DE19519743A1

DE19519743A1 - Photodetektor mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden

Info

Publication number: DE19519743A1
Application number: DE19519743A
Authority: DE
Inventors: William D Washkurak; Savvas G Chamberlain
Original assignee: Dalsa Inc
Current assignee: Dalsa Inc
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1995-12-07
Also published as: US5602407A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Photodetektoren und insbesondere auf einen CCD-Photodetektor mit weitem dynamischem Bereich mit hoher Lichtempfindlichkeit und hoher Geschwindigkeit bei geringen Lichtmengen.

Photodetektoren sind in der Verbraucher- und Industrieelektronik zum Nachweis von Licht und als Reaktion darauf zum Erzeugen eines dazu proportionalen Signals bekannt. Zum Beispiel wurden Photo detektoren unter Bildung linearer und flächiger Verbände, die in der Videotechnik nützlich sind, mit CCD-Bildsensoren integriert. Lineare CCD-Bildsensoren, die über einen weiten dynamischen Bereich von Lichtintensitäten eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Lichtempfindlichkeit erreichen, eignen sich für Anwendungen wie Laserstrahlprofilbestimmung, akusto-optische Signalverarbeitung und Schweißen. Der dynamische Bereich ist definiert als das Verhältnis von maximaler zu minimaler nachweisbarer Lichtintensität. Das Verhältnis wird entweder als Zahl der Größenordnungen oder in dB Leistung angegeben. Photodetektoren mit weitem dynamischem Bereich (WDR) sind solche, die einen dynamischen Bereich von mehr als 30 dB (3 Größenordnungen) erreichen - typischerweise 60 dB (6 Größenord nungen).

Das Grundkonzept der Konstruktion eines Photodetektors mit weitem dynamischem Bereich ist die Verwirklichung einer Kompressions struktur, die unter Bedingungen starker Belichtung wirksam wird (< 30 dB, wobei 0 dB auf die minimale nachweisbare Lichtintensität bezogen wird). Bei einer Belichtung mit geringerer Intensität (0-30 dB) sollte der Detektor in einem Integrationsmodus für maximale Empfindlichkeit arbeiten.

Zu den weiteren Merkmalen, die für solche Photodetektoren wichtig sind, gehören eine Toleranz oder Immunität gegenüber Effekten des Bildnacheilens (image lag), Effizienz bei der Übertragung von Ladungen mit niedrigem Signallevel (weniger als 100 Elektronen) in das Anzeige-Schieberegister sowie ein Erreichen der WDR-Leistung bei kurzen Integrationszeiten (1 bis 200 µs).

Das Grundprinzip bei jeder Technik des weiten dynamischen Bereichs ist das Verwerfen eines bestimmten Anteils der Gesamtzahl der aufgefangenen photogenerierten Elektronen. Die Wirkung ist eine Kompression der Gesamtzahl der photogenerierten Elektronen zu einem kleineren repräsentativen Ladungspaket, das dann in das Anzeige CCD-Schieberegister des Bildsensors übertragen werden kann. Ein weiter dynamischer Bereich wird typischerweise durch Verwendung einer oder einer Kombination von zwei Kompressionstechniken erreicht: der Ausnutzung eines unterschwelligen Stromflusses über eine Sperre (beschrieben in US-Patent Nr. 4,473,836 Chamberlain) und der Signalladungsaufteilung auf der Basis von Sammeltopfbe reichen.

Die Ladungsaufteilungs-Kompressionstechnik beruht auf der Auf teilung der bei hohen Lichtmengen gesammelten photogenerierten Ladung in zwei Komponenten, von denen die kleinere in das Anzeige CCD-Schieberegister übertragen wird. Fig. 1 zeigt ein Potential topfdiagramm eines Aufteilungs-Photodetektors. Eine Belichtung des "Signalladungs"-Potentialtopfs führt aufgrund der Tiefe des "Signalladungs"-Potentialtopfs im Vergleich zu einem benachbarten "Überschußladungs"-Potentialtopf zu einer vollständigen Sammlung der Signalladung bei geringen Intensitäten. Bei höheren Lichtmengen fließen photogenerierte Signalladungseinheiten über und häufen sich im "Überschußladungs"-Potentialtopf, so daß am Ende der Integra tionszeit, wenn das "Aufteilungsgate" auf "aus" geschaltet ist, ein Bruchteil der Gesamtmenge der photogenerierten Signalladungsein heiten zur anschließenden Übertragung in das Anzeige-CCD-Schiebere gister im "Signalladungs"-Potentialtopf bleibt.

Bei diesem Detektortyp hängt die weggekürzte Signalladungsmenge (Kompressionsverhältnis) von den Flächenverhältnissen der beiden Potentialtöpfe ab. Verhältnisse von mehr als 100 : 1 werden aufgrund von konstruktionsbedingten Einschränkungen und der Ladungsdynamik unpraktikabel; die Ladungsdynamik für die Elektronenübertragung durch den "Überschußladungs"-Topf wird unzumutbar lang.

Das US-Patent Nr. 4,473,836 Chamberlain, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird, offenbart ein integriertes Photodetektor element mit weitem dynamischem Bereich für lineare und flächige Bildgebungsverbände mit integrierten Schaltkreisen. Dieses Patent lehrt eine CCD-Bildsensortechnik mit einem Photoelement, das den Nachweis von Eingangsleistungen mit einem dynamischen Bereich von mehr als einer Million erlaubt. Der Photodetektor wird erfolgreich zur Bildung linearer CCD-Bildsensorverbände mit weitem dynamischem Bereich verwendet.

Der genannte Photodetektor wurde anschließend verbessert, wie es in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben ist:

1. B.C. Doody und S.G. Chamberlain, "An improved wide dynamic range silicon photodetector for integration in image sensor arrays", Canadian Journal of Physics, Vol. 65, Nr. 8, S. 919-923, 1987.
2. S.G. Chamberlain, B.C. Doody und W.D. Washkurak, "A high photosensitivity wide dynamic range linear image sensor array", Electronic Imaging, S. 170-175, 28.-31. März 1988.
3. W.D. Washkurak, S.G. Chamberlain und N.D. Prince, "High Speed wide dynamic range linear CCD detector for acousto optic applications", SPIE Symposium and Advances in Optical Information Processing, Orlando, Fla., S. 1-9, 4.-8. April 1988.

Der in den obigen Literaturstellen besprochene CCD-Photodetektor mit weitem dynamischem Bereich ist zwar in der Lage, in kommerziel len linearen CCD-Bildsensorverbänden einen dynamischen Eingangs leistungsbereich von mehr als einer Million nachzuweisen, dennoch leidet die Vorrichtung an mehreren technischen Beschränkungen.

Erstens ist die Lichtempfindlichkeit oder NEP (noise equivalent power; rauschäquivalente Leistung) des oben besprochenen Photode tektors mit weitem dynamischem Bereich wie bei anderen bekannten Photodetektoren eine Funktion seiner eigenen Kapazität.

Zweitens führt die obengenannte Kapazität des Photodetektors auch zu einer geringen Arbeitsgeschwindigkeit in Gegenwart kurzer Lichtpulse.

Drittens zeigt der Photodetektor eine schlechte Lichtempfindlich keitsreaktion in Gegenwart kurzer eintreffender Lichtleistungs pulse.

Schließlich kann das Signal beim Ladungsübertragungsvorgang des Videosignals in ein CCD-Anzeige-Schieberegister des Photodetektors durch eintreffenden Lichteinfall verunreinigt oder verschmiert werden. Weiterhin kann es bei hohen Lichtmengen auch zu Blooming (Überstrahlen) kommen.

