DE2349522B2 - Ladungsgekoppelte strahlungsfuehlermatrix - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Strahlungsfühlennatrix mit einem Substrat und zwei benachbarten Reihen (Kanälen) von Ladungsspeicherstellen, deren jede eine Elektrodenanordnung aufweist, die bei Anregung durch Strahlungsenergie zur Speicherung eines Ladungssignals an der Substratoberfläche führt; ferner mit einzelnen Leitern, deren Anzahl mindestens gleich ist der Anzahl von Ladungsspeicherstellen in einer Reihe und deren jeder mit den Elektrodenanordnungen zweier benachbarter Reihen verbunden ist, um diesen Elektrodenanordnungen eine Spannung anzulegen; und schließlich mit einer Einrichtung, die das Fließen der an einer Speicherstelle angesammelten überschüssigen Ladung in eine benachbarte Speicherstelle derselben oder einer anderen Reihe verhindert und folgendes enthält: eine im Substrat zwischen benachbarten Reihen eingebettete Sammelschiene; eine Anordnung zur Aufrechterhaltung eines solchen Potentials der Sammelschiene, daß sie als Abfluß für Ladungen wirkt, und eine Sperranordnung, die zwischen jeder Ladungsspeicherstelle und der Sammelschiene eine Potentialschwelle solcher Höhe erzeugt, daß die überschüssige Ladung, die über das an einer Ladungsspeicherstelle speicherbare Maß hinausgeht, über die Potentialschwelle zur Sammelschiene fließen kann.
Bei der Belichtung einer Matrix aus lichtfühlenden Elementen kann es vorkommen, daß das belichtende Bild an einigen Stellen sehr viel heller als der übrige Teile des Bildes ist. Hierdurch werden die entsprechenden Teile der Matrix von einer besonders intensiven Strahlung getroffen, die z. B. das 10⁵fache der mittleren Intensität des Bildes betragen kann, was zu Überlastungserscheinungen in diesen Teilen der Matrix führt. Im Falle einer ladungsgekoppelten Lichtfühlermatrix kann die auf eine bestimmte Matrixstelle treffende intensive Strahlungsenergie zur Folge haben, daß mehr elektrische Ladung erzeugt wird, als sich an dieser Stelle speichern läßt. Die überschüssige Ladung kann dann »überlaufen«, d. h., sie kann auf benachbarte Stellen längs derselben ladungsgekoppelten Lichtfühlerreihe (im folgenden auch »Kanal« genannt) übergreifen und sich auch in benachbarte ladungsgekoppelte Kanäle ergießen. Diese Ladungsausbreitung zeigt sich in einem »Überstrahlen« des aus der Matrix ausgelesenen Bildes. Das

tieißt mit anderen Worten, die Quelle der intensiven Strahlungsenergie erscheint in dem ausgelesenen und inschließend wiedergegebenen Bild flächenmäßig viel größer als beim Original.

Eine Strahlungsfühlermatrix der eingangs beschriebcncn Art, die Gegenstand einer älteren Patentanmeldung (Offenlegungsschrift 27 45 784) ist, vermindert die Gefahr des Uberstrahlens durch das Vorhandensein der Sammelschiene und der zwischen ihr und den Kanälen gebildeten Potentialschwellen. Da diese Potejtialschwellen niedriger sind als die Sperren zwischen den Ladungsspeicherstellen jeweils ein- und desselben Kanals, fließt überschüssige Ladung eher zur ableitenden Sammelschiene als in benachbarte Ladungsspeicherstellen desselben Kanals. Diese Maßnahme zur Vermeidung des Uberstrahlens hat jedoch dann einen unerwünschten Begleiteffekt, wenn im Zuge der Weitergabe der Ladung von einer Speicherstelle zur anderen die unter einer Speicherstelle liegende gefüllte Potentialgrube vorübergehend to schmaler wird. Da hiermit bei gleichbleibender Ladungsmenge die in der Grube gesammelte Ladung in ihrem »Niveau« steigt, kann es vorkommen, daß ein Teil der Ladung bei der Weitergabe über die Potentialschwelle zur Sammelschiene hin überfließt und dort unwiderruflich abgeleitet wird. Dies führt zu einem Verlust an Nutzsignalenergie.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Gefahr von Ladungsverlusten bei der Ladungsweitergabe zu vermeiden. Bei einer ladungsgekoppelten Strahlungsfühlermatrix der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sperrenanordnung von den Spannungen an den Leitern beeinflußbar ist und an der Substratoberfläche eine dynamische Potentialschwelle erzeugt, die sich mit diesen Spannungen ändert.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß man mit einer Anordnung zvr Vermeidung des Uberstrahlens nicht einen Ladungsverlust bei der Weitergabe der Ladung in Kauf nehmen muß. Einzelheiten und besondere Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend in Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt die Draufsicht auf eine ladungsgekoppelte BUdfühlermatrix;

