixel-Zahl entspricht, was

zu einer verschlechterten Bildqualität führt.' Diese Einschränkung in Verbindung mit dem unter (1) beschriebenen Nachzieheffekt behindert den praktischen Einsatz der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung.

(3) Wird zur Verbesserung der Empfindlichkeit ein Komplementärfarbfilter mit hohem Transmissionsgrad verwendet, so entsteht infolge von Farbsignal-Vorgängen ein Moire-Effekt, der die BiIdqualität verschlechtert.(Bei Verwendung eines

Primärfarbfilters, bestehend aus Rot-, Blau- und Grün-Filtern mit geringem Transmissionsgrad, ist dagegen das Maß der entstehenden Moire-Bildung gering.)
25

Es hat sich gezeigt, daß es zur Lösung der obigen Probleme erforderlich ist. Signale aus zwei benachbarten Zeilen von Photodioden gleichzeitig auszulesen und die Signale über verschiedene Vertikal-CCD-Schieberegister zu übertragen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Signale aus zwei Zeilen von Photodioden gleichzeitig auslesen", daß beide Signale für die beiden benachbarten Abtastzeilen innerhalb der gleichen

Horizontal-Abtastperiode von der Bildaufnahmevorrichtung abgegeben werden. In diesem Zusammenhang hat einer der Erfinder mit Unterstützung seiner Mitarbeiter die in Fig. dargestellte CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs vorgeschlagen (europäische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 77003}. In Fig. 2 ist mit 2-1 und 2-2 ein Paar von entgegengesetzten Vertikal-CCD-Schieberegistern bezeichnet, die über einen Isolator 11 elektrisch voneinander getrennt sind. Signale von zwei in Vertikalrichtung benachbarten Zeilen, beispielsweise von den durch die Photodioden 1-1, 1-2 und 1-3, 1-4 dargestellten Zeilen, werden auf verschiedene Vertikal-CCD-Schieberegister zum Horizontal-CCD übertragen. Die von den Vertikal-CCD-Schieberegistern 2-1 und 2-2 abgegebenen Signale werden weiterhin über Horizontal-CCD-Schieberegister 3-1 bzw. 3-2 auf Ausgangsklemmen 4-1 bzw. 4-2 übertragen.

Eine praktische Auswertung hat ergeben, daß sich die oben erwähnten Probleme durch Anwendung dieses zweispaltigen Vertikal-CCD-Systems lösen lassen. Allerdings hat dieses System zu neuen Problemen geführt, zu denen die verringerte Photodiodenfläche (Verringerung in der Menge der gespeicherten Daten bzw. Signale sowie engerer dynamischer Bereich), die Verringerung der dem Licht ausgesetzten Fläche (Apertur) und die begrenzte Empfindlichkeit trotz der Verwendung eines Komplementärfarbfilters gehören. Bei der Bemühung, diese Probleme zu lösen, sind die Erfinder zu dem Konzept gelangt, "zwei Zeilen gleichzeitig unter Verwendung einer Spalte von Vertikal-CCD-Schieberegistemauszulesen" . Eine Art der Verwirklichung dieses Konzeptes besteht in der Verwendung von Vertikal-CCD-Schieberegistern mit dreiphasiger Ansteuerung, der

Signalspeicherung in einer der drei Elektroden und der sukzessiven übertragung des Signals. Die Bildaufnahmevorrichtung des Bildübertragungs-Typs ist bezüglich dreiphasiger Ansteuerung günstig, da sie verhältnismäßig viel Platz für den Bildbereich aufweist. Dagegen ist beim Zwischenzeilen-Typ die Verwirklichung eines Systems mit dreiphasiger Ansteuerung aus folgenden Gründen schwierig:

(1) Sowohl die Vertikal-CCDs als auch die Photodioden belegen die gleiche Fläche,

was wenig Platz übrig läßt;

(2) Anders als bei der herkömmlichen vier- oder zweiphasigen Ansteuerung (mit gerader Phasenzahl) lassen sich nicht sämtliche Taktleitungen in Vertikalrichtung regelmäßig anordnen. Bei der

dreiphasigen Steuerung verläuft die Leitung für eine der drei Phasen unvermeidbar in einer unregelmäßigen Weise (wobei sie beispielsweise in jeder Zeile umgeleitet wird oder durch die Mittelpunkte der Photodioden verläuft), was zu

Unregelmäßigkeiten in der Lichtempfindlichkeit und zu Flimmern führt. Außerdem ist die Verdrahtung für diese Phase wegen des Pegelunterschieds zwischen dem Leitungsdraht und den Leitungen für die beiden anderen Phasen unvermeid

bar ungleichmäßig, woraus weitere Unregelmäßigkeiten in der Lichtempfindlichkeit resultieren;

(3) Auch eine in der Fertigung auftretende geringe Fehlausrichtung in den Masken für die dreiphasigen Elektroden führt zu Unregelmäßigkeiten in der

Empfindlichkeit.

Im Ergebnis erfordert die Verwirklichung eines Systems mit gleichzeitiger Auslesung von zwei Zeilen unter

Verwendung des Zwischenzeilen-Typs mit dreiphasiger Ansteuerung einen Schaltungsaufbau guter Konzeption und Konstruktion.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Bildaufnähmevorrichtungen nach dem Stand der Technik bestehen, zumindest teilweise zu beseitigen. Eine speziellere Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Ladungsübertragungs-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs anzugeben, bei der die vertikalen Ladungsübertragungseinrichtungen in drei Phasen angesteuert werden, ohne daß die oben beschriebenen Unregelmäßigkeiten in der Empfindlichkeit entstehen.

