DE2345784A1 - Einrichtung fuer eine matrix aus ladungsgekoppelten strahlungsfuehlern zur vermeidung des ueberstrahlens - Google Patents

Description

7604-73 Ks/Sö

RGA 66,296

U,S, Serial No. 287,860 ' 2345784

Filed? September 11, 1972

RGA Corporation
New York, N. Y., V, St. A.

Einrichtung fQr eine Matrix aus ladungsgekoppelten Strahlungsfühlern zur Vermeidung des "ttberstrahlens"

Wenn auf eine Matrix aus lichtfühlenden Elementen ein Bild projiziert; wird, welches in bestimmten Bereichen sehr viel heller als in anderen Bereichen ist, dann werden' die mit diesem intensiven Licht (welches ΙΟ-⁵ mal heller als die mittlere Helligkeit des Bildes sein kann) bestrahlten Teile der Matrix überbelastet. Im Falle einer : lädungsgekoppeJen Lichtfühlermatrix kann die auf eine bestimmte Stelle der MaIpLx treffende intensive Strahlungsenergie unter Umständen viel mehr Ladung erzeugen, als von dieser Stelle gespeichert werden kann. Diese übermässige Ladung fließt dann vorzeitig durch den ladungsgekoppelten Kanal und kann außerdem auf benachbarte ladungsgekoppelte Kanäle übergreifen bzw. streuen. Dieses Fließen und Streuen der Ladung äußert sich als Leuchtflecküberhellung oder sogenanntes "Überstrahlen" des vnn der Matrix ausgelesenen Bildes. Das heißt mit anderen Worten, die 'Quelle der intensiven Strahlungsenergie nimmt auf dem ausgelesenen und anschließend wiedergegebenen Bild eine viel größere Fläche ein als beim Original.

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Bei einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Einrichtung wird die überschüssige Ladung, die durch Überbelastung einer Stelle in einer ladungsgekoppelten Strahlungsfühlermatrix infolge hoher Strahlungsenergie entsteht, durch eine im Substrat der Märix eingebettete Sammelschiene fortgeleitet. Die Sammelschiene ist von einer Reihe energiefühlender Stellen der Matrix durch eine Potentialschwelle getrennt, die mittels einer der Sammelschiene zugeordneten Elektrode gebildet wird. Diese Schwelle ist niedriger als die Potentialschwelle zwischen benachbarten 3?ühlstellen des Kanals während der Integrationszeit.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus nachstehender Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispxele anhand von Zeichnungen erläutert werden.

Figur i zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Fotofühlermatrix, einer Zwischenspeichermatrxx für die Ladungs^- signale und einem Ausgangsregister;

Figuren 2a bis 2c zeigen Querschnitte durch verschiedene Formen bekannter Lichtfühlermatrizen, um zu veranschaulichen, wie die Strahlungsenergie (im vorliegenden Beispiel Lichtenergie) empfangen werden kann;

Figur 3 zeigt perspektivisch und teilweise im Querschnitt einen Teil einer zweiphasigen ladungsgekoppelten Lichtfühlermatrix in einer ersten Ausführungsform der Erfindung ;

Figuren 4, 5 und 6 sind verschiedene S^hnittansichten des in Figur 3 gezeigten Aufbaus;

Figuren 7 und 8 zeigen Signalverläufe für den Betrieb der in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Matrix auf zwei veschiedene Arten;

Figur 9 zeigt die Potentialsenken, die beim Betrieb der Lxchtfühlermatrix mit den in Figur 7 gezeigten Signalen gebildet werden;

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"10 zeigt die Potentialsenken, die beim Betrieb der Lichtfühlermatrix mit den in Figur 8 gezeigten Signalen gebildet werden;

Figur 11 zeigt ein vier^äs-iges Steuersignal, welches für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Lichtfühlermatrix geeignet ist;

Figur i2 zeigt die Matrix mit denPotentialschwellen, wie sie sich bei der Steuerung mit den in Figur .11 gezeigten Signalen ergeben;

Figur i:;a zeigt einen Querschnitt durch eine Fotofühlermatrix gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Figur IJb zeigt die Potentialsenken, die durch die an die liberstrahlungs-Sammelschienen gemäß Figur 13a gelegten Potentiale entstehen;

Figur 14a zeigt eine dritte Äusführüngsform der Lichtfühlermatrix ;

Figuren 14b- und 14c zeigen diePotentxalsenken ,-.die sich während . des Betriebs der'Matrix nach Figur 1Aa bilden;

Figur I5 zeigt die Matrix nach Figur 14 in Richtung der Kanäle und die während ihres Betriebs gebildeten Potentialsenken.

Die in Figur "ι. dargestellte Anordnung enthält eine lieiifcfühlermatrix iO, eine Zwischenspeichermatrix 12 mit der selben Anzahl von Stellen oder "Plätzen", wie die Matrix 10, und ein Ausgangsregister 'i4 mit einer Anzahl von Stufen, die der Anzahl der Stellen in einer Reihe der Matrix 10 entspricht. Im Betrieb der Lichtfühlermatrix erzeugt an auf die Matrix projeziertes Strahlungsbild (z.B. ein sichtbares oder ein Infrarotbild) jeweils ein Ladungssignal an den Fühlstellen 16a, 16b usw. Im einzelnen wird bei einem ladungsgekoppelten System der dargestellten Art eine Elektrode wie z.B. 16a anfänglich ■ auf irgendeinem festen Potential gehalten, welches so bemessen ist, daß an der Oberfläche des Substrats 18 Ladung gespeichert

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werden kann. Durch auf das Substrat treffende Strahlungsenergie werden Minoritätsträger (das "Ladungssignal") erzeugt, die sich auf der Oberfläche des Substrats 18 unmittelbar unter der Elektrode (z.B. 16a) ansammeln. Die Menge der während der Beüs&tungszeit (manchmal auch Integrationszeit genannt) angesammelten Ladungsträger ist proportional dem Betrag der eine Fühlstelle erreichenden Strahlungsenergie.

