DE4226828A1

DE4226828A1 - Ccd bildsensor

Info

Publication number: DE4226828A1
Application number: DE4226828A
Authority: DE
Inventors: Sung Min Lee
Original assignee: Goldstar Electron Co Ltd
Current assignee: Intellectual Ventures II LLC
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2012-08-14
Also published as: DE4226828B4; JP3239223B2; JPH05211325A; KR930005226A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen CCD Bildsensor gemaß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf einen solchen CCD Bild sensor (charge coupled device image sensor), der eine Mehrzahl von verti kalen ladungsgekoppelten Einrichtungen (VCCDs), die in Vertikalrich tung entsprechend einem Zickzackmuster verlaufen, und eine Mehrzahl von Gruppen von Fotodioden aufweist, wobei die Fotodioden der jeweiligen Gruppen jeweils an der linken und an der rechten Seite eines jeden VCCDs vorhanden sind, so daß sich bei derselben Chip-Größe eine verbesserte Bildauflösung ergibt.

Generell kann eine CCD als aktive Einrichtung angesehen werden, die un ter Steuerung eines Taktpulses eine Signalladung in Übereinstimmung mit auftreffendem Licht überträgt, das entlang eines vorbestimmten We ges einfällt. Eine derartige CCD wird typischerweise in Bildverarbeitungs einrichtungen verwendet, beispielsweise in Speichereinrichtungen, Lo gikelementen, CCD Bildsensoren, usw.

Die Abtastung des CCD Bildsensors, der eine CCD verwendet, kann dabei verschachtelt bzw. im Zeilensprungverfahren oder nicht verschachtelt er folgen.

Bei der nichtverschachtelten Abtastung (non-interlaced scanning) sind Rahmen bzw. Bilder vorhanden, die jeweils eine Mehrzahl von Halbbildern (fields) enthalten. Die Abtastung auf dem Schirm erfolgt sequentiell, und zwar beginnend mit den Daten des ersten eingegebenen Halbbilds. Bei der verschachtelten Abtastung bzw. beim Zeilensprungverfahren (interlaced scanning) sind dagegen Rahmen vorhanden, die jeweils eine Mehrzahl von gradzahligen Halbbildern (even fields) und eine Mehrzahl von ungradzah ligen Halbbildern (odd fields) aufweisen. Die Abtastung auf dem Schirm er folgt dann der Reihe nach, und zwar beginnend mit den Daten des ungrad zahligen Halbbilds.

Hieraus ergibt sich, daß bei der nicht verschachtelten Abtastung eine hohe Abtastrate erzielt werden kann, so daß sich aktuelle Bilder von sich schnell bewegenden Objekten einwandfrei aufnehmen lassen. Die nicht verschachtelte Abtastung kommt daher insbesondere bei militärisch ge nutzten Objekten zum Einsatz, beispielsweise bei Raketen.

Problematisch bei der nicht verschachtelten Abtastung ist es allerdings, daß die Bilder auf dem Schirm zittern.

Im Gegensatz dazu werden bei der verschachtelten Abtastung (interlaced scanning) stabilere Bilder erhalten, jedoch bei geringerer Abtastrate als bei der nicht verschachtelten Abtastung. Für ein sich schnell bewegendes Objekt ergeben sich allerdings zwei Bilder. Aus diesem Grunde ist die ver schachtelte Abtastung bei militärischen Anwendungen ungeeignet und kommt somit vorwiegend nur im Rundfunkbereich zum Einsatz, beispiels weise bei NTSC Systemen oder bei PAL Systemen.

Ein Beispiel eines konventionellen CCD Bildsensors für verschachtelte Abtastung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 nä her beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines konventionellen CCD Bildsensors für die verschachtelte Abtastung. Dieser konventionelle CCD Bildsensor enthält eine Mehrzahl von vertikalen Ladungskopplungsein richtungs-Bereichen VCCD, die in Horizontalrichtung unter konstantem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jeder dieser Bereiche VCCD eine gewünschte Länge in Vertikalrichtung aufweist. Der herkömmliche CCD Bildsensor umfaßt weiter eine Mehrzahl von Gruppen von Fotodioden PD, die jeweils zur Erzeugung einer Signalladung in Antwort auf einfallen des Licht dienen, wobei die Fotodioden PD der jeweiligen Gruppen an einer Seite eines jeden großen VCCD Bereichs und unter konstantem Abstand in Vertikalrichtung zueinander angeordnet sind. Ferner ist ein horizontaler Ladungskopplungseinrichtungs-Bereich HCCD vorhanden, um in Hori zontalrichtung Signalladungen zu übertragen, die ihm von den Fotodioden PD über die VCCD Bereiche zugeführt worden sind. Ein Abtastverstärker AMP dient zur Umwandlung der Signalladungen vom Bereich HCCD in eine Spannungsinformation sowie zur externen Ausgabe dieser Information.

