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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Lesevorrichtung für von auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten
Fotodioden gelieferte elektrische Ladungsmengen, wobei die
Speicherung kapazitiv erfolgt.
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Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf Matrizen
von Fotodioden, in denen diese Fotodioden an den
Schnittpunkten von Zeilen und Spalten angeordnet sind und eine große
Kapazität besitzen können.
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Insbesondere aus dem Patent EP-A-0 168 291 im Namen
der Anmelderin ist eine Vorrichtung zum Lesen von elektrischen
Ladungsmengen bekannt, die von in Matrixform oder in Form von
Leisten angeordneten Fotodioden geliefert werden. Diese
Vorrichtung enthält Speichermittel, die in dem Substrat der
Fotodioden Potentialsenken zur Speicherung erzeugen können. Diese
Senken entsprechen einer Zeile oder einer Spalte der Matrix,
um nacheinander je Zeile oder Spalte die von den Fotodioden
jeder Zeile oder Spalte kommenden Ladungen zu speichern. Diese
Speichermittel sind nämlich einem Pufferregister mit
parallelen Eingängen vergleichbar, das nacheinander die von den
Fotodioden jeder Zeile oder jeder Spalte kommenden Ladungen
aufgrund einer Abtastung der Matrix je Zeile oder Spalte
speichern kann. Diese bekannte Vorrichtung enthält auch ein
Schieberegister vom Ladungskopplungstyp (in englisch "charge
coupled device" CCD) mit parallelen Eingängen und Serienausgang.
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Dieses Schieberegister besitzt ein Halbleitersubstrat
sowie Steuermittel, um Potentialsenken und Transferpotentiale
in dem Substrat zu erzeugen, um elektrische Ladungen in dem
Substrat zirkulieren zu lassen. Diese Steuermittel bestehen im
wesentlichen aus Elektroden (oder Gittern), an die
Steuerspannungen angelegt werden, mit denen die Transferpotentialsenken
erzeugt werden können und die oft mit dotierten Zonen oder
Implantatzonen unterschiedlicher Typen in dem Substrat in
Verbindung stehen. Aufgrund dieser Transferpotentiale werden
die vom Register empfangenen Ladungen von Senke zu Senke bis
zu einem Ende dieses Registers verschoben, das an Lesemittel
gekoppelt ist. Dieses Ende kann von einer Halbleiterdiode zur
Ladungsspeicherung gebildet werden, die an einen Verstärker
angeschlossen ist, der seinerseits mit einem Meßgerät oder
einem Verarbeitungskreis verbunden ist.
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Schließlich enthält die bekannte Vorrichtung für jedes
Ladungsspeichermittel ein Ladungstransfermittel mit einem
Halbleitersubstrat (z.B. ein MOS-Transistor), das den
seitlichen Eingang des Schieberegisters bildet, um in einer
Speichersenke enthaltene Ladungen zu einer diesem Transfermittel
und dem Schieberegister gemeinsamen Empfangspotentialsenke zu
transferieren. Die so transferierten Ladungen werden dann
durch aufeinanderfolgende Verschiebungen an das Ende des
Registers gebracht. Wenn die Menge der gespeicherten Ladungen
gering ist oder wenn die gespeicherten Ladungen ein anderes
Vorzeichen als das der Ladungen besitzt, die von dem
Schieberegister verschoben werden können, dann verwendet man oft
Transfermittel vom Abschöpfungstyp, um eine wirksame
Übertragung zu gewährleisten. Diese Transfermittel vom
Abschöpfungstyp sind im allgemeinen an Mittel zur Einspeisung von
Treiberladungen in die Empfangssenken gekoppelt, die gemeinsam für
die Transfermittel und das Schieberegister vorgesehen sind.
Diese Einspeisemittel sind bekannt; die eingespeisten Ladungen
werden entweder durch elektrische Spannungen erzeugt, die an
auf dem Substrat liegende Elektroden angelegt werden, oder
durch Lichtstrahlen, die auf Halbleiterdioden in der Nähe der
Transfermittel gerichtet werden.