Nachdem sich'eine ausreichende Zahl an Ladungsträgern angesammelt hat, v/erden die Ladungsträger aus der Lichtfühlermatrix in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben. Diese Verschiebung geschieht beim dargestellten Ausführungsbeispiel mittels zweier, jeweils zweiphasiger Spannungen 0,^ 0,p und 0 -η, , 0πρ· (ein drei- oder vierphasiger Betrieb ist ebenfalls möglich). Während der Verschiebung ist 0. - =0-0--_t ¹^ 0 =0 p. Nachdem die von der Matrix 10 gefühlte Information in ihrer Gesamtheit in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben worden ist,", wird sie weiter, ,jeweils eine Reihe gleichzeitig, aus der Zwischenspeichermatrix 12 zum Ausgang des Registers 14 geschoben. Während dieses letztgenannten Schiebevorgangs kann die Lichtfühlermatrix 10 wieder in einen zur Aufnahme eines Bildes bereiten Zustand versetzt werden.

Die Verschiebung des Inhalts der Matrix 12 in das Register erfolgt mittels der Zweiphasenspannung 0-d-, » 0"r?* Jedesmal wenn die Information einer Reihe in das Ausgangsregister geschoben wird, gelangt sie mit Hilfe der Zweiphasenspannung 0n-i 5 0 no ^von diesem zur Ausgangs leitung 20. Die beiden Spannungen 0„y,, 0~p haben natürlich eine viel höhere Frequenz als die beiden Spannungen 0-di» 0 ήο· ■

In der Praxis kann die Verschiebung des Inhalts der Fotofühlermatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 während einer Zeitspanne erfolgen, die dem VertikalaustastIntervall des handelsüblichen Fernsehens entspricht, d.h. während einer Zeitspanne von beispielsweise 900 Mikrosekunden. Das Ausgangs-

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register 14- kann beispielsweise in 10 MikrοSekunden gefüllt v/erden, d.h. während des Horizontalrücklauf Intervalls. Dar Inhalt des Registers kann Bit für Bit während des Horizontalhinlaufintervalls (50 MikrbSekunden) in die Ausgangsleitung geschoben v/erden.

In den !Figuren 2a, 2b und 2c ist gezeigt, wie in einer Matrix (z.B. in der Matrix 10) Licht empfangen werden kann. Bei dem einfachen Aufbau nach Figur 2a, wo die ladungsgekoppelten Elektroden aus strahlungsundurchlässigem Metall wie z.B. Aluminium gebildet sind-, wird die Strahlungsenergie (z.B. Lichtenergie ) durch die obere Oberfläche.empfangen und kann das Siliziumsubstrat durch die Zwischenräume zwischen den Aluminiumelektroden erreichen. Bei dem in Figur 2b gezeigten Aufbau sind einige Elektroden aus Aluminium und andere aus transparentem Polysilizium. Auch hier gelangt das Licht des Bildes von der oberen Oberfläche der Matrix zur Substratplatte. Der durch die Polysilizium-Elektroden dringende Teil des Lichts hat zur Folge, daß sich unter diesen Elektroden Ladungsträger an der Oberfläche des Siliziumsubstrats ansammeln.

Es ist auch möglich, die Substratplatte von unten zu belichten. Ein hierfür geeigneter Aufbau ist in Figur 2c dargestellt. An denjenigen Stellen, wo das Licht empfangen werden soll, ist das P-leitende Substrat dünner und mit einer verhältnismäßig dünnen P⁺-leitenden Schicht versehen, um eine Oberflächen-Rekombination zu verhindern. Der Aufbau der Elektroden ist wie gewöhnlich und in der Figur 2c nicht gezeigt.

Bei allen den dargestellten Matrixanordnungen bringt eine Überbelastung mit Strahlungsenergie Probleme mit sich. Das an einer Fühlstelle erzeugte überstarke Ladungssignal (Minorität sträger) ergießt sich sowohl in den ladungsgekoppelten Kanal als auch in die benachbarten Kanäle, wodurch im ausge-

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lesenen Bild ein Überstrahlen auftritt.

Die Figuren 3-6 zeigen Beispiele für eine Lösung dieses Problems. Die ladiingsspeichernden Elektroden sind wie sonst ausgebildet und setzen sich zusammen aus Elektroden. 20a, 22a, 24a usw., die aus Aluminium bestehen können, und aus Elektroden 22b, 24b und so weiter, die entweder aus Aluminium oder PöJysilizium bestehen können. Für den vprleigenden Fall sei angenommen, daß die letztgenannten Elektroden aus Polysilizium bestehen. In der speziell dargestellten Anordnung liegen die b-Elektroden wesentlich dichter·am Substrat als die a-Elektroden, und jede b-Elektrode ist mit jeweils einer zugeordneten a-Elektrode elektrisch verbunden. Dies hat den Zweck, unsymmetusche Senken im Substrat zu bilden, wenn Spannungen an die Elektroden gelegt werden. Durch die Unsymmetrie der Senken wird sichergestellt, daß der Ladnngsfluß in nur einer dichtung erfolgt, wenn zweiphasige Steuerspannungen verwendet werden. Alles dies ist bereits in der Deutschen Patentanmeldung P 22 01 150.3 beschrieben. Die in der besagten Patentanmeldung beschriebenen anderen Elektrodenanordnungen sind ebenfalls geeignet für den weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau.

