DE3725004A1 - Bildaufnahmeanordnung mit einem feststoffbildaufnehmer und einem elektronischen verschluss - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahme­ anordnung mit einem Feststoffbildaufnehmer und einem elektronischen Verschluß, wobei dieser Bildaufnehmer in einem Halbleitersubstrat Bildaufnahmeelemente aufweist zum Umwandeln auftreffender Strahlung in elektrische La­ dungsverluste über vorgespannte Halbleiterübergänge in einer Bildinformationsintegrationszeitdauer und ein damit gekoppeltes Parallel-ein-Reihe-aus-Schieberegister zum anschließenden Weiterschieben der elektrischen Ladungs­ verluste unter Ansteuerung von einem Steuersignalgenerator gelieferter Taktimpulssignale zu einer Aufnehmerausgangs­ klemme zum Abgeben eines Bildsignals, wobei der elektro­ nische Verschluß während eines Teils der Bildinformations­ integrationszeitdauer unter Ansteuerung eines von dem Steuersignalgenerator gelieferten Verschlußsignals mit einer Ladeverbindung bei den Bildaufnahmeelementen wirksam ist.

Eine derartige Bildaufnahmeanordnung ist in der US Patentschrift 37 15 485 beschrieben. Dabei sind in dem Substrat die Bildaufnahmeelemente mit je einem für Licht­ strahlung empfindlichen, vorgespannten Halbleiterübergang zwischen p- und n-leitenden Halbleitermaterialien, mit je einem ersten Schalttransistor zum Koppeln des licht­ empfindlichen Halbleiterüberganges mit dem Schieberegister und mit je einem zweiten Schalttransistor zum Koppeln des lichtempfindlichen Halbleiterüberganges mit dem Substrat des Bildaufnehmers unter Ansteuerung des Verschlußsignals ausgebildet. Darin ist beschrieben, daß während eines ersten einstellbaren Teils der Bildinformationsintegrations­ zeitdauer die zweiten Schalttransistoren zum Substrat leitend sind und die Ladeverbindungen bilden, wodurch die lichtempfindlichen Halbleiterübergänge keinen elektrischen Ladungsverlust als Bildinformation speichern. In dem restlichen zweiten Teil der Bildinformationsintegrations­ zeitdauer sind alle ersten und zweiten Schalttransistoren gesperrt, wodurch von der Stärke der auftreffenden Strah­ lung abhängige Ladungsverluste als Bildinformation gespei­ chert werden, die danach über die ersten Schalttransis­ toren zu dem Parallel-ein-Reihe-aus-Schieberegister weiter­ geschoben werden. Dadurch ist der elektronische Verschluß während der konstanten Bildinformationsintegrationszeit­ dauer mit einer einstellbaren unempfindlichen und empfind­ lichen Zeitdauer wirksam. Dabei wird vermieden, daß beim Auftritt einer örtlich übermäßigen Belichtung bestimmter Bildaufnahmeelemente eine Informationsausbreitung zu benachbarten Bildaufnahmeelementen erfolgt, was bei Wieder­ gabe des Bildsignals zu einem Überstrahlungseffekt (Blooming) führen würde.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen derartigen elektronischen Verschluß mit Vorteil bei einem bestimmten Feststoffbildaufnehmer einer bekannten Art zu verwenden. Eine Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, daß bei Verwendung eines Bildauf­ nehmers mit einer Schichtstruktur mit mindestens drei Schichten eines Halbleitermaterials von einen ersten, von dem entgegengesetzten zweiten bzw. von dem ersten Leitungs­ typ, wobei in dem Substrat aus dotiertem Halbleitermaterial vom ersten Leitungstyp streifenförmige Gebiete aus einem Halbleitermaterial vom abwechselnd höher dotierten zweiten und noch höher dotierten ersten Leitungstyp an einer Sub­ stratseite vorhanden sind, wobei in diesem Substrat die Gebiete vom zweiten Leitungstyp sich bis unter die Gebiete vom ersten Leitungstyp erstrecken und in der Nähe der Mittenachse dieser Gebiete eine abnehmende Dicke aufweisen und wobei ein sich quer zu den streifenförmigen Gebieten erstreckendes Elektrodensystem bei den Bildaufnahmeelemen­ ten des Bildaufnehmers vorhanden ist, der elektronische Verschluß mit einem Verschlußsignal wirksam ist, das während der genannten Bildinformationsintegrationszeit­ dauer mit einem Verschlußimpuls auftritt, wodurch die Ladeverbindung als eine leitende Verbindung zwischen den streifenförmigen Gebieten vom ersten Leitungstyp und dem Substrat vom ersten Leitungstyp vorhanden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben. Es zeigt