F i g. 2 und 3 zeigen Schnitte gemäß den Linien 2-2 und 3-3 der in Fi g. 1 gezeigten Matrix;

F i g. 4 zeigt das Profil des Oberflächenpotentials quer über einen Kanal der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Anordnung;

F i g. 5 zeigt Profile von Oberflächenpotentialen längs einem Kanal der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Anordnung;

F i g. 6 zeigt den Verlauf von Signalen zum Betrieb der Anordnung nach den F i g. 1 bis 3;

F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 8 zeigt die Verteilung von Oberflächenpotentialen quer zum Kanal der in F i g. 7 gezeigten Anordnung;

F i g. 9 zeigt die Verteilung von Oberflächenpotentialen längs des Kanals während der Zeit der Strahlungserfassung bei der Anordnung nach Fig. 7;

Fig. 10 zeigt in einem Schaubild das Oberflächenpotential abhängig von dem Potential der Speicherelektrode bei einer ladungsgekoppelten Anordnung, und zwar für verschiedene Dotierungsstärken des Siihstrats·

Fig. 11 zeigt perspektivisch und aufgebrochen den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 und 13 zeigen den Verlauf von Signalen für unterschiedliche Betriebsarten der Anordnung nach F i g. 11:

Fig. 14 zeigt in einem Schaubild das Oberflächenpotential in Abhängigkeit von der Spannung der Speicherelektrode einer ladungsgekoppelten Anordnung, und zwar für verschiedene Dicken des Kanaloxyds zwischen dem Speicherelektrodenleiter und dem Substrat;

Fig. 15 und 16 zeigen die Dicke von Isolierschichten für zwei verschiedene Arten der Ausführungsform nach Fig. II;

Fig. 17 zeigt das Profil des Oberflächenpotentials quer zum Kanal bei der Ausführungsart nach Fig. 15;

Fig. 18 zeigt Oberflächenpotentialprofile längs des Kanals für die Ausführungsart nach F i g. 15;

Fig. 19 zeigt Oberflächenpotentialprofile längs des Kanals für die Ausfiihrungsart nach Fig. 16;

Fig. 20 ist ein Schaubild zur Erläuterung des Betriebs einer modifizierten Ausführungsart der Anordnung nach F i g. 7.

Die Fig. 1 zeigt einen Teil einer Bildfühlermatrix, wie sie der Anmelderin bekannt ist. Von den vielen in der Matrix vorhandenen Speicherstellen sind nur einige dargestellt. Die der Bildfühlermatrix zugeordnete Zwischenspeichermatrix für Ladungen sowie die Leseverstärker und dazugehörigen Schaltungen sind nicht eigens dargestellt, da sie nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind. Eine Beschreibung solcher Anordnungen und anderer Merkmale von Bildfühlermatrizen befindet sich in der auf die obengenannte ältere Patentanmeldung zurückgehende deutsche Offenlegungsschrift 23 45 784.

Die Matrix nach den F i g. 1 bis 3 enthält ein Substrat 10 aus P-Ieitendem Silizium, welches eine Dotierungsdichte von N^=IO¹⁴ bis 10^lr> Störstellen pro cm³ aufweist. Auf einer Oberfläche des Substrats 10 befinden sich P-leitende Diffusionszonen 12a und 12 b, die als Kanalbegrenzungen dienen und jeweils zwischen zwei benachbarten Kanälen (d. h. Reihen) von Ladungsspeicherstellen liegen. Diese Diffusionszenen, die durch Ionenimplantation oder irgendein anderes Verfahren gebildet sein können, sind stärker dotiert als das Substrat und können beispielsweise /V₄=IO¹⁷ bis 10^1B Störstellen pro cm³ enthalten. Die Substratoberfläche und die Diffusionszonen sind von einer Isolierschicht 14 bedeckt, die beispielsweise aus Siliziumdioxyd (SiO₂) bestehen kann.

Auf der Oberseite der Isolierschicht befindet sich eine Vielzahl sogenannter Ladungsspeicherelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d. Über der gesamten Anordnung kann zum Schutz eine sehr dünne, mit Phosphor dotierte Oxydschicht (nicht gezeigt) aufgetragen sein.

