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Diese Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Anordnung
und insbesondere eine Vertikal-Überlaufableitung bei einem
CCD-Bildsensor, der sich in einen elektronischen Verschluß-
Modus versetzen läßt.
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Eine ladungsgekoppelte Anordnung mit
Zwischenzeilen-Übertragung nach dem Stand der Technik (nachfolgend mit "CCD"
abgekürzt) wird zur Herstellung eines Bildsensors
verwendet, wobei der Bildsensor im wesentlichen aus einem
Fotodioden-Array besteht, dem eine Vielzahl von
Vertikal-Schieberegistern zugeordnet ist, die als ladungsgekoppelte
Anordnung realisiert sind und denen wiederum ein Horizontal-
Schieberegister zugeordnet ist, das ebenfalls aus einer
ladungsgekoppelten Anordnung besteht. Der Bildsensor arbeitet
in einem Akkumulations-Modus und einem Auslese-Modus, wobei
im Akkumulations-Modus das optische Bild in elektrische
Ladungen umgewandelt wird. Während noch die akkumulierten
elektrischen Ladungen in einer einzigen
Vertikal-Austastperiode von den Vertikal-Schieberegistern ausgelesen
werden, wird bereits das nachfolgende optische Bild in neue
elektrische Ladungen umgewandelt. Entsprechend dem NTSC
(Nationales Fernseh-System-Kommitee)-Farbsystem wurde eine
Akkumulationszeit von einer sechzigstel Sekunde festgelegt,
und aus diesem Grunde gibt der Bildsensor kaum ein
optisches Bild von einem sich mit hoher Geschwindigkeit
bewegenden Objekt wieder, ohne daß das Bild auf dem Bildschirm
undeutlich wird. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde
zur Verkürzung der wirksamen Akkumulationszeit eine
Betriebsart mit elektronischem Verschluß vorgeschlagen.
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Einer der Bildsensoren mit elektronischem Verschluß-Modus
wird in einer mit "Video alpha" betitelten Zeitschrift,
herausgegeben von der Photo lndustry Publishing Company im
August 1987, auf den Seiten 145 bis 148 offenbart. Zum
besseren Verständnis der Erfindung des Anmelders wird der in
der Zeitschrift veröffentlichte Bildsensor kurz unter
Bezugnahme auf die Fign. 1 und 2 beschrieben.
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Der Bildsensor in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem
in Zeilen und Spalten angeordneten Fotodioden-Array PD,
einer Vielzahl von Vertikal-Schieberegistern VSR, die mit
den entsprechenden Spalten von Fotodioden verbunden sind,
einem Horizontal-Schieberegister HSR, das mit den Vertikal-
Schieberegistern VSR verbunden ist, und einer
Überlauf-Ableitung OFD, die mit den gegenüberliegenden Anschlüssen der
Vertikal-Schieberegister VSR verbunden ist.
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Das Verhalten des in Fig. 1 gezeigten Bildsensors wird
unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, in der das
Zeitdiagramm desselben mit dem Zeitdiagramm eines konventionellen
Bildsensors ohne elektronischen Verschluß-Modus verglichen
wird. Der konventionelle Bildsensor ohne elektronischen
Verschluß-Modus reagiert auf einen einzigen Auslese-Impuls
RD und überträgt zwischen zwei Vertikal-Austastperioden
alle elektronischen Ladungen synchron mit einer Folge von
Vertikal-Übertragungsimpulsen VPL. Dann werden die
akkumulierten elektrischen Ladungen einmal ausgelesen, und die
Übertragung der elektrischen Ladungen erfolgt nur in
Vorwärtsrichtung.
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Der Bildsensor mit elektronischem Verschluß-Modus
realisiert den elektronischen Verschluß-Modus in der Vertikal-
Austastperiode. In der Vertikal-Austastperiode liegen
nämlich in einem bestimmten Zeitabstand voneinander zwei
Ausleseimpulse RD1 und RD2 an, und in diesem Zeitintervall
wird eine Folge von Rückwärts-Übertragungsimpulsen 21 hoher
Geschwindigkeit eingespeist. Mit dem ersten Ausleseimpuls
RD1 übergeben die Fotodioden die jeweiligen unwirksamen
elektrischen Ladungen an die Vertikal-Schieberegister VSR,
und die unwirksamen elektrischen Ladungen werden synchron
mit der Folge von Rückwärts-Übertragungsimpulsen 21 hoher
Geschwindigkeit zur Überlaufableitung OFD geschoben.
