DE2445490A1 - CHARGE LINK IMAGING SYSTEM - Google Patents
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Classifications
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- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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Landscapes
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
DR.-ING. FRIEDRICH B. FISCHER 5(>3R rodhmkikchen (bDR.-ING. FRIEDRICH B. FISCHER 5 ( > 3R rodhmkikchen (b
Fairchild Camera and Instrument F 7487Fairchild Camera and Instrument F7487
Corporation Dr. F/WiCorporation Dr. F / Wi
464 Ellis Street
Mountain View, California 94040464 Ellis Street
Mountain View, California 94040
Ladungskopplungs-AbbildungssystemCharge-coupled imaging system
Die Erfindung bezieht sich auf Abbildungssysteme, und sie
bezieht sich insbesondere auf ein lineares Abbildungssystem nach der Technik der Ladungskopplungsanordnungen, durch das
eine größere Auflösung erreicht wird, als es bisher bei linearen Abbildungsanordnungen dieser Art möglich war.The invention relates to imaging systems, and they
relates in particular to a charge-coupled device technology linear imaging system which provides greater resolution than has previously been possible with linear imaging devices of this type.
Die Grundlagen der Technik der Halbleiter-Ladungskopplungsanordnungen
ist von W.S. Boyle und G.E. Smith in einem Aufsatz beschrieben worden, der unter der Bezeichnung "Charge-Coupled
Semiconductor Devices" im Bell System Technical
Journal, April 1970, Seite 587, veröffentlicht ist.The basics of the technology of semiconductor charge coupling devices has been described by WS Boyle and GE Smith in an article entitled "Charge-Coupled Semiconductor Devices" in Bell System Technical
Journal, April 1970, page 587.
Wie Boyle und Smith ausführen, besteht eine Ladungskopplungsanordnung
(charge-coupled device - nachfolgend auch "CCD"
genannt) aus einer Metall-Isolator-Halbleiterstrtuktur (metalinsulator-semiconductor
- auch als NMISW bezeichnet), inAs Boyle and Smith explain, there is a charge-coupled device - hereinafter also "CCD"
called) from a metal-insulator-semiconductor structure (metalinsulator-semiconductor - also referred to as N MIS W ), in
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welcher Minoritätsträger in einem "räumlich definierten Verarmungsgebiet" (specially defined depletion region), auch als "Potentialtopf11 (potential well) bezeichnet, an der Oberfläche des Halbleitermaterials gespeichert werden. Dieses Ladungspaket wird entlang der Oberfläche bewegt, indem das Potential-Energieminimum bewegt wird. In einem Aufsatz "Experimental Verification of the Charge-Coupled Device Concept", welcher von Amelio u.a, auf Seite 593 der gleichen Ausgabe des Bell System Technical Journal veröffentlicht ist, werden Versuche beschrieben, welche ausgeführt wurden, um die Vorteile und die Ausführbarkeit des Prinzips der Ladungskopplungsanordnungen zu demonstrieren·which minority carriers are stored in a “spatially defined depletion region”, also referred to as “potential well 11 ”, on the surface of the semiconductor material. This charge packet is moved along the surface by moving the potential energy minimum In an article "Experimental Verification of the Charge-Coupled Device Concept", which is published by Amelio et al., On page 593 of the same issue of the Bell System Technical Journal, attempts are described which have been carried out to the advantages and the feasibility of the To demonstrate the principle of charge coupling arrangements
Wie von Boyle und Smith dargelegt wird, werden Ladungskopplungsanordnungen voraussichtlich als Schieberegister, Verzögerungslinien und, in zwei Dimensionen, als Abbildungs- oder Anzeigeeinrichtungen mit Vorteil verwendbar sein.As pointed out by Boyle and Smith, there are charge coupled devices presumably as shift registers, delay lines and, in two dimensions, as imaging or display devices be usable with advantage.
In der USA-Patentanmeldung Serial No. 343,759, welche am 22. März 1973 unter der Bezeichnung "A Buried-Channel, Charge-Coupled Linear Imaging Device" angemeldet wurde, beschreiben Kim und Dyck eine lineare Abbildungsanordnung, welche eine Reihe lichtempfindlicher Elemente und zwei CCD-Transportanordnungen aufweist, und zwar eine auf jeder Seite der Reihe der lichtempfindlichen Elemente. Die Transportanordnungen, welche von lichtundurchlässigem Material bedeckt sind, nehmen Ladungspakete auf, welche als Folge von auftreffender Strahlung in den lichtempfindlichen Elementen gespeichert werden. Die Ladungspakete werden entlang den Transportanordnungen ausgelesen, ohne daß sie durch auftreffendes Licht beeinträchtigt werden.In U.S. patent application serial no. 343,759, which on 22. March 1973 under the name "A Buried-Channel, Charge-Coupled Linear Imaging Device "was filed, describe Kim and Dyck, a linear imaging assembly comprising a series of photosensitive elements and two CCD transport assemblies one on each side of the row of photosensitive elements. The transport arrangements, which are covered by opaque material, take charge packages, which as a result of incident radiation in the photosensitive Elements are saved. The charge packets are read out along the transport arrangements without them be affected by incident light.
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Bei der in der genannten Patentanmeldung von Kim und Dyck "beschriebenen Anordnung erfordert ein einzelnes lichtempfindliches Element in der linearen Abbildungsanordnung N Potentialtöpfe (und die entsprechenden N Elektroden und N Zwischenräume zwischen Elektroden) in der angrenzenden CCD-Transportanordnung. Dabei ist N eine ganze Zahl und gibt die Zahl der Phasen wieder, die bei der Weitergabe der Ladungspakete entlang der CCD-Transportanordnung verwendet werden,, Im Regelfall ist N = 2 (zweiphasige CCD-Transport anordnung) oder N = 3 (dreiphasige Trans-* portanordnung), obwohl N erforderlichenfalls auch andere Werte annehmen kann. Die durch die Reihe lichtempfindlicher Elemente erreichbare Auflösung ist dementsprechend begrenzt.In the case described in the referenced Kim and Dyck patent application " Arrangement requires a single photosensitive element in the linear imaging array N potential wells (and the corresponding N electrodes and N inter-electrode spaces) in the adjacent CCD transport assembly. N is an integer and represents the number of phases that occur when the charge packets are passed on along the CCD transport arrangement be used ,, As a rule, N = 2 (two-phase CCD transport arrangement) or N = 3 (three-phase trans- * port arrangement), although N also has other values if necessary can accept. The resolution achievable by the series of photosensitive elements is accordingly limited.
Eine weitere Verringerung der bei einer Ladungskopplungs-Anordnung erreichbaren Auflösung ergibt sich durch die Anwendung von Ladungssenken und Belichtungsregelung, wie es in der USA-Patentanmeldung Serial No. 362,131 (Amelio) der Anmelderin beschrieben ist, welche am 21. Mai 1973 unter der Bezeichnung "Charge-Coupled Devices with Exposure and Anti-Blooming Control11 eingereicht wurde.A further reduction in the resolution that can be achieved with a charge coupling arrangement results from the use of charge sinks and exposure control, as described in US patent application Ser. 362,131 (Amelio) by the applicant, which was filed on May 21, 1973 under the designation "Charge-Coupled Devices with Exposure and Anti-Blooming Control 11" .
Die Erfindung bezweckt vor allem, die bei linearen und flächenhaften Ladungskopplungs-Abbildungssystemen erreichbare Auflösung zu verbessern und die Bauart zu vereinfachen. Dabei soll die verbesserte Auflösung erreicht werden, ohne daß die Entwurfs- und Konstruktionsgrundsätze geändert werden, nach denen die CCD-Abbildungssysteme gegenwärtig gebaut werden, so daß zur Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen Bauart die bestehende Verfahrens- und Bearbeitungstechnik für Ladungskopplungsanordnungen angewandt werden kann.The invention is aimed primarily at linear and planar To improve the resolution achievable with charge-coupled imaging systems and to simplify the design. The improved Resolution can be achieved without changing the principles of design and construction by which the CCD imaging systems operate are currently being built, so that the existing process and machining technology for charge coupled devices can be used.