In der oben beschriebenen Anordnung hat der Kanal eine Breite von 15,24 μπι, und die der Kanalbegrenzung dienenden Diffusionszonen 12a und \lb sind ebenso breit. Die Elektroden 1.6, die aus Aluminium bestehen können, seien 7,62 jim breit und 2,54 μΐη voneinander entfernt. Die Dicke der Oxydschicht (SiO₂) sei 2500 A. Diese Maße sind lediglich als Beispiele anzusehen.

Die vorstehend beschriebene Bildfühlermatrix kann mit 3 Phasen betrieben werden, wofür die Signale mit dem in Fig. 6 gezeigten Verlauf herangezogen wer-

ien. Die Elektroden 16 α und 16 b sowie alle anderen längs des Kanals. Somit ergießt sich jede überschüs-

[nicht dargestellten) Elektroden, die im späteren Ver- sige Ladung aus der betreffenden Potentialgrube in

lauf des Betriebs mit den Wechselspannungen <1\ und eine oder mehrere benachbarte Potentialgruben des-

Φ₂ angesteuert werden sollen, werden zunächst auf selben Kanals. Diese Ladungsausbreitung führt zu

einer festen Gleichspannung von 24 Volt gehalten. 5 einer Streuung oder Aufweitung jedes intensiven, aus

Die Elektrode 16 c und alle diejenigen anderen Elek- der Matrix ausgelesenen Bildpunkts und somit zu

troden, die später mit der Wechselspannung Φ., an- einer Erscheinung, die gemeinhin als »Überstrahlen*

gesteuert werden sollen, werden auf einer festen des Bildes bekannt ist.

Gleichspannung von 4 Volt gehalten. Während der Ein Überstrahlen kann in der Anordnung nach den Zeit des Anliegens dieser Spannungen wird ein Strah- io F i g. 1 bis 3 auch die Folge einer bestimmten Handlungsbild (z. B. ein optisches Bild) auf die Matrix habung der Steuerspannungen sein. Während der projiziert, und zwar entweder auf deren Oberseite Integrationszeit werden zwei Elektroden auf einer oder deren Unterseite. Die durch Belichtung mit die- verhältnismäßig hohen Spannung gehalten und ersem Bild erzeugten Ladungsträger sammeln sich in zeugen eine relativ breite Potentialgrube, wie es in den »Potentialgruben« unterhalb der auf + 24 Volt 15 F i g. 5 zu sehen ist. Während der Zeit der Ladungsgehaltenen Elektroden an. Diese Ladungsträger sind signal-Übertragung fallen die beiden Potentialgruben Minoritätsträger (und zwar Elektronen im Falle eines für den Großteil jeder Übertragungsperiode auf eine P-leitenden Substrats), und ihre Ansammlung sowie Grube zusammen. Wenn sich die breite Potentialdie Oberflächenpotentiale sind schematisch in F i g. 5 grube während der Integrationszeit auf mehr als die (a) dargestellt. Die an jeder Stelle angesammelte ao Hälfte ihres Aufnahmevermögens mit Ladungsträgern Ladungsmenge ist proportional dem Betrag der auf anfüllt, dann läuft ein Teil der Ladung über, wenn die diese Stelle treffenden Strahlungsenergie. breite Grube durch eine schmale Grube von etwa der

Die als »Kanalbegrenzungen« bezeichneten P-lei- halben Breite ersetzt wird. Die schmalen Gruben sind

tenden Diffusionszonen bilden Potentialschwellen bei (b) in F i g. 5) gezeigt.

zwischen benachbarten Kanälen, wie es schematisch 25 In Fig.7 ist eine Möglichkeit veranschaulicht, wie

in F i g. 4 gezeigt ist. Sie sollen einen Ladungsfluß sich das obenerwähnte Problem gemäß der Erfindung

von einem Kanal zum nächstbenachbarten Kanal ver- lösen läßt. Der in F i g. 7 gezeigte Aufbau einer Ma-

hindern. Das Oberftächenpotential unterhalb einer trix ist der gleiche wie vorstehend beschrieben, ab·

Diffusionszone (z. B. der Diffusionszone 12a) betrage gesehen von zwei Ausnahmen. Erstens befindet sich

einen Bruchteil von einem Volt, während das Ober- 30 in der Mitte jeder Kanalbegrenzungszone eine N-lei-

flächenpotential an einer Ladungsspeicherstelle etwa tende Diffusionszone 20 a, 206 bzw. 20 c. Die Kanal-