Während der Ableitung der unwirksamen elektrischen Ladungen
akkumulieren die Fotodioden PD bei Vorhandensein eines
optischen Bildes neue beziehungsweise wirksame elektrische
Ladungen. Nach Abschluß des Ableitungs-Vorganges erscheint
der zweite Ausleseimpuls RD2, wodurch die Fotodioden PD
ihre elektrischen Ladungen in die Vertikal-Schieberegister
VSR übergeben können, und die Vertikal-Schieberegister
übertragen die wirksamen elektrischen Ladungen synchron mit
den Vertikal-Übertragungsimpulsen VPL an ihre Ausgänge. Das
optische Bild wird also in der Zeit T1 zwischen dem ersten
und dem zweiten Ausleseimpuls RD1 und RD2 effektiv in
elektrische Ladungen umgewandelt, und durch die Zeit T1 ist
eine feste Verschlußgeschwindigkeit definiert. Ein solcher
Bildsensor eignet sich gut für optische Bilder von einem
bewegten Objekt, die Verschlußgeschwindigkeit ist jedoch
auf ein tausendstel Sekunde festgelegt.
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Wenn die Verschlußgeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert
festgelegt ist, kann der Bildsensor nicht auf Veränderungen
der Beleuchtung reagieren, es wird jedoch in derselben
Zeitschrift über einen Bildsensor mit veränderlichem
elektronischen Verschluß-Modus berichtet. Der Bildsensor mit
veränderlichem elektronischen Verschluß-Modus wird in Fig.
3 der Zeichnungen gezeigt, und er enthält ein Fotodioden-
Array PD, eine Vielzahl von Vertikal-Schieberegistern VSR,
die als ladungsgekoppelte Anordnung realisiert sind, ein
Horizontal-Schieberegister HSR, das ebenfalls als
ladungsgekoppelte Anordnung realisiert ist, eine Überlaufableitung
OFD und eine Vielzahl von Akkumulationsspeichern AM, die in
Verbindung mit den Vertikal-Schieberegistern VSR angeordnet
sind. Die Zeitdauer T1 ist dank des Akummulationsspeichers
AM von einer zweihundertfünfzigstel bis zu einer
tausendstel Sekunde veränderlich. Bei dem in Fig. 3 gezeigten
Bildsensor besteht jedoch das Problem, daß für eine große
Änderung der Verschlußgeschwindigkeit eine große Anzahl von
Speicherstufen erforderlich ist. Dies führt dazu, daß durch
die Akkumulationsspeicher eine große Menge von
Belegungsfläche verbraucht wird und demzufolge der Chip vergrößert
werden muß. Je mehr Speicherstufen vorhanden sind, um so
geringer sind infolge des extrem hochfrequenten
Übertragungsimpulses die elektrischen Ladungen, und auf dem
zugehörigen Display wird dann kaum ein deutliches Bild
wiedergegeben.
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Noch ein weiterer Bildsensor nach dem Stand der Technik
wurde von Hamazaki u.a. in "Interline Type CCD with High
Sensitivity Responsive to the Minimum Illuminance of 51x",
Nikkei Microdevices, Oktober 1987 auf den Seiten 60 bis 67
veröffentlicht. Der Bildsensor, über den Hamazaki
berichtet, ist für einen veränderlichen elektronischen Verschluß-
Modus eingerichtet und dadurch gekennzeichnet, daß eine
Vertikal-Überlaufableitung die unwirksamen elektrischen
Ladungen in das Halbleitersubstrat ableitet, auf welchem der
Bildsensor hergestellt ist. Der Bildsensor, der mit einer
Vertikal-Überlaufableitung ausgerüstet ist, wird in Fig. 4A
gezeigt, und Fig. 4B zeigt zu Vergleichszwecken den Aufbau
eines konventionellen Bildsensors. Der Bildsensor in Fig.
4A baut auf einem n-Halbleitersubstrat 41 auf, und in dem
Halbleitersubstrat 41 wird eine erste p-Senke 42
hergestellt. In der ersten p-Senke 42 wird eine
n-Störstellenregion 43 zur Realisierung einer Fotodiode erzeugt, welcher
eine p-Störstellenregion 44 zugeordnet ist, die als
akkumulierende Schicht für Defektelektronen dient. In der ersten
p-Senke 42 stellt die n-Störstellenregion 45 zusammen mit
einer Silizium-Übertragungs-Elektrode 46 einen Teil des
Vertikal-Schieberegisters VSR dar. Unterhalb der
n-Störstellenregion 45 ist bei dem in Fig. 4A gezeigten
Bildsensor eine zweite p-Senke 47 zur Einschränkung des
Verschmierens eingebracht. Außer der Fotodiode ist die Struktur mit
einer Lichtabschirmungsschicht 48 aus Aluminium bedeckt,
und zur Isolation sind Kanalbegrenzungen 49 vorgesehen. Der
in Fig. 4B gezeigte konventionelle Bildsensor stimmt mit
Ausnahme des Foto-Akkumulators 44 und der zweiten p-Senke
47 im Aufbau mit dem in Fig. 4A gezeigten Bildsensor
überein, darum wurden die Regionen und Schichten ohne
ausführliche Beschreibung mit den gleichen Bezugszahlen wie in
Fig. 4A bezeichnet.
