DE2546664A1 - Mit ladungsverschiebung arbeitende bildanordnung - Google Patents

Description

173 f Bd. Haus smann

75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 1863

Mit" Ladungsverschiebung arbeitende Bildanordnung

Die Erfindung betrifft eine mit Ladungsverschiebung und insbesondere eine mit Ladungskopplung arbeitende Anordnung für die Bildaufnahme.

Die Technik der Ladungsverschiebeanordnungen, die in der angelsächsischen Terminologie als Charge-Coupled-Devices oder CCD bezeichnet werden, ist bereits bekannt und ihre Grundprinzipien sind beispielsweise in einem Aufsatz von W.S. BoyIe und G.E. Smith "Charge coupled semiconductor devices", in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", April 1970, S.587-593 und in einem Aufsatz von M.F.' Tompsett "Charge transfer devices" in der Zeitschrift "Journal of Vacuum and Science Technology" Juli-August 1972, Band 9, Nummer 4, S.1166-1181 beschrieben.

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Diese Anordnungen werden in bereits klassischer Weise verwendet, um lineare Register mit η Zellen herzustellen, in denen man η digitale oder analoge Informationen speichern und nach Belieben daraus entnehmen kann, oder um Bildaufnahmeanordnungen herzustellen, mittels welchen ein zweidimensionales optisches Bild in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann, welches sequentiell für die Lichtintensität in den verschiedenen Elementarzonen des optischen Bildes kennzeichnende Informationen liefert. Es handelt sich dabei um Matrizen, welche η χ m ladungsgekoppelte Zellen enthalten, die in Zeilen und in Spalten angeordnet sind und das abzutastende optische Bild in η χ m Elementarzonen zerlegen, welche durch jede der η χ m Zellen der Matrix verarbeitet werden. Derartige Matrizen, die einzig und allein Festkörperbauelemente enthalten, sind geeignet, in vorteilhafter Weise die klassischen Bildaufnahmeanordnungen zu ersetzen, bei welchen als Abtasteinrichtung ein Elektronenstrahl verwendet wird.

In den linearen Registern bestehen die in einer Linie angeordneten η Zellen aus zwei oder drei - je nach dem, ob das Register zwei- oder dreiphasig arbeitet - MIS (Metall-Isolator-Halbleiter)- oder MOS (Metall-Oxid-Halblei ter>-Kapazitäten, die nebeneinander angeordnet sind. Jede Zelle speichert die Informationen, die sie empfängt, in Form von Minoritätsladungsträgern des dotierten Halbleiters, der als Substrat für das System der MIS-Kapazitäten des Registers dient. Die elektrischen Ladungen, die diese Minoritätsladungsträger darstellen, werden in einer an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter der MIS-Kapazitäten erzeugten Inversionsschicht gespeichert, indem an ihre metallische Elektrode eine passende Spannung angelegt wird, deren Absolutwert größer ist als ein als Schwellspannung V bezeichneter Wert. Eine derartige Spannung erzeugt in dem Halbleiter unter der betreffenden Elek-

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trode eine Potentialmulde, die tatsächlich aus einer mit Majoritätsladungsträgern unterbesetzten Raumladungszone besteht, und hält, wenn sie in ihrem Absolutwert den Schwellenwert erreicht und überschreitet, in der Inversionsschicht Minoritätsladungsträger fest. Diese Minoritatsladungsträger, deren Menge für die Information kennzeichnend ist, werden in dem Halbleiter entweder durch einen solche Ladungsträger liefernden elektrischen Eingang, wobei die zu speichernde Information eine Torschaltung derart beeinflußt, daß diese mehr oder weniger durchläßt, oder durch die Erzeugung von Elektronen-Löcher-Paaren durch Absorption von Photonen gebildet, wobei die Menge des an jeder Stelle und somit auf jede Zelle auftreffenden Lichtes die Menge von in jeder Zelle gespeicherten Minoritätsladungsträgerη festlegt.

Die auf diese Weise in einer Zelle gespeicherten Informationen sind geeignet, von Zelle zu Zelle verschoben zu werden, indem passende Spannungen an die Elektroden ihrer MIS-Kapazitäten angelegt werden. Diese Spannungen erzeugen unter diesen Elektroden Potentialmulden, in denen die Ladungen angezogen werden. Durch Verschieben dieser Potentialmulden längs des Registers werden die Informationen verschoben, die man auf diese Weise zu einem elektrischen Ausgang bringt, welcher ein Signal liefert, das sequentiell die Informationen wiedergibt, die entweder seriell in den elektrischen Eingang des Registers oder, wenn es sich um einen optischen Eingang handelt, parallel in die η Zellen eingegeben worden sind.