Im Hinblick auf diese Aufgabe besteht erfindungsgemäß jede der vertikalen Ladungsübertragungseinrichtungen aus mehreren Gruppen von drei Elektroden, wobei jede Elektrode in drei Phasen angesteuert wird, und wobei die Leitungsdrähte zur Zuführung von Steuerimpulsen an zwei der drei Elektroden in Horizontalrichtung verlaufen, während der Leitungsdraht zur Zuführung des Steuerimpulses an die dritte Elektrode in Vertikalrichtung verläuft.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1A

und 1B, auf die oben schon Bezug genommen wurde,

den Aufbau einer herkömmlichen CCD-Bildaufnahmevorrichtung ,

Fig. 2, die ebenfalls bereits erwähnt wurde, den Aufbau einer verbesserten CCD-Bildaufnahme

vorrichtung ,

Fig. 3A ein Schaltbild für den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 3B eine schematische Draufsicht auf ein Pixel

der Bildaufnahmevorrichtung nach Fig. 3A,

Fig. 3C einen Schnitt längs der Linie x-x in Fig. 3B,

Fig. 3D einen Schnitt längs der Linie y-y¹ in Fig. 3B,

Fig. 3E ein Diagramm zur Veranschaulichung der

Ubertragungs-Gate-Potentiale der- Bildaufnahmevorrichtung ,

Fig. 3F ein Impulsdiagramm des die Ubertragungs-Gates und Vertikal-CCDs der Bildaufnahme

vorrichtung aussteuernden Impulses,

Fig. 3G eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Horizontal-CCD der Bildaufnahmevorrichtung sowie der Potentialsenke des Horizontal-CCD,

Fig. 3H ein Impulsdiagramm der das Horizontal-CCD aussteuernden Impulse,

Fig. 4A,

4Bund 4C schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele eines Pixels, die sowohl von dem

Ausführungsbeispiel nach Fig. 3A als auch voneinander verschieden sind,

Fig. 5A,

5C, 5E

und 5G Draufsichten auf Pixeln gemäß weiteren

Varianten der Erfindung,

Fig. 5B,

5D, 5F

und 5H jeweils Schnitte längs der Linie y-y¹ in Fig. 5A, 5C, 5E bzw. 5G, Fig. 6A eine Draufsicht auf ein Pixel gemäß einem

weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6B einen Schnitt längs der Linie y-y¹ in Fig. 6A,

Fig. 6C einen Schnitt längs der Linie x-x¹ in

Fig. 6A,
Fig. 7A

und 7B schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 7A

den Gesamtaufbau einer Bildaufnähmevorrichtung und Fig. 7B ein Horizontal-CCD dieser Vorrichtung darstellt,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. 9A,

9Bund 9C schematische Darstellungen einer weiteren Variante der Erfindung, wobei Fig. 9A den Gesamtaufbau einer Bildaufnahmevorrichtung, Fig. 9B ein Pixel dieser Vorrichtung und

Fig. 9C einen Schnitt längs der Linie x-x¹ in Fig. 9B zeigen, und Fig. 10 ein schematisches Schaltbild einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung. 20

Anhand von Fig. 3A bis 3H sollen zunächst Aufbau, Arbeitsweise und Impulsdiagramme einer CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs erläutert werden. In Fig. 3A ist mit 1 ein Photodiodenbereich bezeichnet, mit 20 ein Vertikal-CCD-Schieberegister und mit 21 eine Elektrode, die aus beispielsweise für eine erste Schicht verwendetem polykristallinen Silizium besteht und der beispielsweise ein Taktimpuls Φ1 der ersten Phase zugeführt wird. Mit 22 ist eine Elektrode bezeichnet, die aus beispielsweise für eine zweite Schicht verwendetem polykristallinen Silizium besteht und an der beispielsweise ein Taktimpuls Φ2 für die zweite Phase liegt. 23a bezeichnet eine Elektrode, die aus für die dritte Schicht verwendetem polykristallinen Silizium besteht und an der

beispielsweise der Taktimpuls φ3 für die dritte Phase liegt. Die Zuführdrähte 21b und 22b für die Elektroden 21 und 22 der ersten bzw. der zweiten Schicht verlaufen in Horizontalrichtung, während der Zuführdraht für die dritte Elektrode 23a, d.h. die dritte Schicht 2 3 selbst, in Vertikalrichtung verläuft und die Elektroden 21 und kreuzt- IDer Draht 21b ist unter dem Draht 22b angeordnet und daher in Fig. 3B nicht zu sehen.) Gemäß Fig. 3B ist die Elektrode 23 so angeordnet, daß sie die Elektroden 21 und 22 bedeckt und außerdem als Gatter oder Gate 70 wirkt. Mit 1e, 2Oe und 7Oe sind dabei die Umrisse der Photodiode 1, einer einen buriedchannel bildenden Störstoffschicht 2Od bzw. des Übertragungs-Gates 70 bezeichnet. In Fig. 3C ist mit 1d eine Photodioden-Störstoffschicht bezeichnet, mit 2Od eine Störstoffschicht, die den Kanal des Vertikal-CCD 20 zu einem buried-channel macht, und mit 23 die Elektrode der dritten Schicht, die die Elektrode 2 3a des Vertikal-CCD-Schieberegisters bildet und gleichzeitig als Übertragungs-Gate 70 wirkt. In Fig. 3D bezeichnen 21, 22 und 23 die das Vertikal-CCD-Schieberegister bildenden Elektroden der ersten, der zweiten bzw. der dritten Schicht. Die Elektrode 23 verläuft dabei in Vertikalrichtung. Fig. 3E zeigt die Potentialverteilung beim Auslesen von Signalladung Q aus der Photodiode. In Fig. 3F ist das Impulsdiagramm des dem Vertikal-CCD-Schieberegister zugeführten Vertikal-Taktimpulses dargestellt. Dabei ist als Beispiel einer der dreiphasigen Impulse, nämlich der Taktimpuls φ3 mit hohem Pegel VH zum Auslesen, als Beispiel dargestellt. (Die anderen beiden Phasen φ1 und φ2 können jeweils die beiden Pegel VL und VM annehmen. Die Phasen φ1, φ 2 und φ 3 sind um 120° gegeneinander phasenversetzt.)

Anhand der Zeichnungen, insbesondere der Fig. 3E und 3F_f soll nun die Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung erläutert werden.

Durch das Licht, das während der Halbbildperiode nach der vorhergehenden Signalauslesung auftrifft, wird in der Photodiode 1 Signalladung Q gespeichert. Indem der Impuls φ3 zum Zeitpunkt to innerhalb der Vertikal-Austastperiode TVBL auf den Pegel VH angehoben wird, sinkt das Potential am Übertragungs-Gate vom Pegel φL auf den Pegel ΦΗ (TG). Infolge der Zuführung der Spannung des Pegels VH fällt das Potential der Elektrode 23a auf den Pegel φΗ (CCD). Infolgedessen wird die in der Photodiode gespeicherte Ladung Q über das auf dem Pegel φΗ (TG) befindliche Übertragungs-Gate auf das Vertikal-CCD übertragen, wie dies durch den Pfeil ATG dargestellt ist.