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Der in Fig. 4A gezeigte Bildsensor bewirkt die Vertikal-
Überlaufableitung zum Ableiten der unwirksamen elektrischen
Ladungen in das Halbleitersubstrat 41 mit Hilfe der
Defektelektronen-Sammel-Region 44. Im einzelnen veranschaulicht
Fig. 5A das Profil der Unterkante Ec des Leitungsbandes,
das sich in vertikaler Richtung um die Fotodiode herum
einstellt. Im Akkumulations-Modus behält die Unterkante Ec des
Leitungsbandes, wie die durchgehende Linie zeigt, infolge
eines an das Halbleitersubstrat 41 angelegten ersten
Vorspannungs-Pegels Vsub&sub1; ihre Lage, und aus diesem Grunde
werden in der Fotodiode elektrische Ladungen EL
akkumuliert. Wenn der Bildsensor im elektronischen
Verschluß-Modus arbeitet, wird an das Halbleitersubstrat 41 eine zweite
Vorspannung Vsub&sub2; angelegt, die sich von der ersten
Vorspannung um einen bestimmten Wert unterscheidet. Durch die
zweite Vorspannung Vsub&sub2; wird die Potential-Barriere BR
zwischen der Fotodiode und dem Halbleitersubstrat 41
beseitigt, und folglich verändert sich die Unterkante Ec, wie
die gestrichelte Linie zeigt, und die akkumulierten
elektrischen Ladungen können in das Halbleitersubstrat 41
abfließen. Das heißt, dies wird durch den Umstand bewirkt,
daß die Defektelektronen-Sammel-Region 44 die Fotodiode
zwingt, in ihrer ursprünglichen Position zu verbleiben,
ungeachtet der Änderung des an das Halbleitersubstrat
angelegten Vorspannungs-Pegels. Wenn jedoch in dem Bildsensor
keine Defektelektronen-Sammel-Region, wie etwa bei dem in
Fig. 4B gezeigten Bildsensor, vorhanden ist, dann bewegt
sich das Fotodioden-Potential im Ganzen abwärts, ohne die
Potential-Barriere bei Änderung des an das
Halbleitersubstrat 41 angelegten Vorspannungs-Pegels abzubauen, und aus
diesem Grunde bleiben die akkumulierten elektrischen
Ladungen in der Fotodiode eingeschlossen. Der in Fig. 4A
gezeigte Bildsensor ist günstig für die Erhöhung des
Verhältnisses der lichtempfindlichen Fläche, jedoch ist der Aufbau
kompliziert, und die Störstellen-Profile sind demzufolge
schlecht steuerbar.
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Deshalb ist es eine wichtige Aufgabe der vorliegenden
Erfindung einen Bildsensor zu schaffen, welcher ohne jeden
Akkumulationsspeicher eine veränderbare
Verschlußgeschwindigkeit aufweist.
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Es ist ebenfalls eine wichtige Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Bildsensor zu schaffen, welcher sich auf
einem kleinen Halbleiterchip herstellen läßt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
einen Bildsensor zu schaffen, welcher im Aufbau der
Störstellen-Profile einfach ist.
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Um diese Aufgaben zu erfüllen, wird mit der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen, die unwirksamen elektrischen
Ladungen mit Hilfe des Durchgreif-Effektes (punch through)
von der Fotodiode in das Halbleitersubstrat abzuleiten.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein
Bildsensor bereitgestellt, wie er im Anspruch definiert
ist.
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Die Merkmale und Vorteile des Bildsensors entsprechend der
vorliegenden Erfindung sollen durch die folgende
Beschreibung deutlicher werden, die in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen erfolgt, in welchen:
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Fig. 1 eine Draufsicht darstellt, die das Layout eines
Bildsensors mit elektronischem Verschluß-Modus nach
dem Stand der Technik zeigt;
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Fig. 2 ein Diagramm darstellt, das in kombinierter Weise
die Kurvenformen der wesentlichen Signale zeigt, die
an den Bildsensor nach dem Stand der Technik
angelegt werden,
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Fig. 3 eine Draufsicht darstellt, die das Layout eines an
deren Bildsensors mit variablem elektronischem
Verschluß-Modus nach dem Stand der Technik zeigt;
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Fig. 4A und 4B Querschnittsansichten der Strukturen der je
weiligen Bildsensoren nach dem Stand der Technik
zeigen;
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Fig. 5A und 5B Diagramme darstellen, welche die Unterkanten
der Leitungsbänder zeigen, die in den Bildsensoren
entstehen, welche in Fig. 4A beziehungsweise 4B
gezeigt werden;
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Fig. 6 eine Ansicht darstellt, welche in Modellform die An
ordnung des Bildsensors gemäß vorliegender Erfindung
zeigt;