Zum Bilden einer Bildaufnahmematrix ordnet man mehrere lineare Register, beispielsweise m Register, mit optischem Eingang nebeneinander an, wobei jede Spalte der Matrix aus einem Register besteht, während jede Zeile aus den m MIS-Kapazitäten desselben Ranges jedes Registers besteht. Jede der η Zellen jedes Registers integriert und

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speichert in Form von in den Potentialmulden gespeicherten Ladungen die Information, die für die Lichtintensität des optischen Bildes auf der der Zelle entsprechenden Elementarfläche kennzeichnend ist. Das auf diese Weise in η χ m Elementarflächen unterteilte optische Bild wird auf der Matrix in ein elektrisches Bild umgewandelt, welches aus η χ m Ladungsmengen besteht, welche die η χ m Lichtintensitäten auf den η χ m Elementarflächen darstellen.

Das Hauptproblem dieser Matrizen besteht in der Entnahme der auf diese Weise in jeder Zelle der Matrix gespeicherten Informationen.

Während nämlich die Verschiebung Zeile für Zeile parallel längs des Systems von m Registern zu einem linearen Ausgangsregister ausgeführt wird, an welchem dann die Informationen seriell entnommen werden, wird das optische Bild weiterhin auf der Matrix integriert, wodurch eine Löschung des Bildes hervorgerufen wird. Die Verschiebungszeit, die für das Entnehmen eines vollständigen Bildes erforderlich ist, ist nämlich lang, da η-mal ein m Informationen enthaltendes Ausgangsregister geleert werden muß.

Um diese Löschung des Bildes zu vermeiden, die diese Matrizen unbenutzbar machen würde, ist bereits eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei welcher die Zeilenzahl der Matrix verdoppelt ist, so daß zwei Zonen vorhanden sind, die zwei unterschiedliche Funktionen haben, welche sich gegenseitig nicht stören. In einer ersten Zone, auf die das abzutastende optische Bild projiziert wird, erfolgt die Integration der optischen Informationen und- ihre Transformation in elektrische Ladungen, die in den Zellen mit MIS-Kapazitäten gespeichert werden.In einer zweiten Zone, die das optische Bild nicht empfängt, erfolgt die zeilenweise Entnahme der Informationen. Eine schnelle zeilenweise Verschiebung gestattet, die in der ersten Zone gespeicherten Informationen in die zweite Zone zu übertragen.

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Die Schnelligkeit dieser Parallelverschiebung verhindert eine Löschung des Bildes. Die serielle Entnahme jeder Zeile kann in der zweiten Zone_r die das Bild nicht empfängt, langsam vonstatten gehen.

Ein offensichtlicher Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß sie die Verwendung einer platzraubenden und teueren Matrix erfordert,da diese anstelle von η χ m Zellen 2 χ η χ m Zellen und eine doppelte Fläche haben muß.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Festkörper-Bildanordnung zu schaffen, bei welcher die zum Abtasten von η χ m Elementarflächen eines optischen Bildes geeignete Matrix nur η χ m ladungsgekoppelte Zellen enthält und dabei die Erzielung eines deutlichen Bildes unter Bewahrung eines hohen Auflösungsvermögens gestattet.

Eine erfindungsgemäße Festkörper ■- Bildanordnung

enthält eine Matrix mit m Spalten von jeweils η ladungsgekoppelten Zellen, wobei jede Spalte ein lineares Schieberegister mit optischem Eingang bildet, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme der in Form von elektrischen Ladungen in den η χ m Zellen der Matrix gespeicherten Informationen Spalte für Spalte erfolgt, wobei Steuereinrichtungen das Ingangsetzen der Verschiebung individuell längs jedes Registers und gleichzeitig das Blockieren der Verschiebung längs der m - 1 anderen Register gestatten.

Auf diese Weise ist die Verschiebungszeit eines Registers ausreichend kurz, so daß die längs dieses Registers gespeicherten Informationen nicht gelöscht werden. Die anderen Register werden während dieser Zeit nicht gestört, da darin keine Verschiebung stattfindet und da sie fortfahren, das optische Bild, welches sie empfangen, normal zu integrieren.

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Weitere Merkmale, Vorteile und Ergebnisse der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht als Einschränkung zu verstehenden Ausführungsbeispielen der
Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Bild

aufnahmeanordnung nach der Erfindung,

die Fig. 2 und 3 zwei zueinander rechtwinklige schematische Schnittansichten eines Teils der Matrix von Fig. 1,

die Fig. 4 und 5 Kurven, welche die Arbeitsweise einer

Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung in zwei Varianten veranschaulichen,

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines

Teils einer abgewandelten Ausführungsform der Matrix nach der Erfindung, und

Fig. 7 Kurven, welche die Arbeitsweise einer

Bildaufnahmeanordnung veranschaulichen, bei welcher eine Matrix gemäß Fig. £
verwendet wird.