Die V_erbesserung bei dem hier zu beschreibenden Aufbau besteht in der Sammelschiene 30 gegen das "Uberda?ahlen" nnd in der ihr zugeordneten Elektrode 32. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung, wo das. Substrat aus P-leitendem Silizium besteht, kann die Sammelschiene 30 eine N⁺-Diffusionszone im Silizium sein. Diese Sammelschiene wird auf einem Potential gehalten, bei welchem sie als "Drain" (Abfluß) für Minoritätsträger wirkt, die im vorliegenden Beispiel Elektronen sind. Ein geeignetes Potential ist +10 Volt, wie in Figur gezeigt.

Die der Sammelschiene 30 zugeordnete Elektrode 32 verläuft nahe der Sammelschiene und in deren .Länge. Vorzugsweise ist

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die Elektrode 32 breiter als die Sammelschiene 30 und überragt deren beide Ränder. Die Elektrode 32 wird auf wesentlich niedrigerem Potential als die Sammelschiene 30 gehalten, beispielsweise auf +5?8 Volt.

Die Funktion einer solchen Elektrode 32 besteht darin, um die Sammelschiene herum Bereiche mit Oberflächenpotential zu schaffen (44 und 46 in Figur 6), die unabhängig von den der Matrix angelegten Mehrphasenspannungen gesteuert werden. Hese Bereiche können sinngemäß mit "Überstrahlungssperren" bezeichnet werden. Eine einem Auflösungselement der Matrix entsprechende Potentialsenke, wie sie bei 40 in Figur 6 dargestellt ist, wird rechtwinklig zu dem ladungsgekoppelten Kanal durch die Überstrahlungssperren begrenzt. Die Senke ist außejdem in der Richtung des ladungsgekoppelten' Kanals begrenzt. Letzteres wird erreicht durch die Übertragungselektroden (z.B. 20a, 24a) zx^ischen Stufen des Kanals, welche die Potentialschwellen (wie z.B. 43und 45 in Figur 9b) erzeugen. Die Potentiale, auf welchen die Elektroden 32, 32a gehalten werden, sind sorgfältig so gewählt, daß die Potentialberge 44, 46 nach Figur 6 niedriger sind als die Potentialberge 43, 45 nach Figur 9t> zwischen den Fühlstellen eines Kanals. Das Oberflächenpotential bei 44, 46 sei beispielsweise +4 Volt und bei 43, 45 sei es +3 Volt. Sollte ein Überstrahlen vorkommen, dann fließt daher die überschüssige Ladung über die niedrigere Überstrahlungssperre zur Sammelschiene und kann daher,eher.-.j von dieser fortgeleitet werden, süs von einer Fühlstelle in.einem Kanal zur nächstbenachbarten Fühlstelle dieses Kanals zu fließen.

Die Funktion der Sammelschine 30 und der zugeordneten Elektrode 32 ist am deutlichsten in der Figur 6ind der Figur 9b zu erkennen. Die Figur 6 zeigt das Profil des Oberflächenpotentials über die' Breite eines ladungsgekoppelten Kanals, und Figur 9b

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zeigt das Profil des Oberflächenpotentials längs der Länge eines ladungsgekoppelten Kanals. Für den vorliegenden EaIl sei angenommen, daß die Polysilizium-Elektrode 22b auf einer Spannung von +14 Volt gehalten wird. Infolge dieser Spannung bildet sich eine Potentialsenke im P-leitenden Siliziumsubstrat, und zwar unmittelbar unterhalb des dicht am Substrat liegenden Heils der ,Elektrode. Es sei ferner angenommen, daß Licht- oder andere Strahlungsenergie von unten auf das Substrat projiziert wird. Schließlich sei angenommen, daß das Substrat den in Figur 2c gezeigten Aufbau hat (in den Figuren 6 und * 9b nicht zusehen). Das dieses Substrat erreichende Licht erzeugt Elektronen als Minoritätsträger, die in der Potentialsenke 40 gespeichert werden. Diese Senke ist natürlich nur ein Schema, wie man sich die Speicherung der Ladung an der Grenzschicht zwischen der Oberfläche des Substrats und der Isolierschicht, d.h. einer Siliziumdioxydschicht, vorstellen kann.

Wenn diese Ladungsspeicherstelle nur mäßig viel Strahlungsenergie empfängt, dann füllt sich die Potentialsenke 4-0 der Figur 6 bis auf ein Niveau, wie es iit der gestrichelten Linie 42 angedeutet ist. Diese Ladung wird örtlich begrenzt durch die Potentialschwellen 44 und 46, die durch die Elektroden 32 und 32a hervorgerufen v/erden, und durch die Kanalbarrieren 4-5» 47» 49, die durch die Aluminiumelektroden 24a, 26a und 28a hervorgerufen werden (wie in den Figuren ^c?a und 9b gezeigt). Die Überstrahlungssperren 44 und 46 entstehen durch den verhältnismäßig niedrigen Spannungswert von z.B. +5,8 Volt, auf dem diese Elektroden 32 gehalten werden, sowie durch die räumliche Anordnung, d.h. das Überstehen der Ränder der Elektroden 32, 32aü)er die Ränder der Sammelschiene 30. Die •Kanalbarrieren 45 und 47 entstehen durch die an der Aluminiumelektrode 24a liegenden 10 Volt und die an der Elektrode 22a liegenden 14 Volt.