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Fig. 7 eine Grafik darstellt, die den Ausgangs-Spannungs-
Pegel des Bildsensors in Abhängigkeit vom
Vorspannungs-Pegel an der Lichtabschirmungs-Schicht zeigt;
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Fig. 8 eine Grafik darstellt, die den Ausgangsspannungs-
Pegel des Bildsensors in Abhängigkeit vom
Vorspannungs-Pegel am Halbleitersubstrat zeigt;
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Fig. 9 eine Schnittansicht des Bildsensors darstellt, die
zeigt, wie die Fotodiode von den elektrischen
Kraftlinien der Lichtabschirmungs-Schicht beeinflußt
wird;
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Fig. 10 eine Draufsicht darstellt, welche die
Funktionsgruppen-Anordnung eines Bildsensors gemäß
vorliegender Erfindung zeigt;
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Fig. 11 eine Querschnittsansicht der Struktur eines Teiles
des Siliziumsubstrates zeigt, auf dem sich der in
Fig. 10 gezeigte Bildsensor befindet;
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Fig. 12 ein Diagramm darstellt, das sowohl die ersten und
zweiten Vorspannungs-Signale als auch die
Übertragungs-Impuls-Signale zeigt, die in dem in Fig. 10
gezeigten Bildsensor erzeugt werden;
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Fig. 13 ein Diagramm darstellt, das die Kurvenformen der
wesentlichen Signale zeigt, die in dem in Fig. 10
gezeigten Bildsensor erzeugt werden;
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Fig. 14 eine Schnittansicht darstellt, welche die Struktur
eines Teiles eines anderen Bildsensors zeigt, der
die vorliegende Erfindung verkörpert;
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Fig. 15 ein Diagramm darstellt, welche das erste und zweite
Vorspannungs-Signal, bei dem in Fig. 14
dargestellten Bildsensor zeigt; und
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Fig. 16 eine Grafik darstellt, die den wirksamen Spannungs-
Pegel des zweiten Vorspannungs-Signals in
Abhängigkeit von der Impulsbreite des ersten Vorspannungs-
Signals zeigt.
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Gemäß Fig. 6 der Zeichnungen wurde ein Bildsensor auf einem
n-Halbleiter-Substrat 50 hergestellt, und in dem
Halbleiter-Substrat 50 wurde eine p-Senke 51 erzeugt, in der zwei
n-Störstellen-Regionen 52 und 53 hergestellt sind, die
durch eine hoch dotierte p-Störstellen-Region 54
voneinander getrennt sind. Die n-Störstellen-Region 52 bildet
zusammen mit der p-Senke 51 eine Fotodiode, und die
n-Störstellen-Region 53 dient als einzelne Übertragungs-Stufe des
Vertikal-Schieberegisters. Die n-Störstellen-Region 52, die
p-Senke 51 und das n-Halbleiter-Substrat 50 bilden zusammen
eine n-p-n-Struktur, welche als Vertikal-Überlaufableitung
OFD dient. Die hoch dotierten p-Störstellen-Regionen 55
beziehungsweise 56 ergeben Kanalbegrenzungen. Die obere
Oberfläche des Halbleiter-Substrates 50 ist von einer
Isolationsschicht 57 aus Siliziumoxid bedeckt, und in der
Isolationsschicht befindet sich eine Übertragungs-Elektrode 58.
Der Übertragungs-Elektrode 58 wird ein Signal für das
Auslesen zugeführt, und auf der Isolationsschicht 57 ist eine
Lichtabschirmungs-Schicht 59 aufgebracht. Die
Lichtabschirmungs-Schicht 59 läßt das optische Bild zur Fotodiode
passieren, die andere Fläche ist jedoch durch die
Lichtabschirmungs-Schicht 59 abgedeckt. Bei dem Vorgang wird die
Fotodiode vollständig entleert, und eine potentialfreie
Lichtabschirmungs-Schicht wurde unstabil. Dies ist einer
der Gründe, warum die Fotoabschirmung 59 vorgespannt werden
muß.
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Es sei nun angenommen, daß die Lichtabschirmungs-Schicht 59
und das Halbleiter-Substrat 50 jeweils mit veränderlichen
Widerständen VR1 und VR2 gekoppelt sind, dann ist der
Ausgangs-Spannungs-Pegel Vccd des Bildsensors bei kostanter
Vorspannung Vsub am Halbleiter-Substrat 50 direkt
proportional dem Vorspannungs-Pegel Vps an der Lichtabschirmungs-
Schicht 59, bei konstantem Vorspannungs-Pegel Vps an der
Lichtabschirmungs-Schicht 59 sinkt er dagegen mit dem
Ansteigen des Vorspannungs-Pegels Vsub am Halbleiter-Substrat
50 an. Fig. 7 zeigt den Ausgangs-Spannungs-Pegel Vccd des
Bildsensors in Abhängigkeit vom Vorspannungs-Pegel Vps an
der Lichtabschirmungs-Schicht 59 bei einer Vorspannung Vsub
von etwa 10 Volt. Zum anderen ist die Beziehung zwischen
dem Ausgangs-Spannungs-Pegel Vccd und dem
Vorspannungs-Pegel Vsub in Fig. 8 dargestellt. Die Beziehungen zwischen
Vorspannung Vsub und Ausgangs-Spannung Vccd wird ferner
durch den Vorspannungs-Pegel Vps an der Lichtabschirmungs-
Schicht 59 beeinflußt.
