DE2842346A1

DE2842346A1 - Bildabtaster in festkoerpertechnik

Info

Publication number: DE2842346A1
Application number: DE19782842346
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hagiwara; Takeo Hashimoto; Tokio Machida; Shigeyuki Ochi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1979-04-12
Also published as: DE2842346C2; FR2409646B1; GB2007937B; JPS5451318A; CA1125421A; NL7809866A; GB2007937A; FR2409646A1

Description

Sony Corp. TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER S78P147

- 7 BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildabtastvorrichtung in Festkörpertechnik, die ladungsverkoppelte Bildwandlerelemente enthält und nachfolgend auch mit ihrer englischen Abkürzung als CCD (= Clharge C_oupled E)evice) bezeichnet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung - im folgenden auch als "Bildsensor" bezeichnet - für ein sog. Zeilensprung-Übertragsystem.

Den Aufbau eines üblichen CCD-Festkörper-Bildsensors mit Zeilensprungübertrag zeigt die Fig. 1: Auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium, ist eine Mehrzahl von Lichtempfängerabschnitten, d. h. Sensorbereichen 1, ausgebildet, die als Bildelemente in zwei Richtungen nach Spalten und Zeilen ausgerichtet sind, nämlich in Horizontalrichtung und in dazu senkrechter Vertikalrichtung. Ein Vertikal-Schieberegister 2 - ebenfalls in CCD-Bauweise - liegt außerhalb längs einer Seite jedes Sensorbereichs 1 in Vertikalrichtung, und ein CCD-Horizontal-Schieberegister 3 ist gemeinsam für jedes Vertikal-Schieberegister 2 entlang einer Endseite angeordnet. Bei der Fernseh-Videobildsignalerzeugung beispielsweise werden die während des Vertikal-Austastintervalls in Abhängigkeit von der einfallenden Lichtmenge in den Sensorbereichen 1 erzeugten Signalladungen in das zugeordnete Vertikal-Schieberegister 2 übertragen, während in jeder Horizontal-Austastlücke die einzelnen Signalladungen in jedem der Vertikal-Schieberegister 2 sequentiell in das Horizontal-Schieberegister 3 überschrieben werden. Die sich ergebende Signalladung wird in jedem der Horizontal-Bildintervalle über eine Ausgangs t am Horizontal-Schieberegister 3 ausgelesen. In diesem Fall erfolgt der Ladungsübertrag von jedem Sensorbereich 1 des Vertikal-Schiebe- registers 2 beispielsweise in jeder zweiten Horizontalzeile, und während eines geradzahligen Bild- oder Halbbildintervalls

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wird das Signal in jedem der Sensorbereiche 1 für jede zweite Horizontalzeile ausgelesen. Während eines geradzahligen Bild- oder Halbbildintervalls dagegen wird das Signal in jedem Sensorbereich 1 für die restlichen (ebenfalls jeweils jede zweite) Horizontalzeilen ausgelesen. Das heißt, das Auslesen erfolgt im ßeilensprung oder "verschachtelt".

Selbst bei einem solchen Festkörper-Bildsensor ist jedoch eine sog. Gamma-(T )-Korrektur erwünscht, um eine bestimmte Beziehung zwischen dem auf die Bildsensorbereiche einfallenden Licht und einem elektrischen Ausgangssignal sicherzustellen. Als y-Korrekturverfahren kann beispielsweise in Betracht kommen die überschüssigen elektrischen Ladungen in eine "Überlauf-Senke oder einen "überlauf"-Drainbereich abzuleiten, der - um ein überstrahlen zu vermeiden - steuerbar ist. In diesem Fall dient eine Elektrode zur Steuerung einer Potentialbarriere oder eines Potentialwalls zwischen dem Sensorbereich und der Überlauf-Senke, um damit die Menge an überschüssigen Ladungen zu steuern und die erwünschte 9" -Korrektur zu bewirken. Diese Elektrode ist unabhängig von den anderen Elektroden,verbunden mit der Schwierigkeit, daß eine leitende Schicht zusätzlich hergestellt werden muß mit der Folge, daß ein ohnehin schon relativ komplizierter Halbleiteraufbau zusätzlich komplex wird und sich große Fertigungsschwierigkeiten zeigen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung zu schaffen, die sich vergleichsweise einfach herstellen läßt und bei der eine gesteuerte /"-Korrektur möglich ist, um überhöhte, also überschiessende elektrische Ladungen an einen Überlauf-Drainbereich abzuführen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Eine alternative Lösung nach der Erfindung ist im Patentanspruch 10 enthalten=

