DE4133996C2 - CCD-Bildwandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildwandler (CCD =
ladungsgekoppeltes Bauelement)
gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er beispielsweise aus der US-PS 4 951 104
bekannt ist.
Ein CCD-Bildwandler, der unter Anwendung von
ladungsgekoppelten Bauelementen arbeitet, wandelt
typischerweise Lichtenergie durch eine Fotodiode in ein
elektrisches Signal um, wobei der lichtelektrische
Wirkungsgrad für Infrarot-Wellenlängen, in denen der Betrag
der Lichtenergie klein ist, sehr niedrig ist.
Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild, das den üblichen Aufbau eines
CCD-Bildwandlers vom Typ mit Übertragung
zwischen den Leitungen zeigt. Dabei hat der
CCD-Bildwandler einen n-leitenden HCCD-Bereich 3 und eine
Vielzahl von n-leitenden VCCD-Bereichen 2, an die jeweils eine
Serie von n-leitenden Fotodiodenbereichen 1 einzeln gekoppelt ist. Jede
der n-leitenden Fotodiodenbereiche 1 ist mit dem n-leitenden VCCD-
Bereich 2 so gekoppelt, daß eine davon abgegebene Bildsignal
ladung in einer einzigen Richtung zu dem n-leitenden
VCCD-Bereich 2 übertragen wird. Außerdem sind die n-leitenden
VCCD-Bereiche 2 mit dem n-leitenden HCCD-Bereich 3 derart
gekoppelt, daß die von den Fotodiodenbereichen 1 übertragenen
Signalladungen zum n-leitenden HCCD-Bereich 3 gleichzeitig
aufgrund von vorbestimmten Taktsignalen übertragen werden. An
den Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 ist ein
Abtastverstärker 4 gekoppelt, der die Signalladungen
abtastet und
verstärkt.
Aus der US-PS 4 951 104 ist bekannt, daß auf einem n-
leitenden Substrat eine p-leitende Schicht geformt ist, in
der ein n-leitender Fotodiodenbereich in einem gewünschten Abstand von
dem n-leitenden VCCD-Bereich gebildet ist. Auf der Oberseite
befinden sich über dem n-leitenden VCCD-Bereich
Gateelektroden. Eine p-leitende Zwischenschicht ist unter dem
n-leitenden VCCD-Bereich, ihn umgebend, gebildet.
Wenn viel Licht auf die Fotodiode
fällt, so daß die Signalladung auf der
Fotodiode zu groß wird, gehen die Überschußsignalladungen e-
über die p-leitende Schicht zum n-leitenden Substrat. Dadurch
wird verhindert, daß Überschußsignalladungen in den VCCD-
Bereich gelangen.
Dies wird bei herkömmlichen CCD-Bildwandler mitunter dadurch
unterstützt, daß der Bereich der p-leitenden Schicht unterhalb
des n-leitenden Fotodiodensbereichs dünner ist als die übrigen Bereiche; vgl. US-PS 4 947 224.
Bevor Überschußsignalladungen also in den VCCD-Bereich
ungewollt überlaufen (überstrahlen), werden sie über die p
leitende Schicht zum n-leitenden Substrat abgeleitet.
Die konventionellen CCD-Bildwandler weisen jedoch u. a. die
folgenden Nachteile auf:
Die p-leitende Zwischenschicht unter dem n-leitenden VCCD-
Bereich hat zwar die unterstützende Wirkung, daß ein
Überstrahlen in gewissem Umfang verhindert wird, doch die
Überschußsignalladungen gelangen nicht vollständig zum n-
leitenden Substrat sondern auch
zu dem n-leitenden VCCD-Bereich einer anderen Zelle.
Dadurch resultiert ein Überstrahlen.