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Der Grund für die direkte Proportionalität zwischen der
Ausgangs-Spannung Vccd und dem Vorspannungs-Pegel Vps liegt
darin, daß die Menge der in der Fotodiode 91 akkumulierten
elektrischen Ladungen durch die elektrischen Kraftlinien EL
beeinflußt wird, die sich von der Lichtabschirmungs-Schicht
92 ausbreiten, wie in Fig. 9 gezeigt wird. Dieses Phänomen
ergibt sich aus dem Umstand, daß das Verhältnis der offenen
Fläche zur Gesamtfläche der Lichtabschirmungs-Schicht 92 so
klein ist und die Lichtabschirmungs-Schicht 59 so dick ist,
daß die elektrischen Kraftlinien EL die Oberfläche der
Fotodiode 91 vollständig bedecken können, so daß man annehmen
kann, daß die Fotodiode 91 trotz der Öffnung 93 von der
Lichtabschirmungs-Schicht 92 bedeckt wird.
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Wie im vorhergehenden beschrieben, wird die
Vertikal-Überlaufableitung OFD in der n-p-n-Struktur erzeugt, und bei
Einstellen der Vorspannungs-Pegel Vps und Vsub tritt ein
Durchgreif-Effekt auf, weil sich das Potential der
Sperrschicht zwischen der n-Störstellen-Region 52 und der p-
Senke auf Grund des Zusammenwirkens der Kapazitäten durch
die Vorspannungen Vps und Vsub fixieren läßt. Wenn der
Durchgreif-Effekt auftritt, werden die in der Fotodiode
akkumulierten elektrischen Ladungen in das
Halbleiter-Substrat abgeleitet. Auf diese Weise wird die
Vertikal-Überlaufableitung OFD durch eine einfache n-p-n-Struktur
realisiert, ohne eine Defektelektronen-Sammel-Schicht 44, und
aus diesem Grund ist der Bildsensor gemäß vorliegender
Erfindung leicht herzustellen.
Erstes Ausführungsbeispiel
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Gemäß Fig. 10 der Zeichnungen ist ein Bildsensor, der die
vorliegende Erfindung verkörpert, auf einem
n-Silizium-Substrat 100 hergestellt, und er enthält eine Vielzahl von
Fotosensorelementen, die als Fotodioden PD11, PD1n, ..., PDm1
und PDmn realisiert sind, eine Vielzahl von
Vertikal-Schieberegistern VR1 bis VRn, die den Spalten der Fotodioden
PD11, PD1n, ..., PDm1 beziehungsweise PDmn zugeordnet sind,
ein Horizontal-Schieberegister HR, das mit den Vertikal-
Schieberegistern VR1 bis VRn verbunden ist, eine Vertikal-
Überlaufableitung OFD, die weiter unten in Verbindung mit
der Struktur des Bildsensors beschrieben wird, eine
Impulserzeugungs-Einheit 101 und eine
Vorspannungs-Steuereinheit 102. Bei diesem Beispiel bestehen sowohl alle
Vertikal-Schieberegister VR1 bis VRn als auch das Horizontal-
Schieberegister HR aus ladungsgekoppelten Anordnungen. Die
Impulserzeugungs-Einheit 101 versorgt die Vertikal- und
Horizontal-Schieberegister mit einem mehrphasigen Vertikal-
Übertragungs-Impuls-Signal VPL beziehungsweise einem
mehrphasigen Horizontal-Übertragungs-Impuls-Signal HPL, und das
Fotodioden-Array PD11 bis PDmn und das Silizium-Substrat
100 sind mit der Vorspannungs-Steuereinheit 102 verbunden,
die sie mit einem ersten Vorspannungs-Signal Vps
beziehungsweise einem zweiten Vorspannungs-Signal Vsub versorgt.
Diese wesentlichen Teilschaltungen und -einheiten werden
ferner durch verschiedene periphere Schaltungen
unterstützt, auf deren Beschreibung jedoch verzichtet wird,
da sie für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht
erforderlich ist.