Im US-Patent Nr. 5,235,197, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird, zeigt ein Photodetektor bei geringer Lichtintensität einen Nachweis mit hoher Geschwindigkeit und hoher Empfindlichkeit und ist auch zu einem Nachweis mit weitem dynamischem Bereich in der Lage.

In den Fig. 2A bis 2C ist ein Photodetektor 1 gemäß einer im US- Patent Nr. 5,235,197 beschriebenen Ausführungsform dargestellt. Der Photodetektor 1 umfaßt einen lichtempfindlichen Bereich 2, der in Form eines Substrats 3 mit n+-Diffusion in einem p-Halbleiter vorliegt.

Gemäß bekannten Prinzipien der Halbleiterphysik werden im licht empfindlichen Bereich 2 Signalelektronen 4 als Reaktion auf eine Belichtung des lichtempfindlichen Bereichs mit Lichtphotonen einer durch die Energie (hν) des Photons definierten Frequenz erzeugt, wie es im Potentialtopfdiagramm von Fig. 2C gezeigt ist.

Die Signalelektronen 4 werden im Sammeltopf 5 gesammelt, der eine weitere n+-Diffusion in das Substrat vom p-Typ 3 umfaßt.

Schließlich werden die Signalelektronen 4 über ein CCD-Anzeige- Schieberegister, das eine verdeckte Schicht 6 des n-Typs, die einen aktiven Bereich des Schieberegisters bildet, ein Transfergate 7 aus einem Polysilicium auf einem ersten Level sowie ein CCD-Taktgate 8 aus einem Polysilicium auf einem zweiten Level umfaßt, ausgege ben. Das Transfergate 7 und das CCD-Taktgate 8 werden über Signal pulse TCK bzw. Φ_CCD getaktet.

Gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform befindet sich ein Transfergate 9 zwischen dem lichtempfindlichen Bereich 2 und dem Signalelektronensammeltopf 5, wie unten ausführlicher diskutiert wird. Das Transfergate 9 wird über ein Signal BCK getaktet.

Eine profilierte Vorrichtung 10 mit einem Drainanschluß, der mit einer Vorspannungsquelle VPB und Gate- und Quellenanschlüssen, die über eine Metallisierungsschicht 11 miteinander verbunden sind, verbunden ist und weiterhin mit dem n+-Sammeltopf 5 verbunden ist, wird bereitgestellt.

Die in den Fig. 2A und 2B gezeigte Kombination des n+-Sammel topfs 5 und der profilierten Vorrichtung 10 ist ähnlich der im US-Patent Nr. 4,473,836 beschriebenen Vorrichtung mit weitem dynamischem Bereich, mit der Ausnahme, daß der hier beschriebene Sammeltopf 5 kein lichtempfindlicher Bereich ist.

Stattdessen ist der lichtempfindliche Bereich durch das Trans fergate 9 isoliert. Wie im Potentialtopfdiagramm von Fig. 2C gezeigt, sammeln sich die photogenerierten Elektronen 4 während der Integrations- und der Photoelektronen-Sammelzeit zunächst in dem Potentialtopf des lichtempfindlichen n+-Bereichs 2. Das Signal BCK wird auf einem hohen Niveau gehalten, so daß das Transfergate 9 offen ist (d. h. als geschlossener Schaltkreis verbunden) und die photogenerierten Elektronen 4 frei wandern und in den Sammeltopf 5 diffundieren und sich dort sammeln können. Dies ist im Potential topfdiagramm von Fig. 2C gezeigt. Die Spannung des Sammeltopfs unter Dunkelbedingungen (d. h. der lichtempfindliche Bereich 2 wird nicht belichtet) wird durch unten besprochene Mittel auf V_dn5 eingestellt. Als Ergebnis davon, daß sich die photogenerierten Signalelektronen im Sammeltopf 5 sammeln, nimmt die Spannung des Sammeltopfs im Einklang mit der Menge der gesammelten Ladungsein heiten ab (d. h. sie wird negativer). Die Spannung des Sammeltopfs (V_ph) ändert sich logarithmisch als Funktion der auf den licht empfindlichen Bereich 2 einfallenden Lichtintensität. Die Änderung der Sammeltopfspannung am Sammeltopf 5 (ΔV_ph) ist eine Funktion des Photostroms und ist gegeben durch:

In Gleichung 1 stellt K den Ansprechfaktor des Photodetektors zwischen einfallendem Licht und Spannung dar, I_dc stellt den Verluststrom vom Sammeltopf 5 dar, und I_ph stellt den Photostrom aus dem lichtempfindlichen Bereich 2 dar und ist gegeben durch

In Gleichung 2 ist
q die Elektronenladung in Coulomb,
n die Quantenausbeute,
H die Lichtintensität in Watt pro Quadratzentimeter
λ die Wellenlänge des eintreffenden Lichts in cm,
h die Planck-Konstante,
c die Lichtgeschwindigkeit und
A die Fläche des lichtempfindlichen Diffusionsbereichs 2.

Die Sammeltopfspannung am Sammeltopf 5 unter Dunkelbedingungen (d. h. V_dn5) wird über die profilierte Vorrichtung 10 eingestellt. Man beachte, daß eine zu Dunkelbedingungen äquivalente Bedingung am Sammeltopf vorliegt, wenn das Transfergate 9 ausgeschaltet ist (d. h. als offener Schaltkreis abgetrennt ist). Die Spannung VPB ist eine Gleichstromvorspannung, die extern an die Vorrichtung 10 angelegt wird. Das Potential des lichtempfindlichen Bereichs 2 unter Dunkelbedingungen wird durch das Rückstellgate 12 auf V_dn2 eingestellt, und die gemeinsame Drain-Vorspannung VPR wird an die Draindiffusion 13 angelegt. Sobald dieses Potential eingestellt ist, wird die Steuersignalspannung PR auf Nullpotential gesetzt, wodurch der gemeinsame Drain 13 von dem lichtempfindlichen Bereich 2 isoliert wird. Drain 13, Gate 12, Vorspannung VPR und Signal spannung PR stellen ein Mittel zum Rückstellen des Potentials des lichtempfindlichen Bereichs 2 auf V_dn2 dar.

Im Betrieb wird die Ladung nachgewiesen und aus dem Photodetektor 1 herausgeschoben, indem man zunächst eine Spannung BCK mit niedrigem Logikpegel an das Transfergate 9 und eine Spannung PR mit hohem Logikpegel an das Rückstellgate 12 anlegt, um die Ladungs übertragung zwischen den Bereichen 2 und 5 zu blockieren, während man das Potential des lichtempfindlichen Bereichs 2, wie oben besprochen, auf V_dn2 zurückstellt. Dann fällt die Spannung PR auf Nullpotential, um den Drainbereich 13 vom lichtempfindlichen Bereich 2 zu isolieren. Als Reaktion auf eine Belichtung werden innerhalb des lichtempfindlichen Bereichs 2 Signalelektronen 4 erzeugt. Das BCK-Signal geht auf einen hohen Logikpegel, so daß die Signalelektronen 4 frei wandern und in den Sammeltopf 5 diffundie ren können, der, wie oben besprochen, vorab auf ein Potential V_dn5 (für Dunkelbedingungen) gesetzt ist, wobei V_dn5 positiver ist als das Potential V_dn2 des lichtempfindlichen Bereichs 2.