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Wenn die Treiberladungen in die
Empfangspotentialsenken eingespeist worden sind, dann verursachen die an die
Elektroden oder Steuermittel der Transfermittel angelegten
Spannungen aufgrund der Transferpotentiale in dem Substrat die
Verschiebung der in jeder Empfangssenke enthaltenen
Treiberladungen in Richtung auf die entsprechende Speichersenke, und
dann umgekehrt die Verschiebung der gespeicherten Ladungen und
der Treiberladungen zur Empfangssenke. Die gespeicherten und
die Treiberladungen, die algebraisch hinzuaddiert wurden,
werden dann durch aufeinanderfolgende Verschiebungen zum Ende
des Leseregisters gebracht.
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Der soeben beschriebene Transfermechanismus durch
Abschöpfung ist aber in manchen Fällen nicht schnell und
wirksam genug.
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Es ist bekannt, daß im Fall einer großen Kapazität der
Speichermittel (Fotodioden) der Transfer durch die
Transfermittel für die gespeicherten Ladungen eine gewisse Zeit
erfordert, um wirksam zu sein, es sei denn, man verfügt über eine
erhebliche Treiberladung, was zu einer Überdimensionierung des
Schieberegisters (CCD) führt. Diese geringe
Transfergeschwindigkeit der Speichermittel in Richtung auf das Schieberegister
stört ganz besonders, wenn die gespeicherten Ladungen ein
anderes Vorzeichen als die von dem Schieberegister
transferierten Ladungen besitzen, da in diesem Fall die gespeicherte
Ladung sich von der Treiberladung abzieht und die
resultierende Ladung nicht mit einer guten Wirksamkeit übertragen werden
kann.
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Eine bekannte Lösung für den Fall, daß die
gespeicherte Ladung unabhängig von ihrem Vorzeichen nicht in einem Zug
ganz übertragen werden kann, besteht darin, die Ladung zu
teilen und in mehreren Schritten zu transferieren, so daß die
verschiedenen Teilladungen sich am Leseende des
Schieberegisters kumulieren (dieses Verfahren ist unter dem Namen
Zeilenkumulierung bekannt).
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Gemäß dem aktuellen Stand der Technik werden für jede
Zeile oder jede Spalte nach jedem Transfer von Speicher- und
Treiberladungen in die Empfangssenken des Schieberegisters die
so kombinierten Ladungen durch aufeinanderfolgende
Verschiebungen zum Leseende des Registers übertragen, wo die
verschiedenen Werte ihrer gemessenen Mengen gespeichert werden.
Nachdem das Register für diese selbe Zeile oder Spalte dann leer
ist, erfolgt ein weiterer Transfer von Speicher- und
Treiberladungen
zu den Empfangssenken des Schieberegisters. Diese
kombinierten Ladungen werden wieder zum Ende des Registers
verschoben, damit die Meßwerte ihrer Ladungsmengen erneut
gespeichert werden, aber nach einer Kumulierung mit den
vorhergehend gespeicherten Werten, und zwar für die
entsprechenden Dioden der betrachteten Zeile oder Spalte.
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Eine derartige Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie
außerhalb des Schieberegisters einen Zeilen- oder
Spaltenspeicher erfordert, in dem eine Kumulierung der gemessenen
Ladungsmengenwerte für jede Diode erfolgen muß. Dieser Nachteil,
der die Vorrichtung teuer macht, ist nicht der einzige.
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Ein noch größerer Nachteil besteht darin, daß nach
jedem Transfer für die Fotodioden einer Zeile oder einer
Spalte in Richtung auf die Empfangspotentialsenke das ganze
Schieberegister geleert werden muß, was eine große Anzahl von
Verschiebungen erfordert, während denen jede Zeilen- oder
Spaltenfotodiode weiter Ladungen akkumuliert. Wenn die zum Leeren
des Schieberegisters erforderliche Zeit zu lang ist, dann
können nicht alle akkumulierten Ladungen gemessen werden und
es erfolgt eine Sättigung der Fotodioden. Es ergibt sich somit
ein Blendeffekt (im englischen blooming) der Fotodioden, der
die Bildqualität aufgrund der so verwendeten Matrix stark
beeinträchtigt.