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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Wie oben erwähnt,ist die Erfindung in erster Linie auf eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit Zwischenzeilen- oder Zeilensprung-Übertrcig gerichtet und weist eine integrierte Überlaufsenke auf. Das Halbleitersubstrat enthält eine Mehrzahl von Sensorbereichen, die nach Zeilen und Spalten geordnet einen wesentlichen Teil des Halbleiterplättchens einnehmen. Auf einer Endseite der Sensorbereiche ist ein Schieberegister angeordnet, während die überlaufsenke auf der anderen Seite der Zeilen-Sensorbereiche ausgebildet ist. Eine Übertrageleketrode überdeckt einen Teil des Schieberegisters, und ein Übertrag-Gatebereich liegt zwischen den Bildelementen und dem Schieberegister und wird beim Signalladungsübertrag in das Schieberegister mit einer Taktspannung beaufschlagt, um während der Horizontal-Austastlücken am Übectrag-Gatebereich einen Potentialwall zu erzeugen. Eine Sensorelektrode überdeckt gemeinsam den Sensorbereich, und ein Überlaufsteuerbereich liegt zwischen dem Sensorbereich und der Überlaufsenke. Die Sensorelektrode wird zu bestimmten Zeitpunkten in den jeweils ausgewählten Horizontal-Austastlücken mit bestimmten Spannungswerten beaufschlagt. Diese an der Sensorelektrode liegenden Spannungswerte steigen während der ausgewählten Horizontal-Austastlücken allmählich an und führen zu der erwünschten V-Korrektur.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung den bereits erläuterten Aufbau einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit Zwischenzeilen- oder Zeilensprungübertrag; 35

Fig. 2 die Draufsicht auf einen wesentlichen Teil eines

Ausführungsbeispiels für eine Festkörper-Bildabtast-

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- 10 vorrichtung gemäß eier Erfindung;

Fig. 3 und 4 die stark vergrößerte schematische Querschnittdarstellung gesehen in Richtung der Pfeile an den Schnittlinien III-JII bzw. VI-VI in Fig. 1;

Fig. 5 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen einei Spannung, die zwischen einem Sensorbereich und einem Überlauf-Steuerbereich zugeführt wird und einem Minimumpotential;

Fig. 6A, 6B und 6C die zeitbezogene Darstellung von Spannungsimpulsen zur Erläuterung der Betriebsweise der Erfindung;
15

Fig. 7 bis 9 Potentialdiagramme zur Erläuterung einzelner Betriebsarten eines erfindungsgemäßen Bildsensors;

Fig. 10 ein Schaubild zur Erläuterung einer Speicherladung im Sensorbereich zu einzelnen Zeitpunkten bei Ände

rung der auf den Bildsensor eingestrahlten Lichtintensität;

Fig. ] 1 eine 'J"-Korrekturkurve und
25

Fig. 12 in graphischer Darstellung den Verlauf eines Minimumpotentials bei automatischer Einstellung der Empfindlichkeit.

Bei einem der oben in Bezug auf Fig. 1 erläuterten ähnlichen Festkörper-Bildsensor gemäß der Erfindung wird ein gemeinsames Halbleitersubstrat verwendet, auf dem eine Anzahl von Sensorbereichen 1, d. h. Lichtempfängerbereichen nach horizontalen Zeilen und vertikalen SpaLten geordnet vorgesehen ist. Weiterhin sind VertikaL-Schieberegister 2 und ein Horizontal-Schieberegister 3 vorhanden.

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Die Besonderheiten der Erfindung werden nun unter Bezug auf die Fig. 1 bis 4 anhand eines Beispiels und ohne Einschränkung des Erfindungsgedankens erläutert:

Fig. 2 zeigt einen Teil eines Bildsensnrs, bei dem die Sensorbereiche 1 und ein wesentlicher diesen zugeordneter Teil dargestellt ist, während - wie erwähnt - die Fig. 3 und 4 die Querschnittsansichten, gesehen in Richtung der Pfeile an den Schnittlinien III-III bzw. VI-VI in Fig. 2_} veranschaulichen. In diesen Figuren ist mit Bezugshinweis 4 ein HaIbleitersubstrat, etwa ein Siliziumsubstrat mit P-Leitfähigkeit bezeichnet, das oberflächenseitig mit einer Isolationsschicht 5, beispielsweise einer SO^-Schicht, bedeckt ist. Bei dem in dem Figuren veranschaulichte)) Beispiel ist das Vertikal-Schieberegister als versenktet K.ma] ausgebildet.

Zu diesem Zweck wird bei der Herstellung ein N-leitender Bereich 6 über die Hauptfläche 4a streifen- oder bandförmig ausgebildet, um das Schieberegister 2 zu erhalten. Ein Kanalbegrenzerbereich 7 mit dem Substrat 4 entsprechender Leitfähigkeit wird in hoher Verunreinigungskonzentration im Substrat 4 erzeugt, um die benachbarten Sensorbereiche 1 voneinander und außerdem vom Schieberegister 2 zu trennen, was in Fig. 2 schraffiert angedeutet ist; auch diese Bereiche 7 sind auf die Hauptfläche 4a ausgerichtet. Ein Überlauf-Steuerbereich 8 mit dem Substrat 4 entsprechender Leitfähigkeit wird ebenfalls über die Hauptfläche 4a im Substrat 4 erzeugt, und ein Überlauf-Drain- oder Senkenbereich 9 mit N-Leitfähigkeit und hoher vom Substrat 4 unterschiedlicher Verunreinigungskonzentration wird angrenzend an jeden der Sensorbereiche 1 durch den Überlauf-Steuerbereich 9 hindurch erzeugt. Außerdem wird im Substrat 4 zwischen jedem Sensorbereich 1 und dem zugeordneten Schieberegister 2 ein Gatebereich 10 mit P-Leitfähigkeit erzeugt.