18 Volt beträgt, wenn die Elektrode an dieser Stelle begrenzung selbst besteht aus zwei P-leitenden Diffu-

auf 24VoIt liegt. Weil die Störstellenkonzentration sionszonen (z.B. 22a), und zwar jeweils eine auf

in den P-leitenden Diffusionszonen so hoch ist, be- jeder Seite der N-leitenden Diffusionszone (z. B. 20 α),

wirkt die Spannung der über den Diffusionszonen 35 Zweitens sind die P-leitenden Diffusionszonen nicht

verlaufenden Leiter (z.B. 16 d) praktisch keine Ver- so stark dotiert wie bei der Anordnung nach den

armung und hat somit praktisch keinen Einfluß auf Fig. 1 bis 3, sondern sie haben eine Störstellenkon-

die Potentialschwellen. zentration von N_a=6 · 10^1β Störstellen pro cm³. Diese

Nachdem sich Ladungsträger in ausreichender Zahl Dotierung wird vorzugsweise durch lonenimplanta-

angesammelt haben, werden sie aus der Matrix hin- 4° tion herbeigeführt, weil sich hiermit die Stärke der

ausgeschoben, und zwar mittels der Dreiphasen- Dotierung genau kontrollieren läßt. Bei diesem Dotie-

Wechselspannung, die während der in F i g. 6 mit rungsgrad beeinflussen die Spannungen an den über

»Ladungssignal-Übertragung« bezeichneten Zeit- die P-Diffusionszonen laufenden Leitern (z. B. am

spanne angelegt wird. Die Zum Zeitpunkt i, herr- Leiter 16 d) die Potentialschwelle, die von diesen Dif-

schenden Oberflächenpotentiale sind schematisch in 45 fusionszonen hervorgerufen wird. Die N-leitenden

Fig. 5 (b) dargestellt. Man erkennt, daß die vorher Diffusionszonen 20 wirken als Abflüsse oder »Drains«

unter den Φ_χ- und <&₂-Elektroden vorhandene Ladung für Elektronen, wenn sie auf irgendeiner positiven

nunmehr vollständig in die Potentialgrube unterhalb Spannung von z. B. 10 Volt gehalten werden,

der Φ₂-Ε1ε&κκ1ε geschoben ist. Während einer nach- Die Wirkungsweise dieser Matrix ist in den F i g. 8

folgenden Zeitspanne (i₂ in F i g. 6) wird die Ladung 50 und 9 veranschaulicht. Die F i g. 9 zeigt das Profil

unter die Φ₃-Ε1ε&Γθά'ε g8schobcn usw. Die Drei- des Oberflächenpotentials in Längsrichtung eines

phasenspannung bleibt weiterhin so lange angelegt, Kanals während der Zeit der optischen Integration,

bis das gesamte in der Matrix gespeicherte Ladungs- In Fig. 10 sind die Oberfiächenpotentiale bei ver-

signal aus der Matrix hinausgeschoben ist. schiedenen Dotierungsgraden über der Speicherelek-

Eines der bei der vorstehend beschriebenen Matrix 55 trodenspannung aufgetragen, und zwar für eine auftret8nden Probleme ist die Überbelastung mit 2500A dicke Kanaloxydscbicht Das Oberflächen-Strahlungsenergie. Wenn eine starke Strahlungsquelle potential unter den auf 24 Volt Iieg8nden Elektroden auf eine Ladungsspeicherstelle projiziert wird, dann ist V₅-18 Volt, und das Oberflächenpotential unter wird an dieser Stelle mehr Ladung erzeugt, als dort den an 4 Volt liegenden Elektroden ist V₈=2 Volt, gespeichert werden kann. Hiermit ergibt sich für das 60 Diese 2 Volt stellen jeweils eine Potentialschwelle Schema nach F i g. 5 a ein Zustand, bei welchem die zwischen benachbarten Potentialgruben längs des in einer Potentialgrube angesammelte Ladungsmenge Kanals dar. Ferner läßt sich an Hand der F i g. 8 und über den Rand der Grube überfließt. Diese überschüs- 10 erkeiuren, daß bei einer Spannung der Ladungssige Ladung kann jedoch den Kanal nicht νεΓ^εεη, speicherelektrode 16 d von 24 Volt das Oberflächenwcü das durch die Kanalbegrenzung hervorgerufene 65 potential unterhalb der Diffusionszonen 22 a beispiels-Oberflächenpotential (in F i g. 5 a mit der gestrichel- weis8 4 Volt beträgt. Diese Schwelle ist niedriger als ten Linie dargestellt) niedriger ist als das Oberflächen- die 2-Volt-Schwelle zwischen den Potentialgruben potential zwischen benachbarten Potentialgruben längs des Kanals. Falls nun eine Überbelastung durch

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Strahlungsenergie erfolgt und mehr Ladungsträger er- die als Überstrahlungssperre dienende Diffusions-

seugt werden, als die in den F i g. 9 und 8 a gezeigte zone durch Ionenimplantation mit einer festen Dosis

Potentialgrube aufnehmen kann, fließt die übeirschüs- an Ionen dotiert werden kann, die den kritischen

iige Ladung daher eher über die 4-Volt-Poteintial- Spannungswert V_x festlegt, bei welchem diese Dif-

ächwelle zur N-leitenden Diffusionszone 20 a als über 5 fusionszone vollständig verarmt ist.