Die p-leitende Schicht ist bei herkömmlichen CCD-Bildwandlern
in dem Teil zwischen dem n-leitenden Fotodiodenbereich und dem n-
leitenden Substrat zur besseren Übertragung der Überschußladungen
e- dünner als in den übrigen Bereichen. Dadurch wird
Infrarot-Strahlung nicht
vollständig in der Fotodiode absorbiert, sondern gelangt
teilweise in das n-leitende Substrat.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines CCD-
Bildwandlers mit verbessertem Aufbau des CCD-Bereichs, der
ein ungewolltes Überlaufen
von Überschußsignalladungen in den CCD-
Bereich vollständig verhindern kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für den eingangs genannten
CCD-Bildwandler
durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend
anhand der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen
zeigen in:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines
CCD-Bildwandlers mit Übertragung
zwischen den Zeilen;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen CCD-Bildwandler entlang der Linie
a-a′ von Fig. 1.
Fig. 3 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie d-d′
von Fig. 2;
Fig. 4 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′
von Fig. 2;
und
und
Fig. 5 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′
von Fig. 2 bei angelegter Blendenspannung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird zuerst der Aufbau des CCD-
Bildwandlers beschrieben.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch den CCD-Bildwandler. Dabei ist
auf einem n-leitenden Substrat 13 eine p-leitende Schicht 14
gebildet, in der ein n-leitender photoempfindlicher Bereich
15 (Fotodiode) und ein n-leitender Kanal 16 (VCCD-
Bereich) gebildet sind, die voneinander einen gewünschten
Abstand haben. Auf der Oberseite ist zwischen der
Fotodiode 15 und dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 eine
Transfergateelektrode 17, und auf dem n-leitenden VCCD-Bereich
16 eine Gateelektrode 18 gebildet. Eine p-leitende
Zwischenschicht 19 ist unter dem n-leitenden VCCD-Bereich 16,
diesen umgebend, gebildet. Außerdem ist unter der p-leitenden
Zwischenschicht 19 sie umgebend eine n-leitende Trennschicht
20 gebildet.
Die p-leitende Zwischenschicht 19 soll Störungen wie etwa ein
Überstrahlen verhindern, das auftritt, wenn
überschüssige elektronische Signalladungen (Verschmierung der
Bildsignalladungen) zu dem n-leitenden VCCD-Bereich 16
übertragen werden. Auch absorbiert die n-leitende Trennschicht
20 diejenigen Überschußsignalladungen, deren Übertragung zum
n-leitenden VCCD-Bereich 16 die p-leitende Zwischenschicht 19
nicht verhindern kann, und verhindert dadurch eine Übertragung
der Überschußsignalladungen zum n-leitenden VCCD-Bereich 16.
Ferner ist auf der Oberfläche der Fotodiode 15
eine dünne p⁺-leitende Schicht 21
gebildet.
Bevorzugt bestehen die Transfergateelektrode 17
und die Gateelektrode 18 aus Polysilicium.
Isolationsschichten (nicht gezeigt) sind zwischen der
Transfergateelektrode 17, der Gateelektrode 18 und der
Oberfläche der p-leitenden Schicht 14 gebildet.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3-5 wird nachstehend der Betrieb
des CCD-Bildwandlers mit dem oben beschriebenen Aufbau
erläutert.
Fig. 3 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie d-d′
von Fig. 2, das eine vertikale Potentialverteilung unter der
Bedingung zeigt, daß die Ladungen e- in dem n-leitenden VCCD-
Bereich 16 enthalten sind. Die Bildsignalladungen e- werden
von den Fotodioden 15 zum n-leitenden VCCD-Bereich
16 verschoben, wenn an die Transfergateelektrode 17 eine hohe
Spannung angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt verhindert die
zwischen dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 und der p-leitenden
Schicht 14 gebildete p⁺-leitende Zwischenschicht 19, daß die
p-leitende Schicht vollständig verarmt, was in der höheren
Potentialschwelle resultiert. Infolgedessen werden die aus
einem Überstrahlen (Verschmierung) resultierenden
unerwünschten Ladungen nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich 16
verschoben, sondern von der n-leitenden Trennschicht 20
eingefangen.
Wie Fig. 2 zeigt, wird an das Substrat typischerweise eine
Blendenspannung Vst angelegt, aber gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung kann sie auch an die n-
leitende Trennschicht 20 angelegt werden. Dabei wird der
Zeitraum, in dem die Blendenspannung angelegt wird, in einem
Bereich zwischen 1/60 und 1/2000 s bestimmt und typischerweise
verkürzt, um die Erzeugung der Überschußsignalladungen e-
durch den Einfall von zu viel Licht zu verhindern.