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Wenn mehr Strahlungsenergie auf eine Fühl ate He trifft, dann reicht die erzeugte Ladung zum Auffüllen der Senke aus, \4e es mit der gestrichelten Linie 48 in Figur 6 gezeigt ist. (das höchste Niveau, bis zu dem die Senke aufgefüllt werden kann, wird durch die Höhe der von den Elektroden 32, 32a,und so weiter, gebildeten Potentialberge bestimmt, da die Barrieren bzw. Schwellen 43 und ^f-5 unter den Aluminiumäektroden 20a und 24a- in Figur 9b noch höher als diese Potentialberge sind). Wenn .jedoch die Strahlungsenergie diese Intensität übersteigt, dann ergießt sich das Ladungssignal über die Überstrahlnngssperren 44 und 46 und wird durch die Sammelschienen 30 und 30a aus der Matrix fortgeleitet.

Wenn die erfindungsgemäßen Sammelschienen 30, 30a nicht vorhanden wären, dann würde das Ladungssignal entweder auf andere Fühlstellen überfließen und sich dort ansammeln oder es würde sich "-entlang?....:, in den ladungsgekoppelten Kanal ergießen oder es wurden auch beide Fälle eintreten. Die bei dem vorliegenden System vorgesehenen Polysilizium-Elektroden 32 und 32a bilden aber immer noch Potentialsenken zur gegenseitigen Trennung der Kanäle, selbst wenn die Sammelschienen 30, 30a und so'weiter fehlen. Wenn ein ausreichend niedriges Potential aufrecht erhalten wird, dann verhindern die besagten Elektroden, daß die überschüssige Ladung in einem Kanal auf den nächsten Kanal übergeht.

Die im vorliegenden Fall verwendeten Matrizen können auf mehrere verschiedene Arten betrieben werden. Figur 7 veranschaulicht eine Betriebsweise,bei welcher während der optischen Integrationszeit eine Gruppe der Elektroden auf +10 Volt und die andere Gruppe auf +14 Volt während der Ladungsübertragung gehalten werden, wobei den Elektroden zwei sich überlappende Spannungen eines Zweiphasensignals angelegt werden. Die sich hierbei ergebende Arbeitsweise ist in Figur 9 dargestellt. Während der Integrationszeit bilden die mit 0.q = "^ Volt

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beaufschlagten Elektroden relativ tiefe Potentialsenken an den Fühlstellen, und die mit 0.,, = 10 Volt beaufschlagten Elektroden bilden flachere Senken. Die Überstrahlungssperren-Elektrode 52, die auf +5,8 Volt gehalten viird, schafft eine Potentialschwelle inHöhe von +4 Volt an der Oberfläche des Substrats. Dies ist mit der strichpunktierten Linie gezeigt. Die anderen angegebenen ^erte beäehen sich auf Potentiale an der Oberfläche des Substrats. Somit bewirken die Ί4 Volt an der Elektrode 22b ein Oberflächenpotential von 9 Volt, während die 14 Volt an der Elektrode 22a ein Oberflächenpotential von +5 Volt zur Folge haben. Die an den Elektroden 20b und 24b üßgenden Ί0 Volt bewirken ein Oberflächenpotential von 6 Volt, und die an den Elektroden 20a und 24a liegenden 10 Volt bewirken die 5 Volt hohen Kanalbarrieren 43 und 45- Der Wert für 0Ap⁼ '^ Volt wurde gewählt, um die angesammelte Ladung auf ein Maximum au begrenzen, welches durch die sich überlappenden 10 Volt-Mehrphasensignale mit 10 Volt Gleichvorspannung übertragen v/erden kann.

Die Figur 9b zeigt den Empfang von zwei verschiedenen Lichtintensitäten. Das die Elektroden 20 und 22 erreichende Licht ist relativ stark, so daß die betreffenden Potentialsenken im wesentlichen- "gefüllt" werden. Das die Elektroden 24 Und 26 erreichende Licit ist viel schwächer, so daß sich an den entsprechenden Stellen weniger Ladung ansammelt.

Nach der optischen Integrationszeit, die in Figur 7 mit "optische Erfassung" bezeichnet ist, beginnt die zweiphasige Taktspannung. Hierdurch wird die Ladung zum Fließen veranlaßt. Zum Zeitpunkt t^ haben die Potentialsenken den in Figur 9c gezeigten Zustand. Die gesamte unter den Elektroden 20, 22 vorhandene Ladung hat sich nun unter der Elektrode 22b angesammelt. In ähnlicher Weise hat sich die unter den Elektroden 24, 26 befindliche Ladung unter der Elektrode 26b angesammelt. Während der nachfolgenden Zeitabschnitte wandert

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die Ladung weiter nach, rechts. Im Falle der Figur 1 bedeutet dies, daß die Ladung entlang den Spalten der Lichtfühlermatrix nach unten und in die Zwischenspeichermatrix wandert.