Dann werden die Signalelektronen 4 an das CCD-Anzeige-Schieberegi ster 6 übertragen, indem man die an die Gates 7 und 8 angelegten Signale TCK bzw. Φ_CCD abwechselnd pulst. Siehe die in Fig. 2A gezeigte Orientierung von 5, 6, 7 und 8. Zur gleichen Zeit, da die Signalelektronen 4 an das CCD-Anzeige-Schieberegister übertragen werden, wird das Transfergate 9 ausgeschaltet (d. h. als offener Schaltkreis abgetrennt), indem man dort ein Signal BCK mit niedrigem Logikpegel anlegt, um den lichtempfindlichen Bereich 2 vom Sammeltopf 5 zu isolieren.

Der Photodetektor von Fig. 2A und 2B ist durch zwei wichtige Vorteile gegenüber früheren Photodetektoren gekennzeichnet.

Erstens können die Abmessungen des Sammeltopfs 5 sehr klein gemacht werden. Dies führt zu einer kleinen Knotenkapazität am Sammeltopf 5. Eine Abnahme der Kapazität führt zu einer signifikanten Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Photodetektors, ohne daß Licht empfindlichkeit geopfert wird. Lichtpulse mit einer Dauer von 90 Nanosekunden oder weniger können gemäß dieser Ausführungsform bei geringen Lichtmengen nachgewiesen werden. Bei herkömmlichen Photodetektoren mit weitem dynamischem Bereich führt jeder Versuch, die Sensorknotenkapazität zu senken, wie oben besprochen auch zu merklichen Abnahmen der Lichtempfindlichkeit.

Zweitens ist das Transfergate 9 gemäß dem Photodetektor von Fig. 2A und 2B während der Ladungsübertragung des Signals in das CCD- Anzeige-Schieberegister 6 ausgeschaltet. Daher ist das Signal, das im Sammeltopf 5 gespeichert wird, vom lichtempfindlichen Bereich 2 isoliert. Dies gewährleistet, daß das eintreffende, auf den lichtempfindlichen Bereich 2 einfallende Licht das abgefragte Videosignal nicht verunreinigt, verschmiert oder überstrahlt.

Am Ende der Integrationszeit, und nachdem die Signalladung in das Anzeige-Schieberegister 6 übertragen wurde, wird der lichtempfind liche Bereich 2 auf das Potential VPR zurückgesetzt, indem man Gate 12 durch Anlegen eines Signals PR mit hohem Logikpegel einschaltet.

Es ist wünschenswert, den Sammeltopf 5 noch kompakter zu machen und die Vorrichtung 10 aus dem Photodetektor zu eliminieren, um kom paktere Photodetektoren herzustellen; jedoch sollten der weite dynamische Bereich, die hohe Geschwindigkeit und die Empfindlich keit bei geringer Lichtmenge nicht geopfert werden.

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen Photodetektor mit weitem dynamischem Bereich mit hoher Empfindlichkeit bei geringen Lichtmengen und hoher Geschwindigkeit (z. B. hoher Ausgangsspan nungsänderungsgeschwindigkeit) bereitzustellen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Photo detektor mit einer linearen Reaktion und einer hohen Nachweis empfindlichkeit in einem unkomprimierten Betriebsbereich geringer Lichtmenge und mit einer linearen Reaktion und einer geringeren Nachweisempfindlichkeit in einem komprimierten Betriebsbereich hoher Lichtmenge bereitzustellen.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, um eine Lichtmengenschwelle einzustellen, die einen Übergang zwischen dem unkomprimierten und dem kompri mierten Betriebsbereich bezeichnet, wobei das Mittel von außerhalb des Photodetektors gesteuert werden kann.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, um ein Kompressionsverhältnis mit weitem dynamischem Bereich einzustellen, wobei das Mittel von außerhalb des Photodetektors gesteuert werden kann.

Diese und weitere Ziele werden in einem CCD-Photodetektor erreicht. Der Photodetektor umfaßt ein Substrat aus einem ersten Halbleiter typ, einen in dem Substrat gebildeten Drain aus einem zweiten Halbleitertyp, einen in dem Substrat gebildeten Sammeltopf aus dem zweiten Halbleitertyp sowie einen zwischen dem Drain und dem Sammeltopf gebildeten Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD- Elektroden. Der Sammeltopf läßt sich in Kooperation mit einem lichtempfindlichen Bereich betreiben. Der Widerstand mit schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden umfaßt einen in dem Substrat definierten Kanalbereich, der ein erstes Ende, das an den Sammel topf angrenzt, und ein zweites Ende, das an den Drain angrenzt, aufweist. Der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden umfaßt außerdem eine erste Elektrode, die über dem ersten Ende von diesem isoliert angebracht ist, und eine zweite Elektrode, die über dem zweiten Ende von diesem isoliert angebracht ist.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand der folgenden bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben.

Fig. 1 ist ein Potentialtopfdiagramm, das die Struktur eines herkömmlichen Aufteilungsphotodetektors zeigt;

Fig. 2A ist ein Strukturentwurf eines integrierten Schaltkreises für einen Kompressionsphotodetektor des Sperrentyps;

Fig. 2B und 2C bilden ein kombiniertes Querschnitts- und Potential topfdiagramm des in Fig. 2A gezeigten Photodetektors des Sperren typs;

Fig. 3 zeigt ein kombiniertes schematisches Diagramm und Potential topfdiagramm eines Photodetektors mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden;

Fig. 4A und 4B bilden ein kombiniertes Querschnitts- und Potential topfdiagramm des in Fig. 3 gezeigten Photodetektors;

Fig. 5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die zeitliche Abfolge der an den Photodetektor mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden abgegebenen Signale zeigt;

Fig. 6 ist ein Strukturentwurfsdiagramm, das den linearen Struktur entwurf des Photodetektors mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden zeigt;

Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm eines äquivalenten Schalt kreises des Photodetektors mit schaltungsgesteuerten CCD-Elek troden;

Fig. 8 und 9 sind Kurven, die simulierte Photodetektorspannungen zeigen, die mit dem Photodetektor mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden erhalten wurden;

Fig. 10 ist ein kombiniertes Blockschemadiagramm, das eine Teststruktur zeigt, die den Photodetektor mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden beinhaltet;

Fig. 11 ist eine graphische Auftragung der gemessenen Reaktion der Ausgabe der Teststruktur als Funktion der relativen Lichtintensität für verschiedene Taktzeiten der schaltungsgesteuerten CCD-Elek troden; und

Fig. 12 ist eine graphische Auftragung der gemessenen Reaktion der Ausgabe der Teststruktur als Funktion der relativen Lichtintensität für verschiedene Sammeltopftiefen.

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Kompressionstechnik auf der Basis schaltungsgesteuerter CCD-Elektroden. Die Kompression beruht auf dem Verwerfen überschüssiger Signalladung durch die schaltungs gesteuerten CCD-Elektroden, die mit einer Taktfrequenz getaktet werden, die vorzugsweise eine Größenordnung größer ist als die Rahmenrate. Die Rahmenrate ist der Kehrwert der Integrationszeit. Diese schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden bilden einen hohen Widerstandswert im Kanalbereich zwischen dem Sammeltopf und dem Drain, und neben anderen Faktoren bestimmt die Taktrate den Wert dieses Widerstands.