Fig. 1 in Fig. 1a eine schematische Darstellung eines Teils einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung und in Fig. 1b einen Schnitt durch einen darin vorhandenen Bildaufnehmer und

Fig. 2 zur Erläuterung der Wirkungsweise der Bildaufnahmeanordnung nach Fig. 1 einige Steuersignaldia­ gramme als Funktion der Zeit.

In Fig. 1 ist in Fig. 1a eine schematische Ansicht eines Bildaufnehmers 1 dargestellt, von dem in Fig. 1b ein Schnitt dargestellt ist, und zwar nach einer strich­ punktierten Linie. Der Schnitt nach Fig. 1b zeigt, daß der Bildaufnehmer 1 mit einer Strichstruktur mit mindestens drei Schichten 2, 3 und 4 aus einem Halbleitermaterial vom n-, vom entgegengesetzten p- bzw. vom n-Leitungstyp ausge­ bildet ist. Stattdessen wäre eine p-n-p-Schichtstruktur auch möglich, wobei die Polaritäten noch zu beschreibender Spannungen angepaßt werden müßten. Die Schicht 2 ist durch n- bezeichnet, was eine Dotierungskonzentration vom n-Leitungstyp mit beispielsweise 5 · 10¹⁴ Atomen je cc be­ deutet. Die Schicht 2 ist als ähnlich bezeichnetes Substrat aus auf diese Weise dotiertem n-leitendem Halbleiter­ material vorhanden, in dem die Schichten 3 und 4 als ähn­ lich bezeichnete streifenförmige Gebiete auf einer Seite abwechselnd vorhanden sind. Die streifenförmigen p-Gebiete 3 weisen eine höhere Dotierungskonzentration auf als das Substrat und als Beispiel wird eine Dotierungskonzentration von etwa 3 · 10¹⁵ Atomen je cc bei der Gebietsoberfläche genannt. Die streifenförmigen n-Gebiete 4 weisen eine noch höhere Dotierungskonzentration auf und als Beispiel wird eine Dotierungskonzentration von etwa 10¹⁶ Atomen je cc bei der Gebietsoberfläche genannt. In Fig. 1a sind die streifenförmigen Gebiete in der Ansicht durch gestrichelte Linien dargestellt und durch n, p, n, p und n bezeichnet.

In dem Substrat 2 erstrecken sich die p-Gebiete 3 bis unter die n-Gebiete 4. Die p-Gebiete 3 sind in Fig. 1b voneinander getrennt dargestellt, könnten aber eine geschlossene Schicht bilden. Von Bedeutung dabei ist, daß in der Nähe der Mittenachse der n-Gebiete 4 die Schicht 3 eine abnehmende Dicke hat. Der Bildaufnehmer 1 hat auf die beschriebene Weise eine "vertikale" Transistor­ struktur, wobei die n-Gebiete 4 als Source, die p-Gebiete 3 als Gate und das Substrat 2 als Drain wirksam sein können. In dieser Transistorstruktur sind zwischen den Gebieten 3 und 4 p-n-Halbleiterübergänge (3, 4) vorhanden, die lichtempfindlich sind. Bei vorgespannten Halbleiterüber­ gängen (3, 4) ergeben durch Photonen auftreffender Licht­ strahlung verursachte Lochelektronenpaare Ladungsverluste an diesen Übergängen.