Sind sämtliche Ladungen übertragen, d.h. ist der Auslesevorgang beendet, so wird das Potential der Photodiode wieder auf das Potential φΗ (TG) des Übertragungs-Gates zurückgesetzt. Danach beginnt die Photodiode mit der Speicherung der Signalladung für das nächste Bild. Zum Zeitpunkt ti sinkt die Spannung des Impulses auf VM ab, aber bis zum Zeitpunkt t2 wird vorübergehend Signalladung Q unter der Elektrode 23a gespeichert. Zum Zeitpunkt t2 fällt die Impulsspannung auf den Pegel VL, und die Signalladung Q unter der Elektrode 23a verschiebt sich unter die Elektrode 22, an der der Taktimpuls φ 3 mit dem Pegel VM anliegt. Zum Zeitpunkt t2 oder kurz danach endet die Vertikal-Austastperiode, und die Bildsignalperiode beginnt. Mit dem Beginn der Bildperiode werden die Taktimpulse Φ1, φ2 und φ3, die zwischen den Pegeln VL und VM wechseln, den Elektroden 21, 22 und 23a zugeführt, und die Ladung Q unter der Elektrode 22 wird über die Elektroden 21, 23a, 22 und 21 in dieser Reihen-

folge auf das Horizontal-CCD-Schieberegister übertragen. Während dieser Ladungsübertragung, d.h. während der Bildsignalperiode, wird das Übertragungs-Gate im nichtleitenden Zustand erhalten, und von der Photodiode geht keine Ladung aus, da das Übertragungs-Gate-nicht mit dem Pegel VH beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird die Ladung in .dem Vertikal-CCD-Schieberegister in jeweils einer Elektrode entsprechenden Mengen, d.h. jeweils entsprechend einer Zeile, an das Horizontal-CCD-Schieberegister übertragen. Da von den Photodioden die Ladungen aus zwei Zeilen ausgelesen werden müssen, ist es erforderlich, Signalladungen für zwei Zeilen, Q2N und Q2N-1, dem Horizontal-CCD zuzuführen und diese Ladungen über das CCD gleichzeitig zu übertragen. Um dies mittels eines Horizontal-CCD zu erreichen, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Horizontal-CCD 30 so ausgelegt, daß es mittels des dreiphasigen Taktimpulses einen doppelten Übertragungsvorgang ausführt. Dieser doppelte Übertragungsvorgang soll unten beschrieben werden. Eine übertragung von Ladungen für zwei Zeilen kann auch durch Verwendung von zwei oder mehreren Horizontal-CCDs erreicht werden. Dieses Verfahren wird später anhand der Fig. 7A und 7B erläutert.

Die Ladungsübertragung von dem Vertikal- auf das Horizontal-CCD erfolgt während der Horizontal-Austastperiode, die in jeder Horizontal-Abtastperiode vorgesehen ist (normalerweise 64psec). Zum Zeitpunkt t4 innerhalb der Horizontal-Austastperiode wird die Signalladung Q2N in der Photodiode der 2N-ten Zeile auf die Horizontal-CCD-Elektrode 31 übertragen. Zum Zeitpunkt t5 schreitet die Signalladung Q2N um eine Stufe innerhalb des Horizontal-CCD weiter und verschiebt sich unter die Elektrode 32, wie dies in Fig. 3A mit dem Pfeil A2N dar-

gestellt ist. Als nächstes wird zum Zeitpunkt t6 die Signalladung Q2N-1 in der Photodiode der (2N-1)-ten Zeile unter die Elektrode 31 gebracht, wie dies durch den Pfeil A2N-1 dargestellt ist. Mit anderen Worten werden Signale für zwei Zeilen, 2N und 2N-1, unter zwei benachbarte Elektroden innerhalb des Horizontal-CCD gebracht. In dem in Fig. 3G dargestellten Querschnitt des Horizontal-CCD 30 mit seiner internen Potentialsenke ist angedeutet, daß die beiden Signalladungen Q2N und Q2N-1 unter zwei benachbarten Elektroden 32 bzw. 31 - gespeichert werden. Das Horizontal-CCD 30 ist aus den Elektroden 31a, 32a, 33a usw. der ersten Schicht und den Elektroden 31b, 32b, 33b usw. der zweiten Schicht aufgebaut, wobei alle diese Elektroden auf einem Gate-Oxidfilm 9 (beispielsweise einer dünnen SiO₂-Schicht) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 8 vorgesehen sind. Zur Anhebung des Oberflächenpotentials unter den Elektroden der zweiten Schicht, d.h. zur Bildung einer Störschicht, dient eine Störstoffschicht 34, die den gleichen Leitungstyp aufweist wie das Substrat 8. Diese Sperrstoffschicht kann durch Ionenimplantation von Atomen erzeugt werden, um in denjenigen Bereichen der Substratoberfläche, die nicht durch die als Maske dienenden Elektroden der ersten Schicht bedeckt sind, Bereiche des gleichen Leitungstyps wie das Substrat auszubilden. Die Elektroden 31, 32, 33, die Speicherbereiche bilden, bestehen aus Paaren von Elektroden 31a, 31b; 32a, 32b; 33a, 33b der ersten und der zweiten Schicht. Zur Ladungsübertragung werden den Elektroden 31, 32 und 33 Taktimpulse φ 4, φ 5 und φ 6 zugeführt. Wie in Fig. 3H gezeigt, sind diese Taktimpulse um 120° gegeneinander phasenversetzt.