Die Fig. 2 zeigt ein Layout-Diagramm des Aufbaus des konventionellen CCD Bildsensors nach Fig. 1. Entsprechend der Fig. 2 sind Transfergates TG zur Übertragung der Signalladungen von den Fotodioden PD zu den Be reichen VCCD vorhanden. Da jeder der Rahmen die beiden Halbbilder bzw. ein ungradzahliges und ein gradzahliges Halbbild umfaßt, weist jedes der Transfergates TG zwei Transfergates TG1 und TG2 auf, und zwar für die jeweils ungradzahligen und die gradzahligen Halbbilder. Die ersten Trans fergates TG1 dienen dazu, die Signalladungen von den Fotodioden PD1 zu den Bereichen VCCD zu übertragen, wobei die Fotodioden PD1 an ungrad zahligen Stellen in Vertikalrichtung im ungradzahligen Halbbild liegen bzw. auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen angeordnet sind. Da gegen dienen die zweiten Transfergates TG2 dazu, Signalladungen von den Fotodioden PD2 zu den Bereichen VCCD zu übertragen, wobei die Fotodio den PD2 an gradzahligen Stellen in Vertikalrichtung im gradzahligen Halbbild angeordnet sind bzw. auf den gradzahligen Horizontalabtastzei len liegen.

Mit den ersten und zweiten Transfergates TG1 und TG2 sind jeweils Trans fergate-Elektroden PG1 und PG2 verbunden, so daß die Signalladungen von den Fotodioden PD zu den Bereichen VCCD in Antwort auf VCCD Takt signale VΦ1-VΦ4 übertragen werden können. Diese Taktsignale weisen vier Phasen auf und werden an die Transfergate-Elektroden PG1 und PG2 an gelegt. Ein Taktsignal entspricht dabei einer Phase.

Die Fig. 3a zeigt einen Querschnitt entlang der Linie a-a′ von Fig. 2, um Be reiche zu erläutern, in denen sich die Transfergates befinden. Dagegen zeigt die Fig. 3b einen Querschnitt entlang der Linie b-b′ von Fig. 2, um Be reiche zu erläutern, in denen keine Transfergates vorhanden sind. Der konventionelle CCD Bildsensor enthält ein N Typ Substrat 100, auf dem sich eine Schicht 200 (Bett oder Wanne) vom P Typ befindet. Die N Typ Fo todioden PD und die N Typ VCCD Bereiche VCCD sind der Reihe nach ab wechselnd auf dem N Typ Substrat 100 angeordnet, wobei jeweils neben einanderliegende Fotodioden PD und VCCD Bereiche VCCD über einen ge wünschten Abstand hinweg gegeneinander mit Hilfe von Kanalstoppberei chen ST isoliert sind. Auf der Oberfläche einer jeden N Typ Fotodiode PD befindet sich eine dünne Schicht 300 vom P⁺ Typ, an die eine Anfangsvor spannung angelegt werden kann. Im vorliegenden Fall besteht die P Typ Schicht 200 aus zwei Typen von Schichten, nämlich aus einer flachen P Typ Schicht 200a und aus einer tiefen P Typ Schicht 200b, um die Über lauf-Drain-Spannung (OFD) zu steuern (over flow drain voltage). Die fla che P Typ Schicht 200a befindet sich jeweils unter den H Typ Fotodioden PD, während sich die tiefe P Typ Schicht 200b unter jedem der N Typ VCCD Bereiche VCCD befindet.

Wie in Fig. 3a zu erkennen ist, liegt eine erste Transfergate-Elektrode PG1b der Transfergate-Elektrode PG1 oberhalb des N Typ VCCD Bereichs VCCD sowie oberhalb des Kanalstoppbereichs ST, um das erste Taktsignal VΦ1 anlegen zu können. Das erste Transfergate TG1 ist mit der ersten Transfergate-Elektrode PG1b verbunden, um darüber die Fotodiode PD mit dem VCCD Bereich VCCD zu verbinden.

Entsprechend der Fig. 3b befindet sich die zweite Transfergate-Elektrode PG1a der Transfergate-Elektrode PG1 oberhalb des N Typ VCCD Bereichs VCCD und des Kanalstoppbereichs ST, um das zweite Taktsignal VΦ2 anle gen zu können. Die Fotodiode PD und der VCCD Bereich VCCD sind gegen einander über einen gewünschten Abstand isoliert, und zwar durch den Kanalstoppbereich ST.

Die Fig. 4a zeigt ein Zeitablaufdiagramm der VCCD Taktsignale VΦ1-VΦ4, die jeweils an die Transfergate-Elektroden PG1 und PG2 angelegt werden während die Fig. 4b ein Pulswellenformdiagramm der VCCD Taktsignale VΦ1-VΦ4 zeigt, und zwar unter Zugrundelegung des Einheitsintervalls K von Fig. 4a. Dagegen ist in Fig. 4c ein Pixelformat eines Bildes oder eines Rahmens des konventionellen CCD Bildsensors dargestellt, bei dem ver schachtelt bzw. im Zeilensprungverfahren abgetastet wird.

Nachfolgend wird der Betrieb des konventionellen CCD Bildsensors mit dem oben beschriebenen Aufbau näher erläutert.