Die Figur 8 zeigt den Betrieb mit Wellenformen, die sich nicht überlappen. Die während der Integrationsζext gebildeten Potentialsenken sind in Figur 10b gezeigt, und der Ladungsfluß ist in Figur 10c dargestellt. Bei diesem in Figur 10 veranschaulichten Beispiel wird die Vorspannung während der Integrationszeit auf 9 Volt vermindert, um die Gesamtladung, die sich an jedem Auflösungselement ansammeln kann, zu begrenzen. Es sei bemerkt, (vergl. Figur 10b), daß für .jedes Auflösungselement zwei Potentialsenken vorhanden sind, die (bis zur Überstrahlungssperre) angefüllt werden können, daß ,-jedoch nur eine angefüllte Senke übertragen werden kann (wie in Figur 1Od für t=to gezeigt).

An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Wahl der .Elektroden- ■ spannung für die optische Integrationszeit beim vorliegenden Beispiel so getroffen ist, daß die von gedem Auflösungselement maximal erfaßte Ladung nicht größer ist als die größtmögliche Ladung, die noch aus der Matrix heraustransportiert werden kann. Eine andere Möglichkeit zur Kontrolle der maximal erfaßten Ladung besteht darin, das den Elektroden 32, 32a angelegte Potential zu andern· Diese Art der Kontrolle wird später anhand der Figur 14 beschrieben.

Bei der in Figur 10b gezeigten Arbeitsweise wirken alle a-Elektr den als Sperrelektroden zur Verhinderung eines Ladungsflusses von einer Fühlstelle eines Kanals zur nächsten Fühlstelle in demselben Kanal.. Wenn die an irgendeiner Fühlstelle vorhandene Ladung den durch die Elektroden 32 bestimmten Pegel übersteigt, dann fließt diese Ladung in die Sammelschiene. Da die an den Kanalbarrieren unter den a-Elektroden durch Licht hervorgerufene Ladung die Neigung hat, in die Sammelschiene 30 zu fließen, ist die in Rede stehende Anordnung etwas weniger

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empfindlich, als die in Figur 9b gezeigte Anordnung, wo nur jede zweite a-Elektrode während der Integrationszeit als Sperrelektrode wirkt und wo der Aufbau so getroffen ist. daß sich tiefere Senken bilden, die mehr Ladung ansammeln können. Die in Figur 10b gezeigte Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß dort während der Übergabe des Bildes kein Überstrahlen auftritt.

Die in den Figuren 7 und 11 veranschaulichte Verwendung ' von sich überlappenden Taktimpulsen macht es möglich, daß jb Stufe eine hohe maximale Ladung übertragen werden kann. Bei sehr starken Überbelastungen jedoch,die so groß sind, daß während der Übertragung des Ladungssignals von der Lichtfühlermatrix zur Zwischenspeichermatrix ein Überstrahlen stattfinden kann, ist die überstrahlungskontolle nicht mehr wirksam, wie es mit der gepunkteten Linie in Figur 9 für 0a-\-0ap ⁼ ^ Volt gezeigt ist. Der Grund hierfür ist, daß das Potential der Überstrahlungssperre (+4 Volt) weniger positiv als das Oberflächenpotential (+6VoIt) unter den AIuminiume-lektroden 22a, 24a während derjenigen Zeiten ist, wo dielmpulse der Spannungen 0.- und 0 .p ^-^en gleichen positiven Maximalwert haben (z.B. zum Zeitpunkt to in Figur?). Daher fließt die überschüssige Ladung nicht über den 4 Volt hohen Potentialberg zur Sammelschiene sondern wandert statt dessen über den niedrigeren'Pctentialberg (+6 Volt) zur nächstbenachbarten Speicherstelle im selben Kanal.

Bei einem Betrieb mit sich nicht überlappenden Taktimpulsen, wie er in den Figuren 8 und 10 veranschaulicht ist, kann kein überstrahlen während des Übertragungsvorgangs auftreten. In diesem Fall ergeben sich bei sehr starker Überbelastung mit Strahlungsenergie lediglich sogenannte "Fahnen". Dasheißt, Obwohl die optische Überlastung auf ein Auflösungselement begrenztist und obwohl durch die Sammelschiene ein Streuen

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der Ladung längs des Kanals oder in benachbarte Kanäle verhindert wird, kommt es bei genügend darker Überbelastung " vor, daß sich das nach dem Punkt der Überbelastung übertragene Element mit Ladung füllt. Die hierdurch auftretenden Fahnen (auch Verschmierung oder Nachzie'hefekt genannt) erscheinen nur bei sehr starken Überbelastungen, da die Verweilzeit eines bestimmten Elements an einer Stelle typischerweise um ein Vielfaches kürzer (etwa 100 mal kürzer) als die Integrationszeit ist. Außerdem- entspricht der durch die Fahnen gestörte Bereich nur denjenigen Teil einer vertikalen Linie, der während der Auslesung den Punkt der Überbelastung überstreicht.

Die Überstrahlungskontrolle wurde in den vorangegangenen Beispielen für den Fall von ladungsgekoppelten Bildaufnahmegeräten des Zweiphasentyps beschrieben. Im Grunde kann dieselbe Art der Überstrahlungskoitrolle auch bei einem Gerät des Vierphasentyps oder des Dreiphasentyps angewendet werden. In diesem Fall kann die ÜberstrahlungskontcDlle sowohl während der Erfassungszeit als auch während der Zeit der i'adungsübertragung erfolgen, iru-dem man die Elektroden für die Überstrahlnngssperre auf konstantem Potential hält. Während der optischen Erfassungszeit braucht man nicht eigens auf die Begrenzung des erfaßten Ladungssignals zu achten. Diese etwas einfachere Überstrahlungskontrolle ist deswegen möglich, weil im Falle von Dreiphasen- oder Vierphasen-Matrizen während eines Teils des Arbeitszyklus nur eine einzige Potentialsenke vorhanden ist, die unter nur einer Elektrode aus einer Elektrodengruppe liegt. Im Augenblick dieses Zustande fließt die gesamte Ladung in die für jede Stufe einzige Potentialsenke. Wenn nun das Gesamtsignal zu stark ist, ergießt es sich über die Überstrahlungssperre in die Sammelschiene« Dies ist in den Figuren 11 und 12 veranschaulicht·