In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen sind die verwendeten Ladungsverschiebeanordnungen 3-Phasen-Ladungsverschiebeanordnungen. Selbstverständlich ist die Erfindung ebensogut bei an sich bekannten 2-Phasen-Ladungsverschiebeanordnungen anwendbar.

Wie oben bereits kurz erwähnt, enthält eine erfindungsge-^ mäße Festkörperanordnung für die Bildaufnahme eine Matrix mit η χ m ladungsgekoppelten Zellen, die in m Spalten von jeweils η Zellen angeordnet sind. Da es sich hier um 3-Phasen-LadungsverSchiebeanordnungen handelt, enthält jede
Zelle drei benachbarte MIS-Kapazitäten, die durch drei lei-

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tende Elektroden festgelegt sind.

In Fig. 1 ist jede Spalte der Matrix tatsächlich ein lineares Register R-, R₂ ... R^, welches aus η Zellen C₁, C₀ ... C mit jeweils drei MIS-Kapazitäten besteht.

Die m Register sind in einer für diese Art von Matrizen an sich herkömmlichen Anordnung auf ein und demselben Halbleitersubstrat 1 hergestellt, wie es die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

Das Substrat 1 besteht beispielsweise aus N-leitendem Silicium, das mit einer dielektrischen Schicht 2 überzogen ist, die beispielsweise aus Siliciumdioxid bestehen kann. Leitende Elektroden, drei pro Zelle - nämlich die Elektroden E₁₁, E₁₀, E₁, für die erste Zelle des Registers R-; die Elektroden E₂-, E₂₂, E₂₃ für die zweite Zelle; usw. - sind auf die Schicht 2 aufgebracht, um die MOS-Kapazitäten der ladungsgekoppelten Zellen zu bilden.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, sind die Elektroden ^E11' ^E12 *** ^^^ ^sY^stem ^er Register R^ ... R„ gemeinsam, um die Vermischung der in einer Zelle eines Registers gespeicherten Ladungen mit den in den benachbarten Zellen der benachbarten Register gespeicherten Ladungen zu vermeiden, oder, anders ausgedrückt, um m MOS-Kapazitäten längs ein und derselben Elektrode E₁₁ ...E₃ effektiv festzulegen und um m getrennte Register R- ... R zu erhalten, zerlegt man die Matrix in Spalten, indem beispielsweise auf dem Substrat 1 unter der Oxidschicht 2 Diffusionen des N -Leitungstyps ausgeführt werden, welche äquidistante parallele Streifen 3 bilden. Diese Streifen 3 von N⁺-Diffusionen haben eine Schwellspannung, die größer ist als die des N-Substrats. indem für die an die Elektroden angelegten SteuerSpannungen sowohl für die Integration als auch

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für die Verschiebung Werte gewählt werden, die zwischen der Schwellspannung der MOS-Kapazitäteh und der der N -Diffusionen liegen, werden die unter den verschiedenen Registern R₁ ... R erzeugten Potentialmulden wirksam voneinander isoliert. Andere bekannte Isolierungsverfahren sind hier ebenfalls anwendbar.

Von den Elektroden E₁₁, E₁₂... sind jeweils alle dritten miteinander verbunden,da es sich hier um eine Anordnung raLt deed Bias en 0₁, 0₂ und 0₃ handelt, an die die Taktspannungen für das , Einschreiben und für die Verschiebung angelegt werden, wie weiter unten gezeigt werden wird.

Ein lineares Ausgaberegister R_, das aus m Zellen mit beispielsweise drei Elektroden besteht, wenn es sich hier ebenfalls um ein Register mit drei Phasen φ₁ , φ-, 93 handelt, ist auf demselben Substrat 1 wie die Matrix selbst angeordnet. Das Register R ist in der Lage, zu einer Ausgangs-

diode D , welche ein elektrisches Signal s abgibt, die s

Ladungen zu übertragen, die für die eingetragenen Informationen kennzeichnend sind, welche es von der Matrix aus η χ m Zellen empfängt.

Gemäß der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die die Verschiebung der in den Zellen der Matrix gespeicherten Ladungen von Register zu Register in Gang setzen. Während eines der m Register R₁ ... R in das Ausgaberegister R entleert wird, verschiebt dieses die Informationen im gleichen Maße zu der Ausgangsdiode D , wobei an seine drei Phasen φ·-, <p~, φ₃ passende Taktspannungen synchron mit den Taktspannungen der Phasen 0₁, 0„, 0- der Matrix angelegt werden. Während derselben Zeit sperren die gemäß der Erfindung vorgesehenen Einrichtungen die Verschiebung längs der m - 1 anderen Register, in denen das Bild weiterhin integriert und gespeichert wird.