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Gemäß der Erfindung ist ein lineares Ladungskopplungs-Abbildungssystem vorgesehen, welches eine Anordnung von lichtempfindlichen Ladungskopplungselementen zur Speicherung von auftreffendem Licht proportionaler Ladung und eine einzelne angrenzende Transportanordnung zum Auslesen der gespeicherten Ladung aufweist. Jeder Potentialtopf in der Transportanordnung entspricht im Verhältnis 1 j 1 einem lichtempfindlichen Element in dem linearen Abbildungssystem.In accordance with the invention is a linear charge coupled device imaging system provided, which is an arrangement of light-sensitive charge coupling elements for the storage of incident Proportional charge light and a single adjacent transport arrangement for reading out the stored charge. Each potential well in the transport arrangement corresponds in the ratio 1 j 1 to a light-sensitive element in the linear one Imaging system.
Durch die Erfindung wird bei einer linearen lichtempfindlichen CCD-Anordnung die erreichbare Auflösung um den Faktor N erhöht. Diese Erhöhung der Auflösung erfordert jedoch eine N-fache Erhöhung der Frequenz des für die Ansteuerung der Transportanordnung verwendeten Signals, ohne daß eine entsprechende Erhöhung der möglichen Schaltgeschwindigkeit der Transportanordnung erreicht wird.As a result of the invention, the achievable resolution is increased by a factor of N in the case of a linear light-sensitive CCD arrangement. However, this increase in resolution requires an N-fold increase in the frequency of the control of the transport arrangement signal used without a corresponding increase in the possible switching speed of the transport arrangement achieved will.
Erfindungsgemäß können zwei Transportanordnungen zum Auslesen der Ladungspakete, welche in einer Anordnung lichtempfindlicher Elemente gespeichert sind» verwendet werden« In diesem Fall ist bei einem zweiphasigen System keine Erhöhung der Frequenz des Signals erforderlich, welches für die Ansteuerung der Transportanordnung verwendet wird.According to the invention, two transport arrangements for reading out the charge packets, which in one arrangement are more light-sensitive Elements stored are "used". In this case, in a two-phase system there is no increase in the frequency of the Signal required, which is used to control the transport arrangement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
Figuren 1a und 1b zeigen schematisch ein© Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer linearen CCD-Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung mit der angrenzenden Transportanordnung« Figures 1a and 1b show schematically a top view and a Sectional view of a linear CCD imaging arrangement according to the invention with the adjoining transport arrangement «
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Figur 2 zeigt schematisch eine lineare Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung mit sechs Fotoelementen.Figure 2 shows schematically a linear imaging arrangement according to the invention with six photo elements.
Figuren 3a bis 3g zeigen Schwingungsformen zur Erklärung der Arbeitsweise der in Figur 2 dargestellten linearen Abbildungsanordnung . Figures 3a to 3g show waveforms to explain the Operation of the linear imaging arrangement shown in FIG.
Figuren 4a und 4b zeigen die Beziehung zwischen Integrationszeiten für die verschiedenen Elemente in der Anordnung gemäß Figur 2.Figures 4a and 4b show the relationship between integration times for the various elements in the array according to Figure 2.
Figur 5 zeigt in Draufsicht den Aufbau einer linearen Abbildungsanordnung mit zwei angrenzenden Transportanordnungen gemäß der Erfindung.FIG. 5 shows a plan view of the structure of a linear imaging arrangement with two adjacent transport arrangements according to the invention.
Figur 1a zeigt schematisch in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Halbleiterplättchen 10 (Figur 1b) enthält ein Halbleitersubstrat bzw. einen Halbleiterkörper 11, auf welchem eine Isolierschicht 13 ausgebildet ist. Wie in der Schnittdarstellung der Figur 1b gezeigt ist, hat der Halbleiterkörper 11 die p-Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeitstypen der verschiedenen noch zu beschreibenden Gebiete im Halbleiterkörper 11 können jedoch auch umgekehrt sein; die nachfolgende Beschreibung der Leitfähigkeitstypen ist daher hinsichtlich der Erfindung nicht einschränkend.FIG. 1a shows a schematic plan view of a first exemplary embodiment of the invention. A semiconductor wafer 10 (Figure 1b) contains a semiconductor substrate or a semiconductor body 11 on which an insulating layer 13 is formed. Like in the As shown in the sectional view of FIG. 1b, the semiconductor body 11 has the p-conductivity. The conductivity types of the various Areas to be described in the semiconductor body 11 can, however, also be reversed; the description below the conductivity type is therefore not restrictive with regard to the invention.
In der oberen Fläche des Halbleiterkörpers 11 befindeb sich ein vergrabener Kanal 11a, wie er in der USA-Patentanmeldung Serial No. 296,507 der Anmelderin, eingereicht am 10. Oktober 1972 unter der Bezeichnung "Buried Channel Charge-Coupled Devices" (Bechtel und Early), beschrieben iste Der vergrabene Kanal 11aIn the upper surface of the semiconductor body 11 there is a buried channel 11a, as described in US patent application Ser. 296.507 of the applicant, filed on October 10, 1972 under the name "Buried Channel Charge-Coupled Devices" (Bechtel and Early), described e The buried channel 11a
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erhöht den Wirkungsgrad, mit dem die Ladung von einem Potentialtopf zuin anderen überführt werden kann. In diesem Zusammenhang wird hinsichtlich weiterer Einzelheiten auf die genannte USA-Patentanmeldung Serial No. 692,507 Bezug genommen. Der vergrabene Kanal 11a kann erforderlichenfalls entfallen.increases the efficiency with which the charge from a potential well can be transferred to others. In this context, reference is made to the aforementioned US patent application for further details Serial No. Ref. 692,507. The buried channel 11a can be omitted if necessary.
Eine Isolierschicht 13 befindet sich über der oberen Fläche des Halbleiterkörpers 11. Vorzugsweise enthält die Isolierschicht 13 ein Oxid des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 11. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht Halbleiterkörper 11 aus Silizium und Isolierschicht 13 aus Siliziumdioxid. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch anderes Halbleitermaterial verwendet werden, welches geeignet ist, eine gespeicherte Ladung aufrechtzuerhalten, wie sie bei Ladungskopplungs-Anordnungen zu speichern ist; in diesem Zusammenhang können auch geeignete andere Isolierschichten 13 verwendet werden.An insulating layer 13 is over the top surface of the Semiconductor body 11. The insulating layer 13 preferably contains an oxide of the semiconductor material of the semiconductor body 11. In a preferred embodiment, the semiconductor body 11 consists of silicon and the insulating layer 13 consists of silicon dioxide. in the However, within the scope of the invention, other semiconductor material can also be used which is suitable for a stored charge maintain as stored in charge coupled devices; in this context other suitable Insulating layers 13 are used.
Die "lichtempfindlichen Elemente" oder "Fotoelemente" enthalten Gebiete 15a, 15b, 15c, 25a, 25b, 25c, 35a, 35b, 35c, 45a ... usw. (Figur 1a) in dem Halbleitermaterial unter Fotogatter 15. Diese Gebiete, welche die Potentialtöpfe enthalten, in denen Ladung gespeichert wlrds sind entweder nahe der Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 unmittelbar unterhalb der Isolierschicht 13 oder etwas entfernt von der oberen Fläche des Hall>leiterkörpers 11 in dem vergrabenen Kanal angeordnet, wie es in der erwähnten USA-Patentanmeldung 296,507 (Bechtel and Early) beschrieben ist.The "photosensitive elements" or "photo elements" contain areas 15a, 15b, 15c, 25a, 25b, 25c, 35a, 35b, 35c, 45a ... etc. (Figure 1a) in the semiconductor material under photo gate 15. These areas, which the potential wells contain in which charge wlrd saved s are either disposed near the surface of the semiconductor body 11 immediately below the insulating layer 13 or slightly away from the upper surface of the Hall> lead body 11 in the buried channel, as in the aforementioned United States Patent application 296.507 (Bechtel and Early).