Jie 2-Volt-Potentialschwelle zur nächstbenachbarten Der Betrieb einer solchen Matrix ist relativ unab-

Potcntialschwelle desselben Kanals. Das gleiche gilt hängig von der tatsächlichen Dotierungsdichte der

auch dann, wenn die breiten Potentialgruben ge- Diffusionszone und hängt nur von der Gesamtdosis

maß F i g. 9 die schmale Form gemäß F i g. 5 b an- ab. In diesem Fall kann die Störstellenkonzentra-

nehmen. ¹⁰ tion N_A durch die Durchbruchsspannung zwischen

Wie oben erwähnt, werden die N-Diffusionszonen der als Überstrahlungssperre dienenden Diffusions-

20 auf einer positiven Spannung wie z. B. 10 Volt ge- zone und den N+-leitenden Sammelschienen auf

halten. Diese 10 Volt beeinflussen die P-Diflusions- einen Wert begrenzt sein, der gleich oder größer ist

zonen 22 nicht, weil sie eine Sperrspannung für den als 6 ■ 10^iecm^s.

PN-Übergang zwischen der P-Diffusionszone 22 und 15 Die Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsform der

der N-Diffusionszone 20 darstellen. Erfindung, die sich mit einer Zweiphasen-Steuerspan-

Wie man an Hand der F i g. 8 und 9 erkennen nung betreiben läßt. Die Ladungspeicherelektroden kann, handelt es sich bei der die N-leitende Diffu- bestehen aus einzelnen Paaren. Jedes Elektrodenpaar sionszone umgebenden Potentialschwelle um eine enthält eine Polysilizium-Elektrode, (z.B. 30), die »dynamische« Schwelle, d. h., ihr Wert ändert sich ao verhältnismäßig nahe am Substrat angeordnet ist, und mit den an den Leitungen 16 liegenden Spannungen. eine Aluminium-Elektrode (z. B. 32), die sich weiter Wenn beispeilsweise die Spannung an der Leitung vom Substrat entfernt befindet. Dieses Elektroden-16 d 24 Volt beträgt, dann ist die Schwellenhcihe am paar wird mit ein- und derselben Phase (ζ. Β. Φ,) »niedrigsten« (d. h. am meisten positiv), sie beträgt der zweiphasigen Steuerspannung angesteuert und dann nur 4VoIt. Wenn die Leitung 16 rf auf einer as bildet im Substrat eine asymmetrische Potentialgrube Spannung von 4 Volt liegt, dann wächst die Schwel- zur Ladungsspeicherung. Das benachbarte Elektrolenhöhe (d.h., sie wird weniger positiv) auf einen denpaar 30a, 32a wird mit der Phase Φ₂ ange-Wert unterhalb von 1 Volt. Dies ist ein wichtiges steuert. Die Arbeitsweise einer solchen Anordnung Merkmal der vorliegenden Erfindung, weil damit ist ausführlich in einer USA.-Patentanmeldung mit sichergestellt wird, daß die Ladung, wenn sie längs 30 dem Titel »Charge Coupled Circuits« vom 14. Januar des Kanals weitergegeben wird, nicht aus dein Kanal 1971 beschrieben, die auf den Erfinder Walter F. verlorengeht. Wenn die Potentialschwelle konstant Kosonocky zurückgeht und auf die Anmelderin auf 4 Volt gehalten würde und die Spannung an den der vorliegenden Anmeldung überschrieben ist.
Ladungsspeicherelektroden dann während der La- Die Anordnung nach Fig. 11 unterscheidet sich dungsübertragungszeit zum Zwecke der Weitergabe 35 von der in der besagten Patentanmeldung beschrieder Ladung längs des Kanals geändert wird, dann benen Anordnung dadurch, daß sie Sammelschienen wäre es denkbar, daß ein Teil dieser Ladung; an die wie z. B. 34 a und 34 b im Substrat zwischen den Ka-Sammelschiene 20 verlorengeht, während din: Span- nälen aufweist und daß bei ihr der Abstand zwischen nung einer Elektrode auf ihren relativ niedrigen Wert diesen Sammelschienen und dem Polysilizium-Leiter sinkt. Mit der Anordnung nach F i g. 7 wird sowohl <o sorgfältig eingestellt sein muß. Jede Sammelschiene während der Integrationszeit als auch während der liegt unterhalb des vom Substrat am weitesten entZeit der Ladungssignal-Übertragung ein Überstrahlen fernten Elektrodenteils. Die Sammelschienen wirken verhindert. als Abflüsse oder »Drains« für Minoritätsträger und