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Die zum Leeren eines Registers erforderliche Zeit ist ausreichend kurz, um zu vermeiden, daß der in diesem Register gespeicherte Bildteil gestört wird. Die anderen Register werden selbstverständlich nicht gestört, da in ihnen keine Verschiebung stattfindet.

Die Erfindung wird nunmehr ins einzelne gehend im Rahmen einer Art der Ausführung der Einrichtungen zur Steuerung der registerweisen Verschiebung beschrieben.

Eine weitere Betrachtung der Fig. 1, 2 und 3 zeigt eine Leiterbahn G-, G₂ ·.♦ G, die jedes Register R₁ ... R bedeckt und von seinen Elektroden durch eine Isolierschicht isoliert ist. Diese Leiterbahnen sind beispielsweise Aluminiumstreifen, wenn das abzutastende Bild auf die freie Seite des Substrats 1 projiziert wird; wenn es durch diese Streifen hindurchprojiziert wird, so ist klar, daß sie, ebenso wie die anderen Schichten, die zwischen dem Bild und dem Substrat liegen, aus einem transparenten oder halbtransparenten Leitermaterial hergestellt werden müssen. Die Schicht 4 ist beispielsweise ein Oxid, welches auf der Gesamtheit der Matrix thermisch hergestellt wird; in diesem Fall bestehen die Elektroden E₁₁ ...E₃ aus einem hochwarmfesten Metall, beispielsweise aus polykristallinen Silicium.

Wie Fig. 3 zeigt, wird eine an die Leiterbahn G₁ des auf diese Weise auf der Matrix durch die Gesamtheit der Bahnen G₁ bis G gebildeten Gitters das Potential V der Grenzfläche S in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden steuern. Man kann durch Verändern dieses Potentials die Verschiebung längs des Registers blockieren¹ oder in Gang setzen, was anhand von Fig. 4 erläutert wird.

In Fig. 4 sind schematisch bei (a) die Elektroden E₁₁, E₁₃/ E₁₃ ... in einer Schnittansicht längs eines Registers (wie

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in Fig. 3) dargestellt, wobei zur übersichtlicheren Darstellung in der Figur der Halbleiter, die verschiedenen Oxidschichten und die Leiterbahn G₁ weggelassen sind.

Bei (b), (c), (d) , (e) und (f) sind Kurven der Änderung des Potentials V an der Grenzfläche S zwischen Silicium-

dioxid und Silicium in Abhängigkeit von der Strecke χ längs des Registers dargestellt. Diese Kurven entsprechen: bei (b) und (c) dem NichtVorhandensein einer Verschiebung und bei (d) bis (f) verschiedenen Zeitpunkten einer Verschiebung.

Zur Erzielung der Potentialkonfiguration der Kurve (b) legt man die Leiterbahng. an eine derartige Sperrspannung V_GB, daß die Grenzflächenpotentiale V_gG in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden auf dem Referenzpotential und beispielsweise auf 0 Volt sind. Die Grenzflächenpotentiale unter den verschiedenen Elektroden sind durch die an die Phasen 0.., 0„ und 0₃ angelegten Spannungen festgelegt. Die Wahl dieser Spannungen erfolgt im Prinzip gemäß den bereits klassischen Regeln der LadungsverSchiebeanordnungen. Tatsächlich ist sie hier ein wenig verschieden.

Die Kurven (b) und (c) entsprechen dem NichtVorhandensein einer Verschiebung längs des Registers R₁, da die Leiterbahn G zwischen den Elektroden Potentialwälle erzeugt, die von den Ladungen, die in den unter den Elektroden vorhandenen Potentialmulden gespeichert sind, nicht überwunden werden können. Sie entsprechen somit einer Integrationsperiode des Bildes durch das Register.R₁. Während aber diese Integration stattfindet, ist eines von den m - 1 anderen Registern in einer Verschiebeperiode. Die an seine Elektroden über die Phasen 0₁, 0₂ und 0₃ angelegten Spannungen schalten somit zwischen zwei Werten um, von denen der eine negativer ist als der andere, damit in dem betreffenden Register die Verschiebung ermög-

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■licht wird» Das Register R₁ wird somit Ladungen in den drei MOS-Kapazitäten jeder seiner Zellen sammeln und speichern, während üblicherweise allein eine dieser drei Zellen zur Speicherung dient. Man muß somit die negativen Spannungen V- und V- wählen, zwischen denen die Phasen umgeschaltet werden, um gleichzeitig die Verschiebung längs des betreffenden Registers und die Integration der Ladungen in den anderen Registern zu ermöglichen. Man wählt vorteilhafterweise IV_TI < IV₁I < IV₂I, wobei V_T die oben definierte Schwellspannung ist.