Der in Fig. 1b dargestellte Bildaufnehmer 1 ist über die Substratseite mit den streifenförmigen n- und p-Gebieten 4 bzw. 3 mit einer durchsichtigen isolierenden Schicht 5 versehen, auf der ein Elektrodenstreifen 6 vorhanden ist, wobei diese Schichten schraffiert sind. Die Elektrode 6 bildet einen Teil eines durchsichtigen Elektrodensystems (61-64), das in Fig. 1a als vierphasiges Elektrodensystem mit einer Anzahl aufeinanderfolgender Elektrodenstreifen 61 bis einschließlich 64 dargestellt ist. Das vierphasige Elektrodensystem (61-64) ist als Beispiel gegeben, und zwar im Anschluß an eine Bildauf­ nehmerausführungsform, beschrieben in einer noch näher zu bezeichnenden Literaturstelle.

Der Bildaufnehmer 1 nach Fig. 1 weist außer dem beschriebenen Teil mit den Elementen 2 bis einschließlich 6 aus Fig. 1b und dem Elektrodensystem (61-64) aus Fig. 1a, eine Weiterschiebestufe 7 und ein Parallel-ein-Reihe-aus- Schieberegister 8 auf, das mit einer Aufnehmerausgangs­ klemme 9 gekoppelt ist. Die Weiterschiebestufe 7 kann mit einem Speicherteil zum Speichern von Bildinformation ausge­ bildet sein. Die Weiterschiebe-(und Speicher-)Stufe 7 und das Schieberegister 8 sind gegen auftreffende Lichtstrah­ lung abgeschirmt. Der Aufnehmerteil mit dem Elektroden­ system (61-64) ist dabei der Bildaufnahmeteil, der Bild­ aufnahmeelemente zum Umwandeln der auftreffenden Strahlung in elektrische Ladungsverluste an vorgespannten Halbleiter­ übergängen (3, 4) aufweist.