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Jedes Schieberegister 2 besteht aus einem Übertragbereich 11, der in Vertikalrichtung in Ausrichtung auf jeden zugeordneten Sensorbereich 1 vorhanden ist. Beim dargestellten Beispiel gehört das Vertikal-Schieberegister 2 zum Typ mit zweiphasigem Takt. In diesem Fall besteht jeder Übertragbereich aus beispielsweise einem Teil mit einer relativ dünnen Isolierschicht 5A und einem Teil der eine dicke Isolationsschicht 5B umfaßt. Auf den isolierenden Schichten 5A und 5B sind Elektroden 12A und 12B erzeugt, die ein sog. Übertrag-Gate 13A bzw. einen Speicherbereich 13B bilden. Die beiden Elektroden 12A und 12B im Übertragbereich 11 sind elektrisch verbunden.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die Isolationsschichten 5A und 5B unter den Elektroden 12A und 12B in der Dicke voneinander verschieden ausgebildet, um eine Differenz zwischen den Potentialtiefen am Übertraggate 13A bzw. im Speicherbereich 13B des Vertikal-Schieberegisters 2 zu erzielen. Die unterschiedliche Potentialtiefe kann jedoch auch durch unterschiedliche Verunreinigungskonzentration erreicht werden anstelle der Ausbildung von unterschiedlichen Schichtstärken für die Isolationsschichten. In diesem zweitgenannten Fall sind die Isolationsschichten 5A und 5B unter den Übertrag- und Speicherelektroden 12A bzw. 12B gleich, jedoch ist in diesem Fall unter der Übertragelektrode 12A ein flacher P-leitender Bereich vorgesehen. Dieser P-Bereich kann beispielsweise durch selektive Ionen-Inplantation erzeugt werden.

Der Gatebereich 10 zwischen jedem der Sensorbereiche 1 und dem zugeordneten Vertikal-Schieberegister 2, der beispielsweise eine dem Substrat 4 entsprechende Leitfähigkeit aufweist, wird durch einen im Substrat 4 liegenden Bereiche gebildet, der eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist als das Substrat 4 und auf dessen Hauptfläche 4a ausgerichtet ist. Über die obere Oberfläche des Bereichs 14 erstreckt sich die Isolationsschicht 5_?beispielsweise die

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Isolationsschicht 5B, die durch-die Gateelektrode 15 überdeckt ist. Die Gateelektrode 15 des Gatebereichs 10, die jedem der Sensorbereiche 1 entspricht,und die Elektroden 13A und 13B jedes Übertrag-Bereichs 11 im Vertikal-Schieberegister 2 werden gemeinsam erzeugt, wie in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie a angedeutet ist, oder werden elektrisch miteinander verbunden, um eine gemeinsame Spannung zuführen zu können. In diesem Fall werden die Verunreinigungskonzentrationen der Bereiche 10 und 11 oder die Dicken der Isolationsschichten so gewählt, daß die Minimumpotentiale im Gatebereich immer " flach" sind , se.Löst wenn die den Bereichen 10 und 11 zugeordneten Elektroden mit der gleichen Spannung beaufschlagt werden. Anschlüsse tr., und tr„ sind abwechselnd mit jeweils übernächsten Übertragbereichen 11 verbunden.

Der Überlauf-Steuerbereich 8 weist beispielsweise die dem Substrat 4 entsprechende Leitfähigkeitsart, jedoch mit höherer Verunreinigungskonzentration auf und ist ebenfalls auf die Hauptfläche 4a ausgerichtet. Eine Steuerelektrode 17 liegt über die Isolationsschicht 5 am Bereich 16.

Die Sensorbereiche 1 werden durch eine Sensorelektrode 18 über der Isolationsschicht 5 gebildet, durch die Licht hindurchgeht. Die Sensorelektrode 18 und die Steuerelektrode 17 des zugeordneten Überlauf-Steuerbereichs 8 bestehen aus einer kontinuierlichen transparenten gemeinsamen Elektrode oder sind elektrisch miteinander verbunden und werden über eine Klemme t mit einer gemeinsamen Spannung beaufschlagt.

Die jeweiligen Bereiche 6, 7, 9, 14 und 16 können mittels einer bekannten Technik hergestellt werden, beispielsweise mittels eines selektiven DiffusionsVerfahrens, durch Ionenimplantation oder dergleichen. Die einzelnen Elektroden 15, 12A und 12B werden durch selektives Abscheiden von polykristallinen Siliziumschichten hergestellt, die durch eine entsprechend gewähLte Verunreinigungsdotierung einen niedri-

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gen Widerstand erhalten. Das Aufbringen kann durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren erfolgen, die Isolationsschichten werden vorzugsweise durch Oxidieren der Oberflächen dieser Schichten erzeugt, und die Transparentelektrode, die die Sensorelektrode 18 und die Überlauf-Steuerelektrode 17 bildet, überdeckt die Isolationsschicht 5. Eine Licht abschirmende Schicht 19 überdeckt alle Bereiche außer den Sensorbereichen 1. Diese Abschirmschicht 19 besteht beispielsweise aus Aluminium. Für diesen Fall einer leitenden Abschirmschicht überdeckt sie die auf den jeweiligen Elektroden vorhandene Isolationsschicht