Jedes der Ladungespeichergebiete bzw. der lichtempfindlichen Elemente 15a, 15"b» 15c9 25a „c® ist von den ihm benachbart angeQrdneten Gebieten durch Sanalsperrgeblete" (channel stopEach of the charge storage areas or the light-sensitive elements 15a, 15 "b» 15c 9 25a "c® is separated from the areas adjacent to it by channel stop
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regions) 16a, I6b, 16c, 26a . ffl. getrennt. Die Kanalsperrgebiete bestehen aus Teilen des Halbleiterkörpers 11, welche an der oberen Fläche angeordnet sind; sie haben die gleiche Leitfähigkeit wie Halbleiterkörper 11,'jedoch sind sie höher dotiert. Diese Kanalsperrgebiete verhindern, daß die in einem gegebenen fotoempfindlichen Element gespeicherte Ladung zu Gebieten des Halbleiterkörpers 11 gelangen kann, welche mit den angrenzenden fotoempfindlichen Elementen zusammenwirken. Die Kanalsperrgebiete haben den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die im Halbleiterkörper 11 vorherrschende Leitfähigkeit, und sie bilden zusammen mit durch Belichtungstor 14 und Überführungstor 16 gebildeten Sperren die Grenzen des für die Sammlung und Speicherung von Ladung bei Jedem der lichtempfindlichen Elemente 15a, 15b, 15c, 25a ... vorgesehenen Teils.regions) 16a, I6b, 16c, 26a. ffl . separated. The channel blocking regions consist of parts of the semiconductor body 11 which are arranged on the upper surface; they have the same conductivity as semiconductor bodies 11, but they are more highly doped. These channel blocking regions prevent the charge stored in a given photosensitive element from reaching regions of the semiconductor body 11 which interact with the adjacent photosensitive elements. The channel blocking regions have the same conductivity type as the conductivity prevailing in the semiconductor body 11, and together with the barriers formed by the exposure gate 14 and transfer gate 16 they form the limits of the charge collection and storage in each of the photosensitive elements 15a, 15b, 15c, 25a. .. provided part.
Das Überführungstor 16 steuert die Weitergabe von Ladung aus einem gegebenen lichtempfindlichen Element in das entsprechende Gebiet der CCD-Anordnung 17. Die CCD-Anordnung 17 besteht aus einer Anzahl Elektroden 17a, 17b, 17c, 27a, 27b, 27c, 37a ·.., welche auf einem auf der Isolierung angeordneten Halbleitermaterial derart ausgebildet sind, wie es beispielsweise in der US-PS 3 728 590 (Kim u.a.), ausgegeben am 17. April 1973, beschrieben ist. Wie aus Figur 1a hervorgeht, sind die Elektroden 17a, a, 37a ... mit Sammelleitung 11^1", die Elektroden 17b, 27b, 37b ... mit Sammelleitung "^2" und die Elektroden 17c, 27c, 37c ... mit Sammelleitung ηφ-*η verbunden. Die in Draufsicht in Figur 1a dargestellte Anordnung soll als dreiphasiges CCD-System arbeiten.The transfer gate 16 controls the transfer of charge from a given photosensitive element into the corresponding area of the CCD array 17. The CCD array 17 consists of a number of electrodes 17a, 17b, 17c, 27a, 27b, 27c, 37a · .., which are formed on a semiconductor material disposed on the insulation as described, for example, in US Pat. No. 3,728,590 (Kim et al.), issued April 17, 1973. As can be seen from Figure 1a, the electrodes 17a, a, 37a ... with collecting line 11 ^ 1 ", the electrodes 17b, 27b, 37b ... with collecting line" ^ 2 "and the electrodes 17c, 27c, 37c .. Connected to the manifold η φ- * η The arrangement shown in plan view in FIG. 1a is intended to work as a three-phase CCD system.
In der oberen Fläche des Halbleiterkörpers 11 (Figur 1b) ist eine Diode 12 (Figur 1a) mit einem pn-übergang 12b (Figur 1b) ausgebildet. Die Diode 12 dient als Ladungssenke für die Belichtungs- und "Blooming"-Steuerung, wie es in der USA-Patentanmel-In the upper surface of the semiconductor body 11 (Figure 1b) is a diode 12 (FIG. 1a) with a pn junction 12b (FIG. 1b) is formed. The diode 12 serves as a charge sink for the exposure and "blooming" control as described in the US patent application
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dung Serial No. 362,131 beschrieben ist. Diese Anmeldung wurde unter der Bezeichnung "Charge-Coupled Device with Exposure and Anti-Blooming Control" am 21. Mai 1973 angemeldet (Amelio). Auf diese für die Anmelderin eingereichte Patentanmeldung wird im Rahmen der Erfindung Bezug genommen.serial no. 362,131. This application was named "Charge-Coupled Device with Exposure and Anti-Blooming Control "filed on May 21, 1973 (Amelio). This patent application filed for the applicant is referred to in Reference is made within the scope of the invention.
Der elektrische Kontakt zur Senkendiode 12 wird hergestellt durch einen Leiter 12a (Figur 1b), welcher über eine Öffnung in der Isolierschicht 13 die obere Fläche der Diode 12 berührt. Die Überführung von Ladung von den Fotoelementen 15a, 15b, 15c, 25a, 25b, 25c, 35a ... zum Gebiet der Senkendiode 12 wird gesteuert durch Steuerung des Potentials am Belichtungstor 14, welches auf der Isolation 13 ausgebildet ist. Das Potential am Tor 14 steuert das Potential in demjenigen Gebiet des Halbleiterkörpers 11, welches sich unmittelbar unterhalb dieses Tores befindet, und es steuert daher die Weitergabe der elektrischen Ladungen, welche in den Potentialtöpfen unterhalb des Fototors 15 gespeichert sind, aus dem Gebiet unter dem Fototor 15 zur Senkendiode 12. Die Wirkungsweise dieser Belichtungssteuerung ist in der genannten USA-Patentanmeldung Serial No. 362,131 (Amelio) beschrieben.The electrical contact to the drain diode 12 is established by a conductor 12a (FIG. 1b), which has an opening in the insulating layer 13 contacts the upper surface of the diode 12. The transfer of charge from the photo elements 15a, 15b, 15c, 25a, 25b, 25c, 35a ... to the area of the drain diode 12 is controlled by controlling the potential at the exposure gate 14, which is formed on the insulation 13. The potential at gate 14 controls the potential in that area of the semiconductor body 11, which is located immediately below this gate, and it therefore controls the transmission of the electrical Charges, which are stored in the potential wells below the photo gate 15, from the area below the photo gate 15 to Sink diode 12. The mode of operation of this exposure control is described in the aforementioned US patent application serial no. 362.131 (Amelio).
Bei den bisherigen dreiphasigen linearen Anordnungen, wie sie beispielsweise in der erwähnten USA-Patentanmeldung 343,759 (Kim und Dyck) dargestellt sind, werden drei Ladungsspeichergebiete der Transportanordnung verwendet, um die in jedem lichtempfindlichen Element der fotoempfindlichen Anordnung gespeicherte Ladung auszulesen. Gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet jedoch nur ein Ladungsspeichergebiet der CCD-Transportanordnung mit jedem lichtempfindlichen Element der lichtempfindlichen Anordnung zusammen. Es können daher dreimal so viele lichtempfindliche Elemente in der lichtempfindlichen Anordnung untergebrachtIn the previous three-phase linear arrangements, such as those in the aforementioned US patent application 343,759 (Kim and Dyck), three charge storage areas of the transport assembly are used to carry the light sensitive in each Element of the photosensitive arrangement to read out stored charge. Works in accordance with the present invention however, only one charge storage area of the CCD transport assembly with each photosensitive element of the photosensitive assembly together. Therefore, three times as many photosensitive elements can be accommodated in the photosensitive assembly
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werden, als es bei Kim und Dyck möglich war, wobei die Auflösung der lichtempfindlichen Anordnung um den Faktor "3" erhöht wird. Diese Erhöhung der Auflösung wird jedoch dadurch erreicht, daß die Auslesefrequenz um den Faktor M3M erhöht wird und nur jeweils einmal die mit jedem dritten lichtempfindlichen Element zusammenwirkenden Ladungspakete ausgelesen werden. So werden beispielsweise in den Elementen 15a, 25a, 35a ··· (Figur 1a) gespeicherte Ladungspakete (Elektronen bei einem η-Kanal) einmal ausgelesen durch Herabsetzen des Potentials an dem Überführungstor und noch weiteres Herabsetzen des Potentials (also Anheben der Spannung) an der Sammelleitung ^1, wobei eine niedrige potentielle Energie in den Gebieten des Halbleitermaterials unterhalb der Elektroden 17a, 27a, 37a ... erzeugt wird. Zugleich werden die potentiellen Energien an den Sammelleitungen "fL" und "fL" hochgehalten, um zu vermeiden, daß die Ladung in den lichtempfindlichen Elementen 15b, 15c, 25b, 25c, 35b, 35c usw. unter die entsprechenden Elektroden in der Transportanordnung überführt wird.than was possible with Kim and Dyck, the resolution of the photosensitive arrangement being increased by a factor of "3". This increase in resolution is achieved, however, in that the read-out frequency is increased by the factor M 3 M and the charge packets interacting with every third light-sensitive element are read out only once. For example, charge packets stored in elements 15a, 25a, 35a (FIG. 1a) (electrons in an η channel) are read out once by lowering the potential at the overpass gate and further lowering the potential (i.e. increasing the voltage) of the bus line ^ 1 , whereby a low potential energy is generated in the areas of the semiconductor material below the electrodes 17a, 27a, 37a ... At the same time, the potential energies at the collecting lines "fL" and "fL" are kept high in order to avoid the charge in the photosensitive elements 15b, 15c, 25b, 25c, 35b, 35c etc. being transferred under the corresponding electrodes in the transport arrangement .