Die Tatsache, daß die Spannung IVJ kleiner ist als die Spannung IV₂I , erlaubt, daß die Verschiebung von Ladungen in dem betreffenden Register in zweckmäßiger Weise von den durch die Spannungen V₁ gesteuerten Kapazitäten zu den durch die Spannung V₂ gesteuerten benachbarten Kapazitäten erfolgt. Die durch die Spannungen V₁ und V₂ gesteuerten Grenzflächen S liegen auf dem Potential V_g1 bzw.

Die Tatsache, daß die Spannungen |VJ und IV₂I beide größer als die Spannung lV_| sind, erlaubt, daß die Integration und die Speicherung in zweckmäßiger Weise in den m - 1 Registern ausgeführt werden, in welchen keine Verschiebung stattfindet, und zwar trotz des Vorhandenseins einer Verschiebung in dem m-ten Register.

In den Registern, die sich in einer Integrationsperiode befinden, werden nämlich die drei MOS-Kapazitäten jeder Zelle nacheinander ihre Elektrode auf einem Potential V-haben, da eines von den m Registern immer in einem Verschiebungszustand ist. Es ist somit erforderlich, daß die MOS-Kapazitäten, an die das Potential V₁ angelegt ist, die positiven Ladungen bewahren können, die darin gespeichert worden sind. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß IV₁^lV₁I ist. Deshalb werden die positiven Ladungen, die

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während einer Integration von den Kapazitäten angezogen worden sind/ welche die tiefsten Potentialmulden darstellen, das heißt von denjenigen, die durch die Spannungen V₂ gesteuert werden, darin bleiben, wenn an diese Kapazitäten die Spannungen V₁ angelegt werden. Die drei Kapazitäten jeder Zelle werden somit Ladungen integrieren und speichern. Das wird durch die positiven Ladungen dargestellt, die an den Kurven (b) und (c) in die Potentialmulden eingezeichnet sind, welche unter den drei Elektroden jeder Zelle vorhanden sind.

Wenn es sich darum handelt, die Verschiebung längs eines Registers, beispielsweise längs des Registers R.,, in Gang zu setzen, damit die Informationen, die es enthält, das Ausgaberegister R_e füllen, schaltet man die an die Leiterbahn G- angelegte Spannung auf einen negativen Wert um, der als Verschiebespannung V-- bezeichnet wird. Der Wert dieser Verschiebespannung V~_T hängt von der betreffenden Ausführungsform ab. In allen Fällen soll er so groß sein, daß für das Potential V_gG1 der Grenzfläche S in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden gilt:

^IVSi'<^|VSG1^l<|VS2l

In dem in Fig. 4 dargestellten Fall, in welchem die klassischen Probleme der Oberflächenzustände nicht berücksichtigt sind, weil sie entweder durch zusätzliche Maßnahmen · gelöst sind oder weil beispielsweise die Verschiebung gemäß an sich bekannten Verfahren im Volumen stattfindet, ist V_QT derart gewählt, daß gilt: V_gGi = V_g1, wie es die Kurve (d) zeigt, die dem Anfang der Verschiebung entspricht. Während diese Spannung V™, an die Leiterbahn G₁ angelegt ist, liegt an den Leiterbahnen G₂ ... G der anderen Register die Sperrspannung ν__ο an.

In einer ersten Zeit der Verschiebung, welches die bei (d) dargestellte ist, werden die in den drei MOS-Kapazitäten

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jeder Zelle gespeicherten Ladungen in ein und derselben Kapazität zusammengefaßt, und zwar in derjenigen Kapazität, deren Potentialmulde am tiefsten ist - hier unter den Elektroden E₁₂/ ^E22' **' ^E 2*

In einer zweiten Zeit, wenn die Spannungen V₁ und V~ umschalten, wobei die Phase 0„ von V₂ auf V₁ geht, während die Phase 0- von V₁ auf V₂ geht und die Phase 0₁ auf V₁ bleibt, erfolgt die übertragung normal längs des Registers R₁, wobei die Ladungen von den an die Phase 0₂ angeschlossenen Elektroden unter diejenigen gehen, die an die Phase 0₃ angeschlossen sind, Kurven (e) und (f). Danach wird die Phase 0₁ von V₁ auf V₂ umgeschaltet, während die Phase 0₂ von V₂ auf V₁ umgeschaltet wird, wobei die Ladungen dann unter die mit der Phase 0₁ verbundenen Elektroden gehen, usw.