Wie oben erwähnt, werden gemäß der Erfindung die Sensorelektrode 18 jedes Sensorbereiahs und die Steuerelektrode 17 des entsprechenden Überlauf-Steuerbereichs 8 in elektrischer Hinsicht gemeinsam ausgebildet. Unter der Bedingung, daß die gemeinsame Spannung beide Elektroden 17 und 18 beaufschlagt, tritt eine Differenz zwischen den Minimumpotentialen am Sensorbereich 1 und am Überlauf-Steuerbereich auf. Im dargestellten Beispiel wird das Minimumpotential an jeder Oberfläche auftreten, an der es mit dem Oberflächenpotential übereinstimmt. Diese Potentialdifferenz ändert sich mit der zugeführten Spannung. Beim oben erläuterten Beispiel ist die Oberflächenverunreinigungskonzentration des Sensorbereichs 1 mit der des Substrats 4 übereinstimmend, und die Oberflächenverunreinigungskonzentration des Überlauf-Steuerbereichs 8 ist höher gewählt als jene des Sensorbereichs 1. Für diesen Fall wird bei gleicher Schichtdicke der jeweiligen Isolationsschichten 5 von 0,3 μπι am Sensorbereich 1 bzw. am Überlauf-Steuerbereich 8 die Oberflächenverunreinigungskonzentration des Sensorbereichs 1

14 -3
beispielsweise 5 χ 10 cm und jene des Steuerbereichs

15 _3
zu 5 χ 10 cm gewählt, so daß - wenn sich bei Anlegen der Spannung 0, an die Sensor- bzw. Steuerelektrode 17 bzw. 18 an der Klemme t die jeweiligen Oberflächenpotentiale -f und -t ergeben - die Potentialdifferenz zwischen

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~f und "f bei ansteigender Spannung 0 groß wird, wie die Kurven 20 und 21 der Darstellung von Fig. 5 erkennen lassen. Beim obigen Beispiel werden die Oberflächenverunreinigungskonzentrationen des Sensorbereichs 1 und des Steuerbereichs 8 so gewählt, daß sich eine Differenz ergibt. In einigen Fällen ist es jedoch möglich, daß der Sensorbereich 1 und der Steuerbereich 8 mit konstanter Oberflächenverunreinigungskonzentration ausgelegt werden und die Dicken der Isolationsschichten unter den Elektroden 18 und 17 des Sensorbereichs 1 und des Steuerbereichs 8 auch bei unterschiedlicher Wahl der Oberflächenkonzentration - verschieden gewählt werden, und zwar so, daß die Dicke der Isolationsschicht des Sensorbereichs 1 geringer ist als die des Steuerbereichs 8.

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Wie weiter unten erläutert wird, ändert sich bei diesem Aufbau die Differenz ( ~y ~ ~f ) zwischen den Oberflächen-

S C

Potentialen am Überlauf-Steuerbereich 8 und an den Sensorbereichen 1, d. h- die Höhe des Potentialwalls oder der Potentialbarriere zwischen den Sensorbereichen 1 mit Steuerbereich 8 und der überlaufsenke 9 ändert sich in Abhängigkeit von der Größe der an der Klemme t zugeführten Span-

nung 0 , so daß der überlaufende Betrag an Ladungsträgern von den Sensorbereichen 1 steuerbar ist.

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Aus Gründen der besseren Verständlichkeit der späteren Erläuterung werden die Sensorbereiche 1 in Fig. 2 in jeder Horizontalzeile untereinander aufeinanderfolgend mit S₁, S₀, S^, und die Übertragbereiche 11 der entsprechen-

den Vertikal-Schieberegister 2 mit T₁, T₉, T-., be-

zeichnet. Die Elektroden jedes zweiten Übertragbereichs, also für T₁, T_, T₅, ,sind mit dem Anschluß t.. verbunden, während die übrigen, ebenfalls jeweils zweiten Übertragbereiche, also T₂, T₄, Tg, gemeinsam an den

Anschluß t₂ angeschlossen sind.

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Nachfolgend wir d die Betriebsweise der soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastvorrichtung erläutert:

Während des Vertikal-Austastintervalls oder der Bildaustastlücke werden die der auftreffenden Lichtmenge entsprechenden Signalladungen von den Sensorbereichen 1 in die zugeordneten Übertragbereiche 11 des Vertikal-Schieberegisters 2 übertragen, was nachfolgend als "Auslesen" bezeichnet ist. Die Anschlüsse t ^ und t „ des Vertikal-Schieberegisters 2 werden durch zweiphasige Taktimpulse 0 ₁ und 0 2 beaufschlagt, was in den Fig. 6A bzw. 6B dargestellt ist, um die Signalladungen sequentiell während der Horizontal-Austastlücke in einer Richtung in den angrenzenden Übertragbereich zu übertragen, d. h. um die Signalladung während jeder Horizontalzeile in das in Fig. gezeigte Horizontal-Schieberegister 3 zu überschreiben. Das Signal für jede Horizontalzeile wird dann während des Horizontal-Abtastintervalls über den Anschluß t abgefragt.