Die in Fig. 1b dargestellte Schichtstruktur des Bildaufnehmers 1 ist in einem Artikel in "IEEE Transactions on electron devices", Heft ED-32, Nr. 8, August 1985 auf den Seiten 1430-1438 mit dem Titel: "A Frame-Transfer CCD Color Imager with Vertical Antiblooming" beschrieben. Für Beispiele für genaue Dotierungskonzentrationsprofile bei den streifenförmigen Gebieten 3 und 4 sei auf diesen Artikel verwiesen. Zur Steuerung eines derartigen Bildauf­ nehmers sei auf ein Informationsblatt von Philips Elec­ tronics Components and Materials Division, Technical Publi­ cation 211, erschienen im April 1986 mit dem Titel: "The Frame-Transfer Sensor" verwiesen. In Fig. 1a ist im Anschluß an das Informationsblatt durch 10 ein Steuer­ signalgenerator bezeichnet, von dem vorausgesetzt wird, daß er Steuersignale CP 1, CP 2, CP 3 und CP 4 abgibt, die für die Elektrodenstreifen 61, 62, 63 bzw. 64 bestimmt sind und weitere Steuersignale CP 7 und CP 8, bestimmt für die Weiterschiebe- (und Speicher-)stufe 7 bzw. das Schiebe­ register 8. Durch x und y ist bei der Verbindungsleitung mit den Signalen CP 7 bzw. CP 8 angegeben, daß diese mehr­ phasig mit verschiedenen Leitungen ausgebildet sind. Für eine detaillierte Ausführung des Steuersignalgenerators 10 zum Liefern von Weiterschiebesignalen, Taktimpulssignalen, Impulsen mit längerer Dauer und Kombinationen derselben, sei auf das genannte Informationsblatt verwiesen. Ausgehend von diesen Informationen sind in Fig. 2 einige Steuer­ signaldiagramme als Funktion der Zeit t dargestellt, und zwar für die Steuersignale CP 1, CP 2, CP 3 und CP 4. In Fig. 1a ist die Kombination dieser Steuersignale für das Elektro­ densystem (61-64) durch CP 1-4 bezeichnet, und zwar als Teil eines noch näher zu beschreibenden Verschlußsignals (CP 1-4, SP) . In Fig. 2 sind einige Zeitpunkte t 1 bis ein­ schließlich t 7 bezeichnet. Vor dem Zeitpunkt t 1 und nach dem Zeitpunkt t 7 sind auf bekannte Weise Weiterschiebe­ taktimpulse TP in den Steuersignalen CP 1 bis einschließ­ lich CP 4 vorhanden. Ausgehend von einer in dem Informa­ tionsblatt gegebenen Taktimpulsfrequenz von 2,5 MHz und einer Frequenzteilung mit einem Faktor 4 werden die um 90° phasenverschobenen Weiterschiebetaktimpulse TP von dem Generator 10 mit einer Impulsperiode von 1,6 µs er­ zeugt. In Fig. 2 ist von dem Zeitpunkt t 1 bis zum Zeitpunkt t 7 durch IT eine Bildinformationsintegrationszeitdauer bezeichnet. Die Zeitdauer IT ist in Fig. 2 in eine erste, zweite und dritte Zeitdauer aufgeteilt, die durch IT 1, IT 2 bzw. IT 3 bezeichnet sind. Als Beispiel ist in Fig. 2 darge­ stellt, daß die Zeitdauer IT 2 zwischen den Zeitpunkten t 3 und t 5, dem Wert 4,8 µs bzw. der dreifachen Periode der Impulse TP entspricht. Es stellt sich heraus, daß diese Zeitdauer in der Praxis für den zu erhaltenden, näher zu beschreibenden Effekt bei der in dem Artikel beschriebenen Ausführungsform des Aufnehmers optimal ist, wenn eine Minimalisierung der Zeitdauer beabsichtigt wird. Statt dessen kann die Zeitdauer IT 2 zu dem Zeitpunkt t 1 statt zu dem Zeitpunkt t 3 anfangen, was ein Fehlen der Zeitdauer IT 1 bedeutet. Weiterhin ist in Fig. 2 dargestellt, daß die Impulse TP beispielsweise eine Amplitude von 0 V bis +10 V aufweisen. Dabei ist in Fig. 1b angegeben, daß das Substrat 2 beispielsweise an einem Anschluß mit einer Spannung von +20 V liegt. Das Besondere dabei ist, daß nach einem Aspekt der Erfindung während des Teils IT 2 der Zeitdauer IT in den Steuersignalen CP 1 bis einschließlich CP 4 eine Spannung von beispielsweise -5 V vorhanden ist, d. h. in der Kombination CP 1-4 dieser Steuersignale. Durch das Vorhandensein der Impulse mit -5 V, die in Fig. 2 als Verschlußimpulse SP bezeichnet sind, ist beim Aufnehmer 1 aus Fig. 1 das Verschlußsignal (CP 1-4, SP) für einen elektronischen Verschluß (2-6, SP) wirksam. Dabei ist die Bildinformationsintegrationszeitdauer IT eine maximale Integrationszeitdauer mit einer Verteilung in eine einstell­ bare unempfindliche Zeitdauer (IT 1 + IT 2) und eine empfind­ liche Zeitdauer IT 3. In Fig. 2 sind bei den Steuersignalen CP 2, CP 3 und CP 4 durch IP Integrationsimpulse mit einer Spannung von +10 V bezeichnet.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Bildauf­ nehmers 1 und des elektronischen Verschlusses (2-6, SP), wirksam mit dem Verschlußsignal (CP 1-4, SP), gilt folgen­ des: Es wird von dem Zeitpunkt t 1 aus Fig. 2 ausgegangen. Dabei ist über das Signal CP 1 die Spannung von 0 V an den Elektrodenstreifen 61 vorhanden und die Streifen 62, 63 und 64 führen unter Zufuhr der Signale CP 2, CP 3 bzw. CP 4 die Spannung von +10 V. Die Spannung von +10 V zieht Elek­ trone aus den n-Gebieten 4 an, wodurch die Halbleiter­ übergänge (3, 4) vorgespannt werden. Dabei werden die Elektronen aus dem unterliegenden und angrenzenden Teil des Gebietes 4 und aus dem weiterliegenden Teil angezogen, wenn dort an dem oben liegenden Elektrodenstreifen die Spannung von 0 V auftritt. Von dem Zeitpunkt t 1 werden Photone der auftreffenden Lichtstrahlung zu Elektronen­ lochpaaren führen, wodurch die Spannung an den vorgespann­ ten Halbleiterübergängen (3, 4) abnimmt. Der Ladungsver­ lust bei dem Halbleiterübergang (3, 4) entspricht der freien negativen Ladung unter den Elektrodenstreifen 62, 63 und 64, d. h. mit dort vorhandenen freien Ladungspaketen, deren Größe von der Stärke der örtlichen Belichtung und der Dauer derselben abhängig ist. Auf diese Weite treten zu dem Zeitpunkt t 2 freie Ladungspakete unter den Elektro­ denstreifen 62, 63 und 64 auf.