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Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben
und insbesondere eine Lesevorrichtung für von einer
Fotodiodenmatrix gelieferte elektrische Ladungsmengen anzugeben, bei
der es für eine wirksame Auslesung jeder Zeile oder Spalte
nicht notwendig ist, das Schieberegister mehrfach vollständig
zu leeren und die gemessenen Ladungen nach jeder dieser
Auslesungen zu speichern und zu kumulieren. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung vermeidet die Sättigung der Dioden und erhöht
erheblich die Abtastgeschwindigkeit für die Zeile oder Spalte
für einen Signalpegel, der genauso hoch oder auch höher sein
kann als die von dem Schieberegister übertragbare Ladung.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Lesevorrichtung für
von auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Fotodioden
gelieferte elektrische Ladungsmengen, die an den
Schnittpunkten von Zeilen und Spalten einer Matrix liegen, mit einer
Gruppe von Speichermitteln, um in dem Substrat der Fotodioden
Potentialsenken entsprechend jeder Spalte bzw. jeder Zeile zu
erzeugen, um nacheinander Zeile für Zeile oder Spalte für
Spalte die von den Fotodioden jeder Zeile bzw. jeder Spalte
kommenden Ladungen zu speichern, mit einem Ladungstransfer-
Schieberegister auf einem Halbleitersubstrat, wobei das
Register Steuermittel aufweist, um Potentialsenken und
Transferpotentiale im Substrat des Schieberegisters zu erzeugen, um
elektrische Ladungen in diesem Register zu einem Ausgangsende
dieses Registers zu verschieben, das an Mittel zum Lesen von
Ladungsmengen gekoppelt ist, wobei weiter für jedes
Ladungsspeichermittel ein Ladungstransfermittel vorgesehen ist, das
ein Halbleitersubstrat besitzt und mit Steuermitteln versehen
ist, um in dem letztgenannten Substrat Transferpotentiale und
ein Senkenpotential für den Empfang der in den entsprechenden
Speichersenken enthaltenen Ladungen zu erzeugen, wobei die
Empfangspotentialsenken der Transfermittel, die den
verschiedenen Speichersenken entsprechen, außerdem Potentialsenken für
das Schieberegister sind, und wobei das Schieberegister weiter
Mittel zur Injektion von Treiberladungen in die
Empfangspotentialsenken besitzt, wobei die Steuermittel jedes
Transfermittels den Transfer der Treiberladungen, die sich in den
Empfangssenken dieses Transfermittels befinden, zur
entsprechenden Speichersenke und dann den Transfer von Treiberladungen
und mindestens einen Teil der in den Speichersenken
gespeicherten Ladungen zu den Empfangssenken bewirken, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schieberegister für jede Fotodiode n
aufeinanderfolgende Stufen besitzt, wobei n eine ganze Zahl
größer 1 ist und n-1 dieser Stufen n-1
Zwischenpotentialsenken zwischen der dieser Fotodiode entsprechenden
Empfangspotentialsenke und der benachbarten Fotodiode für dieselbe Zeile
oder dieselbe Spalte bilden, und daß eine dem Schieberegister
und dem Transfermittel entsprechend dieser Fotodiode
gemeinsame Stufe vorgesehen ist, die die Empfangspotentialsenke
erzeugt, wobei die Menge der in jeder Speichersenke enthaltenen
Ladungen vom Schieberegister nach n Übertragungen von
gespeicherten Ladungen und von Treiberladungen zum Schieberegister
und nach n-1 Verschiebungen berücksichtigt wird, wobei die
Mittel zur Injektion der Treiberladungen in alle
Empfangspotentialsenken des Schieberegisters vor jedem Ladungstransfer
in Richtung auf diese Empfangssenken Treiberladungen
injizieren und wobei die zu lesende Ladungsmenge für jede Fotokathode
nach n Übertragungen von gespeicherten Ladungen gelesen wird.
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Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die
Injektionsmittel für die Treiberladungen parallele
Treiberladungs-Transfermittel, die diese Treiberladungen in gleichen
Mengen in jede dieser Empfangspotentialsenken vor jedem
Transfer dieser Treiberladungen in die entsprechenden
Speicherpotentialsenken injizieren.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal sind die
Treiberladungs-Injektionsmittel Transfermittel, die diese
Treiberladungen an einem Eingangsende, das dem Leseende
entgegengesetzt ist, in das Schieberegister injizieren, sodaß
durch aufeinanderfolgendes Shiften alle Potentialsenken des
Registers Treiberladungen in gleichen Mengen enthalten, ehe
der erste Transfer von Treiberladungen in die
Speicherpotentialsenken erfolgt, wobei eine zusätzliche Menge von
Treiberladungen an das Eingangsende des Schieberegisters nach jeder
Verschiebung, die einem Ladungstransfer von einer
Speichersenke zu einer Empfangssenke folgt, injiziert wird.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal wird das
Schieberegister auf einem Substrat des Dotierungstyps P
hergestellt, der sich von dem des Substrats der Speichermittel und
der Fotodioden unterscheidet (die vom Dotierungstyp P sind und
auf einem Substrat vom Typ N ausgebildet sind).