Fig. 3G zeigt den Potentialzustand zum Zeitpunkt t6, wenn die Taktimpulse Φ 4 und φ 5 auf hohem Pegel liegen und

der Taktimpuls φ6 einen niedrigen Pegel aufweist. Am Ende der Horizontal-Austastperiode und Beginn der Bildsignalperiode ändert sich die Potentialsenke mit dem Taktimpuls, so daß eine Ladungsübertragung stattfindet. Zunächst wird dabei zum Zeitpunkt t7 die Signalladung Q2N von der Elektrode 32 zur Elektrode 33 verschoben. Zum Zeitpunkt t8 wird die Signalladung Q2N-1 von der Elektrode 31 zugeführt, wobei die Elektrode 32 entleert wird. Durch Wiederholung dieses Vorgangs lassen sich die Signale Q2N und Q2N-1 zweier Zeilen der Ausgangsklemme 40 zuführen. Der oben beschriebene Vorgang der horizontalen CCD-Ladungsübertragung, d.h. der Übertragung zweier Signale unter Verwendung eines einzelnen CCD (Signal, Signal, LEER, Signal, Signal, LEER,..

wird als doppelter Übertragungsvorgang bezeichnet. ..Im anschließenden Halbbild wird das in der Photodiode gespeicherte Signal in der gleichen Weise wie oben auf das Horizontal-CCD übertragen·. Um das Signal während einer Horizontal-Austastperiode von dem Vertikal- auf das Horizontal-CCD zu überführen, werden Signale zweier Zeilen (d.h. ein Paar von Signalen der Zeilen 2N-1 und 2N-2) , die gegenüber dem vorherigen, oben erwähnten Halbbild um eine Zeile verschoben sind, in diesem Halbbild dem Horizontal-CCD zugeführt, wobei diese Signale in der Bildsignalperiode durch den doppelten Übertragungsvorgang transportiert werden, so daß an der Ausgangsklemme 40 Gruppen von Signalen für zwei Zeilen, die um eine Zeile verschoben sind, abgenommen werden können. Auf diese Weise wird eine gleichzeitige Zwei-Zeilen-Auslesung in Übereinstimmung mit der Zeilensprung-Abtastung durchgeführt.

Zur Übertragung von Signalen auf das Horizontal-CCD mit einer Zeilenverschiebung gegenüber dem vorhergehenden Halbbild gibt es verschiedene Verfahren. Im folgenden sollen

zwei einfache Verfahren erläutert werden:

(1) Zunächst werden Signale der Photodioden in der letzten Zeile (die dem Horizontal-CCD am nächsten liegt) dem Horizontal-CCD zugeführt und während der Vertikal-Austastperiode an die

Ausgangsklemme 40 weitergegeben. Dies bedeutet, daß die Signale in der Photodiode der letzten Zeile nicht verwendet werden. Auf diese Weise werden in dem Vertikal-CCD Signale, die bezüglieh des vorhergehenden Halbbildes um eine Zeile

verschoben sind, der Reihe nach geordnet.

(2) Im Gegensatz zu dem oben unter (1) beschriebenen Verfahren werden Signale der Photodiode in der ersten Zeile (die vom Horizontal-CCD am weitesten entfernt ist) durch umgekehrte Aussteuerung des Vertikal-CCD in Rückwärtsrichtung übertragen und während der Vertikal-Austastperiode auf die den photoelektrischen Wandlerbereich umgebende Diffusionsschicht (drain) übertragen. Infolgedessen werden die Signale dem Vertikal-CCD

gegenüber dem vorhergehenden Halbbild um eine Zeile verschoben. Sodann werden die Signale in der oben beschriebenen Weise von dem Vertikalauf das Horizontal-CCD überführt. 25

Vorstehend sind Aufbau und Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 erläutert worden. Zusätzlich sollen der folgende Aufbau und die folgende Arbeitsweise betrachtet werden:

(1) Beim Auslesen von Signalladung aus der Photodiode des Vertikal-CCD wird bei dem oben beschriebenen Vorgang Ladung nur in der Elektrode 2 3a gespeichert. Durch Anlegen von Spannung des

Pegels VH oder VM an die Elektrode 21 oder 22 kann die Ladung aber auch unter zwei Elektroden 23a und 21 bzw. 23a und 22 gespeichert werden. Durch Ladungsspeicherung in zwei Elektroden wird die Speicherkapazität erhöht und der Potentialan

stieg aufgrund von an das Vertikal-CCD übertragener Ladung vermindert. Im Ergebnis wird der Potentialanstieg unter dem Übertragungs-Gate (der als Rückkopplungseffekt bezeichnet wird) verringert, und es bleibt weniger Ladung ungelesen

(d.h. der Nachzieheffekt wird reduziert). Im Vergleich zu dem auf dem
Zeilensprungverfahren beruhenden Nachzieheffekt/ der beim Stand der Technik erläutert wurde und bei gegenwärtigen Vorrichtungen ein

Problem darstellt, ist der Nachzieheffekt aufgrund Rückkopplung sehr gering. Obwohl jedoch durch die hier beschriebenen Maßnahmen der auf Zeilensprung beruhende Nachzieheffekt beseitigt und die Empfindlichkeit verbessert worden ist,

kann der -durch Rückkopplung bedingte Nachzieheffekt immer noch optisch wahrnehmbar sein, so daß auch dieser eliminiert werden soll.

(2) In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel

ist das Übertragungs-Gate 70 aus der Elektrode der dritten Schicht aufgebaut. Es kann jedoch auch, wie in Fig. 4A dargestellt, aus der Elektrode der ersten Schicht oder gemäß Fig. 4B aus den Elektroden sowohl der ersten als auch

der dritten Schicht aufgebaut sein. Wie ferner in Fig. 4C dargestellt, kann es von den das Vertikal-CCD bildenden drei Elektroden getrennt

und beispielsweise aus einer Elektrode 24 einer vierten Schicht aufgebaut sein. In Fig. 4B ist die die Leitfähigkeit des Übertragungs-Gates 70 bestimmende Kanalbreite W größer als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4A, so daß die 2um

Auslesen von Ladung aus der Photodiode des Vertikal-CCD erforderliche Zeit verringert werden kann und die ausgelesene Ladung in dem Vertikal-CCD unter zwei Elektroden gespeichert wird, so daß die Speicherkapazität zunimmt und die

Ladungsmenge, die wegen des oben beschriebenen Rückkopplungseffektes ungelesen bleibt, reduziert werden kann. Das Übertragungs-Gate kann auch aus den Elektroden der zweiten und der dritten Schicht aufgebaut sein. (Für dieses Ausführungsbeispiel

sind wegen seiner Ähnlichkeit mit dem Beispiel nach Fig. 4B keine Figuren vorhanden.) (3) In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel

ist die Vorrichtung so aufgebaut, daß die Flächen der Vertikal-CCD-Elektroden 21, 22 und 23a gleich

sind. Zur Vereinfachung des Layouts können die drei Elektroden auch unterschiedliche Flächen haben. Wie in Fig. 4A gezeigt, sind beispielsweise die Kanallängen L1, L2 und L3 in übertragungsrichtung unterschiedlich (d.h. L1 φ L2 φ L3

oder L1 = L2 φ L3).