Danach wird zu dem Zeitpunkt t 3 die Spannung von -5 V allen Elektrodenstreifen 61 bis einschließlich 64 aufgeprägt. Dadurch werden alle "vertikalen" Transistoren mit Source 4 und Drain 2 leitend, wodurch bei den Halb­ leiterübergängen (3, 4) Ladeverbindungen (2, 3, 4) gebildet werden. Als Beispiel sei genannt, daß von dem Zeitpunkt t 3 bis zum Zeitpunkt t 4 die Ladeverbindungen (2, 3, 4) Strom führen und von dem Zeitpunkt t 4 an bis in den leitenden Zustand vorgespannt sind, wobei durch Photonen verursachte Elektronen unmittelbar abgeführt werden. Zu dem Zeitpunkt t 5 ist der bei dem Zeitpunkt t 1 beschriebene Zustand wieder vorhanden und die Lichtintegration fängt wieder an, wobei der Zeitpunkt t 6 dem Zeitpunkt t 2 entspricht.

Von dem Zeitpunkt t 7 an werden auf bekannte Weise die an den Halbleiterübergängen (3, 4) auftretenden La­ dungsverluste von dem Elektrodensystem (61-64) zu der Weiterschiebe-(und -Speicher)stufe 7 als Ladungspakete weitergeschoben.

Der Aufbau des Bildaufnehmers 1 mit der beschrie­ benen Schichtstruktur und den Dotierungskonzentrationen führt dazu, daß ein in der Praxis gut funktionierender elektronischer Verschluß (2-6, SP) bei der Bildaufnahme­ anordnung vorhanden ist. Dabei werden die Ladungsverluste an den vorgespannten lichtempfindlichen Halbleiterübergängen (3, 4) bzw. denselben entsprechende freie Ladungspakete unter dem Elektrodensystem (61-64) bei der Verschluß­ wirkung ausgeglichen bzw. entfernt.