Die Fig. 7 bis 9 verdeutlichen den Verlauf von Minimumpotentialen an den Einzelbereichen der Fig. 3. In dieser Schaubilddarstellung sind die jeweiligen Minimumpotentiale an der Überlauf-Senke 9, am Überlauf-Steuerbereich 8, am Sensorbereich 1, am Übertrag-Gate 10 und am Speicherbereich 13B mit J ,,, f , ^f , -f und ·$ , bezeichnet, und die Potentiale bei jeweils anliegenden Spannungen sind bei entsprechender Kennzeichnung jeweils durch eine Indexziffer unterschieden. Fig. 7 verdeutlicht die Verhältnisse bei der Betriebsart Lichtempfang und Speicherung. In diesem Fall wird dem Anschluß t eine Spannung solcher Größe zugeführt, daß eine tiefe Potentialwanne am Sensorbereich 1 auftritt, d. h. eine hohe positive Spannung 0 . Zum Zeitpunkt t der Vertikal-Austastlücke, die dem

S O

Beginn eines ungeradzahligen Halbbildintervalls entspricht, werden die den Anschlüssen t ., t _ des Vertikal-Schieberegisters zugeführten Spannungen 0 .. und 0^ _? als positive Spannungen mit festgelegtem Pegel gewählt, wie in den

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Fig. 6A und 6B angedeutet. In diesem Fall wird die den

Anschluß t beaufschlagende Spannung 0 abgesenkt, was s s

zum Minimumpotential (vgl. Fig. 8) führt, so daß die Potentialwanne des Sensorbereichs 1 ausreichend flach wird (vgl. Potential J _s-t) r während die Potentialwanne im Speicherbereich des Übertragabschnitts 11, der dem Sensorbereich 1 entspricht, ausreichend tief wird (vgl. Potential j , ₂)· ^Al^s Folge davon werden die in Abhängigkeit von der auftreffenden Lichtmenge in den einzelnen Sensorbereichen

S₁, S-/ S₃, erzeugten und gespeicherten Signalladungen (Ladungsträger) übertragen oder in die Speicherbereiche der Übertragbereiche T.,, T„, T , ausgelesen, was

in Fig. 8 durch einen Pfeil b angedeutet ist. Während der Vertikal-Austastlücke wird nachfolgend beispielsweise die Spannung 0 „ am Anschluß t„ auf der oben erwähnten positiven Spannung gehalten, und die am Anschluß t.. zugeführte Spannung 0 ₁ wird abgesenkt, beispielsweise auf 0 Volt, wie in den Fig. 6A und 6B verdeutlicht. Damit werden die einzelnen Ladungen für jeden zweiten Übertragbereich T₁,

T , T₅, in die restlichen Übertragbereiche T„, T.,

T_fi, überschrieben, d. h. die Ladungen von jeweils

zwei Übertragbereichen werden miteinander addiert. Anders ausgedrückt: Die Signalladungen auf jedem der Sensorbereiche S₁, S^, S , werden jenen auf den benachbar-

ten Sensorbereichen S₂, S , S , überlagert. Die Ladungen werden sodann in üblicher Weise in den Vertikal- und Horizontal-Austastlücken in das Horizontal-Schieberegister übertragen, gemäß der Erfindung jedoch wird für eine bestimmte Anzahl von ausgewählten Horizontal-Austastlücken eine T~Korrektur durchgeführt. In Fig. 6 werden zum Ladungsübertrag ein Impuls P und weitere Impulse in den Horizontal-Austastlücken den Anschlüssen t.. und t„ zugeführt. Da in der gewählten Darstellung die Zeitdauer der Impulse nur schematisch angegeben ist, stimmen die Länge der Vertikal-Austastlücken usw. nicht genau. In anderen Worten: Die den Anschlüssen t .. und t ₂ während der Horizon-

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tal-Austastlücke zugeführten Spannungen liegen beide niedrig, beispielsweise bei 0 Volt, während zwischen jedem der Übertragbereiche T , T-, T , und jedem der Sensorbereiche S₁, S₉, S , die Potentialbarriere J mit

relativ hohem Wert 3 (vgl. Fig. 9) auftritt. In zugeordneten Zeitpunkten t^, t , t_, innerhalb der Ho-

rizontal-Austastlücke wird der Anschluß t mit Spannungen

0 .., 0 ₂, 0 -., beaufschlagt, die stufenweise in der

Folge 0 -, < 0 η ^ $3 ···· auftreten, wie die Fig. 6C erkennen läßt. Die Potentiale §

Sensorbereichen S., S , S , werden flacher (vgl.

Fig. 9), und die Potentiale am Überlauf-Steuerbereich 8 erreichen die Werte "j .,, "f o' ^v (vgl. ebenfalls Fig. 9). In diesem Fall wird, da die zugeführte Spannung einen hohen Wert erreicht, die Potentialdifferenz zwischen dem Sensorbereich und dem Überlauf-Steuerbereich, d. h. der Potentialwall hoch, wie oben in Verbindung mit Fig. 5 bereits erwähnt. Als Folge davon wird der überschiessende Ladungsbetrag vermindert.