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal ist das
Schieberegister auf einem Substrat des Dotierungstyps P
ausgebildet,
genauso wie das Substrat der Speichermittel und der
Fotodioden (die vom Typ N sind und auf einem Substrat des Typs
P ausgebildet sind).
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Die Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung mit Hilfe der beiliegenden
Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Lesen der von Fotodioden gelieferten elektrischen
Ladungsmengen.
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Die Figuren 2A bis 2E zeigen schematisch
Potentialsenken und Transferpotentiale, die in einem Speichermittel und
einem entsprechenden Transfermittel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorkommen.
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Die Figuren 3A, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F zeigen
Potentialsenken und Transferpotentiale, die im Schieberegister der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dessen Betrieb auftreten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die schematisch in
Figur 1 gezeigt ist, ermöglicht das Auslesen der von auf einem
Halbleitersubstrat 2 liegenden Fotodioden 1 gelieferten
elektrischen Ladungsmengen. Diese Fotodioden liegen je an den
Schnittpunkten von Zeilen 4 und Spalten 5 und bilden so eine
Matrix.
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Die Vorrichtung enthält eine Gruppe 6 von
Speichermitteln 8, die, wie weiter unten im einzelnen dargestellt
wird, Speicherpotentialsenken entsprechend jeder Spalte oder
jeder Zeile erzeugen. Diese Speichermittel erlauben es,
nacheinander Zeile für Zeile oder Spalte für Spalte die von den
Fotodioden jeder Zeile oder jeder Spalte der Matrix kommenden
Ladungen zu speichern. In dem in dieser Figur gezeigten
Ausführungsbeispiel geht man davon aus, daß die Fotodiodenmatrix
eine Matrix mit Zeilenabtastung ist. Die Abtaststeuermittel
sind Teil des bekannten Standes der Technik und mit dem
Bezugszeichen 7 versehen. Jedes Speichermittel 8 der Gruppe 6
kann also hier die Ladungen jeder Fotodiodenzeile speichern,
wobei die Zeilen nacheinander abgetastet werden.
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Jedes Speichermittel 8 kann beispielsweise aus einer
Elektrode gegenüber der entsprechenden Spalte bestehen, die
auf einer isolierenden, das Substrat 2 bedeckenden Schicht
ruht. Eine elektrische Spannung wird an diese Elektrode
angelegt, um eine Speicherpotentialsenke im Halbleitersubstrat
gegenüber der Elektrode (nicht dargestellt) zu erzeugen.
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Die Vorrichtung enthält weiter ein Schieberegister 10
auf einem Halbleitersubstrat 9 vom Ladungstransfertyp (in
englisch charge coupled device CCD). Dieses Register enthält
Steuermittel, die von einer elektrischen Spannungsquelle 11
gebildet werden, die in bekannter Weise an in der Figur nicht
gezeigte Elektroden, die auf einer das Substrat 9 bedeckenden
Isolierschicht liegen, Spannungen anlegen kann, welche
Potentialsenken und Transferpotentiale in diesem Substrat erzeugen.
Diese Transferpotentiale und Senken ermöglichen es,
elektrische Ladungen in dem Register in Richtung auf ein Ausgangsende
12 zirkulieren zu lassen, das an Lesemittel 13 gekoppelt ist,
in denen am Ende des Registers ankommende Ladungsmengen
gelesen werden. Das Ende 12 kann beispielsweise eine Endelektrode
(nicht dargestellt) enthalten, die auf der das Substrat 9
bedeckenden Isolierschicht ruht. Eine elektrische Spannung
wird an diese Endelektrode angelegt, um in dem Substrat eine
Endpotentialsenke zu erzeugen, in der die im Register
verschobenen Ladungen schließlich ankommen.