Fig. 3 zeigt ein Potentialtopfdiagramm des Photodetektors 100 mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden, wobei der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden schematisch als variabler Widerstand 110 dargestellt ist. Für Signale von geringen Licht mengen werden die Ladungseinheiten nur im Sammeltopf 102 gesammelt, da die Integrationszeit nicht lang genug ist, um genügend Ladungs einheiten zu sammeln, daß der Sammeltopf 102 überläuft. Bei Signa len von großen Lichtmengen zieht der Widerstand 110 mit schaltungs gesteuerten CCD-Elektroden überschüssige Signalladung linear in die Draindiffusion 104 ab. Der Anteil der abgezogenen Signalladung kann über die Schaltfrequenz gesteuert werden, die den Widerstandswert des Widerstands 110 mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden steuert. Bevor die Verwirklichung der schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden besprochen wird, wird der Betrieb der Kompression mit einem Widerstand besprochen.

Sobald die photogenerierte Signalladung 106 den Signalladungs potentialtopf (d. h. Sammeltopf) 102 überfüllt, beginnen Ladungsein heiten durch den Widerstand 110 zu fließen. Nach wenigen RC-Zeit konstanten (Widerstand mal Kapazität des Sammeltopfes) wird ein Spannungsabfall über den Widerstand erreicht, der den photogene rierten Strom aushält. Der Spannungsabfall ist eine Funktion der photogenerierten Stromstärke. Dieser Spannungsabfall bewirkt, daß weitere Signalladung im Sammeltopf zurückgehalten wird, die die Signalladung, welche anschließend in ein Anzeige-CCD-Schieberegi ster übertragen wird, ergänzt. Als Ergebnis wird eine Kompression der Signalladung durch die Verwendung des Widerstands erreicht.

Der Wert des Widerstands bestimmt das Ausmaß der Kompression. Wenn es sich um einen festen Wert handelt, muß der Widerstandswert für eine gegebene Integrationszeit des Photodetektors und das gewünsch te Ausmaß der Kompression optimiert werden. Unter den folgenden Bedingungen:

1. Ein Abfall von 2 Volt über den Widerstand ist erforderlich, wenn die Belichtungsmenge zwei Größenordnungen (20 dB) über der Menge liegt, die den Sammeltopf während einer Integra tionszeit gerade bis zum Sperrpotential auffüllt (30 dB);
2. die Signalladungsmenge, die den Sammeltopf gerade bis zum Sperrpotential auffüllt, beträgt 250 000 Elektronen; und
3. die Integrationszeit beträgt 10 µs;

kann zum Beispiel der erforderliche Widerstand mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet werden:

Wenn eine längere Integrationszeit erforderlich ist, wird die Menge des photogenerierten Stroms entsprechend verkleinert, und für denselben Spannungsabfall ist ein Widerstand mit einem größeren Wert erforderlich. Bei Verwendung von R_F = 5 MΩ und unter Annahme einer typischen Sammeltopfkapazität von ungefähr 50 fF ergibt sich eine Zeitkonstante von 250 ps. Im Vergleich zu der Integrationszeit von 10 µs ist die Bandbreite des Detektors mehr als ausreichend, um einen Betrieb im stationären Zustand über den ganzen Widerstand zu erreichen.

Widerstände können mit Hilfe vieler verschiedener Techniken verwirklicht werden, das Problem ist hier jedoch, einen Widerstand im Bereich von 10 bis 500 MΩ zu verwirklichen. Dies führt zu einer Verwirklichung des Widerstands des schaltungsgesteuerten Kondensa tortyps. Ein Potentialtopfdiagramm und ein Querschnitt des Photo detektors sind in Fig. 4A gezeigt. Der Widerstand 110 mit schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden beinhaltet einen Kanalbereich, der sich zwischen Sammeltopf 102 und Drain 104 befindet, wobei der Kanalbereich aus zwei Endbereichen 112, 116 und einem mittleren Bereich 114 besteht. Der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden wird durch drei aneinandergrenzende Gateelektroden verwirklicht, die mit den Signalspannungen SC1, BIAS und SC2 angesteuert werden, wobei jede Elektrode über dem Kanalbereich von diesem isoliert zwischen Sammeltopf 102 und Drain 104 angebracht ist. Über dem Sammeltopf 102 sind zwei Elektroden angebracht, die durch die Signalspannungen PCK und SCK angesteuert werden. Eine durch die Signalspannung TCK angesteuerte Elektrode wird verwendet, um die Übertragung von Ladungseinheiten vom Sammeltopf 102 in das Anzeige-CCD-Schieberegister 108 zu steuern. Der Drain verwirft den Strom, der durch den Widerstand 110 mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden fließt. Beim Betrieb bei geringen Lichtmengen werden die photogenerierten Ladungseinheiten alle im Sammeltopf 102 gesammelt, wobei die Tiefe des Potentials des Sammeltopfes 102 durch die PCK/SCK-Elektrodenpotentiale definiert ist. Bei hohen Lichtmengen fließen Ladungseinheiten im Sammeltopf 102 in den Kanalbereich zwischen Sammeltopf 102 und Drain 104 über, wofür eine Potentialsperre durch die Spannung definiert ist, die an die durch SC1 angesteuerte und über dem ersten Ende 112 des Widerstands mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden angebrachte Elektrode angelegt ist. SC1 und SC2 werden mit einer Frequenz, die vorzugsweise eine Größenordnung größer ist als die Rahmenrate (d. h. der Kehrwert der Integrationszeit), in nichtüberlappender gegeneinander invertierter Weise getaktet, so daß stets an wenigstens eine Elektrode eine Spannung angelegt ist, die eine nicht passierbare Potentialsperre verursacht. Mit jedem Cyclus der SC-Elektroden wird ein Ladungs paket in Drain 104 verworfen. Die Menge der verworfenen Ladung ist proportional zu der Potentialdifferenz zwischen Sammeltopf 102 mit seiner dann angehäuften Signalladung und einem Potential eines leeren mittleren Bereichs 114 des Kanals, wobei das im mittleren Bereich des Kanals erzeugte Potential durch eine Spannung BIAS definiert ist, die an eine Elektrode angelegt wird, die über dem mittleren Bereich 114 angeordnet ist. Ein Gleichgewicht zwischen photogeneriertem Strom und Strom durch den Widerstand mit schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden wird erreicht, wenn die Sammel topfspannung proportional zum photogenerierten Strom ist. Am Ende der Integrationszeit wird die an die entsprechende Elektrode angelegte Spannung SC1 so gesteuert, daß im Kanal unter der Elektrode eine Potentialsperre bewirkt wird, eine Sperre, durch die kein Ladungsstrom fließen kann, und PCK, SCK sowie TCK fallen nacheinander zusammen (siehe Fig. 4B), so daß die Signalladung von Sammeltopf 102 in das CCD-Anzeige-Schieberegister 108 übertragen wird, wie es im Potentialtopfdiagramm von Fig. 4B gezeigt ist. Fig. 5 zeigt ein Taktzeitdiagramm.

Ein Strukturentwurf der Vorrichtung ist in Fig. 6 gezeigt. Aufgrund der seriellen Natur der Vorrichtung ist der Entwurf einfach. Jede Elektrode braucht nur mit ihren unmittelbaren Nachbarn zu wechsel wirken, wodurch jede komplizierte Netzwerkbildung vermieden wird. Er ist in idealer Weise an Vorgänge des CCD-Typs angepaßt.