Eine Steuereinrichtung 5, beispielsweise ein Schieberegister mit m Stufen, legt an alle Leiterbahnen G₁ ... G mit Ausnahme einer Leiterbahn die Spannung V„,_, an, welche die Blockierung der Verschiebungen längs der entsprechenden Register bewirkt. Jede der m Stufen des Registers 5 legt der Reihe nach an die Leiterbahn, die sie steuert, die Verschiebespannung V--, an. Die Umschaltung der Verschiebespannung von einer Leiterbahn zur nächsten des Gitters G₁ ... G erfolgt mit einer Taktfrequenz, die von der Dauer τ der Elementarverschiebung" eines linearen Registers abhängt, das heißt von der Dauer der Verschiebung von einer MOS-Kapazität zur nächsten, und von der Anzahl der Zellen des Registers. Zu diesem Zweck arbeitet der Eingang 6 des Schieberegisters 5, der diese Umschaltung steuert, mit dem Taktgeber synchron, der die Umschaltung der Phasen 0₁, 0~ und 0., steuert.

Die Maßnahmen, die oben beschrieben worden sind und die darin bestehen, die Verschiebungen längs der Register mit Hilfe eines leitenden Gitters zu blockieren oder in Gang zu

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setzen, das mit unterschiedlichen Spannungen vorgespannt ist, weisen eine gewisse Anzahl zusätzlicher Vorteile auf, welche die Bildaufnahmeanordnungen nach der Erfindung besonders interessant machen.

Während der Verschiebung sind nämlich die Zwischenräume zwischen den Elektroden durch dieses Gitter passend vorgespannt und ein klassisches Problem der ladungsgekoppelten Anordnungen, nämlich das des Potentialwalls aufgrund dieser Zwischenräume stellt sich nicht mehr. Die Elektroden können also mit ausreichendem Abstand voneinander und insbesondere mit einem Abstand von mehr als 3 ,um angeordnet werden, wobei es sich um eine Abmessung handelt, die in derartigen Anordnungen gewöhnlich kritisch ist. Daraus resultiert eine Vereinfachung bei der Herstellung der Matrix, da die Photogravüretoleranzen viel größer sein können.

Ein weiterer Vorteil betrifft das Problem der "Oberflächenzustände", das heißt der Fangstellen, die an der Grenzfläche S zwischen Siliciumdioxid und Silicium sehr schnell einen Teil der Ladungen der Information während der Verschiebungen einfangen können und sie nur sehr langsam wieder freigeben, während die Verschiebungen fortgesetzt werden, wodurch der Verschiebungswirkungsgrad gesenkt wird.

Es ist bislang bekannt, diese Oberflächenzustände unter den Elektroden ständig zu sättigen, indem ein "Bodensatz" von Ladungen mit Hilfe eines elektrischen Einganges in die Register eingegeben wird. Indem die Elektroden der Register immer derart vorgespannt werden, daß unter diesen Elektroden eine Raumladung aufrechterhalten wird, sättigen dort die Ladungen des Ladungsbodensatzes ständig die Oberflächenzustände. Dagegen werden in den Zwischenräumen oder "gaps" zwischen den Elektroden die Oberflächenzustände nicht gesättigt, da es dort keinen ständigen

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Ladungsbodensatz gibt.

In den Matrizen nach der Erfindung weisen auch die Zwischenräume zwischen den Elektroden der Register während der Verschiebungen Raumladungszonen auf, und zwar dank der Leiterbahnen G₁—G_m, die durch die Verschiebespannung V_GT negativ vorgespannt sind. Sie können sogar, wenn die Spannung V_GT im Absolutwert größer ist als die Schwellspannung ν,.,,Inversionsschichten aufweisen, die in der Lage sind, positive Ladungen festzuhalten. Es ist auf diese Weise möglich, die Oberflächenzustände nicht nur unter den Elektroden, sondern auch zwischen ihnen zu sättigen, was anhand von Fig. 5 deutlich werden wird.

Zu diesem Zweck erlaubt ein an sich herkömmlcher elektrischer Eingang, der in Fig. 3 schematisch durch die Diode 10 und die Torschaltung 11 dargestellt ist, in jedes Register Grundladungen Q₀ einzugeben. Bevor die Abtastung eines Bildes ausgeführt wird, bringt man alle Leiterbahnen G- ... G auf das Verschie-

Im

bepotential V_GT, welches hier im Absolutwert größer als die Schwellspannung V„, ist, und durch Auf steuern der Torschaltung 11 läßt man die Grundladungen Q₀ - passieren. Die Verschiebung längs aller Register wird derart gesteuert, daß sie mit diesen Grundladungen.gefüllt werden. Man steuert außerdem die Torschaltung 11, die ein Register mit Grundladungen Q₀ speist, jedesmal dann auf, wenn man eine Verschiebung längs dieses Registers veranlaßt.