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Die Lesemittel 13 enthalten in bekannter Weise einen
Verstärker 14, der an eine nicht dargestellte Meßelektrode
angeschlossen ist, welche auf der das Substrat in der Nähe des
Endes 12 bedeckenden Isolierschicht ruht. Ein Ausgang des
Verstärkers 14 liefert einen Strom oder eine Spannung, die in
einem Meßgerät 15 gemessen werden, welches diese Ladungen
speichern kann. Die Vorrichtung enthält auch für jedes
Ladungsspeichermittel 8 ein Ladungstransfermittel 16 auf einem
Halbleitersubstrat 9. Dieses Transfermittel, das Stand der
Technik ist, besitzt Steuermittel wie z.B. nicht dargestellte
Elektroden, die auf der das Substrat 9 bedeckenden
Isolierschicht
ruhen und an die elektrische Steuerspannungen von
einer Quelle 18 angelegt werden. Die Steuermittel der Einheit
19 der Transfermittel erzeugen im Substrat 9, wie weiter unten
im einzelnen erläutert wird, Transferpotentialbarrieren und
Empfangspotentialsenken, die den Speichersenken der
Speichermittel 6 jeweils entsprechen. Diese Empfangspotentialsenken
sind auch, wie weiter unten im einzelnen erläutert wird,
Potentialsenken des Schieberegisters 10. Sie erlauben den
Transfer der von den Speichermitteln gespeicherten und jeweils von
einer Zeile von Fotodioden (im vorliegenden Beispiel der
Zeilenabtastung) kommenden Ladungen zum Schieberegister 10.
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In einer ersten Ausführungsform enthält die
Vorrichtung schließlich Treiberladungseinspeisemittel 17 zur
Einspeisung in das Schieberegister 10 an einem Eingangsende dieses
Registers. Dieses Einspeisemittel können in bekannter Weise
aus einer nicht dargestellten Elektrode bestehen, die auf der
das Substrat 9 bedeckenden Isolierschicht liegt und an die
eine in diesem Substrat Treiberladungen erzeugende Spannung
angelegt wird.
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Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird,
schreiten diese an den Eingang des Schieberegisters eingespeisten
Treiberladungen im Register mit jeder Verschiebung in Richtung
auf das Ausgangsende des Registers fort. Diese Treiberladungen
werden in konstanter Menge bei jeder Verschiebung eingespeist,
insbesondere in die Empfangssenke.
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In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung sind
die Treiberladungseinspeisemittel parallele Transfermittel 20,
die im Stand der Technik bekannt sind und Treiberladungen in
konstanten Mengen in die Empfangspotentialsenken des
Schieberegisters nach jeder Verschiebung einspeisen.
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Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, bewirken
die Steuermittel jedes Transfermittels den Transfer der in
jeder Empfangssenke der Transfermittel enthaltenen
Treiberladungen zu den entsprechenden Speichersenken, und dann
umgekehrt den Transfer der Treiberladungen und mindestens eines
Teils der in den Speichersenken entsprechend den
Empfangssenken gespeicherten Ladungen in die Empfangssenken. Dieser
Transfer in zwei Richtungen ergibt sich aufgrund der
Transferpotentialbarrieren, die im Substrat 9 durch die oben
beschriebenen Steuermittel erzeugt werden und aus einem
spannungsgesteuerten MOS-Transistor bestehen können. Dieser
Transfervorgang in beiden Richtungen ist unter dem Namen
"Abschöpfung" bekannt.
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Die Figuren 2A bis 2E dienen einem besseren
Verständnis des Betriebs der Transfermittel und insbesondere des
Ablaufs des Abschöpfungsprozesses, der in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung abläuft. Die Figuren 2A bis 2E zeigen die
Potentialsenken und Transferpotentiale, die im Substrat 2 eines
Ladungsspeichermittels 8 und im Substrat 9 eines entsprechenden
Transfermittels 16 wirksam werden.
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Die Figuren 2A und 2B zeigen eine
Speicherpotentialsenke P1 des Mittels 8, eine den Transfermitteln 16 und dem
Schieberegister 10 gemeinsame Empfangspotentialsenke P2 und
Potentialsenken wie z.B. P3 des Schieberegisters.