Fällt Licht auf den CCD Bildsensor ein, so erzeugen die Fotodioden PD Signalladungen proportional zur Intensität des Lichts. Die erzeugten Signalladungen werden zu den VCCD Bereichen VCCD in Antwort auf die VCCD Taktsignale VΦ1-VΦ4 übertragen, welche an die Transfergate-Elek troden PG1 und PG2 angelegt werden. Mit anderen Worten wird im Falle der ungradzahligen Halbbilder eine Spannung V1 mit hohem Pegel an das erste Transfergate TG1 angelegt, und zwar durch die VCCD Taktsignale VΦ1 und VΦ2, die an die Transfergate-Elektroden PG1 gelangen. Im Ergeb nis werden die Signalladungen von den Fotodioden PD1 zu den VCCD Be reichen VCCD übertragen, wobei es sich hier um die Fotodioden handelt, die auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen liegen. Im Falle der gradzahligen Halbbilder wird dagegen eine Spannung V2 mit hohem Pegel an die zweiten Transfergates TG2 angelegt, und zwar durch die VCCD Taktsignale VΦ3 und VΦ4, welche an die Transfergate-Elektroden PG2 ge langen. Das hat zur Folge, daß die Signalladungen von den Fotodioden PD2 zu den VCCD Bereichen VCCD übertragen werden, wobei es sich hier um Fotodioden handelt, die auf den gradzahligen Horizontalabtastzellen lie gen.

Die zu den VCCD Bereichen VCCD übertragenen Signalleitungen werden dann zum HCCD Bereich HCCD übertragen, der seinerseits die übertrage nen Signalladungen zum Abtastverstärker AMP in Antwort auf ein HCCD Taktsignal weiterleitet, das dem HCCD Bereich zugeführt wird. Der Ab tastverstärker AMP wandelt schließlich die Signalladungen vom HCCD Be reich HCCD in eine Spannungsinformation um und liefert diese Informa tion nach außen.

Die auf diese Weise ausgegebenen Bildsignale sind in einer Form angeord net, wie sie in Fig. 4c zu erkennen ist. Genauergesagt sind diejenigen Bild signale, die bei Anlegen der Spannung V1 mit hohem Pegel an die ersten Transfergates TG1 in den ungradzahligen Halbbildern ausgegeben worden sind, an Positionen angeordnet, die mit "1" bezeichnet sind, während die jenigen Bildsignale, die bei Anlegen der Spannung V2 mit hohem Pegel an die zweiten Transfergates TG2 bei den gradzahligen Halbbildern ausgege ben worden sind, an Positionen angeordnet sind, die mit "2" bezeichnet sind.

Beim oben beschriebenen konventionellen CCD Bildsensor mit verschach telter Abtastung sind, wie bereits erwähnt, Fotodioden jeweils nur an einer Seite der VCCD Bereiche vorhanden, was den Nachteil mit sich bringt, daß er nur ein geringes Bildauflösungsvermögen aufweist. Es wurde daher be reits vorgeschlagen, den Bereich der Fotodioden auszudehnen, um das Bildauflösungsvermögen zu verbessern. Dies führt allerdings zu Schwie rigkeiten, wenn die Chip-Größe nicht verändert werden soll, da die Berei che der Fotodioden durch die VCCD Bereiche begrenzt werden. Der ge nannte Vorschlag hat mit anderen Worten eine Chip-Vergrößerung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CCD Bildsensor zu schaf fen, der bei gleicher Chip-Größe ein verbessertes Auflösungsvermögen aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Generell gesagt weist ein CCD Bildsensor nach der Erfindung eine Mehr zahl von VCCD (vertical charge coupled device) Bereichen auf, von denen ein jeder zick-zack-förmig bzw. mäanderförmig in Vertikalrichtung ausge bildet ist. Zum CCD Bildsensor gehören mehrere Gruppen von Fotodioden, wobei sich die Fotodioden der jeweiligen Gruppen sowohl an der linken Seite als auch an der rechten Seite jeweils eines VCCD Bereichs befinden, so daß bei vorgegebener Chip-Größe ein verbessertes Bildauflösungsver mögen erhalten wird.

Im einzelnen zeichnet sich ein CCD Bildsensor nach der Erfindung aus durch:

- eine Mehrzahl von VCCD Bereichen, die in Horizontalrichtung unter kon stantem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jeder der VCCD Be reiche zick-zack-förmig bzw. mäanderförmig mit einer Serie von gekrümm ten Abschnitten in Vertikalrichtung ausgebildet ist und in Vertikalrich tung eine gewünschte Länge aufweist,
- eine Mehrzahl von Gruppen von ersten bis vierten Fotodioden, die jeweils eine Signalladung in Antwort auf einfallendes Licht erzeugen; wobei die er sten bis vierten Fotodioden der jeweiligen Gruppen jeweils an der linken und rechten Seite eines jeden VCCD Bereichs angeordnet und von benach barten VCCD Bereichen durch Kanalstoppbereiche isoliert sind; die ersten Fotodioden an den linken Seiten der gekrümmten Abschnitte der jeweili gen VCCD Bereiche sowie auf ungradzahligen Horizontalabtastzeilen lie gen; die zweiten Fotodioden an den rechten Seiten der gekrümmten Ab schnitte der jeweiligen VCCD Bereiche sowie auf gradzahligen Horizontal abtastzeilen liegen; die dritten Fotodioden an den rechten Seiten der ge krümmten Abschnitte der jeweiligen VCCD Bereiche sowie auf den un gradzahligen Horizontalabtastzeilen liegen; und die vierten Fotodioden an den linken Seiten der gekrümmten Abschnitte der jeweiligen VCCD Berei che sowie auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen liegen,
- einen HCCD Bereich zur Übertragung der von den ersten bis vierten Foto dioden über die VCCD Bereiche erhaltenen Signalladungen in Horizontal richtung,
- eine Mehrzahl von ersten Transfergates zur Verbindung der ersten Foto dioden mit den jeweiligen VCCD Bereichen,
- eine Mehrzahl von zweiten Transfergates zur Verbindung der zweiten Fo todioden mit den jeweiligen VCCD Bereichen,
- eine Mehrzahl von dritten Transfergates zur Verbindung der dritten Foto dioden mit den jeweiligen VCCD Bereichen,
- eine Mehrzahl von vierten Transfergates zur Verbindung der vierten Foto dioden mit den jeweiligen VCCD Bereichen,
- eine Mehrzahl von ersten Transfergate-Elektroden, von denen jede über dem jeweiligen Kanalstopp- und dem jeweiligen VCCD Bereich liegt, wobei die ersten Transfergate-Elektroden jeweils mit den ersten Transfergates verbunden sind, um ein erstes VCCD Taktsignal anzulegen,
- eine Mehrzahl von zweiten Transfergate-Elektroden, von denen jede über dem jeweiligen Kanalstoppbereich und dem jeweiligen VCCD Bereich liegt, wobei die zweiten Transfergate-Elektroden jeweils mit den dritten Trans fergates verbunden sind, um ein zweites VCCD Taktsignal anzulegen,
- eine Mehrzahl von dritten Transfergate-Elektroden, von denen jede über dem jeweiligen Kanalstoppbereich und dem jeweiligen VCCD Bereich liegt wobei die dritten Transfergate-Elektroden jeweils mit den vierten Trans fergates verbunden sind, um ein drittes VCCD Taktsignal anzulegen, und
- eine Mehrzahl von vierten Transfergate-Elektroden, von denen jede über dem jeweiligen Kanalstoppbereich und dem jeweiligen VCCD Bereich liegt, wobei die vierten Transfergate-Elektroden jeweils mit den zweiten Trans fergates verbunden sind, um ein viertes VCCD Taktsignal anzulegen.