Bei der Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 7 sind elektrisch von den Kanälen getrennt, und zwar

dargestellten Anordnung sei vorausgesetzt, daß die 45 durch Potentialschwellen, die im Substrat durch die

Diffusionszonen 22 ausreichend tief sind, so daß sie über die Sammelschienen laufenden Elektroden er-

niemals vollständig entblößt bzw. verarmt werden zeugt werden.

können. Es ist jedoch auch möglich, eine solche An- Für die in Fig. 11 gezeigte Anordnung gibt es

Ordnung so zu betreiben, daß die als »Überstrahlungs- zwei mögliche Ausführungsarten. Bei der einen Art,

sperre« wirkenden Diffusionszonen 22 beim Höchst- 50 die schematisch in Fig. 15 gezeigt ist, ist der größte

wert der ansteuernden Mehrsphasenspannung voll- Abstand X₀₃ zwischen der Polysilizium-Elektrode

ständig verarmt werden. und dem Substrat größer als der kleinste Ab-

Eine solche Betriebsweise ist in Fig. 20 veran- stand X₀₂ zwischen der Aluminiumelektrode und schaulicht. Wie man in der unteren graphischen Dar- dem Substrat. Bei der zweiten, in F i g. 16 dargestellstellung erkennen kann, wird eine Diffusionszone 22 55 ten Ausführungsart liegt die Polysilizium-Elektrode bei über dem Wert V_x liegenden Speicherelektroden- auch mit ihrem größten Abstand X_m näher am Subspannungen vollständig von Ladungsträgern ent- strat als die Aluminiumelektrode. In den Fig. 15 leert, d. h. vollständig verarmt. Wenn dies eintritt, und 16 sind typische Maße für die jeweiligen Abist die Potentialdifferenz zwischen dem Oberflächen- stände eingetragen.

potential innerhalb des Kanals unter der auf der 60 Die Arbeitsweise der ersten Ausführungsart der

relativ hohen Spannung liegenden Speicherelektrode Anordnung nach Fig. 11 ist in den Fig. 17 und 18

einerseits und dem Potential V_B der Überstrahlungs- veranschaulicht. Der Verlauf der Steuerspannungen

sperre andererseits eine Konstante K. Das beißt, die ist in F i g. 12 gezeigt. Während der optischen Inte-

in dieser Potentialgrube maximal speicherbare La- grationszeit werden die $j-Elektroden auf 5 Volt und

dung ist fest und unabhängig vom Potential dei Spei- 65 die i>₂-Elektroden auf 10 Volt gehalten. Das Profil

cherelektrode. des Oberflächenpotentials quer zum Kanal ist in

Ein Vorteil einer gemäß Fig. 20 ausgelegten la- Fig. 17 dargestellt. Die tatsächlichen Werte dieser

dungsgekoppelten Bildfühlermatrix besteht darin, daß Oberflächenpotentiale finden sich in der graphischen

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Darstellung nach Fig. 14. Die Potentialschwelle V_B, (d.h. positiver) als das Oberflächenpotential im

d. h. das Oberflächenpotential unmittelbar neben der Kanal neben der tiefen Potentialgrube. Das heißt, bei

Sammelschiene 34, beträgt 2 Volt. Das Oberflächen- diesem Beispiel kann sich die Potentialgrube wäh-

potential zwischen benachbarten Speicherstellen längs rend der Integrationszeit nicht mit mehr Ladung fül-

des Kanals (vgl. Fig. 18 a) beträgt 1 Volt, d.h., es 5 len, als es etwa 44 Volt (14 Volt - 9 + Volt) ent-

ist höher (weniger positiv) als das Sperrpotential spricht.

an der Sammelschiene. Jede Ladungsansammlung Die vorstehend beschriebene Anordnung bildet

unterhalb der «^.-Elektrode 30, die das Oberflächen- einen Schutz gegen Überlastungen sowohl während

potential unter dieser Elektrode auf weniger als der Integrationszeit als auch während der Ladungs-