Wie zuvor erwähnt, bestimmt die Größe des mit den schaltungsge steuerten CCD-Elektroden verwirklichten Widerstands das Ausmaß der Kompression. Nimmt man zum Beispiel vor dem Beginn der Kompression einen Photodetektor mit einer Integrationszeit von 150 µs und mit einer Sammeltopfkapazität von 150 000 Elektronen an, so beträgt der im komprimierten Zustand erforderliche Widerstandswert, um einen Spannungsabfall von 2 V über den Widerstand für einen Betrieb mit 20 dB (Betrieb mit Faktor 100) zu erreichen, nach dem Ohmschen Gesetz:

Der Ausdruck in eckigen Klammern ist der photogenerierte Strom. Wenn die Sammeltopfkapazität 25 fF ist, ergibt sich eine Zeitkon stante von 3,1 µs oder 2,1% der Integrationszeit. Nach ein paar Zeitkonstanten wird ein Spannungsabfall über den Widerstand erreicht, der den photogenerierten Strom aushält. Im Vergleich zu der Integrationszeit von 150 µs ist die Bandbreite des Detektors mehr als ausreichend, um einen stationären Zustand über den Widerstand zu erreichen.

Widerstände dieser Größe sind ohne eine Art von Schaltungskonden satortechnik schwierig zu verwirklichen; mit Hilfe solcher Techni ken ist bei den erforderlichen Widerstandswerten eine Reduktion der Siliciumfläche um einige Größenordnungen erreichbar. Das vorlie gende Konzept des Widerstands mit schaltungsgesteuerten CCD-Elek troden besitzt benachbarte Gateelektroden ohne die störenden Quelle/Drain-Diffusionsbereiche, die bei herkömmlichen MOS- Transistor-geschalteten Kondensatorwiderständen erforderlich sind. Die vorliegende Erfindung ist einer herkömmlichen Verwirklichung eines schaltungsgesteuerten Kondensators ähnlich, außer daß die störenden Quelle/Drain-Diffusionen beseitigt wurden und die Größe der gesamten Vorrichtung reduziert ist. Die Struktur mit schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden bietet gegenüber der Struktur mit schaltungsgesteuertem Kondensator eine zusätzliche Flächenreduk tion. Die sequentielle Umspeicherung von Ladungspaketen in einem gegebenen Ausmaß führt zu einem Stromfluß, dessen Stärke von der Änderung des BIAS-Kanalpotentials abhängt, welche von außerhalb des Photodetektors gesteuert werden kann. Dieser als Funktion eines Potentials veränderliche Strom kann als Widerstand ausgebildet werden. Die Menge der in den Vorspannungstopf aufgeteilten Ladung Q_BIAS beträgt:

Q_BIAS = C_BIASΔV_WELL (5)

wobei ΔV_WELL die Sammeltopfpotentialdifferenz zwischen Sammeltopf 102 und dem leeren mittleren Bereich 114 (d. h. einem BIAS-Topf) ist und C_BIAS die Kapazität des mittleren Bereichs 114 ist. Die Stromstärke I_RSC ist:

wobei T_SC die Taktzeit der schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden ist. Der resultierende Widerstand R_SC der schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden beträgt:

Im Falle einer Integrationszeit von 150 µs beträgt eine geeignete Taktzeit der schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden (typischerweise weniger als ein Zehntel der Integrationszeit) 2 µs Bei Verwendung eines C_BIAS von 16 fF beträgt R_SC 125 MΩ.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildelements (Pixels) mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden. Die CCD-Gates sind als MOSFETs ausgebildet (M1, M2 und M3). Die Anzeige-CCD ist als Spannungsquelle mit positiver Vorspannung (V_CCD) ausgebildet, da das Anzeige-Schieberegister als "stromableitende" Spannungs quelle wirkt. Der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elek troden ist unter Verwendung von M2, M3 und C_BIAS ausgebildet. Eine Stromquelle (I_PH) modelliert die Wirkung der einfallenden Licht intensität, und C_PEL modelliert die Kapazität des Photosammel topfes. Signalladungseinheiten werden am Ende der Integrationszeit durch die Taktung TCK (M1) aus C_PEL in das CCD-Anzeige-Schiebe register übertragen, das durch V_CCD dargestellt ist, wobei C_PEL auf ein positives Potential gebracht wird. In den Anfangsphasen der Integrationszeit werden Signalelektronen gesammelt, was das C_PEL- Potential und das Quellenpotential von M2 reduziert. Wenn das Po tential auf ein solches Niveau abfällt, daß M2 leitend wird, werden Signalladungseinheiten durch den Widerstand mit schaltungsgesteuer ten CCD-Elektroden an C_PEL vorbeigeleitet. Die schaltungsgesteuer ten CCD-Elektroden takten mit hoher Frequenz abgezogene Ladungs pakete auf C_BIAS, proportional zum C_PEL-Potential, wobei sie einen Widerstand emulieren. Das C_PEL-Potential fällt weiterhin ab, bis ein Gleichgewicht erreicht wird, bei dem der Spannungsabfall über den Widerstand groß genug ist, um den ganzen photogenerierten Strom an C_PEL vorbeizuleiten. Bei geringen Lichtmengen ist die Menge der gesammelten Signalladung zu klein, um zu bewirken, daß M2 leitend wird; alle Signalelektronen werden gesammelt, so daß sich eine maximale Empfindlichkeit ergibt. Bei größeren Lichtmengen, wenn M2 leitend wird, arbeitet die Vorrichtung in einem Kompressions zustand, um den dynamischen Bereich zu erweitern.

Der Kondensator C_PEL modelliert die Kapazität des Photosammeltopfes und wird auf 15 V vorgeladen. Fig. 8 zeigt die Photosammeltopf spannung (V_CPEL) als Funktion der Zeit. Zu Beginn der Simulation wird C_PEL auf 15 V vorgeladen. Die durch I_PH modellierte photogene rierte Signalladung sammelt sich auf C_PEL und reduziert seine Spannung, bis diese klein genug ist, um die Wechselwirkung mit dem Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden zu beginnen. An diesem Punkt pulsiert die C_PEL-Spannung aufgrund der veränder lichen C_PEL-Kapazität, während die Elektroden SC1 und SC2 ab wechselnd auf "an" und "aus" schalten und überschüssige Signalla dung aus dem Sammeltopf zum Drain entfernen. Die durchschnittliche Spannung nimmt langsam ab, bis ein Gleichgewicht erreicht ist, bei dem die Geschwindigkeit der Ladungsentfernung gleich der Geschwin digkeit der Ladungs-Photogeneration ist. Das durch den Wert des Widerstands bestimmte Gleichgewichtspotential ist eine Funktion der Schalttaktzeit und der Größe von C_BIAS.

In Fig. 9 ist derselbe Widerstandswert verwirklicht, außer daß die Hälfte der Schalttaktzeit und die Hälfte der C_BIAS-Kapazität verwendet wird. Der Detektor gelangt zu dem gleichen durchschnitt lichen Gleichgewichtspotential. Die Pulsamplitude, die durch den Unterschied der Kapazität bei SC1 "an" und "aus" bestimmt ist, bleibt ungefähr gleich. Die Amplitude der Spannungssteigung an jedem Extrem des Pulses nimmt jedoch ab. Bei der Hälfte der Schalttaktzeit häuft sich die Hälfte der Ladung an, bevor der Widerstand die Ladung abfließen läßt. Dies erfolgt jedoch doppelt so oft, was zu dem gleichen Nettostromfluß führt.