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Die Potentiale nehmen in Richtung des Pfeils V in den
Substraten zu. Die unterbrochene Linie L markiert die Trennung
zwischen dem Substrat 2 der Speichermittel und der Fotodioden
und dem Substrat 9 des Transfermittels und des
Schieberegisters. Dieses Diagramm zeigt schematisch die Ladungsmenge Qs,
die in der Speichersenke P1 eines Speichermittels enthalten
ist, von einer Fotodiode beispielsweise einer Zeile stammt und
in diese Senke während der Abtastung der Matrix übertragen
wurde. Bevor diese Ladungen Qs von der Fotodiode in diese
Senke P1 übertragen werden, enthält sie eine feste
Ladungsmenge QF, die durch den Pegel des Gate G1 während der letzten
Abschöpfung definiert wird (Figur 2A). Danach enthält die
Senke eine Menge Qf+Qs (Figur 2B). Die Potentialsenke P2 der
Transfermittel, die auch eine der Senken des Schieberegisters
ist, enthält eine Menge QE von Treiberladungen CE, die in
diese Senke durch aufeinanderfolgende Verschiebungen ausgehend
vom Ende des Registers oder durch Injektion von der Seite her
wie oben angegeben eingespeist wurden. Aus Gründen, die weiter
unten im einzelnen erläutert werden, enthält die Senke P4 des
Schieberegisters auch eine Ladungsmenge QE, die im Fall einer
Einspeisung von QE vom Eingangsende des Schieberegisters her
unvermeidlich ist.
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Figur 2C zeigt einen nächsten Verfahrensschritt des
Ladungstransferprozesses. Die an die Elektroden des
Transfermittels 8 angelegten Spannungen werden so gewählt, daß die
Transferpotentiale in dem Substrat 9 variieren und daß die in
der Empfangssenke P2 enthaltenen Treiberladungen CE zur
Speichersenke P1 übertragen werden und sich mit den bereits in
dieser Senke gespeicherten Ladungen mischen, welche von der
entsprechenden Fotodiode stammen. Dieser Transfer erlaubt die
Mischung der gespeicherten und der Treiberladungen einer
Gesamtmenge QE+QS. Wenn die Fotodioden und die Speichermittel
Zonen mit P-Dotierung in einem Halbleitersubstrat mit
N-Dotierung besitzen, dann sind die von den Dioden gelieferten und in
den Speichersenken enthaltenen Ladungen positive Ladungen,
während die in den Potentialsenken des Schieberegisters
enthaltenen Ladungen Elektronen sind (dies ist der Fall in Figur
2). Es ist in diesem Fall notwendig, daß die Menge QE von in
die Potentialsenke des Schieberegisters eingespeisten Ladungen
absolut gesehen größer als die Menge der zu übertragenden
gespeicherten Ladungen QS ist.
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Wenn dagegen die Fotodioden und die Speichermittel
Zonen mit N-Dotierung in einem Substrat mit P-Dotierung
aufweisen und das Schieberegister auch ein Substrat mit
P-Dotierung besitzt, dann sind die gespeicherten Ladungen und die
Treiberladungen Elektronen; die einzige Einschränkung liegt
dann in der Maximalmenge von Ladungen, die in den
Potentialsenken des Schieberegisters aufgenommen werden können.
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Figur 2D zeigt schematisch den nächsten
Verfahrensschritt des Prozesses mit dem Ladungstransfer zum
Schieberegister und insbesondere zur Empfangspotentialsenke P2, die dem
betrachteten Transfermittel und dem Schieberegister gemein
ist. Die Steuermittel des Transfermittels erzeugen im Substrat
der Transfermittel Transferpotentiale, die den Übergang einer
Ladungsmenge QE+QS zur Potentialsenke P2 bewirken.
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Wie Figur 2E zeigt, erfolgt dann eine Verschiebung
aufgrund von Transferpotentialen des Schieberegisters und
unter Steuerung durch dessen Steuermittel. Die Ladungsmenge
QE+QS wird in die Potentialsenke P3 des Schieberegisters
übertragen, während eine Menge QE von Treiberladungen in die
Empfangspotentialsenke P2 eingespeist wird.