2 Volt vermindern könnte, fließt daher eher zur Sam- ίο signal-Übertragungszeit. Während des Intervalls r₂

melschiene 30 als zur benachbarten Speicherstelle in Fig. 13 hat das Oberflächenpotential das in

desselben Kanals. Fig. 19b gezeigte Profil. Das Sperrenpotential zwi-

Aus der Fig. 18 erkennt man, daß das Sperrpoten- sehen benachbarten Ladungsspeicherstellen längs des tial, welches die Sammelschiene von den Kanälen Kanals ist +8VoIt. Das Sperrenpotential an der trennt, ebenso wie bei der weiter oben beschriebe- 15 Sammelschiene ist »niedriger« und liegt bei +9 Volt, nen ersten Ausführungsform der Erfindung einen Wenn also während der Weitergabe des Ladungs-Wert hat, der vom Potential des über die Sammel- signals eine Überbelastung eintritt und eine Potenschiene laufenden Leiters abhängt. Wenn dieser Poly- tialgrube überläuft, dann fließt die überschüssige Lasilizium-Leiter auf 10 Volt liegt, dann beträgt das dung eher zur Sammelschiene als zur nächstbenach-Sperrenpotential (Überstrahlungssperre) 2 Volt. Wenn ao barten Potentialgrube desselben Kanals,
die Aluminiumelektrode 32 auf 10 Volt liegt, dann Die Ausführungsart nach Fig. 15 ist gegen Überbeträgt das Sperrenpotential 1,5 Volt. Dieser Unter- belastungen nur während der Zeit der Strahlungserschied zwischen den Oberflächenpotentialen hat sei- fassung, d. h. während der Integrationszeit, geschützt, nen Grund in den unterschiedlichen Abständen der Die Fig. 17 und 18 zeigen, daß das Sperrenpoten-Aluminium- und der Polysilizium-Elektroden von 25 tial unterhalb der Polysilizium-Elektrode mit der der Sammelschiene 34. Diese und die anderen Werte tiefsten Potentialgrube höher (d. h. weniger positiv) der Oberflächenpotentiale sind aus der Fig. 14 ent- ist als das Oberflächenpotential im Kanal unterhalb nommen. der Aluminiumelektrode 32 des betreffenden Elektro-

Die Fig. 18b zeigt den Betrieb für den Fall, daß denpaars. Während der Übertragungszeit (Intervallf₂ während der Ladungssignal-Übertragungszeit die 30 in Fig. 12) ist das Sperrenpotential hinter den tie- <&,-Elektrode auf 20 Volt und die <P_rElektrode auf fen Potentialgruben V₀ = 2 Volt, und das Ober-10 Volt liegt. Auch hier ist zu erkennen, daß die flächenpotential zwischen benachbarten Kanälen ist Sperrenpotentiale »dynamisch« sind und eine Funk- niedriger (d. h. positiver) — V_s = 3 Volt. Wenn also tion mit denjenigen Spannungen darstellen, die an während der Signalübertragungszeit eine Überbeden über die Übertstrahlungssperre laufenoen Leitern 35 lastung eintritt und eine Potentialgrube überläuft, liegen. Die Sperrenpotentiale hängen außerdem ab dann fließt die überschüssige Ladung eher zur nächvom Abstand zwischen den Leitern und demjenigen sten benachbarten Potentialgrube desselben Kanals Teil des Substrats, der die Sammelschienen 34 enthält. als zur Sammelschiene 34.

Die in Fig. 16 gezeigte Ausführungsart kann mit Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenden in Fig. 13 gezeigten Spannungen betrieben wer- 40 hang mit P-leitenden Substraten erläutert. Natürlich den. Wegen der gezeigten anderen Maße sind auch können statt dessen auch N-leitende Substrate verdie während der Zeit der Strahlungserfassung, d. h. wendet werden, wenn man die Polaritäten der Spanwährend der Integrationszeit, verwendeten Spannun- nungen entsprechend ändert und für die Sarnmelgen anders als in Fi g. 12 angegeben. schienen P-leitende Diffusionszonen verwendet. Auch

Der daraus resultierende Betrieb ist in Fig. 19 45 sind die vorstehend beschriebenen Prinzipien nicht

veranschaulicht. Während der Integrationszeit ist nur bei den dargestellten zweiphasig angesteuerten

das Sperrenpotential V_B in der Nähe der die tiefste Anordnungen anwendbar, sondern auch bei anderen