Vorzugsweise weisen die VCCD Bereiche und die ersten bis vierten Foto dioden dieselbe Breite auf. Darüber hinaus sind vorteilhaft die dritten Fo todioden und die vierten Fotodioden auf einer in Vertikalrichtung verlau fenden geraden Linie angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines konventionellen CCD Bildsensors mit verschachtelter Abtastung,

Fig. 2 ein Layout-Diagramm des Aufbaus des konventionellen CCD Bild sensors nach Fig. 1,

Fig. 3a einen Querschnitt entlang der Linie a-a′ von Fig. 2,

Fig. 3b einen Querschnitt entlang der Linie b-b′ von Fig. 2,

Fig. 4a ein Zeitablaufdiagramm für VCCD Taktsignale im konventionellen CCD Bildsensor mit verschachtelter Abtastung,

Fig. 4b ein Pulswellenformdiagramm der VCCD Taktsignale bei einem Ein heitsintervall K gemäß Fig. 4a,

Fig. 4c ein Pixelformat eines Bildes oder eines Rahmens, erhalten mit dem konventionellen CCD Bildsensor mit verschachtelter Abtastung,

Fig. 5 den Aufbau eines CCD Bildsensors nach der Erfindung mit ver schachtelter Abtastung,

Fig. 6 ein Layout-Diagramm des Aufbaus des CCD Bildsensors mit ver schachtelter Abtastung nach Fig. 5,

Fig. 7a einen Querschnitt entlang der Linie c-c′ von Fig. 6,

Fig. 7b einen Querschnitt entlang der Linie d-d′ von Fig. 6,

Fig. 8a ein Zeitablaufdiagramm von VCCD Taktsignalen in Übereinstim mung mit der Erfindung,

Fig. 8b ein Pulswellenformdiagramm der VCCD Taktsignale bei einem Ein heitsintervall K von Fig. 8a,

Fig. 8c ein Pixelformat eines Bildes oder eines Rahmens, erhalten durch den CCD Bildsensor nach der Erfindung mit verschachtelter Abtastung, und

Fig. 8d ein Pixelformat eines anderen Bildes, erhalten durch den CCD Bildsensor nach der vorliegenden Erfindung mit verschachtelter Abta stung.

Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines CCD Bildsensors mit verschachtelter Abtastung in Übereinstimmung mit der Erfindung. Gemäß Fig. 5 enthält der CCD Bildsensor eine Mehrzahl von VCCD Bereichen VCCD, die in Horizontalrichtung in konstanten Interval len relativ zueinander angeordnet sind. Jeder der VCCD Bereiche VCCD weist eine zick-zack-förmige Struktur auf mit einer Serie von gekrümmten Bereichen in Vertikalrichtung, wobei sich die VCCD Bereiche über eine ge wünschte Länge in Vertikalrichtung erstrecken. Ferner enthält der CCD Bildsensor nach der Erfindung eine Mehrzahl von Gruppen von ersten bis vierten Fotodioden PD61-PD64, von denen jede eine Signalladung in Ant wort auf einfallendes Licht erzeugt. Die ersten bis vierten Fotodioden PD61-PD64 der jeweiligen Gruppen befinden sich jeweils sowohl links als auch rechts von einem jeden VCCD Bereich VCCD und sind darüber hin aus gegenüber den benachbarten VCCD Bereichen mit Hilfe von Kanal stoppbereichen ST elektrisch isoliert. Genauer gesagt sind die ersten Foto dioden PD61 an den linken Seiten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereich VCCD sowie auf den ungradzahligen Horizontalabtastzellen angeordnet, während die zweiten Fotodioden PD62 jeweils an den rechten Selten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD so wie auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen angeordnet sind. Die drit ten Fotodioden PD63 sind jeweils an den rechten Seiten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den ungradzahli gen Horizontalabtastzeilen angeordnet, während die vierten Fotodioden PD64 jeweils an den linken Seiten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen angeordnet sind.