Vorstehend ist der grundsätzliche Aufbau der in Rede stehenden CCD-Bildaufnahmevorrichtung beschrieben worden. Ein weiterer im vorliegenden Zusammenhang wesentlicher Teil besteht in dem Aufbau der CCD-Elektroden; insbesondere sind Aufbau und Material der Elektrode der dritten Schicht für die praktische Ausführung von Vorrichtungen des

Zwischenzeilen-Typs wesentlich. Die Figuren 5A bis 5H zeigen einen Aufbau, der sich insbesondere mit der Elektrode der dritten Schicht befaßt.

Der Übertragungsteil des Vertikal-CCD muß insbesondere gegen Lichteinfall geschützt werden, da das als Gate-Elektrode der Zwischenzeilen-Vorrichtung verwendete polykristalline Silizium transparent ist. Dies geschieht durch einen Lichtabschirmfilm, der jedoch die Lichteintrittsöffnung (Apertur) der Photodiode verringert. Der Film muß daher unter Berücksichtigung der beiden oben erwähnten Faktoren ausgebildet werden. Gemäß Fig. 5A und 5B (die den Figuren 3B und 3D entsprechen) sollte ein aus Metall, etwa Aluminium, bestehender Lichtabschirmfilm 25 auf der Elektrode 23 der dritten Schicht ausgebildet werden. Bei der Herstellung dieses Films treten jedoch Probleme auf, da erstens bei der Ausrichtung des Films mit der Elektrode 23 des Poly-Si-Gates hohe Genauigkeit erforderlich ist, zweitens der Unterschied zwischen den verschiedenen gestuften Höhen des Substrats zu groß ist, um den Lichtabschirmfilm genau auszubilden, und drittens die Anzahl der Verfahrensschritte zu groß ist. Daneben bestehen weitere Probleme. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, in denen diese Probleme gelöst sind, zeigen die Fig. 5C und 5D, 5E und 5F sowie 5G und '5H.

In den Fig. 5C und 5D ist der Fall dargestellt, daß als Elektrode der dritten Schicht eine Elektrode 26 aus Metall mit einem Lichtabschirmeffekt (etwa aus Al, W, Mo) verwendet wird. In anderen Ausführungsformen gemäß Fig. 5E und 5F wird als Elektrode 27 der dritten Schicht eine Doppelstruktur verwendet, die aus einer Silicid-Elektrode 27a (etwa aus einer Legierung von Si und Mo oder einer Legierung von Ni und W), die eine hervor-

ragende Lichtabschirmwirkung aufweist, und einer PoIy-Si-Schicht 27b besteht. Die Fig. 5G und 5H zeigen eine Elektrode 28 der dritten Schicht, bei der die Doppelstruktur aus einer Metallschicht 28a (etwa aus Elementen wie Al, W, Mo) mit hoher Lichtabschirmwirkung und einer Poly-Si-Schicht 28b besteht. In diesen Ausführungsbeispielen sind die oben erwähnten drei Probleme gelöst, da die Gate-Elektrode der dritten Schicht einen Lichtabschirmeffekt besitzt.

In Fig. 6A und 6C ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Photodiode keine solche des Sperrschicht-Typs sondern des MIS-Typs (Metall-Isolator-Halbleiter)ist. Wie in Fig. 6A gezeigt, können die das Vertikal-CCD bildenden Elektroden 21, 22 und 23 und das Übertragungs-Gate in gleicher Weise wie bei den obigen Ausführungsbeispielen nach Fig. 3B bis 3D oder 4A, 4B oder 4C angeordnet sein. Im vorliegenden Fall wird das Übertraguhgs-Gate 70 leitfähig gemacht, wenn an der Elektrode 23 eine Spannung hohen Pegels VH anliegt. Infolgedessen wird die in der MIS-Photodiode 1a (deren Umriß mit 1e bezeichnet ist) gespeicherte Signalladung Q über das Übertragungs-Gate unter die Elektrode 23a gebracht. In dem Bereich 1a der Photodiode ist gemäß der Querschnittsdarstellung nach Fig. 6C eine transparente Elektrode 1b (die aus SnO₂ oder InO₂ oder einem PoIy-Si-FiIm einer Dicke von weniger als einigen nm besteht) auf dem dünnen Oxidfilm 13 (dessen Dicke vergleichbar ist mit der des Gate-Oxidfilms 9 oder mehrmals größer ist als diese) angebracht. Wird an die transparente Elektrode 1b eine bestimmte Spannung angelegt, so entsteht an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 8 ein Verarmungsbereich 14, woraufhin die durch einfallendes Licht erzeugte Ladung (z.B. Elektronen), in diesem Verarmungsbereich gespeichert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die

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Elektrode 1b für die Photodiode der Einfachheit halber nur in dem Diodenbereich angebracht. Es kann jedoch auch die gesamte Oberfläche der Vorrichtung mit der Elektrode bedeckt sein. (Ist die Elektrode auf dem gesamten Bereich vorgesehen, so bildet sich jedoch der Verarmungsbereich, der bei Anlegen der bestimmten Spannung die photoelektrische Wandlung bewirkt, nur in dem Bereich 13, wo der Oxidfilm eine geringe Dicke aufweist, während in dem Bereich 10, der mit dem dicken Oxidfilm bedeckt ist, kein Verarmungsbereich entsteht.)