In der Figur 12a ist gezeigt, wie die Elektroden an eine vierphasige Spannungsversorgung angeschlossen sind. Während der In^egrationszeit können den Elektroden Gleichspannungen

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zugeführt werden. Während der Auslesung erhalten die Elektroden die in Figur 11 gezeigten Signalwellen. DerLadungsfluß geht aus den Figuren 12b und 12c hervor.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform eines mit 4 Phasen gesteuerten ladungsgekoppelten BildfüHers unter den PoIysilizium- und Aluminiumelektroden Kanäle gleicher Oxydstärke aufweist, sei für den Fall der Figur 12a angenommen, daß die Kanäle unterschiedliche Oxydstärken haben, wie in den Figuren 3, 4- und 5 gezeigt. Daher sind, um den gewünschten Vierphasenbetrieb zu zeigen, die Taktspannungen wie in Figur r' gewählt. Es -sei .jedoch hervorgehoban, daß im Falle von Kanälen ein- und derselben Oxyddicke der in den Figuren 12b und 12c dargestellte Betrieb erreicht werden kann, wenn man Taktspannungen mit denselben Amplituden für alle Phasen verwendet.

Alles oben gesagte soll lediglich deutlich machen, daß der Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung nicht von der speziellen Art abhängt, wie die Ladungen im einzelnen geführt werden (obwohl einige Arten gegenüber anderen gewisse Vorteile haben). Bei erfindungsgemäßen Anordnungen wird verhindert, daß die an einer Lichtfühlstelle durch starke optische Überbelastung hervorgerufene überschüssige Ladung ein Überstrahlen verursacht, welches durch Streuung des Ladungssignals sowohl längs des CCD-Kanals als auch zwischen benachbarten ladungsspeichernden Kanälen entstehen könnte.

Nachstehend sind typische Zahlenwerte für die Dimensionierung de:p bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung (Dimensionen nach Figur 3) genannt:

X₁ » 500 ä
X₂ = 1000 Ä

X₃ = 2400 £

X₄ = ;000 1

Z₁- = -Ί700 8
Dotierung des Substrats = 10 ° cm""¹

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Der Aufbau der bisher beschriebenen Matrix ί ist derselbe wie- gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 22 01 150.3. Die speziell angegebenen Oxydstärken gelten Jedoch für thermisch gewachsene Oxyde in HGl-Dampf bei 900° G. Die Oxydstärken Xj, %> und X^ werden auf die gewünschte Dicke anwachsen gelassen, während die isolierenden Oxydstärken X^, und Xc- auf den Polysilizium-Elektroden den Werten entsprechen, die sich grob aus den Wachstumsgeschwindigkeiten von SiO₂-Polysilizium errechnen.

Die Polysilizium-Elektroden in den beschriebenen Anordnungen können beispielsweise folgendermaßen gebildet werden: Zunächst wird in HGl-Dampf von 900° G eine 500 % dicke Oxyäschicht (X^) gezüchtet. Darauf wird die undotierte Polysiliziumschicht von etwa 5000 α Dicke, niedergeschlagen. Die erste Polysiliziumschicht, d.h. cte Elektroden für die Überstrahlungssperre ,wird durch eine in dem gewünschten Muster eingebrachte Bor-Dotierung definiert. Dann we'rden die undotierten Polysiliziumbereiche entfernt, was mittels einer heißen KOH-Ätse geschieht, die für das stark kit Bor dotierte Polgrsilizium eine viel langsamere Ätzgeschwiindigkeit entwickelt. Da die heiße KOH-Ätze das SiO-nicht angreift und da die zur Definierung des Bor-Dotierungsmusters herangezogene SiOp-Maske vor dem Beginn der KOH-ltzung vom Polysilizium entfernt wird, bekommt das Polysilizium bei diesem Y_erfahren sehr glatte Ränder, ohne daß das SiOg unter den Polysilizium-Elektroden unterschnitten wird. Die auf diese Weise gebildeten ÄLysilizium-Elektroden sind durch thermisch gezüchtetes SiO₂ (X^, ebenfalls in HGl-Dampf von 900° G gezüchtet) isoliert. Diese S_chicht (X^) wird zur selben Zeit gebildet, wo auch das "Kanaloxyd" (X₂) für die zweite Lage der Polysilizium-Elektroden bis zur gewünschten Dicke gezüchtet wird. Das selbe Verfahren wird wiederholt, um die isolierende Oxydschicht (X_n-) zu bilden, wenn das Kanaloxyd X-, bis zur gewünschten Dicke gezüchtet wird.