Auch der CCD Bildsensor nach der vorliegenden Erfindung enthält einen HCCD Bereich HCCD, um Signalladungen in Horizontalrichtung übertra gen zu können, welche ihm von den ersten bis vierten Fotodioden PD61 PD64 über die VCCD Bereiche VCCD übertragen worden sind. Ein Abtast verstärker AMP dient zur Umwandlung der Signalladungen vom HCCD Be reich HCCD in eine Spannungsinformation sowie zur Ausgabe dieser Infor mation nach außen.

Die Fig. 6 zeigt ein Layout-Diagramm des Aufbaus des CCD Bildsensors nach Fig. 5 mit verschachtelter Abtastung. Wie anhand dieser Fig. 5 zu er kennen ist, enthält der CCD Bildsensor nach der Erfindung eine Serie von vier Transfergates TG1-TG4 zur Übertragung der Signalladungen von den Fotodioden PD61-PD64 zu den VCCD Bereichen VCCD. Im einzelnen die nen die ersten Transfergates TG1 zur Übertragung der Signalladungen von den ersten Fotodioden PD61 zu den VCCD Bereichen VCCD, wobei sich die ersten Fotodioden PD61 an den linken Seiten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den ungradzahligen Hori zontalabtastzeilen des ungradzahligen Halbbilds befinden. Die zweiten Transfergates TG2 dienen zur Übertragung der Signalladungen von den zweiten Fotodioden PD62 zu den VCCD Bereichen VCCD, wobei sich die zweiten Fotodioden PD62 jeweils an den rechten Seiten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen des gradzahligen Halbbilds befinden. Ferner die nen die dritten Transfergates TG3 zur Übertragung der Signalladungen von den dritten Fotodioden PD63 zu den jeweiligen VCCD Bereichen VCCD, wobei sich die dritten Fotodioden PD63 jeweils an den rechten Sei ten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen des ungradzahligen Halb bilds befinden, während die vierten Transfergates TG4 dazu dienen, Signalladungen von den vierten Fotodioden PD64 zu den VCCD Bereichen VCCD zu übertragen, wobei sich die vierten Fotodioden PD64 jeweils an den linken Seiten der gekrümmten Bereiche der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den gradzahligen Horizontalabtastzellen des gradzahligen Halbbilds befinden.

Die jeweiligen Fotodioden PD61-PD64 weisen jeweils eine Breite a1 auf, die gleich der Breite a2 der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD ist. Darüber hin aus befinden sich die dritten Fotodioden PD63 und die vierten Fotodioden PD64 auf einer geraden Linie, die in Vertikalrichtung verläuft.

Mit dem ersten Transfergate TG1 ist eine erste Transfergate-Elektrode PG1b verbunden, an die das erste VCCD Taktsignal VΦ1 angelegt wird. Fer ner ist mit dem dritten Transfergate TG3 eine zweite Transfergate-Elektro de PG1a verbunden, an die ein zweites VCCD Taktsignal VΦ2 angelegt wird. Mit dem vierten Transfergate TG4 ist eine dritte Transfergate-Elektrode PG2b verbunden, an die ein drittes VCCD Taktsignal VΦ3 angelegt wird, während mit dem zweiten Transfergate TG2 eine vierte Transfergate-Elek trode PG2a verbunden ist, an die ein viertes VCCD Taktsignal VΦ4 angelegt wird. Aus diesem Grunde werden die Signalladungen von den Fotodioden PD61-PD64 zu den VCCD Bereichen VCCD in Antwort auf die VCCD Takt signale VΦ1-VΦ4 mit vier Phasen übertragen, wobei diese Taktsignale je weils an die jeweiligen ersten bis vierten Transfergate-Elektroden PG1b, PG1a, PG2b und PG2a angelegt werden, und wobei jeweils ein Taktsignal in Übereinstimmung mit einer der Phasen steht.

Es sei darauf hingewiesen, daß der CCD Bildsensor so aufgebaut sein kann, daß eine Mehrzahl von reellen Fotodioden eine virtuelle Fotodiode umgibt, und zwar in einem Fall, bei dem angenommen ist, daß die virtuelle Fotodiode ein jeweiliger VCCD Bereich VCCD ist. Eine derartige Struktur weist eine größere Betriebszuverlässigkeit beim Einschreiben von Daten in die virtuelle Fotodiode auf.

