DE2600962A1

DE2600962A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der ueberstrahlung bei halbleiterbildwandlern

Info

Publication number: DE2600962A1
Application number: DE19762600962
Authority: DE
Inventors: Peter Alan Levine
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-01-13
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-07-15
Also published as: FR2297532B1; FR2297532A1; GB1529501A; DE2600962B2; US3931465A; AU499966B2; JPS5346681B2; DE2600962C3; JPS5195722A; NL7600261A; AU1008676A; CA1049122A

Description

RCA No. 69 019
HS-Anm. No. 540 436
vom 13- Januar 1975

RCA Corporation

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung

der Überstrahlung bei Halbleiterbildwandlern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Überstrahlung bei Halbleiterbildwandlern ganäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff von Anspruch 2.

Wenn ein Feld photoempfindlicher Zellen, beispielsweise das Feld einer nach dem Ladungskopplungsprinzip arbeitenden Halbleiter-Bildwandlerplatte, mit einem Bild bestrahlt wird, in dem bestimmte Bereiche sehr viel heller als andere Bereiche sind, gibt es Probleme, weil die Teile des Feldes, die die intensive Strahlung empfangen, überlastet werden können. Bei einem Feld der oben genannten Art, im folgenden CCD-Feld (CCD = charge coupled device) genannt, führt das intensive Strahlungsenergie signal, das auf eine bestimmte Stelle des CCD-Feldes auftrifft, zur Erzeugung von einem sehr viel größeren Ladungssignal, als es an dieser Stelle gespeichert werden kann. Die überschüssige Ladung neigt dazu, sich auf die danebenliegende Stelle oder danebenliegende Stellen entlang dem CCD-Kanal oder auch auf danebenliegende CCD-Kanäle auszubreiten. Wenn sich die Ladung auf diese Weise ausbreitet, ergibt sich eine "Überstrahlung¹¹ des Bildes, das aus dem CCD-Feld ausgelesen wird, das heißt, die Quelle der intensiven Strahlungsenergie scheint beim Auslesen und bei der nachfolgenden Reproduktion einen viel größeren Bereich einzunehmen, als diese Quelle im Original

B09829/0672

- 2 - 2b U ¹M^

einnimmt.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie man dieses Problem angehen kann. Eine Möglichkeit besteht darin, Überstrahlungs-Sammelleitungen in dem Substrat zu verwenden, die so betrieben werden, daß die überschüssige Ladung vorzugsweise in diesen Sammelleitungen statt zu anderen Meßstellen für die Strahlungsenergie abfließt. Eine andere Möglichkeit besteht in der funktionsmäßigen Steuerung der Überstrahlung, wobei die Bereiche des Substrates neben den Bereichen, wo die Ladung erfaßt bzw. abgetastet wird, als Speicherbereiche bereitgestellt werden, wobei überschüssige Ladung (Minoritätsträger) dazu veranlaßt wird, mit den Majoritätsträgern, die in diesen Speicherbereichen vorhanden sind, zu rekombinieren.

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur funktionsmäßigen Steuerung der Überstrahlung. Die Verbesserung besteht darin, daß die Speicherbereiche des Substrates am Ende der Integrationszeit und vor der Übertragung des Inhalts des Bildaufnahmebereiches (A-Register) in den Bildspeicherbereich (B-Register) in den Verarmungszustand (Sperrbereich) gesteuert wird. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist eine Verbesserung der Auflösung des reproduzierten Bildes. Die Gründe für diese Verbesserung werden noch im einzelnen erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch einen CCD-Kanal eines A-Registers, wobei die Profile des Oberfäc-henpotentials gezeigt sind, um solch ein Register auf zwei verschiedene Weisen zu betreiben; und

Figur 2 eine Darstellung der Wellenformen, um die Arbeitsweise eines CCD-Bildwandlers gemäß der Erfindung zu erläutern.

609829/067

-3- 26Γ

Zunächst wird auf den oberen Teil von Figur 1 Bezug genommen. Die gezeigte CCD-Bildwandlerplatte weist ein Substrat 10 vom P-Typ und eine Vielzahl Elektroden auf, die gegenüber dem Substrat isoliert und kapazitiv damit gekoppelt sind. Die Darstellung ist insofern schematisch, als die verwendete Isolierung, die normalerweise aus Siliciumdioxid besteht, nicht dargestellt und die Elektrodenanordnung nur schematisch gezeigt ist. Die zum Zwecke der Darstellung gewählte CCD-Bildwandlerplatte ist vom Typ einer dreiphasigen Bildwandlerplatte, wobei bei einer tatsächlichen Ausführung der Schaltung die Elektroden einander überlappen können. Die Erfindung ist jedoch auch bei zwei-, vier- oder höherphasigen Einrichtungen anwendbar, die hier nicht im einzelnen gezeigt sind. Auch kann das Substrat vom N-Typ statt vom P-Typ sein, wenn die Speisespannungen mit der richtigen Polarität gewählt werden.