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Ein anderer Weg zur Erreichung eines ähnlichen Aufbaus, ,jedoch mit einer einzigen Kanaldicke, ist die Verwendung eines mehrschichtigen Kanaloxyds, beispielsweise SiO~-Al₂O_? oder SiO₂-Si^iL für das erste Oxyd. Da Al₂O-. oder Si-N^ das Wachstum des SiO₂ an der SiOo-Si-Grenzschicht praktisch stoppt, können in diesem Falle beide Ebenen des Polysiliziums durch ein thermisch gezüchtetes SiOo isoliert v/erden, während das Kanaloxyd für alle Elektroden im wesentlichen konstant bleibt.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 15 dargestellt. Das Substrat besteht hier aus N-leitendem Silizium. Die Sammelschiene 50 besteht aus einer P-Diffusion in dem N-leitenden Silisiumsubstrat. Die Elektrode 52 besteht aus P⁺-leitendem Polysilizium und ist mit der P -Diffusionszone 50 verbunden.

In diesem Fall erfolgt die Diffusion der Sammelschiene durch Ausdiffunüerung aus den Pt- leitenden Elektroden für die tJbertraguiigssperren, wodurch eine einzelne Sammelschiene entsteht. Die Wirkungsweise dieses Aufbaus ist ähnlich wie weiter oben beschrieben, nur daß nun die Differenz zwischen dem Potential der Überstrahlungssperre und dem Potential der durch Diffusion gebildeten Sammelschiene in der Größenordnung von 1 Volt liegt. Diese relativ kleine Potentialdifferenz beschränkt den Höchstwert des Stromes, der von der Sammelschiene geleitet werden kann. Der tatsächliche Wert dieser Potentialdifferenz entspricht der MOS-Inversionsschwellenspannung und hängt ab von der Dotierung des Substrats, der Dicke der SiO₂-Schichtunter den Elektroden für die Überstrahlungssperre und der festen Ladung in dieser Oxydschicht. Die in Figur ij gezeigte Ausführungsform dieses Typs enthält ladrmgsgekoppelte Elemente mit P-leitendem Kanal, weil in diesem Fall die gewöhnliche positive feäbs Ladung im Oxyd die Potentialdifferenz zu vergrößern trachtet. Es sei jedoch erwähnt, daß bei Oxyden

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mit einer: festen Ladung von praktisch Hull ähnliche Strukturen auch für ladungsgekoppeibe Elemente mit N-leitendem Kanal verwendet werden können. Natürlich müssen in diesem letzteren lall die Polysilizium-Elektroden mit N⁺-Dotierung hergestellt v/erden.

Die Arbeitsweise der in Figur 13 dargestellten Äusführungsform ist im wesentlichen wie weiter oben beschrieben, nur daß das Potential der diffundierten Sammelschiene nunmehr unabhängig vom Potential der überstrahlungssperre gesteuert werden kann. Wie in den weiter oben beschriebenen Fällen ist bei einer Sammelschienenspannung von -5_?8 Volt das resultierende Potential der Überstrahlungssperre etwa -4 Volt, vorausgesetzt daß im Oxyd keine feste Ladung vorhanden ist.

Zur Erläuterung des Betriebs der bis üerher beschriebenen Anordnung zur Überstrahlungskontrolle sei angenommen, daß die den Sammelschienen angelegte Spannung V_b_t>tjs ^un& ^-^e den Elektroden für die Überstrahlungssperre angelegte Spannung V-D _ konstant ist. Wie jedoch in Figur 14- gezeigt, hat man durch Änderung der oben genannten Spannung eine zusätzliche Steuermöglichkeit für den Betrieb des ladungsgekoppelten Bildfühlers.

Zunächst säen die Fälle betrachtet, wo das in Figur 14b gezeigte Potential V-n τ, der Elektrode für die Überstrahlungssperre gesteuert wird. Das maximale ^adungssignal, welches in der Potentialsenke unter irgendeiner Elektrode gespeichert v/erden kann, läßt sich durch Einstellung dieses Potentials

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V-n-g'. Eine solche Einstellung legt den Sättigungswert des erfaßten Ladungssignals fest und kann beispielsweise eine Methode sein, um das maximale Ladungssignal festzulegen,· welches während der optischen Integrationszeit in einem Auflösungselement gesammelt werden kann. Im Extremfall, wenn die tJbertrahlungssperre positiver als das Oberflachenpotential

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im ladungsgekoppelten Kanal gemacht v/erden kann, wird die gesamte in dem Kanal eingeführte Ladung zur diffundierten Sammelschiene fließen.

Zwei nützliche Anwendungen dieses Effekts sind in der IPigur 15 veranschaulicht. Figur 15b zeigt mit dem Profil des Oberflächenpotentials längs des ladungsgekoppelten Kanals die Art der optischen Signalerfassung, bei welcher die unter den Elektroden 20b und 24b erfaßte Ladung gesammelt wird, während die unter den übrigen Elektroden erfaßte Ladung sowohl zur Sammelschiene als auch zu den Senken unter den Elektroden 20b und 24b fließt. Mit dieser A₁.t der Steuerung kann das Auflösungsvermögen der Lichtfühlermatrix verbessert v/erden, wenn man das Ladungssignal unter verschiedenen Elektroden von Bild zu Bild abwechselnd erfaßt. In diesem Fall können die Überstrahlungssperren X'/ährend des die Ladungsübertragung enthaltenden Teils des Zyklus angehoben werden, um den Ladungsübertragungsvorgang nicht zu stören.

Die zweite Art der Steuerung der Überstrahlungssperx^e ist in Figur 15c"veranschaulicht und kann zur Realisierung eines "Elektronischen Verschlußes" herangezogen werden. In diesem Fall kann so lange keine Ladung in der Potentialsenke angesammelt werden, wie die überstrahlungssperre auf einem höheren Potential als das maximale Potential im ladungsgekoppelten Kanal gehalten wird.