Potentialgrube aufweisenden Polysilizium-Elek- zweiphasig gesteuerten Anordnungen, wie sie in

trode 30 = 9 + Volt. Das Oberflächenpotential im der obenerwähnten USA.-Patentanmeldung 1 06 381

Kanal unterhalb der nut dieser Polysilizium-Elek- 50 beschrieben sind. Es sei ferner darauf hingewiesen,

trode verbundenen Aluminiumelektrode 32 beträgt daß die verschiedenen angegebenen Materialien ledig-

8 + Volt. Somit ist das Sperrenpotential niedriger lieh Beispiele sind.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühlennatrix mit einem Substrat und zwei benachbarten Reihen (Kanälen) von Ladungsspeicherstellen, deren jede eine Elektrodenanordnung aufweist, die bei Anregung durch Stralüungsenergie zur Speicherung eines Ladungssignals an der Substratoberfläche führt; ferner mit einzelnen Leitern, deren Anzahl mindestens gleich ist der Anzahl von Ladungsspeicherstellen i:n einer Reihe, und deren jeder mit den Elektrodenanordnungen zweier benachbarter Reihen verbunden ist, um diesen Elektrodenanordnungen eine Spannung anzulegen; und schließlich mit einer Einrichtung, die das Fließen der an einer Speicherstelle angesammelten überschüssigen Ladung in eine benachbarte Speicherstelle derselben oder einer anderen Reihe verhindert und folgendes enthält: eine im Substrat zwischen benachbarten Reihen eingebettete Sammelschiene, eine Anordnung zur Aufrechterhaltung eines solchem Potentials der Sammelschiene, daß sie als Abfluß für Ladungen wirkt, und eine Sperranordniarig, die zwischen jeder Ladungsspeicherstelle und der Sammelschiene eine Potentialschwelle solcher Höhe erzeugt, daß die überschüssige Ladung, die über das an einer Ladungsspeicherstelle speicherbare Maß hinausgeht, über die Potentialschwelle zur Sammelschiene fließen kann, daduirch gekennzeichnet, daß die Sperrenanordriung (22 a, 22 b, 22 c und die darüberliegenden Leiter 16 a bis Ud in den F i g. 1 und 7, oder die Substratzonen neben der Sammelschiene 34 a bzw. 34 b und die darüberliegenden Leiter 30, 32, 30a, 32a in Fig. 11) von den Spannungen an den Leitern (16 a bis 16 d bzw. 30, 32, 30 a, 32 a:) beeinflußbar ist und an der Substratoberflächt! eine dynamische Potentialschwelle erzeugt, die sich mit diesen Spannungen ändert.

2. Ladungsgekoppelte Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter im wesentlichen den gleichen Abstand vom Substrat haben wie die Elektrodenanordnungen und daß die Sammelschiene eiine Diffusionszone im Substrat ist, die einen anderen Leitfähigkeitstyp als das Substrat hat, und daß eine Anordnung zur Bildung einer Potentialschwelle aus einer Diffusionszone (22 in F i g. 7) im Substrat besteht, die denselben Leitfähigkeitstyp wie das Substrat hat und eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat aufweist und zwischen jeder Reihe und der Sammelschiene angeordnet ist.

3. Ladungsgekoppelte Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (30, 32 in Fig. 11) einen größeren Abstand vom Substrat haben als die mit ihnen verbundenen Elektrodenanordnungen, wobei der Abstand zwischen einem Leiter und dem Substrat in den Bereichen zwischen einer Reihe und der Sammelschiene so gewählt ist, daß bei den während der Integrationszeit der Strahlungsenergie vorhandenen Spannungen eine Potentialschwelle zwischen einer Reihe und der Sammelschiene gebildet wird, die niedriger ist als die Potentialschwelle zwischen benachbarten Ladungsspeicherstellen einer Reihe und die höher ist als das während der besagten Integrationszeit unter einer Elektrodenanordnung vorhandene maximale Oberflächenpotential.

4. Ladungsgekoppelte Matrix nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, jede Elektrodenanordnung aus zwei Elektroden besteht, von denen die erste näher am Substrat hegt als die zweite, um eine asymmetrische Potentialgrube zu erzeugen, und daß die Anzahl der Leiter gleich ist der Anzahl der Elektroden in einer Reihe.

5. Ladungsgekoppelte Matrix nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode jedes Paars näher an der Sammelschiene liegt als diejenigen Teile der Leiter, die die zweite Elektrode verbinden.

6. Ladungsgekoppelte Matrix nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode jedes Paars weiter vom Substrat entfernt liegt als diejenigen Teile der Leiter, die die zweiten Elektroden verbinden.