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Dies wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 9 und 10 für den Fall betrachtet, daß das auftreffende Licht eine Intensität von I besitzt. In diesem Fall werden einen Ladungsbetrag q. übersteigende erste Ladungen in die Überlauf-Senke übertragen oder abgesaugt, so daß die Sensorbereich gespeicherten Ladungen dem Sättigungszustand bei q. entsprechen. Die Ladungsmenge q. ist bestimmt durch die Differenz zwischen dem Potential -f . im Sensorbereich, wenn die

^{J s4} dftMjjfc, _o

Spannung 0 . am Anschluß t und Oas Potential 3 , am Überlauf-Steuerbereich anliegt. Nachfolgend wird zum Zeitpunkt t.. während der ausgewählten Horizontal-Austastlücke am Anschluß t. eine relativ niedrige Spannung 0 ₁ zugeführt, so daß die eine Ladungsmenge q₁ überschreitende Ladungen - bestimmt durch die Differenz zwischen dem Potential j _s-i ^am Sensorbereich und dem Potential ■£

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am Überlauf-Steuerbereich - übertragen werden. Die dem Anschluß t zugeführte Spannung wird wiederum 0 ,, so daß in Abhängigkeit von der Lichtmenge I. auftretende Ladung in einem Sensorbereich gespeichert wird, der durch die Differenz zwischen dem Potential "J , am Sensorbereich und jenem Potential -f . am Überlaufbereich bestimmt ist. Den Ladung.sbetrag q. übersteigende Überschußladungen werden also in die Überlauf-Senke transportiert. Zum Zeitpunkt t„ innerhalb einer anderen gewählten Horizontal-Austastlücke wird der Anschluß t_g mit einer Spannung 0 ₂ beaufschlagt, die höher liegt als die frühere Spannung 0 .. , so daß die Ladungsmenge q~ - bestimmt durch die Differenz zwischen dem Potential "] ₂ ^am Sensorbereich und dem Potential ^f ₂ am Überlauf-Steuerbereich - übersteigende Ladungen in die Überlauf-Senke übertragen werden. Danach wird dem Anschluß t wiederum die Spannung 0 , zugeführt und eine entsprechende Ladung gespeichert. Zu einem Zeitpunkt t_ innerhalb einer dritten gewählten Horizontal-Austastlücke wird der Anschluß t_s mit der Spannung 0 _ beaufschlagt, die höher liegt als die Spannung 0 ₂, so daß wiederum den Ladungsbetrag q-, übersteigende Ladungen abgesaugt werden. Sodann wird der Anschluß t wiederum an die Spannung 0 . gelegt, so daß die Ladungen entsprechend dem auftreffenden Licht gespeichert werden. Zum Zeitpunkt t. innerhalb der Vertikal-Austastlücke werden schließlich die Ladungen ausgelesen.

Trifft auf den Bildsensor Licht mit der Intensität I entsprechend der Relation I_< I₁< I„<I₃<I. auf, so treten im Sensorbereich 1 zu Zeitpunkten t_Q, t.., t₂, t₃ und t₄ Ladungsmengen q auf, die nachfolgend betrachtet werden: Wie die Fig. 10 zeigt, fließen die zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ und t. auftretenden Überschußladungen ab, die die Ladungsmenge q., , q₂, q-. und q. im Sensorbereich 1 zu diesen Zeitpunkten übersteigen, so daß die dem Licht mit der Intensität I entsprechenden Ladungsmengen sich als Exponentialfunktion darstellen lassen, wie die Fig. 11

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zeigt, aus der die T-Korrektur ersichtlich ist. Trifft eine Lichtmenge mit der Intensität von I_n auf, die niedriger liegt als eine Intensität I (vgl. Fig. 10 und 11) , so ist die im Sensorbereich gespeicherte Ladungsmenge durch eine Strecke 1. ablesbar. Trifft Licht mit der Intensität von I. auf, die zwischen den Intensitätswerten I und I₁ liegt, so kann die im Sensorbereich gespeicherte Ladungsmenge an der Strecke I₂ abgelesen werden. Die weiteren Strecken 1 , 1., ... verdeutlichen in analoger Weise die Ladungsmengen in den entsprechenden Sensorbereichen.

Die 7"-Korrektur läßt sich für das nächst nachfolgende Halbbild für geradzahlige Zeilen in ähnlicher Weise erreichen.

Beim Halbbild für geradzahlige Zeilen (vgl. auch hier Fig. 6) wird am Anschluß t2 nach dem Auslesen der entsprechenden

Sensorbereiche S₁, S₂, S₃ in die Übertragbereiche

T₁, T₂, T-,, des Vertikal-Schieberegisters in der

Vertikal-Austastlücke, die dem Anfang des "geradzahligen" Halbbilds entspricht und im Gegensatz zum Fall des oben betrachteten "ungeradzahligen" Halbbilds beispielsweise eine Spannung von 0 Volt zugeführt,und die in den Sensorbereichen S₂, S₃, S₄, gespeicherten Ladungen werden jenen

der benachbarten Sensorbereiche S₁, S₂, S , hinzu-

addiert; diese Kombination ist ersichtlicherweise unterschiedlich vom ungeradzahligen Halbbild gewählt. Beim geradzahligen Halbbild oder "Feld" wird durch die Kombination der Sensorbereiche S₁ und S₃, S₃ und S₄, S₅ und Sg, ein Bildelementsignal erzeugt, während beinungeradzahligen Halbbild oder "Feld" für jeweils ein Bildelement die andere Kombination gewählt ist, nämlich die Zusammenfassung der Sensorbereiche S₂ und S₃, S₄ und S , S_ und S^, Auf diese Weise wird ein Bild (ein Vollrahmen) aus zwei Halbbildern oder Feldern zusammengesetzt, um den gleichen Effekt wie bei der oben erwähnten Verschachtelung zu erzielen.