Die in Figur 1 gezeigte Einrichtung kann ein Teil eines vertikalen Kanales des Bildaufnahmebereiches eines CCD-Feldes sein, der auch als Α-Register bezeichnet wird. Während eines Teiles der Betriebszeit, die als Integrationszeit bezeichnet wird, und während der ein Bild auf dem CCD-Feld abgebildet wird, kann eine der Elektroden, das heißt die ^_A2-Elektroden in diesem Beispiel, auf einer Spannung gehalten werden, um zu bewirken, daß Verarmungsbereiche unter diesen Elektroden gebildet werden, und die restlichen Elektroden, das heißt die 0&*~ und 0* ^-Elektroden in diesem Beispiel, können auf Potentialen gehalten werden, so daß die Substratbereiche unter diesen Elektroden in einem geringfügigen Verarmungszustand gehalten werden. Dies ist bei a in Figur 1 gezeigt. Die Bereiche mit hoher Verarmung bilden Potentialmulden in dem Substrat, das heißt, sie bilden Bereiche an der Substratoberfläche, aus denen Majoritätsträger (Löcher) abgestoßen worden sind, und wo Minorität sträger als Oberflächenladung gespeichert werden können. Die Bereiche mit geringer Verarmung des Substrates bilden Potentialsperren zwischen den Potentialmulden· Im wesentlichen kein Teil des Substrates ist in Speicherung.

609829/0672

ORIGINAL INSPECTED

-4- 260" Zl

Im Betrieb wird ein Strahlungsbild durch die Elektroden, wie schematisch dargestellt ist, oder durch die Rückseite des Substrates auf die Bildwandlerplatte geworfen. Es sei zum Zwecke der Beschreibung angenommen, daß die Elektroden für die Strahlung im wesentlichen transparent sind.

Bei einer optischen Überlastung in einem Bereich, beispielsweise im Bereich der jZf.₂-Elektrode 12, fließt die Potentialmulde in dem Substrat unter dieser Elektrode bald über. Diese überfließende Ladung kann dann über die Potentialsperren unter den 0. ^- und 0_A ..-Elektroden zu den angrenzenden Potentialmulden in demselben Kanal und möglicherweise (in Fällen einer erheblichen Überlastung) auch zu den Potentialmulden in angrenzenden Kanälen (nicht gezeigt), überfließen. Dieses Phänomen wird als Überstrahlung bezeichnet und, wie oben erwähnt wurde, ist es in hohem Maße unerwünscht.

Ein Versuch zur Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung von Einrichtungen zur Steuerung der Überstrahlung, wie sie oben kurz erwähnt wurden. Solche Einrichtungen sind beispielsweise in dem Artikel ^MBlooming Suppression in Charge Coupled Array Image Devices" von C. H. Sequin, Bell System Technical Journal, Oktober 1972, Seite 1923, beschrieben.

Figur 1 zeigt bei b eine zweite Lösung für dieses Problem. Diese Lösung wird als funktionsmäßige Steuerung der Überstrahlung bezeichnet, weil keine zusätzlichen Einrichtungen in dem CCD-Feld erforderlich sind. Während der Integrationszeit werden hier die 0^- und j#_A:>-Elektroden auf solchen Potentialen gehalten, daß die Substratbereiche zwischen den Potentialmulden im Speicherzustand gehalten werden. Mit anderen Worten sind die Potentiale so, daß Majoritätsträger (Löcher in diesem Beispiel) in diesen Bereichen des Substrates vorhanden sind. Wenn eine optische Überlastung unter diesen Bedingungen auftritt, werden die überschüssigen Minoritätsträger (Elektronen in diesem Beispiel), die aus einer gefüllten Potentialmulde überfließen, mit den Majoritätsträgern (Löchern) rekombiniert, die in den

genannten Speicherungsbereichen vorhanden sind. Dadurch wird die Zahl der überschüssigen Elektronen, die andere Potentialmulden erreichen, stark reduziert, wodurch auch die Tendenz des CCD-Feldes zur Überstrahlung stark reduziert wird.