Bei einem Entwicklungsprototyp wurde ein CCD-Schieberegister mit der peripheren Schaltung als Testvorrichtung 200 angefertigt, um den Photodetektor mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden zu testen. Die Testvorrichtung 200 ist im Blockdiagramm von Fig. 10 zusammen mit dem chipexternen Transimpedanzverstärker 220 gezeigt. Die Vorrichtung 200 beinhaltete einen Verband 210 aus sechzehn Photodetektoren, wobei jeder Photodetektor als Photodetektor 100 konstruiert ist. Die Vorrichtung 200 beinhaltete weiterhin ein CCD- Anzeige-Schieberegister 212 mit seiner assoziierten Eingangsstruk tur 214 und GCI-Ausgangsstruktur 216 (GCI = gated charge integra tor, gategesteuerter Ladungsintegrator). Die Eingangsstruktur 214 erzeugte Ladungspakete zur Eingabe in das CCD-Anzeige-Schieberegi ster als Hilfe zur Charakterisierung der Parameter des Schieberegi sters. Die GCI-Ausgangsstruktur 216 übertrug die von dem CCD-Anzei ge-Schieberegister empfangenen Ladungspakete auf einen Kapazitäts knoten, so daß die Ladungen eine Ausgangsspannung ausdrücken. Die GCI-Ausgangsstruktur 216 war mit dem Ausgangstransistor 218 ge koppelt. Der Ausgangstransistor 218 der Vorrichtung 200 war mit dem externen (d. h. chipexternen) Transimpedanzverstärker 220 gekoppelt.

Die in den Photodetektoren gesammelten Signalladungen wurden am Ende der Integrationszeit parallel in das CCD-Anzeige-Schiebe register 212 übertragen. Die Signalladungen wurden dann seriell aus dem CCD-Anzeige-Schieberegister 212 heraus in die gepufferte Aus gangsstruktur (die die GCI-Ausgangsstruktur 216 und den Ausgangs transistor 218 umfaßte) übertragen. Die Testschaltung, die die GCI- Ausgangsstruktur 216, den Transistor 218 und den Transimpedanzver stärker 220 beinhaltete, hatte eine Gesamtkonversionseffizienz von 0,9 µV/e⁻.

Die CCD-Vorrichtung wurde auf einer 20 µm dicken epitaktischen Schicht des p-Typs (30-50 Ω-cm) auf einem stark datierten Substrat des p-Typs hergestellt. Ein CCD-Verfahren mit verdecktem Kanal des n-Typs aus doppeltem Polysilicium/doppeltem Metall unter Verwendung einer 2-µm-Designregel wurde verwendet. Eine zweite Metallschicht wurde als Lichtabschirmung verwendet. Masken-Borionen-Implantation unter das zweite Polysilicium wurde verwendet, um Zweiphasen-CCDs zu verwirklichen. Alle Kanalbereiche wurden mit einer der Polysili ciumschichten (d. h. entweder poly 1 oder poly 2 in Fig. 6) über einem SiO₂/Si₃N₄-Gate-Dielektrikum gebildet. Herkömmliche Kanal stopper des LOCOS-Typs (ein bekannter Verfahrensschritt, bei dem SiO₂ selektiv auf Halbleiterbereichen gezüchtet wird, die nicht durch Si₃N₄ bedeckt sind) wurde verwendet, um benachbarte Photode tektoren voneinander zu isolieren.

Fig. 11 zeigt die gemessene Reaktion des in Fig. 4A gezeigten Photodetektors, der mit einer 760-nm-Laserdiode mit einer Integra tionszeit von 150 µs belichtet wurde, in linear-logarithmischer Auftragung. Das Ausgangssignal auf der Kurve bezieht sich auf die Ausgangsspannung am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 220. Man beachte, daß dieses Spannungssignal kleiner ist als die Spannungs signale an der Stelle der Photodetektoren. Zwei Betriebsbereiche werden beobachtet: ein Bereich bei geringeren Lichtmengen und der andere Bereich bei größeren Lichtmengen. Der untere 30-dB-Bereich ist der Bereich der linearen Reaktion, in dem sich nur die Elek troden PCK und SCK füllen und es keine Wechselwirkung mit dem Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden gibt. Im oberen 30-dB-Arbeitsbereich ist die Reaktion des Photodetektors eine Funktion der Taktzeit der schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden. Eine kleinere Zeit führt zu einem kleineren Widerstand und damit zu einer stärkeren Signalkompression. Die oberste Kurve zeigt die Reaktion ohne Kompression durch schaltungsgesteuerte CCD-Elek troden. Aufgrund der Eigenschaft der vollständigen Ladungsüber tragung der in diesem Photodetektor verwendeten CCD-Elektroden konnte kein image lag (Bildnacheilen) gemessen werden.

Die Lichtintensität am Übergang zwischen den beiden Arbeitsberei chen ist bei verschiedenen Taktzeiten der schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden dieselbe. Der Grund dafür ist, daß die Tiefe des PCK-Potentialtopfs bei den verschiedenen Taktzeiten der schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden dieselbe ist. Fig. 12 zeigt die Wirkung des Variierens der Tiefe der Sammeltopfelektrode an der Grenze zwischen den beiden Arbeitsmodi. Durch Verändern der Schaltungsfrequenz der CCD-Elektroden und des Potentials der Sammeltopfelektrode kann die Reaktion des Detektors für ver schiedene Anwendungen maßgeschneidert werden, wobei Steuervor richtungen verwendet werden, die außerhalb des Photodetektor elements liegen.

Der Photodetektor erreicht einen dynamischen Bereich von 60 dB ohne image lag. Bei geringen Lichtmengen werden alle Signalladungsein heiten gesammelt, um die Empfindlichkeit zu maximieren. Bei großen Lichtmengen wird ein Teil der gesammelten photogenerierten Signal ladungseinheiten durch einen Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden verworfen. Die Kompressionsreaktion des Detektors ist eine Funktion von anwendergesteuerten Taktfrequenzen, wobei Steuervorrichtungen verwendet werden, die außerhalb des Photodetek torelements liegen. Die Lichtmenge, bei der die Kompression der Signalladung einsetzt, ist eine Funktion von Taktniveaus, die der Anwender definiert. Infolgedessen kann dieser Photodetektor hergestellt und dann nach der Herstellung je nach den erforderli chen Merkmalen an viele verschiedene Anwendungstypen angepaßt werden, indem man die Taktfrequenz des Widerstands mit schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden einstellt und die Sammeltopf spannung einstellt.

Claims

1. CCD-Photodetektor, umfassend:
ein Substrat aus einem ersten Halbleitertyp;
einen in dem Substrat gebildeten Drain aus einem zweiten Halbleitertyp;
einen in dem Substrat gebildeten Sammeltopf aus dem zweiten Halbleitertyp, wobei sich der Sammeltopf in Kooperation mit einem lichtempfindlichen Bereich betreiben läßt; und
einen Widerstand mit steuerbarem Widerstandswert, der zwischen dem Sammeltopf und dem Drain mit diesen verbunden ist.

2. Photodetektor gemäß Anspruch 1, wobei der Widerstand mit steuerbarem Widerstandswert ein Widerstand mit schaltungs gesteuerten CCD-Elektroden ist.

3. Photodetektor gemäß Anspruch 2, wobei der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden folgendes umfaßt:
einen in dem Substrat definierten Kanalbereich, wobei der Kanalbereich ein erstes Ende, das an den Sammeltopf angrenzt, und ein zweites Ende, das an den Drain angrenzt, aufweist;
eine erste Elektrode, die über dem ersten Ende von diesem isoliert angebracht ist; und
eine zweite Elektrode, die über dem zweiten Ende von diesem isoliert angebracht ist.