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Ist eine Einstellung der Empfindlichkeit erwünscht, so wird die Breite des Überlauf-Steuerbereichs 8 entsprechend schmäler gewählt und das Vorspannungspotential für die überlauf-Senke 9 wird entsprechend tief gelegt, wie die Fig. 12 zeigt, um die gewünschte Überlauf-Steuerung zu erzielen, d. h. um die überschüssigen Ladungsträger im Sensorbereich 1 in die überlauf-Senke abzusaugen. Wird ein großes Vorspannungspotential an der Überlauf-Senke 9 angelegt, so wird die im Sensorbereich 1 erzeugte Signalladung in die Überlauf-Senke 9 transportiert und damit nicht mehr im Sensorbereich 1 gespeichert. Das Zeitintervall zur Ladungsträgerspeicherung läßt sich damit in Abhängigkeit von der Menge des auftreffenden Lichts verkürzen.

Wie oben beschrieben, kommt die Erfindung ohne eine unabhängige Elektrode am Überlauf-Steuerbereich aus, und es läßt sich gleichwohl eine gute »-Korrektur erreichen, so daß die oben erläuterten Schwierigkeiten mit dem relativ komplizierten Aufbringen der Elektroden beseitigt sind, was bisher zu erheblichen Fertigungsproblemen führte. Mit der Erfindung läßt sich nicht nur die Zuverlässigkeit erhöhen, sondern auch die Ausbeute an einwandfreien Bildwandlerelementen bei der Serienherstellung ist deutlich besser.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus folgendem: Da die Ladungen in allen Sensorbereichen S₁, S„, S₃, zu Beginn

jedes entsprichenden Halbbilds ausgelesen werden, sind mit der Erfindung alle Probleme beseitigt, die sich bisher aus sog. Restbildern ergaben, d. h. da bei bekannten Bildwandlervorrichtungen die Ladungen aus jedem Sensorbereich innerhalb jedes Felds oder Halbbilds ausgelesen werden, wird ein Lichteinfall für zwei Halbbilder registriert, da Licht durch die Sensorbereiche auch in einem Feldintervall aufgenommen wird, während dem die übrigen Sensorbereiche ausgelesen werden. Damit tritt das Restbildproblem auf, das durch die neuartige Speicher- und Auslesemethode gemäß der Erfindung vollständig beseitigt ist.

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Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispxel der Erfindung wird die Sensorelektrode gemeinsam hergestellt, und die Signalladungen in den einzelnen Sensorbereichen werden in jedem Halbbild ausgelesen. Es ist jedoch für einige Anwendungsfälle auch möglich, die Sensorelektrode entsprechend

der Kombination der Sensorbereiche S₁, S,, S₁., und

S-, S₄, S_fi, zu unterteilen, also jeweils unter Freilassung einer Zwischenzeile zusammenzufassen, und die jeweils anderen Sensorbereiehe in jedem dieser Halbbilder auszulesen.

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Claims

PATENTANWÄLTE TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld Triftstraße 4 Siekerwall 7 Case S78P147 28. September 1978 Mü/tr SONY CORPORATION 7-35, Kitashinagawa 6-chome Shinagawa-ku, Tokyo, Japan Bildabtaster in Festkörpertechnik Priorität: 29. September 1977, Japan, Nr. 126885/77 PATENTANSPRÜCHE

1. Biidabtastvorrichtung in Festkörpertechnik mit

a) einem Halbleitersubstrat (4),

b) einer Mehrzahl von nach Zeilen und Spalten angeordneten und festgelegte Abschnitte des Substrats einnehmenden Sensorbereichen (1; S„, S₉, S-, ...), die in der Lage sind, jeweils eine bestimmte Signalladung während einer festgelegten Zeitperiode zu speichern,

c) einem auf Teilbereichen des Substrats ausgebildeten und jeder Zeile der Sensorbereiche zugeordneten Schieberegister (2),

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d) einer auf einem Teilbereich des Substrats ausgebildeten Überlauf-Senke (9), die jeder Reihe der Sensorbereiche zugeordnet und auf der dem Schieberegister in bezug auf die betreffende Reihe der Sensorbereiche gegenüberliegenden Seite liegt;

e) einer ersten Einrichtung, die zwischen den Sensorberei- und dem Schieberegister während festgelegter Intervalle innerhalb der vorgegebenen Zeitperiode einen ersten Potentialwall für die Signalladungen bildet,

gekennzeichnet durch

f) eine zweite Einrichtung (11), die zwischen den Sensorbereichen (1; S₁, S₂, S₃, ...) und der Überlauf-Senke (9) für die Signalladungen einen zweiten Potentialwall bildet, der während der vorgegebenen Zeitperiode niedriger als der erste Potentialwall liegt und zur Speicherung der Signalladungen an den Sensorbereichen eine Potentialwanne bildet, wobei der Betrag der in der Potentialwanne speicherbaren Signalladungen durch den zweiten Potentialwall und die Potentialwanne bestimmt sind,und durch

g) eine in der zweiten Einrichtung enthaltene dritte Einrichtung, die den zweiten Potentialwall und die Potentialwanne so festlegt, daß die Beträge der in den Sensorbereichen gespeicherten Signalladungen für Zeitab schnitte innerhalb von xntermittierend aus den festgelegten Zeitperioden ausgewählten Intervallen sequentiell ansteigen.

2. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine vom Substrat elektrisch isolierte Elektrode aufweist, die einen Teilbereich der Oberfläche des Substrats zwischen dem Sensorbereich und dem Schieberegister überdeckt und zur Zuführung einer festgelegten Spannung bestimmt ist»

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3. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine vom Substrat elektrisch isolierte Elektrode aufweist, die einen Teilbereich der Oberfläche des Substrats zwischen den Sensorbereichen und der überlaufsenke überdeckt und zur Zuführung einer festgelegten Spannung bestimmt ist.

4. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch ■\Q gekennzeichnet, daß die festgelegte

Periode einem Vertikalabtastintervall eines Pernsehsignals entspricht.

5. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das festgelegte

Intervall einer Horizontalaustastlücke eines Fernsehsignals entspricht.

6. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode

gemeinsam mit einer Elektrode für das Schieberegister ausgebildet worden ist.

7. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenverunreinigungskonzentration des Substrats im Sensorbereich und im Überlaufsteuerbereich unterschiedlich ist.

8. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 3, dva durch

gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht zwischen der Oberfläche des Substrats und der Elektrode ausgebildet ist, deren Dicke mindestens im Sensorbereich und im Überlaufsteuerbereich unterschiedlich ist.

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9. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Zuführung einer bestimmten Spannung zur Überlauf-Senke zur Vermeidung des zweiten Potentialwalls.

10. Bildabtastvorrichtung in Festkörpertechnik mit

a) einem Halbleitersubstrat,

b) einer Mehrzahl von festgelegte Bereiche des Halbleitersubstrats einnehmenden Bildelementen, die zur Speicherung von Signalladungen während einer festgelegten Zeitperiode bestimmt und nach Zeilen und Spalten ausgerichtet sind,

c) einem einen Teilbereich des Substrats einnehmenden und jeder Zeile der Bildelemente über Übertrag-Gatebereiche zugeordneten Schieberegister,

d) einem einen Teilbereich des Substrats einnehmenden und über einen Überlauf-Steuerbereich jeder Zeile der Bildelemente zugeordneten Überlauf-Senkenbereich auf der in bezug auf die Bildelemente gegenüberliegenden Seite des Schieberegisters,

e) einer vom Substrat elektrisch isolierten und einen Teil des Schieberegisters und des Übertrag-Gatebereichs überdeckenden Übertragelektrode für das Schieberegister, dadurch gekennzeichnet, daß

f) eine vom Substrat und der Übertrag-Elektrode elektrisch isolierte Sensorelektrode (18) vorgesehen ist, die die Bildelemente (1) und die überlauf-Steuerbereiche (8) überdeckt,

g) die Übertragelektrode mit einer Spannung beaufschlagt ist, um während festgelegter Intervalle einen Potentialwall am Übertrag-Gatebereich zu erzeugen,

h) die Sensorelektrode während einer Mehrzahl von Zeitabschnitten innerhalb intermittierend aus festgelegten Zeitperioden ausgewählten Intervallen mit bestimmten Spannungswerten beaufschlagt wird, wobei die Zeitabschnitte jeweils innerhalb der ausgewählten Intervalle liegen,

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i) eine Einrichtung vorgesehen ist, die an den BiIdelementen und dem Überlauf-Steuerbereich eine Potentialdifferenz erzeugt, die einen Betrag einer Signalladung festlegt, die durch Zuführung der festgelegten Spannung am betreffenden Bildelement gespeichert werden soll,

k) die festgelegten Spannungen so gewählt sind, daß der Betrag der Signalladungen,die durch eine erste Spannung zu einem früheren Zeitpunkt am betreffenden Bildelement zu speichern ist, kleiner ist als der

Betrag der Signalladungen, die durch das Bildelement zu einem späteren Zeitpunkt gespeichert werden sollen, und daß

1) die Sensorelektrode mit einer Spannung zu beaufschlagen ist, die an dem Bildelement eine Potentialwanne hervorruft, um Signalladungen während der Restzeit innerhalb des Zeitabschnitts der vorgegebenen Periode zu speichern.

11. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung

zur Erzeugung einer Potentialdifferenz durch Wahl einer unterschiedlichen OberflächenVerunreinigungskonzentration des Substrats an den Bildelementen bzw. am überlauf-Steuerbereich gegeben ist.
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12. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung durch eine unterschiedliche Dicke einer zwischen der Oberfläche des Substrats und der Sensorelektrode im Bereich der Bildelemente bzw. im Bereich des Überlauf-Steuerbereichs gegeben ist.

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13. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die festgelegte Periode dem Vertikalabtastintervall eines Fernsehsignals entspricht.

14. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das festgelegte Intervall mit der Horizontalaustastlücke eines Fernsehsignals übereinstimmt.