Wenn man das CCD-PeId in der eben beschriebenen Weise betreibt, tritt ein anderes Problem auf. Weil die Bereiche zwischen den Potentialmulden als Speicherbereiche betrieben werden, wird wenigstens ein größerer Teil der Minoritätsträger aus diesem Bereich entfernt. Wenn daher nach der Integrationszeit der Inhalt des Α-Registers mit einer hohen Geschwindigkeit zu dem B-Register (nicht gezeigt) verschoben wird, ist daher keine Restladung vorhanden, die die "schnellen Grenzflächenzustände" (Ladungstraps an der Halbleiter-Isolatorgrenzflache) in diesen Bereichen des Substrates füllen. Diese Restladungen (auch als Nullsättigungsladung bezeichnet) haben eine wichtige Punktion, indem sie den Verlust an Ladungssignal bei diesen Traps verhindern oder wenigstens erheblich reduzieren, wenn das Ladungssignal durch die drei Phasenspannungen entlang den CCD-Kanal weitergeschoben wird. Eine mehr ins Einzelne gehende Diskussion dieses Phänomens bei CCD-Bildwandlern ist in der US-Patentanmeldung 481 746 vom 21. Juni 1974 enthalten.

Wenn daher ein CCD-PeId in der Weise betrieben wird, wie bei b in Pigur 1 gezeigt ist, geht ein Teil der Ladungssignale, die entlang dem CCD-Kanal während der übertragung dieser Ladungssignale zu dem B-Register weiterbewegt werden, verloren, das heißt, dieser Teil des Ladungssignales wird von den Traps eingefangen, die in der Substratoberfläche vorhanden sind, die vorher im Speicherungszustand war. Das Resultat ist ein Verlust an Signalintensität und eine nachfolgende Freigabe von Streuteilen des verlorenen Signales an nachfolgende Ladungssignale. Daher wird das Ladungsmuster ausgeschmiert, was sich in einer Herabsetzung der Auflösung zeigt, die in dem später reproduzierten Bild erzielt werden kann.

P Π O C* "^ ^r'' / Λ r ⁿ ^

η , ο λ / - / υ λ / ' ORIGINAL INSPECTED

Um diesen unerwünschten Verlust an Auflösung so weit wie möglich auf ein Minimum herabzusetzen, können die Speicherungsbereiche nur in einen verhältnismäßig geringen Speicherungs zustand versetzt werden, das heißt in einigen Fällen in einen geringeren Speicherungszustand, als er tatsächlich erwünscht wäre, um die Über strahlung zu eliminieren. In einer praktischen Ausführung eines OCD-Feldes, das in der bei b in Figur 1 gezeigten Weise betrieben wurde, hat es sich gezeigt, daß Überstrahlungen von 15 : 1 bis 20 : 1 verarbeitet werden können. Es hat sich jedoch ferner gezeigt, daß es bei erheblich höheren optischen Überlastungen erforderlich ist, daß die Substratbereiche im Speieherzustand in einen solch großen Speicherzustand versetzt werden müssen, daß der sich ergebende Verlust an Auflösung nicht mehr tragbar ist.

Figur 2 zeigt ein verbessertes Verfahren zur funktionsmäßigen Steuerung der überstrahlung gemäß der Erfindung. Während der Integrations zeit ist die ^p-Spannung so groß, das die Substratfläche unter den jZl^-Elektroden in denVerarmungszustand versetzt wird, und die 0. -,- und 0^-Spannungen sind so groß, daß die Substratoberfläche unter diesen Elektroden in den Speicherungszustand versetzt wird. Das Speicherungsniveau kann jedoch erheblich größer als das Niveau sein, das bisher verwendet wurde, und wie es bei b in Figur 1 dargestellt ist.

Am Ende der Integrations zeit beginnen die Mehrphasenspannungen nicht unmittelbar. Stattdessen werden die 0^- ^wa^- J^-j-Elektroden auf solche Spannungsniveaus gelegt, daß die Substratbereiche unter diesen Elektroden in den Verarmungszustand getrieben werden. Dies findet während des Intervalls Δ t-j von Figur 2 statt. Während des Intervalls &t* wird die 0Ap^-3P^811111111S erheblich positiver gemacht als sie vorher war, um die Tiefe der Potentialmulde zu vergrößern und dadurch zu verhindern, daß ein Ladungssignal aufgrund der niedrigeren Potentialsperren unterhalb der 0&*- und 0* ,-Elektroden entweichen kann. Dieses zusätzliche Verzögerungszeitintervall At- kann beispielsweise 0,1 msec (Millisekunden), das heißt 100 usec (MikrοSekunden),

fi098?9/0B7?