In den oben erläuterten Ausführungsbeispielen wird die Signalladung von zwei gleichzeitig ausgelesenen Zeilen von Photodioden über ein Simplex-Horizontal-CCD-Schieberegister auf die Ausgangsklemme übertragen. Gegenüber dem Fall der Bildaufnahmevorrichtung nach Fig. können hier jedoch auch zwei oder mehr (im vorliegenden Fall zwei) Horizontal-CCDs eingesetzt werden. In Fig. 7A sind Horizontal-Schieberegister mit 131 und 132 bezeichnet. Die Signale von in geradzahligen Zeilen angeordneten Photodioden werden dem Schieberegister 132 (gemäß dem Pfeil 152) und die Signale aus den Photodioden in ungeradzahligen Zeilen werden dem Schieberegister 131 (gemäß dem Pfeil 151) zugeführt. An Ausgangsklemmen 141 und 142 werden andererseits Zweizeilen-Signale abgenommen.

In Fig. 7B ist die Art und Weise gezeigt, auf die die Ladungen an die zwei Horizontal-CCD-Schieberegister gelangen. Dabei ist mit 160 ein Schaltgatter bezeichnet, das die Register 131 und 132 voneinander trennt und das Signal dem Register 132 zuführt, während mit 170 ein Schaltimpulsgenerator bezeichnet ist, der das Schaltgatter öffnet und schließt. Es sei beispielsweise angenommen, daß das Signal von der Photodiode in einer gerad-

INSPECTED

zahligen Zeile aus dem Schieberegister 131 über den Schalter 160, dem von dem Generator 170 eine hohe Spannung zugeführt wird (und der dadurch leitend wird), an das Schieberegister 132 abgegeben wird. Anschließend wird das Signal von der Photodiode in einer ungeradzahligen Zeile dem Schieberegister 131 zugeführt. Dieses Signal wird nicht in das Schieberegister 132 eingeleitet, da in diesem Fall der Schalter unter niedriger Spannung bzw. im nicht-leitenden Zustand steht. Die Einleitung dieser Signale in die Schieberegister 132 und 131 erfolgt in der Horizontal-Austastperiode wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3A.

In dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Vertikal-CCD-Schieberegister 20 und dem Horizontal-CCD 131 ein Signalzwischenspeicher eingebaut. Dieser Speicher besteht aus Elektroden der ersten bis dritten Schicht wie im Falle der CCD-Elektroden. (Alternativ ist es auch möglich, daß der Speicher nur aus der Elektrode der ersten oder der dritten Schicht oder aus einer Kombination von Elektroden der ersten und der zweiten Schicht besteht.) An den Elektroden liegen Impulse, die von Generatoren 181, 182, 183... erzeugt werden. Aufgrund dieses Impulsbetriebs werden Signale von Photodioden, die in geradzahligen Zeilen liegen, an das Schieberegister 132 geleitet, während die Signale von Photodioden in ungeradzahligen Zeilen in der Horizontal-Austastperiode ti 1 vorübergehend in dem Speicher 190 gespeichert werden. Die Signale der Photodiode, die in der (2n-1)-ten Zeile liegt, wird in der Periode t12 aus dem Speicher 190 in das Schieberegister 131 überführt. Durch Einbau des Speichers zur Speicherung der Signale von einer oder zwei

Zeilen von Photodioden läßt sich -die übertragung des Signals in das Horizontal-CCD-Schieberegister nach Wunsch zeitlich steuern. (Anders ausgedrückt, läßt sich die zeitliche Beschränkung, die durch die Vertikal-Taktimpulse φ 1, φ2 und Φ3 auferlegt wird, durch Einbau des Speichers abmildern.) Die obige Beschreibung gilt für den Fall, daß Signale über den Speicher in die beiden Horizontal-CCD-Schieberegister geleitet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Signale von zwei benachbarten Photodioden-Zeilen über den Speicher in das einem Horizontal-CCD-Schieberegister benachbarte Bit zu leiten.

Wie beschrieben, können die Signale von zwei Photodioden-Zeilen in einer CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs über ein einzelnes Vertikal-CCD-Schieberegister ausgegeben werden. Aus diesem Grund ist in der Vorrichtung genügend Platz vorhanden. Bei Verwendung dieses Platzes als Photodioden-Bereich kann dessen Lichtaufnahmeöffnung vergrößert werden. Es ist aber auch möglich, in diesem Platz eine weitere CCD-Schieberegister-Zeile einzubauen, um Nachziehladung zu sammeln. In Fig. 9A und 9C ist eine CCD-Bildaufnähmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs gezeigt, bei der ein CCD zum Sammeln von Nachziehladung vorgesehen ist. In Fig. 9A ist mit 200 dieses CCD-Schieberegister zum Sammeln von Nachziehladung bezeichnet, das unter Zwischenschaltung einer Isolierzone 220 parallel zu dem Vertikal-CCD-Schieberegister 20 angeordnet ist. 213 bezeichnet die Elektrode der dritten Schicht, die das CCD 200, das Vertikal-CCD 20 und das übertragungs-Gate 70 bedeckt. Die das CCD 200 bildenden Elektroden der ersten und der zweiten Schicht sind mit 201 bzw. bezeichnet. An den Elektroden 201 und 21, 202 und 22 sowie 203 und 23a liegen beispielsweise Taktimpulse Φ1,

Φ2 bzw.cf>3.

In der in Fig. 9B in Draufsicht gezeigten Anordnung der einzelnen Pixeln nach Fig. 9A sowie in der Querschnittsdarstellung nach Fig. 9C ist mit 20Od die buriedchannel-Schicht des die Nachziehladung sammelnden CCD bezeichnet. Die von zwei Photodioden-Zeilen gleichzeitig ausgelesenen Signale werden in gleicher Weise wie oben über ein einziges Vertikal-CCD-Schieberegister 20 in die Horizontal-CCD-Schieberegister 131 und 132 geleitet. Die durch den Lichteinfall erzeugte Ladung wird von der Photodiode aufgefangen und in erster Linie in die Signalladung umgesetzt. Die als Nachzieh-Ladung bezeichnete Ladung diffundiert teilweise in andere Bereiche und erscheint auf dem Bildschirm des Fernsehmonitors in Form von vertikalen weißen Streifen. Die Nachziehladung gelangt auch in das Vertikal-CCD-Schieberegister 20 und in das CCD 200. Die in das CCD 200 eintretende Nachziehladung wird in das sie sammelnde Horizontal-CCD 133 geleitet.