Die Fig. 7a zeigt einen Querschnitt entlang der Linie c-c′ von Fig. 6, wäh rend die Fig. 7d einen Querschnitt entlang der Linie d-d′ von Fig. 6 zeigt. Der CCD Bildsensor nach der vorliegenden Erfindung enthält ein N Typ Substrat 100 sowie eine darauf angeordnete Schicht 200 (Wanne) vom P Typ. Die VCCD Bereiche VCCD in der Schicht 200 sind vom N Typ. Die er sten und dritten N Typ Fotodioden PD61 und PD63 sind jeweils an der lin ken und an der rechten Seite eines jeden der VCCD Bereiche VCCD in die ser Reihenfolge sowie auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen an geordnet, und zwar oberhalb des N Typ Substrat 100, wobei eine Kanal stoppschicht ST dazu dient, die Fotodioden PD61 und PD63 jeweils gegen über dem VCCD Bereich VCCD elektrisch zu isolieren, und zwar über ei nem gewünschten Abstand. Auf der Oberfläche einer jeden N Typ Fotodio de PD61 und PD63 befindet sich eine dünne Schicht 300 vom P⁺ Typ, an die eine Anfangsvorspannung angelegt werden kann. Im vorliegenden Fall enthält die P Typ Schicht 200 zwei Typen von Schichten bzw. Wannen, und zwar eine flache P Typ Schicht 200a und eine tiefe P Typ Schicht 200b, und zwar zur Steuerung der Überlauf-Drain-Spannung (OFD), wobei sich die flache P Typ Schicht 200a unterhalb einer jeden der N Typ Fotodioden PD61 und PD63 und die tiefe P Typ Schicht 200b unterhalb eines jeden N Typ VCCD Bereichs VCCD befindet.

Gemäß Fig. 7a liegt jedes der ersten Transfergates TG1 oberhalb des jewei ligen Bereichs zwischen den N Typ Fotodioden PD61 und den N Typ VCCD Bereichen VCCD, um diese Bereiche miteinander zu verbinden. Darüber hinaus liegt auch oberhalb eines jeden N Typ VCCD Bereichs und oberhalb eines jeden Kanalstoppbereichs ST die erste Transfergate-Elektrode PG1b zum Empfang des ersten VCCD Taktsignals VΦ1. Das erste Transfergate TG1 ist mit der ersten Transfergate-Elektrode PG1b verbunden. Ferner sind die N Typ Fotodiode PD63 und der VCCD Bereich VCCD elektrisch ge geneinander isoliert, und zwar über einen gewünschten Abstand hinweg mit Hilfe des Kanalstoppbereichs ST.

Andererseits liegen gemäß Fig. 7b die jeweiligen dritten Transfergates TG3 oberhalb des Bereichs zwischen den jeweiligen N Typ Fotodioden PD63 und den jeweiligen N Typ VCCD Bereichen VCCD, um diese Elemente mit einander zu verbinden. Oberhalb eines jeden der N Typ VCCD Bereiche VCCD und oberhalb eines jeden der Kanalstoppbereiche ST ist ferner die zweite Transfergate-Elektrode PG1a angeordnet, an die das zweite VCCD Taktsignal VΦ2 angelegt wird. Das dritte Transfergate TG3 ist mit der zwei ten Transfergate-Elektrode PG1a verbunden. Auch die N Typ Fotodiode PD61 und der VCCD Bereich VCCD sind elektrisch gegeneinander isoliert, und zwar über einen gewünschten Abstand mit Hilfe des Kanalstoppbe reichs ST.

Nachfolgend wird der Betrieb des CCD Bildsensors nach der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Die Fig. 8a zeigt ein Signaldiagramm bzw. Zeitablaufdiagramm der VCCD Taktsignale VΦ1-VΦ4, die jeweils an die entsprechenden Transfergate- Elektroden in Übereinstimmung mit der Erfindung angelegt werden. In Fig. 8b ist ein Pulswellenformdiagramm der VCCD Taktsignale VΦ1-VΦ4 dargestellt, und zwar unter Benutzung des Einheitsintervalls K von Fig. 8a.

Empfängt der CCD Bildsensor im Betrieb auf ihn auftreffendes Licht, so er zeugen die Fotodioden PD61-PD64 Signalladungen proportional zur In tensität des Lichts. Die erzeugten Signalladungen werden zu den VCCD Bereichen VCCD übertragen, und zwar in Antwort auf die VCCD Takt signale VΦ1-VΦ4, welche an die jeweiligen Transfergate-Elektroden PG1a, PG1b, PG2a und PG2b angelegt werden. Mit anderen Worten wird bei den ungradzahligen Halbbildern eine Spannung V1 mit hohem Pegel an die er sten Transfergates TG1 angelegt, und zwar durch das erste VCCD Takt signal VΦ1, welches den ersten Transfergate-Elektroden PG1b zugeführt wird. Im Ergebnis werden Signalladungen von den Fotodioden PD61 zu den VCCD Bereichen VCCD übertragen, wobei sich diese ersten Fotodio den PD61 jeweils an den linken Seiten der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den ungradzahligen Horizontalabtastzellen befinden. Ferner wird bei den ungradzahligen Halbbildern eine Spannung V2 mit hohem Pe gel an die dritten Transfergates TG3 angelegt, und zwar durch die zweiten VCCD Taktsignale VΦ2, welche den zweiten Transfergate-Elektroden PG1a zugeführt werden. Im Ergebnis werden Signalladungen von den Fotodio den PD63 zu den VCCD Bereichen VCCD übertragen, wobei sich diese Fo todioden PD63 jeweils auf den rechten Seiten der jeweiligen VCCD Berei che VCCD sowie auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen befinden.