Nachdem die vorangehende Operation des Füllens der Register mit Grundladungen ausgeführt worden ist, geht man zu der Abtastung des Bildes über, wie oben beschrieben. Wenn die Gitter streif en G-. ... G an der Sperrspannung V__B liegen. Kurve (c) von Fig. 5, gehen die zuvor in der Inversionsschicht der Zwischenräume zwischen den

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Elektroden gespeicherten Ladungen der Grundladungen in die Raumladungszonen unter den Elektroden. Die MOS-Kapazitäten speichern so nicht nur die Ladungen Q , die dem abgetasteten Bild entsprechen, sondern auch die Grundladungen Q .·

Wenn die Verschiebung längs eines Registers in Gang gesetzt ist, Kurve (d) von Fig. 5, werden die dem Bild entsprechenden Ladungen Q unter den Elektroden zusammenge-

faßt, welche die tiefsten Potentialmulden aufweisen, während Ladungen Q in die Potentialmulden gehen, die unter den Zwischenräumen zwischen den Elektroden durch das Gitterpotential V"_G_ erzeugt worden sind.

Wenn danach' die Verschiebung fortgesetzt wird, Kurven (e) und (f), wobei die Oberflächenzustände überall einschließlich zwischen den Elektroden durch Ladungen Q_Q gesättigt sind, werden die die Informationen kennzeichnenden Ladungen vollständig verschoben.

Fig. 6 zeigt schematisch in einer Schnittansicht längs eines Registers, beispielsweise längs des Registers R.., eine Abwandlung der Matrix nach der Erfindung, die sich von der von Fig. 3 durch die Geometrie ihrer Oxidschicht unterscheidet. Fig. 7 dient zur Erläuterung ihrer Betriebsweise.

Es handelt sich hier, wie in dem Fall von Fig. 4, um Ladungsverschieberegister, in welchen man Oberflächenzustände nicht berücksichtigt, beispielsweise wenn es sich abermals um Register mit Ladungsverschiebung im Volumen handelt, die manchmal auch als Register "mit vergrabenem Kanal" bezeichnet werden, bei welchen diese Oberflächenzustände keinen Einfluß auf die Verschiebung haben.

Es ist in diesem Fall nützlich, unter den Zwischenräumen zwischen den Elektroden Inversionsschichten aufrechtzuerhalten, und man kann Verschiebungen vornehmen, indem

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an die Leiterbahn des betreffenden Registers, beispielsweise an die Leiterbahn G- des Registers R-, die an die Phasen 0-, 0₂ und 0₃ angelegte Spannung umgeschaltet wird, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt.

In einer ersten Zeit, die mit den beiden vorangehenden Fällen identisch ist, ist das Potential der Leiterbahn G₁ das Sperrpotential V_Gß, Kurve (b).

Während einer Zeit, die der Zusammenfassung der Ladungen unter den mittleren Elektroden der Zellen, das heißt unter denjenigen Zellen, die mit der Phase 0₂ verbunden sind, Kurve (c), und der Verschiebung der Ladungen dieser Elektroden zu den mit der Phase 0₃ verbundenen Elektroden entspricht, Kurven (d) und (e), wird das Potential der Leiterbahn G₁ in jedem Zeitpunkt das Potential der Phase 0₂ sein. Da keine Ladung zurückbleibt, wie es in Fig. 5 der Fall war, wird auf diese Weise die Dynamik der Anordnung vergrößert, welche Informationen mit grösserer Amplitude abtasten kann. Außerdem, und im Gegensatz zu dem, was sich in der Anordnung von Fig. 4 ergeben würde, ist die Verschiebung gleichmäßiger als in Fig. 4, da das Potential der Grenzfläche S des Zwischenraumes zwischen den Elektroden zwischen zwei Kapazitäten, zwischen denen die Verschiebung erfolgt, immer zwischen den Potentialen der Grenzfläche S dieser beiden Kapazitäten liegt.

Wenn es sich darum handelt, die Ladungen der mit der Phase 0₃ verbundenen Elektroden zu den mit der Phase 0- verbundenen Elektroden zu verschieben, Kurven (f) und (g), wird das Potential der Leiterbahn G₁ auf die Phase 0 umgeschaltet, so daß gilt V_- = V.,-, usw.

Zur Erzielung einer solchen Arbeitsweise ist die Matrix in der in Fig. 6 dargestellten Weise aufgebaut. Die die

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Gitterstreifen G₁ ... G bildende Aluminiumschicht ist in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden von dem Halbleiter 1 durch dieselbe Oxiddicke 2 wie die Elektroden des Registers getrennt.