Die Menge der in das Vertikal-CCD 20 gelangenden Nachziehladung sei mit qv, die in das CCD 200 gelangende Nachziehladung mit qs bezeichnet. Die von dem Vertikal-CCD-Schieberegister 20 abgegebene Ladung ergibt sich dann zu Q + qv (wobei Q die Signalladung bedeutet) und die von dem CCD 200 .zugeführte Ladung zu qs. Die Größen qv und qs hängen jedenfalls von der geometrischen Anordnung des Vertikal-CCD, des Nachziehladungs-Sammel-CCD und der Photodioden sowie von der Breite jedes CCD-Kanals ab. Das Verhältnis zwischen qv und qs richtet sich außerdem nach dem Layout der Vorrichtung und läßt sich ausdrücken als qv > qs, qv < qs oder qv = qs. Ist qv > qs (qv = ctqs mit ot> 1) , so läßt sich die von Nachziehladung freie Signalkomponente (Q) dadurch erhalten, daß die Differenz

ORIGINAL INSPECTED

zwischen dem Pegel des an den Ausgangsklemmen 141 und 142 abgeleiteten Signals und dem Nachzieh-Ausgangssignal an der Klemme 143 gebildet wird, nachdem das Nachzieh-Ausgangssignal des Horizontal-CCD 133 mit dem Faktor α verstärkt worden ist. Um die von Nachziehladung freie Signalkomponente (Q) im Falle von qv <qs zu erzielen wird die Differenz zwischen dem Pegel des Signals von den Klemmen 141 und 142 und dem Nachzieh-Ausgangssignal nach Dämpfung des Nachzieh-Ausgangssignals des Horizontal-CCD 133 auf 1/α des ursprünglichen Pegels berechnet. Zur Verstärkung und Dämpfung dienen Verstärkungsfaktoren von MOS-Source-Folgeschaltungen 145, 146 und 147, die generell als Ausgangskreise verwendet werden, wobei diese Verstärkungsfaktoren' an den Klemmen 141, 142 und 143 unterschiedlich oder von den Eingängen von den Ausgangsklemmen 141, 142 und 143 nachgeschalteten Subtrahiergliedern (z.B. Differenzverstärkern) verschieden sein können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kanalbreite WS oder WSH des Nachziehladungen sammelnden CCD-Schieberegisters kleiner als die Kanalbreite WV des Vertikal-CCD 20 oder als die Kanalbreite WH der Horizontal-CCDs 131 und 132. Ist die Kanalbreite WS des Nachziehladungs-Sammel-CCD zu groß, so nimmt die Oberfläche (oder Lichteinfallsöffnung) der Photodiode ab, da die Menge an Nachziehladung 1/50 bis 1/100 der Signalladung ausmacht. (Je nach Anwendung der Vorrichtung oder Leistung kann diese auch so ausgelegt sein, daß WS = WV oder WS >WV ist.)

Es ist eine CCD-Bildaufnahmevorrichtung des BiId-Zwischenzeilen-Typs vorgeschlagen worden, um die Stärke des Nachzieheffektes zu verringern (Kuroda et al., FID-CCD Imaging Device, Preprints of the Symposium of

Original inspected

the Institute of Television Engineers of Japan, 1982, Seiten 35 - 36). In der oben vorgeschlagenen Vorrichtung wird die im Bildbereich erfaßte Signalladung zur vorübergehenden Speicherung in den dem Bildbereich benachbarten Speicherbereich übertragen. Der Nachzieheffekt wird dabei im Vergleich zu der herkömmlichen Vorrichtung nach Fig. 1A und IB in der Größenordnung um das 10-fache dadurch verringert, daß die Signalladung mit einer Geschwindigkeit übertragen wird, die das 10-Fache der normalen Geschwindigkeit beträgt.

Ein Ausführungsbeispiel einer CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Bild-Zwischenzeilen-Typs, bei der die vorliegende Erfindung Anwendung findet, ist in Fig. 10 gezeigt. Darin ist der Bildbereich mit 230 bezeichnet, der Speicherbereich mit 240 und das Horizontal-CCD-Schieberegister mit 30. In dem Bildbereich sind das Vertikal-CCD-Schieberegister, das aus den Elektroden der drei Schichten gemäß Fig. 3A und 3D aufgebaut ist und durch einen dreiphasigen Taktimpuls ausgesteuert wird , sowie die Photodiode angeordnet. Das CCD-Schieberegister zur vorübergehenden Speicherung ist andererseits im Speicherbereich angeordnet (eine Photodiode ist unnötig). Dieses zur vorübergehenden Speicherung dienende Register kann wie bei dem Bildbereich aus der Elektrode von drei (oder zwei) Schichten aufgebaut sein und mit dem drei- (oder vier-)phasigen Taktimpuls ausgesteuert werden. Dabei gibt das bei jedem Taktgenerator 250 stehende Symbol N die Zahl der Taktphase an (N = 1, 2, 3, 4, 5...). Die in dem Speicherbereich vorübergehend gespeicherte Signalladung wird in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3A in das Hörizontal-CCD-Schieberegister eingebracht. Die Signale für eine Gruppe von zwei

Photodioden-Zeilen lassen sich an der Ausgangsklemme 40 sequentiell abnehmen.

Wie oben erläutert, läßt sich im Rahmen der Erfindung eine CCD-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs schaffen, die aus dreiphasig ausgesteuerten, aus drei Schichten aufgebauten Vertikal-CCD-Schieberegistern aufgebaut ist und keine Unregelmäßigkeiten in der Empfindlichkeit aufweist. Bei der praktischen Verwendung dieser Bildaufnahmevorrichtung lassen sich folgende Effekte erzielen:

(1) Die Signale werden in dem Halbbild von sämtlichen Zeilen von Photodioden nach dem gleichzeitigen Zwei-Zeilen-Ausleseverfahren ausgelesen. Dadurch wird das Auftreten eines Nachziehbildes (image lag) verhindert.

(2) Eine Verschlechterung der Vertikal-Auflösung wird verhindert. Da ein Auflösungsvermögen erreichbar ist, das der Anzahl von in der Vorrichtung verwendeten Pixeln entspricht, wird die Bildqualität verbessert.

(3) Die Lichteinfallsöffnung wird wesentlich vergrößert. Außerdem ist eine noch höhere Empfindlichkeit erreichbar, da das Komplementärfarbfilter verwendbar wird (d.h. das Auftreten von Moire-Effekten wird vermieden).