4. Photodetektor gemäß Anspruch 3, wobei der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden weiterhin eine Vor spannungselektrode umfaßt, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und über einem mittleren Teil des Kanalbe reichs von diesem isoliert angebracht ist.

5. Photodetektor gemäß Anspruch 4, wobei der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden weiterhin folgendes umfaßt:
eine Spannungsquelle, die mit dem Drain verbunden ist, um daran eine Drainspannung anzulegen, wobei die Spannungsquelle weiterhin mit dem Substrat verbunden ist, um daran eine Substratspannung anzulegen; und
eine Vorspannungsquelle, die mit der Vorspannungselektrode verbunden ist, um daran eine Vorspannung anzulegen, wobei die Vorspannung eine Spannung zwischen der Drainspannung und der Substratspannung ist.

6. Photodetektor gemäß Anspruch 3, wobei der Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden weiterhin einen Taktgeber umfaßt, der mit der ersten Elektrode verbunden ist, um daran eine erste Spannung anzulegen, wobei der Taktgeber weiterhin mit der zweiten Elektrode verbunden ist, um daran eine zweite Spannung anzulegen.

7. Photodetektor gemäß Anspruch 6, wobei der Taktgeber ein Steuerelement umfaßt, um die erste und die zweite Spannung so zu steuern, daß:
während einer ersten Zeit die erste Spannung auf einen ersten Wert gesetzt wird und die zweite Spannung auf einen zweiten Wert gesetzt wird, so daß überschüssige Ladung vom Sammeltopf zum mittleren Bereich des Kanalbereichs übertragen wird,
während die Ladungsübertragung vom mittleren Bereich des Kanalbereichs zum Drain blockiert wird, und
während einer zweiten Zeit die zweite Spannung auf den ersten Wert gesetzt wird und die erste Spannung auf den zweiten Wert gesetzt wird, so daß Ladung vom mittleren Bereich des Kanal bereichs zum Drain übertragen wird, während die Ladungsüber tragung vom Sammeltopf zum mittleren Bereich des Kanalbereichs blockiert wird.

8. Photodetektor gemäß Anspruch 7, wobei das Steuerelement die erste und die zweite Spannung so steuert, daß die erste und die zweite Zeit definiert werden und daß Cyclen der ersten und der zweiten Zeit mit vorbestimmter Cyclusfrequenz wiederholt werden, wobei die Cyclusfrequenz den Widerstandswert des Wi derstands mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden definiert.

9. Photodetektor gemäß Anspruch 1, der weiterhin einen Taktgeber umfaßt, der durch eine Taktfrequenz gekennzeichnet ist, wobei die Taktfrequenz den Widerstandswert des Widerstands mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden definiert.

10. Photodetektor gemäß Anspruch 1, wobei:
der lichtempfindliche Bereich als Reaktion auf ein Licht, das den lichtempfindlichen Bereich beleuchtet, Ladungseinheiten erzeugt, wobei das Ausmaß der Erzeugung von Ladungseinheiten proportional zu der Lichtintensität ist,
die Ladungseinheiten sich während einer Sammelzeit im Sammeltopf anhäufen, wobei der Sammeltopf durch eine Sammel topfspannung gekennzeichnet ist, die durch die Menge der im Sammeltopf angehäuften Ladungseinheiten definiert ist, und wenn die Sammeltopfspannung eine Schwellenspannung unter schreitet, der Widerstand mit gesteuertem Widerstandswert während der Sammelzeit mit einer Entfernungsgeschwindigkeit, die proportional zu dem Unterschied zwischen der Sammeltopf spannung und der an den Drain angelegten Spannung ist, Ladungseinheiten aus dem Sammeltopf entfernt.

11. Photodetektor gemäß Anspruch 10, wobei die Geschwindigkeit der Erzeugung von Ladungseinheiten am Ende der Sammelzeit gleich der Entfernungsgeschwindigkeit ist.

12. Photodetektor gemäß Anspruch 10, wobei:
eine Schwellenintensität als Intensität des Lichtes definiert ist, die benötigt wird, um während der Sammelzeit im Sammel topf ausreichend Ladungseinheiten zu erzeugen, so daß die Schwellenspannung am Ende der Sammelzeit gleich der Sammel topfspannung ist, wobei die Schwellenintensität einen ersten Arbeitsbereich des Photodetektors definiert, in dem die Licht intensität geringer ist als die Schwellenintensität, und einen zweiten Arbeitsbereich des Photodetektors definiert, in dem die Lichtintensität größer ist als die Schwellenintensität;
eine Empfindlichkeit des Photodetektors als Verhältnis einer kleinen Erhöhung der Sammeltopfspannung am Ende der Sammelzeit zu einer entsprechenden kleinen Erhöhung der während der Sammelzeit auf den lichtempfindlichen Bereich fallenden Lichtintensität definiert ist;
der Photodetektor durch eine erste Photodetektorempfindlich keit gekennzeichnet ist, wenn der Photodetektor im ersten Arbeitsbereich des Photodetektors arbeitet, und der Photodetektor durch eine zweite Photodetektorempfindlich keit gekennzeichnet ist, wenn der Photodetektor im zweiten Arbeitsbereich des Photodetektors arbeitet, wobei die erste Photodetektorempfindlichkeit größer ist als die zweite Photodetektorempfindlichkeit.

13. Photodetektor gemäß Anspruch 10, wobei:
der Widerstand mit steuerbarem Widerstandswert ein Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden ist und
der Photodetektor weiterhin einen Taktgeber umfaßt, um den Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden zu steuern, wobei der Taktgeber durch eine Taktzeit gekenn zeichnet ist, wobei die Taktzeit kleiner ist als ein Zehntel der Sammelzeit.

14. Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden in einem CCD-Photodetektor, der in einem Substrat aus einem ersten Halbleitertyp gebildet ist und einen Drain aus einem zweiten Halbleitertyp aufweist und einen Sammeltopf aus dem zweiten Halbleitertyp aufweist, wobei sich der Sammeltopf in Koopera tion mit einem lichtempfindlichen Bereich betreiben läßt, umfassend:
einen in dem Substrat definierten Kanalbereich, wobei der Kanalbereich ein erstes Ende, das an den Sammeltopf angrenzt, und ein zweites Ende, das an den Drain angrenzt, aufweist;
eine erste Elektrode, die über dem ersten Ende von diesem isoliert angebracht ist; und
eine zweite Elektrode, die über dem zweiten Ende von diesem isoliert angebracht ist.

15. Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden gemäß Anspruch 14, der weiterhin eine Vorspannungselektrode umfaßt, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und über einem mittleren Teil des Kanalbereichs von diesem isoliert angebracht ist.

16. Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden gemäß Anspruch 15, der weiterhin folgendes umfaßt:
eine Spannungsquelle, die mit dem Drain verbunden ist, um daran eine Drainspannung anzulegen, wobei die Spannungsquelle weiterhin mit dem Substrat verbunden ist, um daran eine Substratspannung anzulegen; und
eine Vorspannungsquelle, die mit der Vorspannungselektrode verbunden ist, um daran eine Vorspannung anzulegen, wobei die Vorspannung eine Spannung zwischen der Drainspannung und der Substratspannung ist.

17. Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden gemäß Anspruch 14, der weiterhin einen Taktgeber umfaßt, der mit der ersten Elektrode verbunden ist, um daran eine erste Spannung anzulegen, wobei der Taktgeber weiterhin mit der zweiten Elektrode verbunden ist, um daran eine zweite Spannung anzulegen.

18. Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden gemäß Anspruch 17, wobei der Taktgeber ein Steuerelement umfaßt, um die erste und die zweite Spannung so zu steuern, daß:
während einer ersten Zeit die erste Spannung auf einen ersten Wert gesetzt wird und die zweite Spannung auf einen zweiten Wert gesetzt wird, so daß überschüssige Ladung vom Sammeltopf zum mittleren Teil des Kanalbereichs übertragen wird, während die Ladungsübertragung vom mittleren Teil des Kanalbereichs zum Drain blockiert wird, und
während einer zweiten Zeit die zweite Spannung auf den ersten Wert gesetzt wird und die erste Spannung auf den zweiten Wert gesetzt wird, so daß Ladung vom mittleren Teil des Kanal bereichs zum Drain übertragen wird, während die Ladungsüber tragung vom Sammeltopf zum mittleren Teil des Kanalbereichs blockiert wird.

19. Widerstand mit schaltungsgesteuerten CCD-Elektroden gemäß Anspruch 18, wobei das Steuerelement die erste und die zweite Spannung so steuert, daß die erste und die zweite Zeit definiert werden und daß Cyclen der ersten und der zweiten Zeit mit einer Cyclusfrequenz wiederholt werden, wobei die Cyclusfrequenz den Widerstandswert des Widerstands mit schal tungsgesteuerten CCD-Elektroden definiert.

20. Verfahren zur Erzeugung eines Werts eines komprimierten dynamischen Bereichs, der der Lichtintensität entspricht, bei einem CCD-Photodetektor zur Messung einer Lichtintensität, wobei der Photodetektor einen Drain aufweist und einen Sammeltopf aufweist, wobei sich der Sammeltopf in Kooperation mit einem lichtempfindlichen Bereich betreiben läßt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Photogenerieren von Ladungseinheiten mit einer durch die Lichtintensität definierten Geschwindigkeit;
Anhäufen der photogenerierten Ladungseinheiten im Sammeltopf, wobei die Menge der im Sammeltopf angehäuften Ladungseinheiten eine Sammeltopfspannung definiert; und
Verwerfen eines Überschusses der angehäuften Ladungseinheiten mit einer Entfernungsgeschwindigkeit, wenn die Sammeltopf spannung eine Schwellenspannung überschreitet.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt des Verwerfens das Steuern eines Widerstandswerts eines Widerstands mit steuerbarem Widerstandswert, der zwischen dem Drain und dem Sammeltopf mit diesen verbunden ist, gemäß einer Taktfrequenz eines Taktgebers umfaßt.

22. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei im Schritt des Verwerfens die Entfernungsgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß sie proportional zum Unterschied zwischen der Sammeltopfspannung und einer an den Drain angelegten Spannung ist.

23. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei im Schritt des Anhäufens Ladungseinheiten während einer Sammelzeit angehäuft werden, wobei die Geschwindigkeit des Photogenerierens von Ladungsein heiten am Ende der Sammelzeit im wesentlichen gleich der Entfernungsgeschwindigkeit ist.

24. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt des Verwerfens folgendes umfaßt:
Übertragen einer Menge der angehäuften Ladungseinheiten während einer ersten Zeit vom Sammeltopf zu einem mittleren Teil eines Kanalbereichs, der sich zwischen dem Sammeltopf und dem Drain befindet, während die Ladungsübertragung vom mittleren Teil des Kanalbereichs zum Drain blockiert wird, und
Übertragen der Menge während einer zweiten Zeit vom mittleren Teil des Kanalbereichs zum Drain, während die Ladungsübertra gung vom Sammeltopf zum mittleren Teil des Kanalbereichs blockiert wird.

25. Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei:
im Schritt des Anhäufens Ladungseinheiten während einer Sammelzeit angehäuft werden und
der Schritt des Verwerfens weiterhin das abwechselnde Wiederholen der Schritte des Übertragens während der ersten und der zweiten Zeit mit einer Cyclusfrequenz, die eine Cyclusperiode definiert, umfaßt, wobei die Cyclusperiode weniger als ein Zehntel der Sammelzeit beträgt.

26. Photodetektor zum Nachweis einer Intensität einfallenden Lichts und zum Erzeugen eines Ausgangssignals an einem Sammeltopf, wobei der Photodetektor eine Entladungsschaltung umfaßt, um das Ausgangssignal zu entladen, wobei die Ent ladungsschaltung nicht betriebsfähig ist, während die Intensität des einfallenden Lichts geringer ist als eine Lichtintensitätsschwelle, und die Entladungsschaltung betriebsfähig ist, während die Intensität des einfallenden Lichts größer ist als die Lichtintensitätsschwelle.

27. Photodetektor gemäß Anspruch 26, wobei das Ausgangssignal proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist, während die Entladungsschaltung nicht betriebsfähig ist.

28. Photodetektor gemäß Anspruch 26, wobei das Ausgangssignal durch eine Signalamplitude gekennzeichnet ist, wobei eine schrittweise Änderung der Signalamplitude als Reaktion auf eine schrittweise Änderung der Intensität des einfallenden Lichts erzeugt wird, während die Entladungsschaltung betriebs fähig ist.

29. Photodetektor gemäß Anspruch 28, wobei der Photodetektor das Ausgangssignal so erzeugt, daß die Signalamplitude proportio nal zur Intensität des einfallenden Lichts ist, während die Entladungsschaltung nicht betriebsfähig ist, wobei ein erster Empfindlichkeitswert durch das Verhältnis der Signalamplitude zur Intensität des einfallenden Lichts definiert ist, während die Entladungsschaltung nicht betriebsfähig ist, und ein zweiter Empfindlichkeitswert durch das Verhältnis der schritt weisen Änderung der Signalamplitude zur schrittweisen Änderung der Intensität des einfallenden Lichts definiert ist, während die Entladungsschaltung betriebsfähig ist, wobei der erste Empfindlichkeitswert größer ist als der zweite Empfindlich keitswert.

30. Verfahren zur Erzeugung eines Nachweissignals bei einem Photodetektor zum Nachweis einer Intensität einfallenden Lichts, umfassend:
Sammeln von Ladung mit einer Sammelgeschwindigkeit, die proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist; und
Verwerfen eines Teils der gesammelten Ladung, während die gesammelte Ladung größer als eine Ladungsschwelle ist.

31. Verfahren gemäß Anspruch 30, wobei die gesammelte Ladung proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, während die gesammelte Ladung kleiner als die Ladungsschwelle ist.

32. Verfahren gemäß Anspruch 30, wobei sich eine schrittweise Änderung der gesammelten Ladung aus einer schrittweisen Änderung der Intensität des einfallenden Lichts ergibt, während die gesammelte Ladung größer als die Ladungsschwelle ist, wobei die schrittweise Änderung der gesammelten Ladung proportional zur schrittweisen Änderung der Intensität des einfallenden Lichts ist.

33. Verfahren gemäß Anspruch 32, wobei die gesammelte Ladung proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, während die gesammelte Ladung kleiner als die Ladungsschwelle ist, wobei ein erster Empfindlichkeitswert durch das Verhältnis der gesammelten Ladung zur Intensität des einfallenden Lichts definiert ist, während die gesammelte Ladung kleiner als die Ladungsschwelle ist, und ein zweiter Empfindlichkeitswert durch das Verhältnis der schrittweise Änderung der gesammelten Ladung zur schrittweisen Änderung der Intensität des ein fallenden Lichts definiert ist, während die gesammelte Ladung größer als die Ladungsschwelle ist, wobei der erste Empfind lichkeitswert größer ist als der zweite Empfindlichkeitswert.