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Der Prozeß beginnt dann erneut in gleicher Weise mit
der Übertragung einer neuen Menge gespeicherter Ladungen. Die
Anzahl n von so für jede Fotodiode durchgeführten
Übertragungen wird abhängig von der Menge der gespeicherten Ladungen
gewählt, d.h. abhängig von den Merkmalen der verwendeten
Fotodioden und der maximalen Beleuchtung, der die Matrix
ausgesetzt werden soll. Diese Anzahl von Übertragungen entspricht
nämlich dem Schritt oder der Anzahl von Zellen des
Schieberegisters zwischen jedem Paar von Fotodioden einer Zeile oder
einer Spalte, je nach dem verwendeten Abtasttyp.
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Die Figuren 3A bis 3F sollen den Betrieb der
Vorrichtung erläutern und insbesondere die Struktur des
Schieberegisters. Diese Figuren zeigen die Potentialsenken und die
Transferpotentiale V in dem Substrat des Schieberegisters und der
Transfermittel zu verschiedenen Zeitpunkten.
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In Figur 3A wurden die Potentialsenken des
Schieberegisters vor jeder Übertragung von für jede Fotodiode einer
Zeile oder Spalte gespeicherten Ladungen in die entsprechenden
Empfangssenken dieses Registers dargestellt. Die
Potentialsenken des Registers enthalten alle eine Menge QE von
Treiberladungen CE, die von der Seite her oder von einem Ende des
Registers her durch aufeinanderfolgende Verschiebungen nach rechts
in der Figur eingespeist wurden. Die verschiedenen Stufen E1,
E2 ... E6 des Schieberegisters 10 wurden schematisch in der
Figur dargestellt. Die Stufen E1, E2 und E3 entsprechen einer
Fotodiode einer Zeile und einer Spalte. Die Stufen E4, E5, E6
entsprechen einer Fotodiode derselben Zeile, aber der
nächstfolgenden Spalte. Nur die Stufen E1 und E4 dieser
dargestellten Stufen sind dem Schieberegister und den Transfermitteln 19
gemein.
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In Figur 3B ist der Inhalt des Schieberegisters nach
einem ersten Transfer der Treiberladungen und der
gespeicherten Ladungen in die Potentialsenken P1 und P4 gezeigt, die den
Transfermitteln und den Stufen E1 und E4 des Schieberegisters
gemeinsam angehören. Nach dieser ersten Übertragung enthält
die Potentialsenke P1 beispielsweise eine Ladungsmenge
QA1=QE+QS1. Die Ladung QS1 kommt von einer der Dioden einer
bestimmten Zeile und einer bestimmten Spalte. In gleicher
Weise enthält eine andere Empfangssenke P4 entsprechend einer
anderen Fotodiode der betrachteten Zeile, aber der folgenden
Spalte der Matrix, eine Ladungsmenge QB1=QE+QS2.
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Figur 3C zeigt schematisch den Inhalt des
Schieberegisters nach einer ersten Verschiebung der Ladungen QA1 und QA2
nach rechts, die in den jeder der Fotodioden entsprechenden
Empfangssenken enthalten waren. Die zu messenden Ladungen QA1
und QB1, die in der Stufe E1 und in der Stufe E4 des
Schieberegisters enthalten waren, sind nun in der Potentialsenke der
Stufe E2 bzw. der Stufe E5 des Schieberegisters. Die
Empfangspotentialsenken der Stufen E1 und E4 empfangen durch
Verschiebung von den jeweiligen vorhergehenden Stufen (in dem in der
Figur dargestellten Beispiel) oder durch seitliche Einspeisung
neue Treiberladungsmengen QE.
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Figur 3D zeigt schematisch den Inhalt des
Schieberegisters nach einer zweiten Übertragung von Treiberladungen QE
und gespeicherten Ladungen QS'1 und QS'2 in die Empfangssenken
P1 und P4. Nach dieser zweiten Übertragung enthalten die
Empfangspotentialsenken P1 und P4 der Stufen E1 und E4 die
Ladungsmengen QA2=QE+QS'1 bzw. QB2=QE+QS'2.
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Figur 3 zeigt schematisch den Inhalt des
Schieberegisters nach einer zweiten Verschiebung nach rechts. Die
Ladungsmengen QA2 und QB2, die in den Potentialsenken der Stufen
E1 bzw. E4 des Registers enthalten waren, gelangen nun in die
Potentialsenken der Stufen E2 und E5. Die Ladungsmengen QA1
und QB1, die in den Potentialsenken der Stufe E2 bzw. E5
enthalten waren, gelangen in die Potentialsenken der Stufen E3
und E6.