Schließlich kann man durch Steuerung desSammelschienenpotentials 1/"B-BUS (^bei festem Potential V_ß__Br der Elektrode für die Überstrahlungssperre) die Empfindlichkeit der Lichtfühlermatrix einstellen. Hiermit wird praktisch eine elektronische veränderbare Irisblende geschaffen. Eine solche Steuex^ung wurde bisher bei Silizium-Yidikons durchgeführt und läßt sich ebenso bei einem ladungsgekoppelten Bildfühler anwenden. Eine derartige Empfindlichkeitssteuerung kann man auf folgende Weise erreichen;

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V/enn die diffundierte Sammelschiene mehr und mehr positiv gemacht wird, dann werden mehr und mehr optisch erzeugte Ladungsträger direkt sur Sammelschiene gezogen. Die größte Empfindlichkeitsabnahme v;ird erreicht, v/enn die von den Sammelschienen gebildeten Verarmungszonen die dem CCD-Kanal entsprechenden Verarmungszonen vollständig umgeben. Eine solche Art der Empfindlichkeitssteuerung ist für rote und infrarote Signale nicht so v/irksam wie für kurzwelligere

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Io

   Patentansprüche

   l.) ijaduiigsgeköppelte Strahlungsfühlermatrix, bestehend. *us -einem Substrat mit zwei benachbarten Reihen oder ^I:Kan-^:-"'.±en^:' von Ladungsspeicherstellen, die bei Erregung ci.urch Strahlungsenergie Ladungen am Substrat speichern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des Überfließens einer an einer Speicherstelle (z.B. Substrat unter 20a, 20b, 22a, 22b) vorhandenen überschüssigen Ladung in eine benachbarte Speicherstelle derselben Reihe oder in eine Speicherstelle der benachbarten Reihe eine Sammelschiene (30, bzw« 50a in Figur oder 50 bzw. 50a in Figur 13) vorgesehen ist, die im Substrat zwischen den beiden Reihen eingeoettet ist, unci. daß eine Einrichtung (32 bzw. 32a in Figur 5 oder 52 bzw. 52a in Figur i3) vorhanden ist, die zwischen jeder Reihe und der' Sammelschiene eine Potentialschwelle solcher Höhe schallt, daß von einer Speichei'stelie überschüssige Ladung über diese Potenzialschwelle zur Sammelschiene fließt.

   Matrix nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschiene (z.B. 50 bzw. ^Oa in Figur 5 oder 50 bi-w. 50a in Figur 15) aus einer Diffusionszone des Substrats bestem;, die von einem anderen Leitfähigkeitstyp (P ) als der Rest des Substrats (H) ist.

   Matrix nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, aaß aie Einrichtung zur Schaffung der Potentialschwelle eine vom Substrat beabstandete Elektrode (32 bzw. 52a in Figur 3) ist, aie breiter als die Sammelschiene (50, 50a) ist und diese beidseitig überragt und. auf einem anderen Potential gehalten ist als die Sammelschiene.

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   4. Matrix nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Schaffung der Potentialschwelle eine Elektrode (52 bzw· 52a in Figur i3) ist, die direkt mit der Sammelschiene (50, 50a) über mindestens einen großen Teil ihrer Länge verbunaen ist und die breiter als diese Schiene· ist und diese beidseitig überragt, wobei die überragenden Teile der iSlektrode vom Substrat beabstandet sind.

   5. Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -jede Speicherstelle eine Elektrode (z.B. 20a bz\-;. 24a) aufweist, die auf einem solchen Gleichspannungspotential liegt, daß eine Potentialschwelle für den von dieser Speiohastelle zur nächstbenachbarten Speicherstelle derselben ßeihe gerichteten Ladungsfluß entsteht, die höher als die Potentialschwelle zwischen dieser Speichez'stelle und der Sammelschiene ist.

   ό. Ladungsgekoppelte Matrix mit einem Substrat und zwei benachbarten Reihen oder "Kanälen" von Ladungsspeicherstellen zur Speicherung von Ladungen am Substrat, gekennzeichnet durch eine nahe dem Substrat angeordnete Sperrenelektrode (52 bzw. 52a in Figur 5 oder 52 bsw. 52a in Figur Ίρ), die auf einem solchen Potential gehalten ist, daß zwischen den bei-. den Reihen eine Potentialschwelle entsteht, welche einen Ladungsfluß von einer Speicherstelle (z.B. Substrat unter 20a , 20b, 22a, 22b) in einer Reihe zu einer Speichastelle in der anderen Reihe verhindert.

   7. Matrix nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Änderung des Potentials der Sperrenelektrode.

   8. Matrix nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine im Substrat unterhalb der Sperrenelektrode befindliche Sammelschiene (50 bzw. 50a in Figur 5 oder 50 bzw. 50a in. Figur 13) > deren ' Breite kleiner als diejenige der Sperrenelektrode ist und die auf einem solchen Potential gehalten ist, daß sie als Abfluß für Ladungen wirkt.

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   Ά-

   9. Matrix nach. Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine im

   " Substrat unterhalb der Sperrenelektode befindliche Sammelschiene (yO bzw. 50a in Figur ;3 oder 50 bzw. 50a in Figur Ί5), deren Breite kleiner als diejenige der Sperr-enelektrode ist nnd die die beiden Sander der Sammelschiene überragt, und •3ine Einrichtung zur Veränderung des Potentials der Sammelschiene innerhalb eines Bereichs, der solche Potentiale einschließt, bei welchen die Sammelschiene als Abfluß für Ladungen wirkt.

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