Die Ladungspakete, welche zu den Speichergebieten in Halbleiterkörper 11 unter den Elektroden 17a, 27a, 37a usw. weitergeleitet werden, werden dann durch übliche bekannte Verfahren ausgelesen, jedoch bei einer Frequenz, welche dreimal so hoch wie diejenige Frequenz ist, welche normalerweise verwendet werden würde. Bei Abschluß des Auslesens dieser Ladungspakete werden die in den lichtempfindlichen Elementen 15b, 25b, 35b ... gespeicherten Ladungspakete in der gleichen Weise wie oben beschrieben-unter die Elektroden 17b, 27b, 37b usw. überführt. Diese Ladungspakete werden dann aus der Transportanordnung in der gleichen Weise wie die zuvor überführten Ladungspakete ausgelesen.The charge packets leading to the storage areas in semiconductor bodies 11 are forwarded under the electrodes 17a, 27a, 37a etc., are then read out by conventional known methods, but at a frequency three times that which would normally be used. at The readout of these charge packets is completed by those stored in the light-sensitive elements 15b, 25b, 35b Charge packages in the same way as described above-under the electrodes 17b, 27b, 37b, etc. transferred. These cargo packages are then removed from the transport arrangement in the same way as the previously transferred charge packages are read out.
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Schließlich werden die in den lichtempfindlichen Elementen 13c, 25c, 35c ... gespeicherten Ladungspakete unter die Elektroden 17c, 27c, 37c ... überführt. Diese Ladungspakete werden dann wiederum entlang der Transportanordnung in bekannter Weise weitergeleitet durch Änderung der Potentiale auf den Sammelleitungen "^1", "^2"Finally, the charge packets stored in the light-sensitive elements 13c, 25c, 35c ... are transferred under the electrodes 17c, 27c, 37c ... These charge packets are then in turn forwarded along the transport arrangement in a known manner by changing the potentials on the busbars "^ 1 ", "^ 2 "
Das Tototor 15 besteht vorzugsweise aus transparentem Material, beispielsweise dotiertem polykristallinen Silizium. Die Elektroden 17a, 17b, 17c, 27a ··· usw. sind vorzugsweise mit einem nicht durchscheinenden Material, z.B. Aluminium, bedeckt, um zu vermeiden, daß auf die Anordnung auftreffendes Licht die aus der Anordnung ausgelesenen Ladungspakete nachteilig beeinflußt. Die genannten Elektroden sind gegenüber dem nicht durchscheinenden Material durch eine Isolierung getrennt.The dead motor 15 is preferably made of transparent material, for example doped polycrystalline silicon. The electrodes 17a, 17b, 17c, 27a ··· etc. are preferably covered with a non-translucent material such as aluminum in order to avoid light incident on the arrangement from adversely affecting the charge packets read from the arrangement. The electrodes mentioned are separated from the non-translucent material by insulation.
Figur 2 zeigt schematisch eine mit sechs lichtempfindlichen Elementen ausgestattete lineare Abbildungsanordnung, welche unter Anwendung der Ladungskopplungstechnik gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Im Betrieb wird Fototor 22 auf einem Gleichstrompotential gehalten, welches eine Anordnung von Potentialtöpfen 1-6 entsprechend den lichtempfindlichen Elementen 24a - 24f erzeugt. Die Potentialtöpfe 1-6 sind voneinander getrennt durch Arme 21a - 21 e einer Eanalsperrdiffusion 21. Kanalsperrdiffusionen sind an sich bekannt, und diese Diffusion, welche die Potentialtöpfe teilweise abgrenzt und Leckströme von einem Potentialtopf zum anderen im wesentlichen verhindert, braucht daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden.Figure 2 shows schematically one with six photosensitive elements equipped linear imaging array constructed using the charge coupling technique according to the invention is. In operation, phototor 22 is held at a direct current potential, which is an array of potential wells 1-6 generated corresponding to the photosensitive elements 24a-24f. The potential wells 1-6 are separated from each other through arms 21a-21e of a channel barrier diffusion 21. Channel barrier diffusions are known per se, and this diffusion, which partially delimits the potential wells, and leakage currents from one Potential well on the other hand essentially prevented, therefore does not need to be described in detail.
Wenn Licht auf Fototor 22 fällt, so werden Minoritätsträger aus dem Halbleiterkörper 11 veranlaßt, sich in dem Halbleitermaterial zu sammeln, welches sich unter dem Fototor 22 befindet,When light falls on the phototor 22, minority carriers from the semiconductor body 11 are caused to settle in the semiconductor material to collect, which is located under the phototor 22,
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jedoch diesem gegenüber isoliert ist. Diese Minoritätsträger sammeln sich in einem gegebenen Potentialtopf in einer Menge, welche proportional der Intensität des Lichtes ist, die auf das Gebiet des diesen Potentialtopf überlagernden Fototors 22 auftrifft. but is isolated from this. These minority carriers collect in a given potential well in a quantity which is proportional to the intensity of the light which strikes the area of the photo gate 22 superimposed on this potential well.
Die Sammlung oder "Integration" von Ladung in einem Potentialtopf endet, wenn die in dem Potentialtopf gesammelte Ladung aus diesem in die benachbarte Transportanordnung ausgelesen wird. Wie in Figur 2 dargestellt ist, enthält die Transportanordnung Ladungsspeichergebiete 25a bis 25f, welche in dem Halbleitermaterial ausgebildet sind, das sich unter entsprechenden Elektroden 26a bis 26f befindet, jedoch gegenüber diesen Elektroden isoliert ist.The collection or "integration" of charge in a potential well ends when the charge collected in the potential well is read out from it into the adjacent transport arrangement. As is shown in Figure 2, the transport arrangement contains charge storage regions 25a to 25f, which in the semiconductor material are formed, which is located under corresponding electrodes 26a to 26f, but insulated from these electrodes is.
Die in Figur 2 dargestellte lineare Abbildungsanordnung mit sechs Elementen ist dreiphasig. Die Elektroden 26a und 26d werden durch das Signal fL , die Elektroden 26b und 26e durch das Signal φ2 und die Elektroden 26c und 26f durch das Signal φ·* angesteuert. Die Überführung von Ladung aus den Potentialtöpfen 1 6, welche mit den lichtempfindlichen Elementen 24a - 24f zusammenarbeiten, wird teilweise durch das Potential φ„.auf Überführungstor 23 gesteuert.The six-element linear imaging arrangement shown in FIG. 2 is three-phase. The electrodes 26a and 26d are controlled by the signal fL, the electrodes 26b and 26e by the signal φ 2 and the electrodes 26c and 26f by the signal φ * * . The transfer of charge from the potential wells 16, which work together with the light-sensitive elements 24a - 24f, is controlled in part by the potential φ ".to transfer gate 23.
So werden beispielsweise die in den Potentialtöpfen 6 und 3 gesammelten Ladungspakete zu den Potentialtöpfen 25f bzw. 25c überführt, indem die Spannung auf Überführungstor 23 angehoben (also das Potential gesenkt) wird, wobei gleichzeitig die Spannung ff, auf den Elektroden 26f und 26c angehoben wird (vgl. Figur 3b). Gleichzeitig werden die Spannungen φ~ und φ* auf den Elektroden 26a, 26e und 26f auf niedrigen Werten gehalten (vgl.For example, the charge packets collected in potential wells 6 and 3 are transferred to potential wells 25f and 25c by increasing the voltage on transfer gate 23 (i.e. lowering the potential), while at the same time increasing voltage ff on electrodes 26f and 26c (see FIG. 3b). At the same time, the voltages φ ~ and φ * on the electrodes 26a, 26e and 26f are kept at low values (cf.
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Figuren 3c und 3d). Die Ladungspakete in den lichtempfindlichen Elementen 2, 3» 5 und 6 verbleiben daher unter dem Fototor 22.Figures 3c and 3d). The charge packets in the photosensitive elements 2, 3 »5 and 6 therefore remain under the phototor 22.