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Wenden wir uns Fig. 11 der Zeichnungen zu, in der die
Struktur eines Teils des Silizium-Substrates 100
dargestellt ist, wobei in dem Silizium-Substrat 100 eine p-Senke
110 ausgebildet ist. In der p-Senke 110 sind zwei
n-Störstellen-Regionen 111 und 112 eingebracht, welche durch eine
hoch dotierte p-Störstellen-Region 113 voneinander getrennt
sind. Die n-Störstellen-Region 111 bildet einen Teil einer
der Fotodioden PD11 bis PDmn, und die n-Störstellen-Region
112 bildet eine einzelne Übertragungsstufe eines der
Vertikal-Schieberegister VR1 bis VRn. Obwohl in Fig. 11 nicht
gezeigt, existiert eine große Anzahl von
n-Störstellen-Regionen in Matrixform zur Erzeugung der Fotodioden PD11 bis
PDmn. In der p-Senke sind ferner zwei hoch dotierte
p-Störstellen-Regionen 114 und 115 als Kanalbegrenzungen
implantiert. Das n-Silizium-Substrat 100, die p-Senke 110 und die
n-Störstellen-Regionen der Fotodioden PD11 bis PDmn bilden
eine n-p-n-Struktur, welche als Vertikal-Überlaufableitung
OFD dient. Die n-p-n-Struktur entsteht ohnehin bei einem
Bildsensor, wie etwa dem gewöhnlichen in Fig. 4B
dargestellten Bildsensor, und aus diesem Grunde läßt sich die
Vertikal-Überlaufableitung OFD einfach herzustellen, ohne
eine zusätzliche Störstellen-Region, wie etwa die
Defektelektronen-Sammel-Region 44 in Fig. 4A.
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Die gesamte Struktur ist von einer Isolationsschicht 116
aus Siliziumoxid bedeckt, und in der Isolationsschicht 116
sind Übertragungselektroden, wie die Elektrode 117
eingebettet. Jede der Übertragungselektroden ist mit der
Impulserzeugungs-Einheit 101 verbunden, und das mehrphasige
Vertikal-Übertragungs-Impuls-Signal VPL wird periodisch an
die Übertragungselektroden angelegt. Auf der
Isolationsschicht 116 ist eine leitende Lichtabschirmungs-Schicht 118
aufgebracht, welche mit der Vorspannungs-Steuereinheit 102
verbunden ist, so daß das erste Vorspannungs-Signal Vps an
der leitenden Lichtabschirmungs-Schicht 118 anliegt.
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Die Vorspannungs-Steuereinheit 102 enthält drei monostabile
Multivibrator-Schaltungen MM1, MM2 und MM3, einen einzelnen
D-Flip-Flop DFF, und zwei Verstärkerschaltungen AM1 und
AM2. Der monostabilen Multivibrator-Schaltung MM1 wird ein
Vertikal-Treiber-Impuls-Signal VD zugeführt, und die
monostabile Multivibrator-Schaltung MM1 erzeugt über eine
vorgegebene Zeitdauer ein Ausgangs-Signal mit High-Pegel. Das
Ausgangs-Signal mit High-Pegel von der monostabilen
Multivibrator-Schaltung MM1 wird dem D-Eingang der Flip-Flop-
Schaltung DFF zugeführt, und in den Takt-Eingang CLK der
Flip-Flop-Schaltung DFF wird das Horizontal-Treiber-Impuls-
Signal HD eingespeist. Dann wird die D-Flip-Flop-Schaltung
DFF durch das Horizontal-Treiber-Impuls-Signal HD
getriggert, und das Ausgangs-Signal mit High-Pegel von der
monostabilen Multivibrator-Schaltung MM1 wird durch die D-Flip-
Flop-Schaltung DFF zwischengespeichert, wodurch am
Ausgangs-Knoten Q derselben ein Ausgangs-Signal mit High-Pegel
entsteht. Das Ausgangs-Signal mit High-Pegel von der Flip-
Flop-Schaltung DFF wird der zweiten monostabilen
Multivibrator-Schaltung MM2 zugeführt, welche danach ihr
Ausgangs-Signal mit High-Pegel in die dritte monostabile
Multivibrator-Schaltung MM3 einspeist. Die Ausgangs-Knoten Q
und CQ der dritten monostabilen Multivibrator-Schaltung MM3
sind mit den Verstärker-Schaltungen AM1 beziehungsweise AM2
verbunden, so daß die Verstärker-Schaltungen AM1 und AM2
erste und zweite Vorspannungs-Signale Vps und Vsub
erzeugen, deren Polarität entgegengesetzt zueinander ist, wie in
den Fign. 12 und 13 gezeigt wird. Bei diesem Beispiel
pendelt der Spannungspegel des Vorspannungs-Signals Vps etwa
zwischen +5 V und -10 V, und der Spannungspegel des zweiten
Vorspannungs-Signals pendelt etwa zwischen 40 V und 10 V.
Der High-Pegel des ersten Vorspannungs-Signals Vps
gestattet den Fotodioden PD11 bis PDmn, ausreichend elektrische
Ladungen zu akkumulieren, und der Low-Pegel des ersten
Vorspannungs-Signals Vps ist niedrig genug, um die
akkumulierten elektrischen Ladungen von den Fotodioden abzuziehen.