Fig. 4 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′
von Fig. 2, das den Zustand zeigt, daß die p-leitende Schicht
14 aufgrund von physikalischen Eigenschaften des pn-Übergangs
beim Anlegen einer hohen Spannung an das n-leitende Substrat
13 vollständig verarmt ist, was in der niedrigeren
Potentialschwelle resultiert.
Wenn viel Licht auf die Fotodiode 15
fällt, so daß die Signalladungen von der
Fotodiode 15 zu groß sind, gehen die Überschußsignalladungen
e⁻ über die untere p-leitende Schicht 14 zur n-leitenden
Trennschicht 20. Da die n-leitende Trennschicht 20 somit den
Überlauf verhindert, ist der Teil der
p-leitenden Schicht 14 zwischen dem leitenden Fotodiodenbereich 15
und dem n-leitenden Substrat 13 hinsichtlich seiner
Konzentration und Tiefe nicht eingeschränkt. Außerdem kann ein
ebenes n-leitendes Substrat 13 verwendet werden.
Fig. 5 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′
von Fig. 2 bei angelegter Blendenspannung. Wie das Diagramm
zeigt, ist beim Anlegen der Blendenspannung an die n-leitende
Trennschicht 20 die Potentialschwelle der p-leitenden Schicht
14 nicht mehr vorhanden, so daß alle Signalladungen
vollständig entfernt werden. Daher
kann der fotoelektrische Wirkungsgrad im Infrarot-
Wellenlängenbereich, in dem die Lichtenergie gering ist,
gesteigert werden. Außerdem kann die Konzentration der p-
leitenden Schicht 14 so geändert werden, daß sie an die
Vermeidung des Überlaufabzugs angepaßt wird, und zwar
unabhängig vom fotoelektrischen Wirkungsgrad im
Infrarotbereich.
Wie vorstehend beschrieben, bietet der CCD-Bildwandler gemäß
der Erfindung folgende Vorteile:
Erstens kann die n-leitende Trennschicht 20 die aus einer
Verschmierung resultierenden Überschußladungen absorbieren, so
daß die Überschußladungen von der p-leitenden Schicht 14 nicht
zu einem anderen n-leitenden VCCD-Bereich 16 übertragen
werden; infolgedessen wird das Auftreten von Störungen
verhindert.
Zweitens brauchen Konzentration und Tiefe der p-leitenden
Schicht nicht zum Zweck der Erhöhung des fotoelektrischen
Wirkungsgrads im Infrarotbereich eingeschränkt zu werden, was
in einer größeren Konstruktionsfreiheit für den Bildwandler
resultiert.
Drittens steigert das Anlegen der Blendenspannung an die
n-leitende Trennschicht 20 den photoelektrischen Wirkungsgrad
des CCD-Bildwandlers im Infrarotbereich.
Claims (3)
1. CCD-Bildwandler, bei dem auf einem n-leitenden Substrat
(13) eine p-leitende Schicht (14) liegt, in der voneinander
getrennte, n-leitende photoempfindliche Bereiche (15) und n-
leitende CCD-Kanäle (16) ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder CCD-Kanal (16) durch eine Doppelschicht von der p-
leitenden Schicht (14) getrennt ist,
daß die Doppelschicht aus einer Aufeinanderfolge einer p-
leitenden Zwischenschicht (19) und einer n-leitenden
Trennschicht (20) besteht und
daß die Trennschicht (20) einen Anschluß für eine
Spannungsquelle aufweist.
2. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die p-leitende Zwischenschicht (19) eine höhere
Störstellenkonzentration als die p-leitende Schicht (14)
aufweist.
3. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die n-leitende Trennschicht (20) eine niedrigere
Störstellenkonzentration als der n-leitende CCD-Kanal (16)
und als der n-leitende photoempfindliche Bereich (15), aber
eine höhere Störstellenkonzentration als das n-leitende
Substrat (13) aufweist.
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