Die in den Potentialtöpfen 25c und 25f befindlichen Ladungspakete werden nun aus der Überführungsanordnung zur Ausgangsdiode 27 ausgelesen. Diese Auslesung erfolgt durch Steuerung der Signale φ*, φ2 und ^3* welche an die Elektroden 26a - 26f in der in den Figuren 3b - 3d dargßteilten Art angelegt werden (die genannten Figuren zeigen die Taktfolge einer verbundenen linearen Ladungskopplungs-Anzeigeanordnung mit sechs Elementen).The charge packets located in the potential wells 25c and 25f are now read out from the transfer arrangement to the output diode 27. This reading is carried out by controlling the signals φ *, φ2 and ^ 3 * which are applied to the electrodes 26a-26f in the manner shown in FIGS ).
Figur 3e zeigt, daß das Ladungspaket aus Potentialtopf 6 zuerst an der Ausgangsdiode 27 ankommt. Anschließend erreicht das Ladungepaket aus Potentialtopf 3 die Diode 27·Figure 3e shows that the charge packet from potential well 6 first at the output diode 27 arrives. Then the cargo package arrives from potential well 3 the diode 27
Zum Auslesen der in den Potentialtöpfen 5 und 2 gespeicherten Ladungspakete wird das Signal φ η auf eine hohe Spannung (Figur 3c) angehoben, während die Signale ^und fL auf einer niedrigen Spannung gehalten werden (Figuren 3d und 3b). Gleichzeitig wird das Signal jL auf dem Überführungstor 23 auf eine hohe SpannungTo read out the charge packets stored in the potential wells 5 and 2, the signal φ η is raised to a high voltage (FIG. 3c), while the signals ^ and fL are kept at a low voltage (FIGS. 3d and 3b). At the same time, the signal jL on the overpass gate 23 becomes high voltage
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angehoben (Figur 3a). Dementsprechend werden in den Potentialtöpfen 5 und 2 gespeicherte Ladungepakete zu den Potentialtöpfen in den Gebieten 25e und 23b unter den Elektroden 26e bzw. 26b überführt· Diese beiden Ladungspakete werden zur Ausgangsdiode 27 ausgelesen durch Veränderung der Potentiale φ ^, φ ^ und φ-,, ao wie es in den Figuren 3b - 3d dargestellt ist·raised (Figure 3a). Correspondingly, charge packets stored in the potential wells 5 and 2 are transferred to the potential wells in the areas 25e and 23b under the electrodes 26e and 26b. These two charge packets are read out to the output diode 27 by changing the potentials φ ^, φ ^ and φ- ao as shown in Figures 3b - 3d
Vie «us den Figuren 3a - 3d hervorgeht, werden die in den Potentialtöpf·η 4 und 1 gesammelten Ladtmgspakete (welche anschließend als Ladungspakete 4 und 1 bezeichnet werden) in gleicher Weise auegelesen·As can be seen from FIGS. 3a-3d, those in the potential wells 4 and 1 collected charging packages (which subsequently are referred to as charge packets 4 and 1) are read out in the same way
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Figur 3f zeigt das Horizontal-Ablenksignal, wie es verwendet wird, um einen Elektronenstrahl über eine Kathodenstrahlröhre zu steuern. Die Ladungspakete 6 und 3 steuern die Anzeige an der durch Pfeile 6 und 3 in Figur 3g dargestellten Stelle·Figure 3f shows the horizontal deflection signal as used is used to control an electron beam through a cathode ray tube. The charge packages 6 and 3 control the display the point shown by arrows 6 and 3 in Figure 3g
Da die in den Potentialtöpfen 5 und 2 gesammelten Ladungspakete (welche nachfolgend als Ladungspakete 5 und 2 bezeichnet werden) an der Ausgangsdiode 27 im Verhältnis zu der Horizontal-Ablenkung gemäß Figur 3f etwas später eintreffen als die Ladungspakete 6 und 3, sind die Ladungspakete 5 und 2 in der Darstellung gemäß Figur 3g nach rechts verschoben· Die Ladungspakete 5 und 2 liegen niedriger als die Ladungspakete 6 und 3 in dieser Darstellung aufgrund der Rotation des Objekts, welches relativ zu der linearen Sechselement-Abbildungsanordnung zwischen dem Auslesen der Ladungspakete 6 und 3 und dem Auslesen der Ladungspakete 5 und 2 abgetastet wird. Eine solche Relativbewegung tritt bei Bildübertragungsabtastern einer Bauart auf, bei der die lineare Anordnung gemäß der Erfindung verwendet werden kann·Because the charge packets collected in potential wells 5 and 2 (which are referred to below as charge packets 5 and 2) arrive at the output diode 27 somewhat later than the charge packets 6 and 3 in relation to the horizontal deflection according to FIG. 3f, the charge packets 5 and 2 are shown in the illustration shifted to the right according to FIG. 3g · The charge packets 5 and 2 are lower than the charge packets 6 and 3 in this illustration due to the rotation of the object, which is relative to the linear alternating element imaging arrangement is scanned between the reading out of the charge packets 6 and 3 and the reading out of the charge packets 5 and 2. Such a relative movement occurs in image transfer scanners of a type in which the linear array according to the invention can be used
Die Ladungspakete 4 und 1 liegen gegenüber den Ladungspaketen 5 und 2 niedriger, und sie sind weiter nach rechts verschoben, wie in Figur 3g gezeigt ist, und zwar aus den gleichen Gründen ' wie sie oben im Zusammenhang mit den Ladungspaketen 5 und 2 im Verhältnis zu den Ladungspaketen 6 und 3 beschrieben wurden·The charge packets 4 and 1 are opposite the charge packets 5 and 2 lower, and they are shifted further to the right, as shown in Figure 3g, for the same reasons' as described above in connection with charge packages 5 and 2 in relation to charge packages 6 and 3
Figur 4a zeigt das Verhältnis der Integrationszeit für ein gegebenes lichtempfindliches Element 1 - 6 zu dem an das 'Überführungstor 23 (Figur 2) angelegten Steuersignal ff . Jedes lichtempfindliche Element sammelt Ladung, welche der über etwa drei Perioden des Signals jL. auf das Element auftreffenden Strahlung propor tional ist· Jedoch ist die Integrationsperiode derFIG. 4a shows the relationship between the integration time for a given light-sensitive element 1-6 and the control signal ff applied to the transfer gate 23 (FIG. 2). Each photosensitive element collects charge, which of the over about three Periods of the signal jL. radiation impinging on the element is proportional · However, the integration period is the
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lichtempfindlichen Elemente 6, 3 um eine Periode des Signals φ gegenüber der Integrationsperiode der lichtempfindlichen Elemente 5, 2 versetzt, welche wiederum um eine Periode des Signals *L gegenüber der Integrationsperiode der lichtempfindlichen EIemente 4, 1 versetzt ist; dies geht aus Figur 4a hervor. Wie Figur 3g und die Darstellung in Figur 4b zeigen, werden diese versetzten Integrationszeiten in zutreffender Weise durch !Seine Verschiebungen in senkrechter Richtung berücksichtigt, wie sie in Figur 4b erkennbar sind«light-sensitive elements 6, 3 offset by one period of the signal φ with respect to the integration period of the light-sensitive elements 5, 2, which in turn is offset by one period of the signal * L with respect to the integration period of the light-sensitive EIemente 4, 1; this can be seen from FIG. 4a. As shown in FIG. 3g and the representation in FIG. 4b, these offset integration times are appropriately taken into account by its shifts in the vertical direction, as can be seen in FIG. 4b. "
Das lineare verbundene Ladungskopplungs-Anzeigesystem gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung einer linearen Anzeigeeinrichtung mit einer beachtlich hohen Packungsdichte, so daß eine hohe Auflösung bei angemessener Gerätelänge erreicht wird. Bei dem gegenwärtigen Stande der Fotomaskierung (und diese Technik wird in Zukunft noch verbessert werden) ist es möglich, eine Ladungskopplungsanordnung mit 12,5 Mikrometer (0,5 mil) Abstand Je lichtempfindliches Element (also je Tor) herzustellen. Wenn das System eine Anordnung von Fotoelementen mit einem Drelphasen-Schiebeiqglster auf jeder Seite der Anordnung der Fotoelemente aufweist, beträgt die Packungsdichte effektiv zwei Fotoelemente je Bit (wobei ein "Bit" drei Ladungsspeicherbereiche eines Dreiphasen-Schieberegisters enthält), und dies ergibt beispielsweise etwa 2,85 cm (1,125 Zoll) für eine Anordnung mit 1.500 Elementen (etwa 19 Mikrometer »0,75 mil je Fotoelement mal 1.500 Elemente). Jedoch ist bei Anwendung der Schaltstruktur gemäß der Erfindung die Länge der Anordnung nur etwa 1,9 cm * 0,75 Zoll (12,5 Mikrometer « 0,5 mil je Fotoelement mal 1.500 Elemente), mit einem Dreiphasen-Schieberegister· Diese Reduzierung der Länge 1st erreicht worden mit nur einer geringen Komplizierung der Taktgebung und einer ungewöhnlichen Auslesefolge, welche leicht kompensierbar ist, wie bereits beschrieben wurde.The linear connected charge coupling display system according to FIG Invention enables the manufacture of a linear display device with a considerably high packing density, so that a high resolution is achieved with an appropriate device length. With the current state of photo masking (and this technique will be improved in the future) it is possible to use a 12.5 micrometer (0.5 mil) pitch charge coupled device Manufacture each light-sensitive element (i.e. each goal). if the system uses an array of photo elements with a three-phase sliding glass on either side of the array of photo elements the packing density is effectively two photo elements per bit (one "bit" containing three charge storage areas of a three-phase shift register), and this gives, for example about 2.85 cm (1.125 inches) for a 1,500 element array (about 19 micrometers »0.75 mils per photo element by 1,500 elements). However, using the switch structure according to the invention, the length of the assembly is only about 1.9 cm * 0.75 inches (12.5 microns «0.5 mil per photo element times 1,500 elements), with a three-phase shift register. This reduction in length has been achieved with little complication Timing and an unusual readout sequence, which can be easily compensated, as already described.