Der High-Pegel des zweiten Vorspannungs-Signals Vsub ist
verantwortlich für die Ableitung aller akkumulierten
elektrischen Ladungen in das Silizium-Substrat 100, und der
Low-Pegel des zweiten Vorspannungs-Signals Vsub ermöglicht
das Auftreten des Durchgreif-Effektes in der
n-p-n-Struktur. Da der erste und der zweite Vorspannungs-Pegel Vps und
Vsub entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, stellt sich
die Sperrschicht zwischen der n-Störstellen-Region 111 und
der p-Senke 110 auf Grund der Kapazitäten infolge der
ersten und zweiten Vorspannungs-Signale Vps und Vsub auf ein
festes Potential ein. Obwohl die Fotodioden PD11 bis PDmn
von der Art sind, daß sie eine Verarmungs-Sperrschicht
besitzen, können die akkumulierten Ladungen in das Silizium-
Substrat 100 abgeleitet werden, so fern das Potential der
Sperrschicht fest gehalten wird.
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Nachfolgend erfolgt die Beschreibung der Wirkungsweise
unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Fig. 12 und Fig. 13. Bei
diesem Beispiel werden die Vertikal- und
Horizontal-Treiber-Impuls-Signale in der Weise zugeführt, daß die
Vorderflanken und die Rückflanken der ersten und der zweiten
Vorspannungs-Signale Vps und Vsub in einer
Horizontal-Austastperiode HBT liegen, wie in Fig. 12 gezeigt wird, wobei
diese Anordnung dazu geeignet ist, unerwünschtes
Verschiebe-Rauschen bei einem auf einem Display (nicht
gezeigt) angezeigten Bild zu unterdrücken. Mit demselben Ziel
können die ersten und zweiten Vorspannungs-Signale jedoch
auch in einer Vertikal-Austastperiode VBT erzeugt werden.
Wenn die ersten und zweiten Vorspannungs-Signale Vps und
Vsub zum Zeitpunkt t11 auftreten, werden die unwirksamen
elektrischen Ladungen mit Hilfe des Durchgreif-Effektes von
den Fotodioden PD11 bis PDmn in die
Vertikal-Überlaufableitung OFD abgeleitet, und die wirksamen elektrischen
Ladungen werden zum Zeitpunkt t12 bei anliegendem Auslese-Signal
RD von den Fotodioden PD11 und PDmn ausgelesen. Dann werden
die bei Vorhandensein eines optischen Bildes eines Objektes
wirksamen elektrischen Ladungen in den entsprechenden
Fotodioden PD11 bis PDmn über die Zeitdauer Tsht akkumuliert,
und damit errechnet sich die Verschlußgeschwindigkeit aus
der Zeitdauer Tsht.
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Wenden wir uns Fig. 13 der Zeichnungen zu, in der zum
Zeitpunkt T21 das Vertikal-Treiber-Impuls-Signal VD eintrifft
und die erste monostabile Multivibrator-Schaltung MM1 zum
Zeitpunkt t22 ein Ausgangs-Signal mit High-Pegel erzeugt.
Das Ausgangs-Signal mit High-Pegel von der monostabilen
Multivibrator-Schaltung MM1 wird bei Anliegen des
Horizontal-Treiber-Impuls-Signals HD (in Fig. 13 nicht gezeigt),
das zwischen den Zeitpunkten t22 und t23 erzeugt wird, von
der D-Flip-Flop-Schaltung DFF zwischengespeichert, und die
zweite monostabile Multivibrator-Schaltung MM2 wird durch
das Ausgangs-Signal der Flip-Flop-Schaltung DFF getriggert,
wodurch zum Zeitpunkt t23 ein Ausgangs-Signal mit
High-Pegel erzeugt wird. Das Ausgangs-Signal mit High-Pegel von
der zweiten monostabilen Multivibrator-Schaltung MM2 wird
der dritten monostabilen Multivibrator-Schaltung MM3
zugeführt, so daß zum Zeitpunkt t24 die Verstärker-Schaltungen
AM1 beziehungsweise AM2 von der dritten monostabilen
Multivibrator-Schaltung MM3 die komplementären Ausgangs-Signale
erhalten. Die Verstärkerschaltung AM2 erzeugt ein zweites
Vorspannungs-Signal Vsub mit einem extrem hohen Pegel, die
Verstärkerschaltung AM1 legt dagegen ein negatives erstes
Vorspannungs-Signal Vps an die leitende Lichtabschirmungs-
Schicht 118.