Falls das an der Aufnehmerausgangsklemme 9 auftre­ tende Bildsignal, nach weiteren, beim Fernsehen üblichen Signalbearbeitungen, für Fernsehwiedergabe verwendet wird, bildet die Bildaufnahmeanordnung einen Teil einer Fernseh­ kamera. Eine andere Möglichkeit ist, das an der Klemme 9 auftretende Bildsignal zu einem für Filmwiedergabe geeigne­ ten Signal zu bearbeiten, so daß die Bildaufnahmeanordnung als Aufnahmeteil einen Teil einer Filmkamera bildet. Eine weitere Möglichkeit ist die Bearbeitung des Bildsignals zu einer Photo- oder Diapositivaufnahme, so daß die Bild­ aufnahmeanordnung als Aufnahmeteil einen Teil einer Photo­ kamera bildet. Dabei gibt es zwischen den Photoaufnahmen oft Pausen. Ausgehend von der beschriebenen Rasterübertra­ gungsausführung des Bildaufnehmers 1 mit dem Aufnahmeteil, dem Speicherteil und dem Schieberegisterteil kann für eine Photoaufnahme der elektronische Verschluß (2-6, SP) zum Erhalten der Ladeverbindung (2, 3, 4) beim Aufnahmeteil sowie beim Speicherteil benutzt werden. Vor der Photoauf­ nahme werden dabei die beiden Teile gereinigt. Dieses Reinigen kann dadurch erfolgen, daß das Verschlußsignal (CP 1-4, SP) den Elektrodensystemen des Aufnahmeteils sowie des Speicherteils zugeführt wird. Im Falle der Photoauf­ nahme gibt es noch eine andere Lösung für die Reinigungs- Verschlußwirkung dadurch, daß das Verschlußsignal mit den Verschlußimpulsen mit der entgegengesetzten Polarität dem Substrat zugeführt wird, das für den Auf­ nahmeteil sowie den Speicherteil gemeinsam ist.

Claims (3)

1. Bildaufnahmeanordnung mit einem Feststoffbildauf­ nehmer und einem elektronischen Verschluß, wobei dieser Bildaufnehmer in einem Halbleitersubstrat Bildaufnahme­ elemente aufweist zum Umwandeln auftreffender Strahlung in elektrische Ladungsverluste über vorgespannte Halbleiter­ übergänge in einer Bildinformationsintegrationszeitdauer und ein damit gekoppeltes Parallel-ein-Reihe-aus-Schiebe­ register zum anschließenden Weiterschieben der elek­ trischen Ladungsverluste unter Ansteuerung von einem Steu­ ersignalgenerator gelieferter Taktimpulssignale zu einer Aufnehmerausgangsklemme zum Abgeben eines Bildsignals, wobei der elektronische Verschluß während eines Teils der Bildinformationsintegrationszeitdauer unter Ansteuerung eines von dem Steuersignalgenerator gelieferten Verschluß­ signals mit einer Ladeverbindung bei den Bildaufnahme­ elementen wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Bildaufnehmers (1) mit einer Schicht­ struktur mit mindestens drei Schichten eines Halbleiter­ materials von einem ersten, von dem entgegengesetzten zweiten bzw. von dem ersten Leitungstyp, wobei in dem Sub­ strat (2) aus dotiertem Halbleitermaterial vom ersten Leitungstyp streifenförmige Gebiete (3 bzw. 4 aus einem Halbleitermaterial vom abwechselnd höher dotierten zweiten und noch höher dotierten ersten Leitungstyp an einer Sub­ stratseite vorhanden sind, wobei in diesem Substrat (2) die Gebiete (3) vom zweiten Leitungstyp sich bis unter die Gebiete (4) vom ersten Leitungstyp erstrecken und in der Nähe der Mittenachse dieser Gebiete (4) eine abnehmen­ de Dicke aufweisen und wobei ein sich quer zu den streifen­ förmigen Gebieten (3, 4) erstreckendes Elektrodensystem (61-64) bei den Bildaufnahmeelementen des Bildaufnehmers (1) vorhanden ist, der elektronische Verschluß (2-6, SP) mit einem Verschlußsignal (CP 1- 4, SP) wirksam ist, das während der genannten Bildinformationsintegrationszeitdauer mit einem Verschlußimpuls (SP) auftritt, wodurch die Ladeverbindung (2, 3, 4) als eine leitende Verbindung zwischen den streifenförmigen Gebieten (4) vom ersten Lei­ tungstyp und dem Substrat (2) vom ersten Leitungstyp vor­ handen ist.

2. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußsignal (CP 1-4, SP) mit dem Verschlußimpuls (SP) allen Elektroden des genannten Elektrodensystems (61-64) bei den Bildaufnahmeelementen des Bildaufnehmers (1) zugeführt wird.

3. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußsignal mit dem Verschluß­ impuls dem Substrat (2) des Bildaufnehmers (1) zugeführt wird.