Beim gradzahligen Halbbild wird eine Spannung V3 mit hohem Pegel an die vierten Transfergates TG4 angelegt, und zwar durch die dritten VCCD Taktsignale VΦ3, welche an die dritten Transfergate-Elektroden PG2b an gelegt werden. Im Ergebnis werden Signalladungen von den Fotodioden PD64 zu den VCCD Bereichen VCCD übertragen, wobei sich diese Fotodio den PD64 jeweils an den linken Seiten der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen befinden. Ebenso wird beim gradzahligen Halbbild eine Spannung V4 mit hohem Pegel an die zweiten Transfergates TG2 geliefert, und zwar durch das vierte VCCD Taktsignal VΦ4, welches an die vierten Transfergate-Elektroden PG2a an gelegt wird. Im Ergebnis werden Signalladungen von den Fotodioden PD62 zu den VCCD Bereichen VCCD übertragen, wobei diese Fotodioden PD62 jeweils an den rechten Seiten der jeweiligen VCCD Bereiche VCCD sowie auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen liegen.

Die zu den VCCD Bereichen VCCD übertragenen Signalladungen werden dann zum HCCD Bereich HCCD übertragen, welcher seinerseits die erhal tenen Signalladungen zum Abtastverstärker AMP weiterleitet. Dies ge schieht in Antwort auf ein HCCD Taktsignal, das dem HCCD Bereich zuge führt wird. Schließlich wandelt der Abtastverstarker AMP die Signalla dungen vom HCCD Bereich HCCD in eine Spannungsinformation um und gibt diese nach außen.

Die auf diese Weise erzeugten und ausgegebenen Bildsignale sind in der in Fig. 8c dargestellten Form angeordnet. Es handelt sich hier um ein Pixel format bzw. Bildpunktformat eines Bildes oder Rahmens, geliefert durch den CCD Bildsensor nach der Erfindung mit verschachtelter Abtastung. Die Bildsignale, die nach Anlegen der Treiberspannung V1 an die ersten Transfergates TG1 in Antwort auf das erste VCCD Taktsignal VΦ1 ausgege ben werden, sind an Positionen angeordnet, die mit "1" bezeichnet sind. Ferner sind die Bildsignale, die beim Anlegen der Treiberspannung V2 an die dritten Transfergates TG3 in Antwort auf das zweite VCCD Taktsignal VΦ2 ausgegeben werden, an Positionen angeordnet, die mit "3" bezeichnet sind. Die Bildsignale, die bei Anlegen der Treiberspannung V3 an die vier ten Transfergates TG4 in Antwort auf das dritte VCCD Taktsignal VΦ3 aus gegeben werden, befinden sich an Positionen, die mit "4" bezeichnet sind, während die Bildsignale, die bei Anlegen der Treiberspannung V4 an die zweiten Transfergates TG2 in Antwort auf das vierte VCCD Taktsignal VΦ4 ausgegeben werden, an Positionen angeordnet sind, die mit "2" bezeichnet sind.

Die Fig. 8d zeigt ein Pixelformat bzw. Bildpunktformat eines anderen Bil des, das ebenfalls mit dem CCD Bildsensor nach der Erfindung mit ver schachtelter Abtastung erhalten worden ist. Bei dieser Zeichnung ist an genommen, daß die VCCD Bereiche VCCD jeweils einen virtuellen Fotodio denbereich bilden. Die Bildsignale, die von den virtuellen Fotodioden aus gegebenen werden, liegen an Positionen, die mit "C" bezeichnet sind. Ein Wert, der annäherungsweise dem reellen bzw. echten Wert entspricht, wird dadurch gebildet, daß die Summe der Bildinformation "1", "2", "3" und "4", die in den jeweiligen Halbbildern erhalten worden ist, durch vier divi diert wird. Die Position "C" wird dann mit dem erhaltenen und ungefähren echten Wert aufgefüllt. Andere Positionen "T", "TR", "L", "R", "B" und "BL" sind Modifikationen der Position "C" und so abgewandelt, daß ein Aus druck zur Gewinnung virtueller Fotodioden für Bildsignale in den Randbe reichen des Bildes erhalten wird.

Wie oben beschrieben, gestattet der Aufbau des CCD Bildsensors nach der Erfindung, den Füllfaktor der Fotodioden auf derselben Chip-Größe in gleicher Weise zu vergrößern, wie der Füllfaktor der VCCD Bereiche bei dieser Chip-Größe verringert wird. Dies führt zu einer erheblichen Verbes serung des Bildauflösungsvermögens. Die VCCD Bereiche sind dabei zick zack-förmig ausgebildet, so daß es möglich ist, reelle Fotodioden um vir tuelle Fotodioden herum zu positionieren. Hierdurch läßt sich die Be triebszuverlässigkeit beim Einschreiben von Daten in die virtuellen Foto dioden vergrößern. Die Bereiche der Fotodioden lassen sich daher maxi mal erweitern, da der VCCD Bereich als virtuelle Fotodiode behandelt wer den kann.

Wie bereits erwähnt, sind die VCCD Bereiche VCCD zick-zack-förmig bzw. mäanderförmig ausgebildet und erstrecken sich in Vertikalrichtung, also senkrecht zur Zeilenabtastrichtung. Die VCCD Bereiche liegen dabei in Horizontalrichtung unter gleichen Abständen zueinander und sind alle in derselben Weise gekrümmt. In den konkaven Abschnitten der VCCD Berei che befinden sich auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen die er sten Fotodioden PD61 und auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen die zweiten Fotodioden PD62. Sie können mit den jeweiligen VCCD Berei chen fluchten, so daß sie diese Bereiche in Horizontalrichtung gesehen nicht überragen. Den konvexen Abschnitten der VCCD Bereiche liegen jeweils die dritten und vierten Fotodioden PD63 und PD64 gegenüber. Dabei befinden sich die dritten Fotodioden auf den ungradzahligen Horizontal abtastzeilen, während sich die vierten Fotodioden auf den gradzahligen Horizontalabtastzeilen befinden. In Vertikalrichtung gesehen, liegen die dritten und vierten Fotodioden, die zu verschiedenen VCCD Bereichen ge hören, auf einer Geraden. Die vier Fotodioden jeweils einer Gruppe schlie ßen jeweils einen VCCD Bereich (mittig) ein, dessen entsprechender Platz im Bild mit einem Wert (Bildsignal) belegt werden kann, der sich aus den Bildsignalen der Fotodioden dieser Gruppe errechnet (siehe oben).