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Die In den lichtempfindlichen.Elementen 15 (Figur 1) oder 24a - 24f (Figur 2) gesammelten Ladungspakete werden alle von der gleichen Seite der lichtempfindlichen Elemente ausgelesen. Die andere Seite der lichtempfindlichen Elemente kann daher verwendet werden zur Belichtungssteuerung und/oder zur Anti-Blooming-Steuerung, indem man eine Diode hinzufügt, beispielsweise Diode 12 (Figur 1a) und ein Steuertor 14. Einzelheiten dieser Anordnung sind in der erwähnten USA-Patentanmeldung Serial No. 362, 131 (Amelio) beschrieben.In the photosensitive elements 15 (Figure 1) or 24a The charge packets collected 24f (FIG. 2) are all read out from the same side of the light-sensitive elements. the the other side of the photosensitive elements can therefore be used for exposure control and / or for anti-blooming control by adding a diode, for example a diode 12 (Figure 1a) and a control gate 14. Details of this arrangement can be found in the aforementioned US patent application Ser. 362, 131 (Amelio).
Das erfindungsgemäße System besitzt nicht ein, sondern drei lichtempfindliche Elemente je Dreiphasen-CCD-Element in der Transportanordnung (wobei das Dreiphasen-CCD-Element drei Tore, also beispielsweise die in Figur 1a dargestellten Tore 17a, 17b und 17c enthält). Die Auflösung wird daher bei einer gegebenen Länge einer lichtempfindlichen Anordnung um den Faktor N erhöht, indem man mit jeder Elektrode in der CCD-Tresportanordnung ein lichtempfindliches Element zusammenarbeiten läßt. Bei einem Dreiphasensystem erfordert jedoch das Auslesen der das aufgenommene Blldfrepräsentierenden gesammelten Ladung nun drei volle Abtastungen der CCD-Transportanordnung 17· Man erhält hierdurch ein Video-Signal, welches dem in Video-Systemen verwendeten 2 : 1-Zeilensprung vollständig analog ist, insbesondere wennThe system according to the invention does not have one, but three light-sensitive elements per three-phase CCD element in the Transport arrangement (where the three-phase CCD element has three gates, thus, for example, the gates 17a, 17b and 17c shown in Figure 1a). The resolution is therefore given at a Length of a photosensitive array increased by a factor of N by using each electrode in the CCD tresport array allows photosensitive element to work together. In a three-phase system, however, reading out the accumulated charge representing the captured image now requires three full Scans of the CCD transport arrangement 17 · This gives a video signal which is similar to that used in video systems 2: 1 interlace is completely analog, especially if eine Zweiphasen-CCD&Anordnung verwendet wird·a two phase CCD & array is used
♦Transport-Die Dichte der lichtempfindlichen CCD-Anordnung ist nicht mehr begrenzt durch die CCD-Elemente in der Transportanordnung, sondern vielmehr durch die Ausbreitung der diffundierten Störstoffe (z.B. In der Senkendlode 12 und den Kanalsperrgebieten 16a, 16b, 16c, 26a .··) während der normalen Halbleiterbearbeitung· Es ist durchaus denkbar, daß Fotoelement-Abstände von etwa 5 Mikrometer (0,2 mil) durch entsprechend sorgfältige überwachung und♦ Transport-The density of the photosensitive CCD array is no longer limited by the CCD elements in the transport arrangement, but rather by the spread of the diffused contaminants (e.g. in the sink endlode 12 and the canal restricted areas 16a, 16b, 16c, 26a. ··) during normal semiconductor processing · It is quite conceivable that photo element spacings of about 5 micrometers (0.2 mil) can be achieved by carefully monitoring and
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Steuerung der Bearbeitung (entsprechend etwa 100 Linienpaaren je Millimeter) erreicht werden können.Control of the processing (corresponding to about 100 line pairs per millimeter) can be achieved.
Der Nachteil, der mit diesem neuen linearen Ladungskopplungs-Abbildungssystem (charge coupled interlaced linear imaging device - CCILID) in Kauf genommen werden muß, ist eine dreifache Erhöhung der Schieberegisterfrequenz, ohne daß eine entsprechende Erhöhung der möglichen Schaltgeschwindigkeit des Schieberegisters eintritt, wenn das CCD-System ein Dreiphasensystem ist. Wenn das CCD-System ein N-phasiges System ist, entspricht diese Schwierigkeit einer N-fachen Erhöhung der Schieberegisterfrequenz, wobei N eine gewählte positive ganze Zahl ist.The disadvantage with this new linear charge-coupling imaging system (charge coupled interlaced linear imaging device - CCILID) is a threefold Increase in the shift register frequency without a corresponding increase in the possible switching speed of the shift register occurs when the CCD system is a three-phase system. If the CCD system is an N-phase system, this corresponds to Difficulty increasing shift register frequency N times, where N is a chosen positive integer.
Wenn der Abstand der fotoempfindlichen Einrichtungen der Anordnung abnimmt, wird normalerweise die mögliche Schaltgeschwindigkeit der fotoempfindlichen Anordnung erhöht werden. Berücksichtigt man jedoch die bestehende Ladungskopplungsfähigkeit und die im allgemeinen langsame Abtastung linearer Abbildungssysteme mit hoher Auflösung, so ist der Nachteil nicht als allzu schwerwiegend anzusehen.When the distance of the photosensitive devices of the arrangement decreases, the possible switching speed of the photosensitive device will normally be increased. Considered However, one does not consider the existing charge coupling capability and the generally slow scanning of linear imaging systems with high resolution, the disadvantage should not be considered too severe.
Weitere Vorteile der beschriebenen linearen Abbildungsanordnung gegenüber den bisherigen Anordnungen dieser Art sind die Eliminierung des Ungerade/Gerade-Rauschens, welches sich aus der bilateralen Auslesung der Fotoladung in den bisherigen linearen Abbildungsanordnungen ergab, bei denen zwei CCD-Transportanordnungen zum Auslesen der in der Abbildungsanordnung gesammelten Ladung verwendet wurden· Vorteilhaft sind auch die vorrichtungsmäßige Einfachheit und die Einfachheit der elektrischen Taktgabe, welche sich dadurch ergeben, daß nur ein einziges CCD-Schieberegister erforderlich ist und nicht drei, wobei das dritte Schieberegister der bisherigen Anordnungen zum Kombinieren der entgegengesetzten Signale aus den beiden TransportanordnungenFurther advantages of the described linear imaging arrangement over the previous arrangements of this type are the elimination of the odd / even noise, which results from the bilateral reading of the photo charge in the previous linear Imaging arrangements resulted in which two CCD transport arrangements for reading out the collected in the imaging arrangement The simplicity of the device and the electrical timing are also advantageous, which result from the fact that only a single CCD shift register is required and not three, the third shift register of the previous arrangements for combining the opposite Signals from the two transport arrangements
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benutzt wurde. Auch ist der Dunkelstrom herabgesetzt aufgrund eines günstigeren (also höheren) Verhältnisses des lichtempfindlichen Bereiches zum Schieberegisterbereich.was used. The dark current is also reduced due to a more favorable (i.e. higher) ratio of the light-sensitive Area to the shift register area.