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Die Empfangspotentialsenken der Stufen E1 und E4
empfangen erneut Ladungsmengen QE entweder durch Verschiebung von
Treiberladungen aus der vorhergehenden Stufe oder durch
seitliche Einspeisung.
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Figur 3F zeigt schematisch den Inhalt des
Schieberegisters nach einer dritten Übertragung von Treiberladungen QE
und Ladungen QS"1 und QS"2, die in den Speichersenken der
Speichermittel gespeichert waren. Nach dieser dritten
Übertragung enthalten die Empfangssenken P1 und P4 der Stufen E1
und E4 des Schieberegisters die Ladungsmenge QA3=QE+QS"1 bzw.
QB3=QE+QS"2. Alle Potentialsenken des Schieberegisters sind
dann durch die so für jede Diode ausgehend von den
entsprechenden Speichermitteln übertragenen Ladungen nach drei
Übertragungen und zwei Verschiebungen besetzt. Es wird hier davon
ausgegangen, daß drei Übertragungen für jede Diode notwendig
sind, um alle von dieser Diode akkumulierten Ladungen während
einer Abtastperiode einer Zeile zum Schieberegister zu
übertragen. Diese Anzahl von Übertragungen und von zugeordneten
Verschiebungen hängt aber natürlich von den Merkmalen der
verwendeten Fotodioden, der größten auftretenden
Beleuchtungsstärke der Matrix und der Abtastperiode einer Zeile ab. Wenn
alle Potentialsenken des Registers so mit schrittweise
übertragenen Ladungen für die Dioden der betrachteten Zeile
besetzt wurden, dann werden die in den Potentialsenken
enthaltenen Ladungen nach den aufeinanderfolgenden
Ladungsverschiebungen zum Leseende des Registers hin von den Lesemitteln
gelesen, registriert und kumuliert. Da die Anzahl von
Potentialsenken entsprechend den Ladungen, die für jede Diode gemessen
werden sollen, bekannt ist, ist es einfach, mit den
Lesemitteln
die für jede Diode kumulierten Ladungen wie z.B.
QA1+QA2+QA3 zu messen. Es ist nicht mehr notwendig, wie beim
Stand der Technik, das Schieberegister nach jedem
Ladungstransfer und mehrfach für jede Zeile zu entleeren.
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Im beschriebenen Beispiel enthält das Schieberegister
in Wirklichkeit zwei aufeinanderfolgende Stufen wie z.B. E2
und E3 für jede Diode, um zwei Zwischensenken zwischen der
Empfangspotentialsenke P1 bzw. P4 entsprechend der
betrachteten Diode und der Nachbardiode für die betrachtete Zeile zu
erzeugen. Die Menge von in jeder einer Diode entsprechenden
Speichersenke enthaltenen Ladungen wird nach drei
Übertragungen und zwei Verschiebungen berücksichtigt. Ganz allgemein
gilt, wenn n Übertragungen durchgeführt werden sollen (n > 1),
um die für jede Diode gespeicherten Ladungen zu
berücksichtigen, daß das Schieberegister für diese Diode n
aufeinanderfolgende Schieberegisterstufen enthält. n-1 dieser Stufen
erzeugen n-1 Potentialsenken zwischen der Empfangspotentialsenke
für die betrachtete Diode und der Empfangspotentialsenke für
die nächstfolgende Diode sowie eine zusätzliche Stufe, die dem
Schieberegister und dem entsprechenden Transfermittel
gemeinsam ist. Diese gemeinsame Stufe erzeugt die
Empfangspotentialsenke der betrachteten Diode. Das Auslesen des Registerinhalts
für eine Zeile oder eine Spalte kann nach n Ladungstransfers
zum Register und n-1 Verschiebungen erfolgen. Diese
aufeinanderfolgenden Ladungstransfers während einer Abtastperiode
erhöhen die Geschwindigkeit der Vorrichtung und erlauben es,
die Sättigung der Fotodioden und damit die oben erwähnte
Blenderscheinung (blooming) zu vermeiden.