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Durch die ersten und zweiten Vorspannungs-Signale Vps und
Vsub schwankt der Potential-Pegel der
n-Störstellen-Regionen für Teile der Fotodioden PD11 bis PDmn stark, und aus
diesem Grunde tritt in der Vertikal-Überlaufableitung OFD
ein Durchgreif-Effekt auf. Dies führt dazu, daß die
unwirksamen elektrischen Ladungen von den Fotodioden PD11 bis
PDmn in das Halbleiter-Substrat 100 abgeleitet werden, und
die Akkumulation der wirksamen elektrischen Ladungen nach
Erholung der Potential-Pegel in den n-Störstellen-Regionen
beginnt. Nach Beendigung der Akkumulation erscheint zum
Zeitpunkt t25 das Auslese-Signal RD, mit dem die Fotodioden
PD11 bis PDmn an die zugehörigen Vertikal-Schieberegister
VR1 bis VRn geschaltet werden, und die wirksamen
elektrischen Ladungen werden an die Vertikal-Schieberegister VR1
bis VRn übertragen. Die so ausgelesenen wirksamen
elektrischen Ladungen werden in Reaktion auf das mehrphasige
Vertikal-Übertragungs-Signal VPL an das
Horizontal-Schieberegister HR übergeben, und das Horizontal-Schieberegister
überträgt wiederum die wirksamen elektrischen Ladungen
synchron mit dem mehrphasigen Horizontal-Übertragungs-Impuls-
Signal HPL nach außen. Somit werden die ersten und zweiten
Vorspannungs-Signale Vps und Vsub zwischen zwei
Auslese-Signalen
RD1 und RD2 erzeugt, und die Verschlußzeitdauer
Tsht ist durch die Zeitspanne zwischen den ersten und
zweiten Vorspannungs-Signalen Vps und Vsub und dem Auslese-
Signal RD2 definiert. Bei diesem Beispiel wurde auf Grund
der Vertikal-Überlaufableitung OFD ein
Verschlußgeschwindigkeits-Bereich zwischen etwa einer sechzehntel und
weniger als einer tausendstel Sekunde erreicht.
Zweites Ausführungsbeispiel
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Wenden wir uns Fig. 14 der Zeichnungen zu, in der ein Teil
eines Bildsensors gemäß vorliegender Erfindung dargestellt
ist und der dem in den Fig. 10 und 11 gezeigten Bildsensor
mit Ausnahme der Vorspannungs-Steuer-Einheit 201 im Aufbau
gleicht, so daß die Bestandteile durch identische Nummern
und Symbole bezeichnet wurden, der Einfachheit halber ohne
ausführliche Beschreibung.
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Die Vorspannungs-Steuer-Einheit 201 enthält vier
monostabile Multivibrator-Schaltungen MM11, MM12, MM13 und MM14,
einen D-Flip-Flop DFF und zwei Verstärkerschaltungen AM1
und AM2. Unterschiede zur Steuereinheit 102 bestehen in der
Anordnung der monostabilen Multivibrator-Schaltungen MM12
bis MM14 und in der Verbindung zu den Verstärkerschaltungen
AM1 und AM2. Die monostabilen Multivibrator-Schaltungen
MM12 bis MM14 sind miteinander in Kaskade verbunden, und
die Verstärkerschaltungen AM1 beziehungsweise AM2 sind mit
den entsprechenden Ausgangs-Knoten der monostabilen
Multivibrator-Schaltungen MM13 und MM14 verbunden. Bei der so
gestalteten Vorspannungs-Steuereinheit 201 beginnt das
erste Vorspannungs-Signal Vps vor dem zweiten Vorspannungs-
Signal Vsub, wie Fig. 15 zeigt. Die Vorderflanke des ersten
Vorspannungs-Signals Vps fällt in eine
Horizontal-Austastperiode HBT1, und die Rückflanke des ersten Vorspannungs-
Signals Vps liegt in der nachfolgenden Austast-Periode
HBT2. Folglich verbleibt das erste Vorspannungs-Signal Vps
über zwei Horizontal-Austastperioden HBT1 bis HBT2 im
aktiven
Low-Pegel. Die wirksame Impuls-Amplitude des zweiten
Vorspannungs-Signals Vsub hängt von der Impulsbreite des
ersten Vorspannungs-Signals Vps ab, wie in Fig. 16 gezeigt
wird, und der High-Pegel des zweiten Vorspannungs-Signals
Vsub läßt sich verringern, wenn die Impulsbreite des ersten
Vorspannungs-Signals Vps vergrößert wird. Weil das erste
Vorspannungs-Signal Vps über zwei
Horizontal-Austastperioden aüf Low-Pegel verbleibt, wird der High-Pegel der
zweiten Vorspannung Vsub im Vergleich zum ersten
Ausführungsbeispiel gesenkt.
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Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wurde,
besitzt die Überlauf-Ableitung, die in einem Bildsensor
entsprechend der vorliegenden Erfindung enthalten ist, eine
einfache Struktur und gestattet aus diesem Grunde eine
höhere Produktivität und damit Ausbeute in der Produktion.
Der Bildsensor entsprechend der vorliegenden Erfindung ist
in der Lage, den elektronischen Verschluß-Modus ohne jeden
Akkumulationsspeicher oder irgendein hochfrequentes
Übertragungs-Impuls-Signal zu realisieren.
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Obwohl spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den
Fachmann naheliegend, daß verschiedene Änderungen und
Modifikationen möglich sind. Zum Beispiel können die
Verstärker-Schaltungen AM1 durch eine Inverterschaltung ergänzt
und mit dem Q-Knoten verbunden werden.