Bei den in den Figuren 1a und 2 dargestellten Abbildungsanordnungen arbeitet jeweils eine Transportanordnung mit einer linearen Abbildungsanordnung zusammen. Ein System, bei dem zwei Transportanordnungen mit einer einzigen Abbildungsanordnung zusammenarbeiten, entspricht ebenfalls dem der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erfindungsgedanken. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn das lineare Abbildungssystem ein Zwei- oder Vierphasensystem ist. Wenn die Abbildungsanordnung als Zweiphasensystem arbeitet, entfällt durch die Verwendung von zwei Transportanordnungen die Notwendigkeit der Verdoppelung der Auslesefrequenz, um einen alternierenden Betrieb (interleaved operation bzw. interlaced operation) zu erhalten. In diesem Fall arbeiten zwei Potentialtöpfe (und zwei Elektroden) in einer gegebenen Ladungskopplungs-Anordnung mit einem einzigen Potentialtopf (Ladungsspeichergebiet) in der Reihe der lichtempfindlichen Elemente zusammen. Figur 5 zeigt schematisch in Draufsicht ein solches lineares Abbildungssystem gemäß der Erfindung. Eine Reihe lichtempfindlicher Elemente 54a bis 54j enthält solche Gebiete 50 aus Halbleitermaterial unter einem strahlungsdurchlässigen, leitfähigen Fototor 52. Das Fototor ist von dem darunter befindlichen Halbleitermaterial durch eine Isolierschicht (welche zur Vereinfachung der Darstellung in Figur 5 nicht gezeigt ist) getrennt. Der Potentiättopf, welcher mit dem lichtempfindlichen Element 54p zusammenarbeitet (wobei ρ eine ganze Zahl zwischen a und j ist und j die Zahl der in der Anordnung vorhandenen lichtempfindlichen Elemente darstellt) ist in einem Halbleitergebiet ausgebildet, welches auf zwei Seiten von Teilen des Kanalsperrgebiets 51 umgeben ist. Der Potentialtopf in dem lichtempfindlichen Element 54p ist daher vonIn the imaging arrangements shown in FIGS a transport arrangement works together with a linear imaging arrangement. A system in which two Transport arrangements cooperate with a single imaging arrangement, also corresponds to that of the present invention underlying inventive concept. This is particularly advantageous when the linear imaging system is a Is two or four phase system. If the imaging arrangement works as a two-phase system, it is omitted due to its use of two transport arrangements the need for doubling the readout frequency in order to obtain an alternating operation (interleaved operation or interlaced operation). In this In a given charge coupling arrangement, two potential wells (and two electrodes) work with a single one Potential well (charge storage area) in the row of light-sensitive Elements together. FIG. 5 shows a schematic plan view of such a linear imaging system according to the invention. A series of photosensitive elements 54a through 54j contains such areas 50 of semiconductor material beneath a radiation-permeable, conductive phototor 52. The phototor is separated from the semiconductor material underneath by an insulating layer (which, to simplify the illustration in Figure 5 is not shown) separately. The pot, which one cooperates with the photosensitive element 54p (where ρ is an integer between a and j and j is the number of the in the arrangement represents existing photosensitive elements) is formed in a semiconductor area, which on two Pages is surrounded by parts of the channel restricted area 51. The potential well in the photosensitive element 54p is therefore from
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den Potentialtöpfen der benachbarten lichtempfindlichen Elemente 54 (p - 1) und 54 (p + 1) durch Teile der Kanalsperrdiffusion getrennt, also Teile 51a - 51i. Die Teile 51a - 51i der Kanalsperrdiffusion sind nicht miteinander verbunden. Die Kanalsperrdiffusion umgibt daher jedes einen Potentialtopf enthaltende Gebiet des Halbleitermaterials auf zwei Seiten, während die beiden Seiten, welche zu den Schieberegistern 55 und 56 liegen, offen bleiben.the potential wells of the adjacent photosensitive elements 54 (p-1) and 54 (p + 1) by parts of the channel block diffusion separately, i.e. parts 51a-51i. The parts 51a - 51i of the Channel barrier diffusions are not interconnected. The channel barrier diffusion therefore surrounds each one containing a potential well Area of the semiconductor material on two sides, while the two sides which are to the shift registers 55 and 56, stay open.
Ein in einem bestimmten lichtempfindlichen Element 54p gesammeltes Ladungspaket kann daher zu dem entsprechenden Ladungsspeichergebiet entweder in Schieberegister 55 oder Schieberegister 56 ausgelesen werden« Im Betrieb werden im allgemeinen jedoch diejenigen Ladungspakete, welche in den mit den lichtempfindlichen Elementen 54a, 54g, 54e, 54g und 54i (im vorliegenden Zusammenhang als "ungerade11 lichtempfindliche Elemente bezeichnet) zusammenwirkenden Potentialtöpfen gesammelt sind, zur rechten Seite der Figur 5 in die entsprechenden Ladungsspeichergebiete des Schieberegisters 55 ausgelesen, während diejenigen Ladungspakete, welche in den mit den lichtempfindlichen Elementen 54b, 54d, 54f, 54h und 54j (im vorliegenden Zusammenhang als "gerade" lichtempfindliche Elemente bezeichnet) zusammenwirkenden Potentialtöpfen gesammelt sind, zur linken Seite zu den entsprechenden Ladungsspeichergebieten in Schieberegister 56 ausgelesen werden. Bei dem lichtempfindlichen Element 54b, also einem "geraden" lichtempfindlichen Element, wird beispielsweise das Ladungspaket dieses Elements nach links ausgelesen durch Absenken des Potentials φ* auf Elektrode 56b, während gleichzeitig das Potential fL auf Elektrode 55b angehoben wird. Dabei wird das Potential am ÜberfUhrungstor 53a abgesenkt, um zu ermöglichen, daß dieses Ladungspaket von dem lichtempfindlichenA charge packet collected in a certain light-sensitive element 54p can therefore be read out to the corresponding charge storage area either in shift register 55 or shift register 56. In operation, however, those charge packets which are in the light-sensitive elements 54a, 54g, 54e, 54g and 54i (in the present context as "odd 11 light-sensitive elements) cooperating potential wells are collected, read out to the right side of the figure 5 in the corresponding charge storage regions of the shift register 55, while those charge packets, which in the light-sensitive to the elements 54b, 54d, 54f, 54h and 54j (referred to as "straight" light-sensitive elements in the present context) of interacting potential wells are collected to the left to the corresponding charge storage areas in shift register 56. even "light-sensitive element, the charge packet of this element is read out to the left by lowering the potential φ * on electrode 56b, while at the same time the potential fL on electrode 55b is increased. In the process, the potential at the transfer gate 53a is lowered in order to allow this charge packet from the light-sensitive
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Element 54b zu dem LadungsspeichergeMet in der Transportanordnung 56 unter Elektrode 56b überführt wird. Das Potential am Überführungstor 53b wird auf seinem normalen Pegel gehalten.Element 54b to the charge storage meter in the transport assembly 56 is transferred under electrode 56b. The potential at Overpass gate 53b is maintained at its normal level.
Gleichzeitig mit der Überführung des Ladungspakets von dem lichtempfindlichen Element 54b werden die Ladungspakete in allen geraden lichtempfindlichen Elementen in die entsprechenden LadungsspeichergeMete in Schieberegister 56 überführt. Die in den ungeraden lichtempfindlichen Elementen gesammelten Ladungspakete werden in ähnlicher Weise zu den entsprechenden Ladungsspeichergebieten in Transportanordnung 55 überführt. Aus einem ungeraden lichtempfindlichen Element wird keine Ladung Überführt zu dem entsprechenden Ladungsspeichergebiet in Transportanordnung 55 in derjenigen Zeit, in der die Ladung von einem geraden Element in ihr entsprechendes Ladungsspeichergebiet in Transportanordnung 56 überführt wird, da das Potential auf dem Überführungstor 53b (oder 53a) auf einem hohen Wert gehalten wird, wenn das Potential am Überführungstor 53a (oder 53b) abgesenkt ist.Simultaneously with the transfer of the charge packet from the photosensitive one Element 54b is the charge packets in all straight lines light-sensitive elements in the corresponding charge storage areas transferred to shift register 56. The charge packets collected in the odd photosensitive members become the corresponding charge storage areas in a similar manner transferred to transport arrangement 55. No charge is transferred from an odd photosensitive element to the corresponding charge storage area in transport arrangement 55 at the time in which the charge is from a straight element is transferred to its corresponding charge storage area in transport assembly 56, since the potential is on the Overpass gate 53b (or 53a) held high when the potential at the overpass gate 53a (or 53b) is lowered.