(4) Die CCD-Elektrode der dritten Schicht arbeitet gleichzeitig als Lichtabschirmfilm; außerdem verläuft der von dieser Elektrode vertikal ausgehende Leitungsdraht in einer sehr einfachen Form. Die so aufgebaute Vorrichtung ist daher

frei von sehr starken Form-Ungleichmäßigkeiten, und Unregelmäßigkeiten in der Empfindlichkeit werden minimiert (d.h. die Empfindlichkeit ändert

sich nicht von einem Pixel zum anderen). Durch die Verwendung der genannten Lichtabschirmelektrode werden auch Nachzieheffekte oder Unscharfen (smear) sehr klein.

PS/we

- Leerseite -

Claims

Patentanwälte; \

STREHL SCHÜBEL-HÜPF SCHULZ 3 R ^ Π ?

WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 " "

Hitachi, Ltd.

DEA-27 269 23. August 1985

Ladungsübertragungs-Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Typs

PATENTANSPRÜCHE

1 . Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit

einer Vielzahl von photoelektrischen Wandlereineinrichtungen (1), die in horizontaler und in vertikaler Richtung regelmäßig angeordnet sind, einer Vielzahl von Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtungen (20),

einer Vielzahl von Übertragungs-Gates (70), über die jeweils die in einer photoelektrischen Wandlereinrichtung (1) bei Lichteinfall erzeugte Signalladung in den Kanal unter einer bestimmten Elektrode (23a) der Vertikal-Ladungsüber-

tragungseinrichtung (20) übertragen wird, und einer Hörizonta1-Ladungsübertragungseinrichtung (30)

über die die von der Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtung (20) abgegebene Signalladung horizontal übertragen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtung (20)

aus einer Vielzahl von Gruppen von drei mit dreiphasigen Impulsen ausgesteuerten Elektroden (21, 22, 23a) aufgebaut ist,

daß die Leitungen (21b, 22b), über die zwei (21, 22)

der drei Elektroden mit Aussteuerimpulsen versorgt werden, in Horizontalrichtung verlaufen, und

daß die Leitung (23), über die die dritte Elektrode (23a) mit Aussteuerimpulsen versorgt wird, in Vertikalrichtung verläuft (Fig. 3).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennze ichnet durch eine Einrichtung (25) zum Abschirmen der Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtung (20) gegen Lichteinfall (Fig. 5B).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung aus der in Vertikalrichtung verlaufenden Leitung und der mit dieser

Leitung verbundenen Elektrode (26) aufgebaut ist, und
daß die Leitung und die Elektrode (26) aus lichtabschirmendem Metall bestehen (Fig. 5D).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung eine lichtabschirmende Silicid-Schicht (27b) umfaßt, die auf der
in Vertikalrichtung verlaufenden Leitung und der mit dieser verbundenen Elektrode (27a) angeordnet ist (Fig. 5F).
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung eine lichtab schirmende Metallschicht (28a) aufweist, die auf der in
Vertikalrichtung verlaufenden Leitung und der mit dieser verbundenen Elektrode (28b) angeordnet ist, und daß die
Leitung und die Elektrode (28b) aus polykristallinem
Silizium bestehen (Fig. 5H).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die das Übertragungs-Gate (70) bildende Elektrode aus einer oder zwei der besagten drei Elektroden (21, 22, 23a) aufgebaut ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

gekennzeichnet durch eine Einrichtung (190) zur vorübergehenden Speicherung der Signalladung zwischen

-A-

der Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtung (20) und der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (131, 132) (Fig. 8).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (190) eine Kapazität zur Speicherung der Signalladung von den in ein oder zwei Zeilen horizontal angeordneten photoelektrischen Wandlereinrichtungen (1) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (190) eine Kapazität zur Speicherung der Signalladung von den photoelektrischen Wandlereinrichtungen (1) in sämtlichen Zeilen aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Ladungsübertragungseinrichtungen (200) zur Übertragung von Nachziehladung (smear charge) .
11. Bildaufnahmegerät mit einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 sowie einem Impulsgenerator (51...53, 61...63) zur Erzeugung von Impulsen zur Aussteuerung der Vertikal-Ladungs-

übertragungseinrichtung (20) , des Übertragungs-Gates (70) und der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) ,

dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (51...53, 61. ..63) die Impulse zur Aussteuerung der Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtung (20) und der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) derart erzeugt, daß die Signalladungen aus den in zwei benachbarten Zeilen angeordneten photoelektrischen Wandlereinrichtungen (1) von der Vertikal- auf die Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung übertragen werden, wobei die Zwei-Zeilen-Kombination zwischen ungeradzahligen und geradzahligen Halbbildern verschieden ist, und ferner die Signalladungen von den in zwei Zeilen angeordneten Photodioden (1) über die Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) in der an eine Horizontal-Austastperiode anschließenden Bildsignalperiode auf ihre Ausgangsklemmen (40) übertragen werden.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalladungen von den photoelek- trischen Wandlereinrichtungen (1), die der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) am nächsten angeordnet sind, von der Vertikal- auf die Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung in der Vertikal-Austastperiode eines von zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern übertragen und die Signalladungen von der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) auf ihre Ausgangsklemmen (40) abgegeben

werden.
13. ' Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalladungen von den Photo- dioden (1), die in der von der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) am weitesten entfernten Zeile angeordnet sind, durch die Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtung (20) von der Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) weg übertragen und aus dem Bereich abgegeben werden, wo photoelektrische Wandlereinrichtungen (1) angeordnet sind.
14. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Horizontal-Ladungsübertragungsein- richtung (30) eine Ladungsübertragungseinrichtung enthält, die die Signalladungen von in zwei Zeilen angeordneten Photodioden separat überträgt.
15. Gerät nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Horizontal-Ladungsübertragungseinrichtung (30) zwei Ladungsübertragungseinrichtungen (131, 132) aufweist, von denen eine die Signalladungen von den in einer von zwei Zeilen angeordneten Photodioden und die andere die Signalladungen von den Photodioden der anderen Zeile überträgt (Fig. 7).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Leitungen (21b, 22b, 23) verbundenen drei Elektroden (21, 22, 23a) aus drei gegeneinander isolierten Leiterschichten aufgebaut sind.