Claims

1. CCD Bildsensor, gekennzeichnet durch:

- eine Mehrzahl von VCCD Bereichen (VCCD), die in Horizontalrichtung unter konstantem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jeder der VCCD Bereiche (VCCD) zick-zack-förmig mit einer Serie von gekrümmten Abschnitten in Vertikalrichtung ausgebildet ist und in Vertikalrichtung eine gewünschte Länge aufweist,
- eine Mehrzahl von Gruppen von ersten bis vierten Fotodioden (PD61 PD64), die jeweils eine Signalladung in Antwort auf einfallendes Licht er zeugen; wobei die ersten bis vierten Fotodioden der jeweiligen Gruppen jeweils an der linken und rechten Seite eines jeden VCCD Bereichs (VCCD) angeordnet und von benachbarten VCCD Bereichen (VCCD) durch Kanal stoppbereiche (ST) isoliert sind; die ersten Fotodioden (PD61) an den lin ken Seiten der gekrümmten Abschnitte der jeweiligen VCCD Bereiche (VCCD) sowie auf ungradzahligen Horizontalabtastzeilen liegen; die zwei ten Fotodioden (PD62) an den rechten Seiten der gekrümmten Abschnitte der jeweiligen VCCD Bereiche (VCCD) sowie auf gradzahligen Horizontal abtastzeilen liegen; die dritten Fotodioden (PD63) an den rechten Seiten der gekrümmten Abschnitte der jeweiligen VCCD Bereiche (VCCD) sowie auf den ungradzahligen Horizontalabtastzeilen liegen; und die vierten Fo todioden (PD64) an den linken Seiten der gekrümmten Abschnitte der je weiligen VCCD Bereiche (VCCD) sowie auf den gradzahligen Horizontalab tastzeilen liegen;
- eine HCCD Bereich (HCCD) zur Übertragung der von den ersten bis vier ten Fotodioden über die VCCD Bereiche (VCCD) erhaltenen Signalladungen in Horizontalrichtung,
- eine Mehrzahl von ersten Transfergates (TG1) zur Verbindung der ersten Fotodioden (PD61) mit den jeweiligen VCCD Bereichen (VCCD),
- eine Mehrzahl von zweiten Transfergates (TG2) zur Verbindung der zwei ten Fotodioden (PD62) mit den jeweiligen VCCD Bereichen (VCCD),
- eine Mehrzahl von dritten Transfergates (TG3) zur Verbindung der dritten Fotodioden (PD63) mit den jeweiligen VCCD Bereichen (VCCD),
- eine Mehrzahl von vierten Transfergastes (TG4) zur Verbindung der vier ten Fotodioden (PD64) mit den jeweiligen VCCD Bereichen (VCCD)
- eine Mehrzahl von ersten Transfergate-Elektroden (PG1b), von denen je de über dem jeweiligen Kanalstoppbereich (ST) und dem jeweiligen VCCD Bereich (VCCD) liegt, wobei die ersten Transfergate-Elektroden (PG1b) je weils mit den ersten Transfergates (TG1) verbunden sind, um ein erstes VCCD Taktsignal (VΦ1) anzulegen,
- eine Mehrzahl von zweiten Transfergate-Elektroden (PG1a), von denen je de über dem jeweiligen Kanalstoppbereich (ST) und dem jeweiligen VCCD Bereich (VCCD) liegt, wobei die zweiten Transfergate-Elektroden (PG1a) jeweils mit den dritten Transfergates (PG63) verbunden sind, um ein zwei tes VCCD Taktsignal (VΦ2) anzulegen,
- eine Mehrzahl von dritten Transfergate-Elektroden (PG2b), von denen je de über dem jeweiligen Kanalstoppbereich (ST) und dem jeweiligen VCCD Bereich (VCCD) liegt, wobei die dritten Transfergate-Elektroden (PG2b) jeweils mit den vierten Transfergates (TG4) verbunden sind, um ein drittes VCCD Taktsignal (VΦ3) anzulegen, und
- eine Mehrzahl von vierten Transfergate-Elektroden (PG2a), von denen je de über dem jeweiligen Kanalstoppbereich (ST) und dem jeweiligen VCCD Bereich (VCCD) liegt, wobei die vierten Transfergate-Elektroden (PG2a) je weils mit den zweiten Transfergates (TG2) verbunden sind, um ein viertes VCCD Taktsignal (VΦ4) anzulegen.

2. CCD Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die VCCD Bereiche (VCCD) und die ersten bis vierten Fotodioden (PD61 PD64) dieselbe Breite aufweisen.

3. CCD Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die dritten Fotodioden (PD63) und die vierten Fotodioden (PD64) auf einer in Vertikalrichtung verlaufen Geraden liegen.