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Claims (8)

1. Patentansprüche :

   ΊJ Mit Ladungsverschiebung arbeitende Bildanordnung init einer Matrix aus m Spalten mit jeweils η ladungsgekoppelten Zellen, wobei jede Spalte ein lineares Schieberegister mit optischem Eingang bildet und Einrichtungen zum Ingangsetzen der Verschiebung längs des Registers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß, da die Verschiebungsingangsetzeinrichtungen den m Registern (R.. ...R) gemeinsam sind, die m Register jeweils Einrichtungen zur Sperrung der Verschiebungsingangsetzeinrichtungen enthalten, wobei die Sperreinrichtungen von m - 1 Registern so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs der m - 1 Register gesperrt wird, und wobei die Sperreinrichtungen des m-ten Registers so gesteuert werden, daß die Verschiebung längs des m-ten Registers ausgeführt werden kann; und daß Einrichtungen vorgesehen sind zum sequentiellen Entnehmen der in den η Zellen jedes der ra Register enthaltenen η Informationen im gleichen Maße wie die m Verschiebungen, die unabhängig von einander längs der m Register ausgeführt werden.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Zellen der Register aus MIS-Kapazitäten bestehen, die durch die leitenden Elektroden (E₁₁, E₁₂, ...) festgelegt sind, welche auf einer Isolierschicht (2) gebildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat (1) ruht, wobei die Elektroden Teil der Verschiebungsingangsetzeinrichtungen sind und gestatten, längs der Register die elektrischen Ladungen zu verschieben, welche durch die Lichtinformationen erzeugt worden sind, die sie empfangen; bei der die m Register (R₁ ...R) auf demselben Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind; und bei der Einrichtungen (3) vorgesehen sind zum Isolieren der in einem Register erzeugten Ladungen von den in den benachbarten Registern

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   erzeugten Ladungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Sperren der Einrichtungen zum Ingangsetzen der Verschiebung längs jedes Registers aus Einrichtungen bestehen zum Steuern des Potentials (Vg_G) der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden der verschiedenen Register / wobei diese Einrichtungen das Potential auf einen Wert bringen, der die Verschiebung, die normalerweise durch die gemeinsamen Elektroden in Gang gesetzt wird, in in - 1 Registern sperrt, und das Potential auf einen Wert bringen, der die Ausführung der Verschiebung in dem m-ten Register gestattet.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern des Grenzflächenpotentials der Zwischenräume zwischen den Elektroden der m Register ein leitendes Gitter enthalten, welches aus m Leiterbahnen (G....G) besteht, die jeweils auf jedem der m Register (R₁ ...R) gebildet sind, welche zuvor mit einer Schicht (2) aus einem Isoliermaterial überzogen worden sind, wobei die Leiterbahnen des Gitters in der Lage sind, die von ihnen gesteuerten Grenzflächen der Zwischenräume zwischen den Elektroden der Register auf vorbestimmte Potentiale zu bringen, wenn an sie Taktspannungen angelegt sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Steuerung des Gitters, die an m - 1 seiner Leiterbahnen eine Sperrspannung (V_Gß) anlegen, welche die Potentiale der Grenzfläche der Zwischenräume zwischen den Elektroden der entsprechenden m - 1 Register auf den Wert bringt, der die Verschiebungen sperrt, und die an die m-te Leiterbahn eine Verschiebespannung (V_GT) anlegen, welche die Grenzflächenpotentiale der Zwischenräume zwischen den Elektroden des entsprechenden Registers auf den Wert bringt,

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   der die Verschiebung gestattet, wobei die Einrichtungen zum Steuern des Gitters die Verschiebespannung (V_QT) nacheinander an jede der m Leiterbahnen des Gitters während einer Zeit anlegen, die von der Anzahl η der Zellen der Register und von der Verschiebungszeit in einer Zelle abhängig ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern des Gitters ein Schieberegister (5) mit m Stufen und m Ausgängen enthalten, die jeweils mit einer der m Leiterbahnen des Gitters verbunden sind.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der m Register einen elektrischen Eingang (10, 11) hat, der ihm während jeder Verschiebung elektrische Grundladungen (Qo) liefert, die zum Sättigen der Oberflachenzustande der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Isolator des Registers dienen.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum sequentiellen Entnehmen der in den η Zellen jedes Registers enthaltenen Informationen im gleichen Maß wie die Verschiebung des Registers ein lineares Ausgabeschieberegister (R ) enthalten, welches auf demselben Substrat wie die m Register der Matrix angeordnet ist und m Zellen enthält, welche die jedes der m Register der Matrix verlassenden Ladungen aufnehmen und sie zu einer Ausgangseinrichtung (D ) leiten.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Schieberegister 3-Phasen-Register sind.

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