Dementsprechend werden Ladungspakete von den ungeraden lichtempfindlichen Elementen entfernt, indem die Potentiale am Überführungstor 53b und den Elektroden in beiden Schieberegistern 55 und 56 entsprechend angesteuert werden, und von den geraden lichtempfindlichen Elementen durch entsprechende Ansteuerung der Potentiale am Überführungstor 53a und den Elektroden in beiden Schieberegistern 55 und 56.Accordingly, charge packets from the odd photosensitive Elements removed by the potentials at transfer gate 53b and the electrodes in both shift registers 55 and 56 are controlled accordingly, and by the straight light-sensitive elements by corresponding control the potentials at the transfer gate 53a and the electrodes in both shift registers 55 and 56.
Die Elektroden 55a - 553 und 56a - 56j werden durch ein zweiphasiges (oder vierphasiges) Signal in einer Weise angesteuert, wie sie in der Technik der Ladungskopplungsanordnungen bekanntThe electrodes 55a-553 and 56a-56j are through a two-phase (or four-phase) signal driven in a manner known in the art of charge coupled devices
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ist. Es wird daher ein von dem lichtempfindlichen Element 54a zu dem Ladungsspeichergebiet des Halbleitermaterials unter Elektrode 55a überführtes Ladungspaket anschließend entlang der Transportanordnung 55 zur Ausgangsdiode 58b weitergegeben, während gleichzeitig ein in dem lichtempfindlichen Element 54b gespeichertes Ladungspaket in ein benachbartes Ladungsspeichergebiet in dem Halbleitermaterial unterhalb der Elektrode 56b und dann zur Ausgangsdiode 58a weitergegeben wird. Die Jluslesefrequenz des in der Anordnung gemäß Figur 5 verwendeten Signals ist daher genau diejenige s welche nach dem bisherigen Stande der Technik verwendet wtird©.is. A charge packet transferred from the photosensitive element 54a to the charge storage area of the semiconductor material below electrode 55a is then passed along the transport arrangement 55 to the output diode 58b, while at the same time a charge packet stored in the photosensitive element 54b is transferred to an adjacent charge storage area in the semiconductor material below the electrode 56b and then passed to output diode 58a. The Jluslesefrequenz of the signal used in the arrangement according to Figure 5 is therefore exactly s that which according to the previous state of the art used wtird ©.
Die in Figur 5 dargestellte Anordnung hat den Vorteil, daß ein Ladungspaket aus einem gegebenen lichtempfindlichen Element in ein entsprechendes Ladungssspeiehergebiet entweder in Transportanordnung 55 oder Transportanordnung 56 dadurch weitergegeben werden kann, daß die an die Überführungstore 53a und 53b und die mit den Schieberegistern 55 und 56 zusammenwirkenden Elektroden angelegten Potentiale in entsprechender Weise gesteuert werden. Falls eine solche Flexibilität nicht benötigt wird, ist es alternativ auch möglich, beispielsweise ein zusätzliches Kanalsperrgebiet auf der linken (oder rechten) Seite Jedes ungeraden lichtempfindlichen Elements und an der reclfen (oder linken) Seite jedes geraden lichtempfindlichen Elements auszubilden. Das Kanalsperrgebiet hat dann Serpentinenform, und Ladung aus einem bestimmten lichtempfindlichen Element kann nur zu einer der beiden Transportanordnungen Überführt werden.The arrangement shown in Figure 5 has the advantage that a charge packet from a given photosensitive element in a corresponding charge storage area either in a transport arrangement 55 or transport arrangement 56 thereby passed on can be that the to the transfer gates 53a and 53b and the cooperating with the shift registers 55 and 56 electrodes applied potentials are controlled in a corresponding manner. If such flexibility is not required, it is an alternative also possible, for example an additional channel blocking area on the left (or right) side of each odd light-sensitive Element and on the right (or left) side of each straight photosensitive element to form. The canal exclusion area then has a serpentine shape, and charge from a particular photosensitive element can only be transferred to one of the two Transport arrangements are transferred.
Das in den Figuren 1a und 2 dargestellte System entlät eine lineare Anordnung. Es können auch mehrere lineare Anordnungen in einer flächenhaften Anordnung auf einer HalbleiterplatteThe system shown in Figures 1a and 2 discharges a linear one Arrangement. There can also be several linear arrangements in a planar arrangement on a semiconductor plate
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ausgebildet werden. In diesem Fall können die Grundsätze der alternierenden Arbeit bzw. des Zeilensprungs (interleaving principles oder interlacing principles) gemäß der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise angewendet werden, um die Signale aus der flächenhaften Anordnung auszulesen.be formed. In this case, the principles of alternating work or interleaving principles or interlacing principles) according to the present invention are applied in the same way to the signals to be read from the planar arrangement.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde eine lineare Abbildungseinrichtung mit 255 Elementen hergestellt, welche Belichtungssteuerung und Anti-Blooming-Steuerung besaß. Die Mitten der lichtempfindlichen Elemente hatten einen Abstand von 14 Mikrometern, und es wurde eine dreiphasige Transportanordnung mit einem CCD-Schieberegister verwendet, dessen dotierte polykristalline Siliziumelektroden (die auch als "Gates" oder "Tore" bezeichnet werden) eine Breite von 8 Mikrometer und dessen undotierte polykristalline 'Siliziumzwischenräume eine Breite von· 6 Mikrometer hatten; die Transportanordnung hatte eine Länge von 87 Bits, wobei jedes Bit drei Ladungsspeichergebiete, drei Elektroden und drei Zwischenräume aufwies. Der lichtempfindliche Bereich der Anordnung wurde begrenzt durch eine zweite Schicht aus Aluminium, welche fast den ganzen Bereich des Chip bedeckte, außer dem Mittelstreifen des Fototors, welches sich über den lichtempfindlichen Elementen befand. Der Ausgangsverstärker der Schaltung enthielt einen MOS-Transistor mit Doppelgate, um kohärentes Rückstellrauschen möglichst gering zu halten. Ein Dummy-Ausgangsverstärker wurde verwendet, um kohärentes Rauschen zu erzeugen. Die Auslesung der Anordnung erfolgte in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit den Figuren 1a und 2 beschrieben ist.In one embodiment of the invention, a linear imaging device was used made with 255 elements, which had exposure control and anti-blooming control. The middle the photosensitive elements were spaced 14 micrometers apart and became a three-phase transport arrangement used with a CCD shift register, its doped polycrystalline Silicon electrodes (also known as "gates" or "gates") have a width of 8 microns and are undoped polycrystalline silicon interstices were 6 micrometers wide; the transport arrangement had a length of 87 bits, each bit having three charge storage areas, three electrodes and three spaces. The photosensitive one The area of the assembly was delimited by a second layer of aluminum covering almost the entire area of the chip covered, except for the central strip of the photo gate, which was located above the light-sensitive elements. The output amplifier The circuit included a double gate MOS transistor to minimize coherent reset noise. A dummy output amplifier was used to create coherent Generate noise. The arrangement was read out in in the same way as is described in connection with FIGS. 1a and 2.
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Claims (1)
aufweist sowie eine zweite Ausgangselektrode, welche auf der
Isolierung über dem Halbleitermaterial zwischen der zweiten Ausgangsdiode und dem letzten Speichergebiet in dem zweiten Schieberegister so■angeordnet ist, daß sie die Überführung von Ladungspaketen von dem letzten Speichergebiet zu der zweiten Ausgangsdiode steuern kann.second output diode formed in the semiconductor material
has and a second output electrode which is on the
Isolation is arranged over the semiconductor material between the second output diode and the last storage area in the second shift register so ■ that it can control the transfer of charge packets from the last storage area to the second output diode.
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