ORiGIMAL INSpgÖTSÖ

betragen. Fahrend dieser Zeitdauer sammelt der Substratbereich unter den ^a₁- und 0.^-Elektroden, da er im Verarmungszustand ist, eine Restladung an. Diese Restladung resultiert hauptsächlich aus der Strahlung (Licht), die die Substratoberfläche erreicht. Diese Strahlung kann eine Vorbelastungsstrahlung (bias light) sein, wie in der oben genannten Anmeldung beschrieben wurde, oder es kann sich bei dieser Strahlung um die Hintergrundsstrahlung handeln, die allgemein bei jedem Bild, das betrachtet wird, vorhanden ist. Ein Teil des sich ansammelnden Ladungssignales kann auch auf thermisch erzeugter Ladung beruhen.

Wenn das CCD-Feld in der oben beschriebenen und in Figur 2 gezeigten Weise betrieben wurde, hat es sich gezeigt, daß die Auflösung des reproduzierten Bildes außerordentlich gut ist, wenn der Inhalt des A—Registers durch die dreiphasigen Wellenformen, die in Figur 2 gezeigt sind, in das B-Register (nicht gezeigt) übertragen und das in dem B-Register gespeicherte Bild nachfolgend reproduziert wird. Ferner hat es sich als möglich herausgestellt, das CCD-Feld mit viel größeren optischen Überlastungen zu betreiben, als es vorher möglich war. Es hat sich gezeigt, daß der CCD-Bildwandler eine optische Überlastung von etwa 50 : 1 aushalten kann, wobei fast keine Überstrahlung stattfand, während die bisherige Grenze, wie oben erwähnt wurde, zwischen 15:1 und 20 : 1 lag.

Um einen Überblick über die relativen Zeiten zu geben, die beim Betrieb des CCD-Feldes gemäß Figur 2 auftreten, sei angenommen, daß das beschriebene CCD-Feld entsprechend den Bedingungen des kommerziellen Fernsehens betrieben wird. Hier ist die Teilbildzeit 1/60 see, die Ladungsübertragungszeit (während der der Inhalt des Bildwandlerfeldes (Α-Register) in das B-Speicherfeld (B-Register) übertragen wird) entspricht der vertikalen Rücklaufzeit und kann etwa 900 usec betragen, und die Integrationszeit kann den Rest der Teilbildzeit, das heißt den Hauptteil der 1/60 see, einnehmen.

6098?9/067? ^ _INSPECTEC

In einem GCD-FeId, das in der Praxis erprobt wurde, wurde das Zeitintervall At^ auf 100 usec eingestellt, wobei sich die gewünschte, befriedigende Arbeitsweise ergab. Das Zeitintervall kann erhöht werden, wenn das Substrat in einem höheren Speicherungszustand während der Integrationszeit betrieben wird. Wenn während des Intervalls At^ die Tiefe der Verarmungsbereiche unter den 0^- und 0^-Elektroden weiter vergrößert wird, sollte auch die Tiefe der Potentialmulden unter den ^g"^^"* troden entsprechend vergrößert werden, um einen Verlust an Ladung ssignal zu verhindern.

Das Zeitintervall /i tp (die Dauer einer Periode der Mehrphasen— spannung) hängt zum Teil von der ^ahl der Reihen in dem A-Register ab. Bei einem CCD-PeId mit 200 Reihen zeigt eine einfache Berechnung, daß das Intervall A^p ^ei;was über 4 usec und für ein CCD-Feld mit 500 Reihen etwas unter 2 usec betragen kann.

609829/0672 original inspected

Claims

s « 2 ^r:> Γ*: !'' 2

Patentansprüche

yi^l Verfahren zur Steuerung der Uberstrahlung bei Halbleiterbildwandlern mit einem nach, dem Ladungskopplungsprinzip arbeitenden Bildaufhahmefeld, das ein Substrat und kapazitiv mit dem Substrat gekoppelte Elektroden aufweist, wobei während der Integrationszeit ein bestimmter, erster !Heil von Elektroden auf einem Potential gehalten wird, um Verarmungsbereiche in den Substratbereichen unterhalb diesen Elektroden zu erzeugen, in denen Ladung gespeichert werden kann, während ein anderer Teil der Elektroden auf einem Potential gehalten wird, um Speicherungsbereiche in dem Substrat zwischen den Verarmungsbereichen zu erzeugen, und wobei nach der Integrationszeit Vielphasenspannungen an die Elektroden angelegt werden, um die gespeicherte Ladung entlang dem Substrat weiterzubewegen, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Integrationszeit und vor dem Anlegen der Mehrphasenspannungen das Potential an dem genannten, anderen Teil der Elektroden (die Elektroden, die entweder eine 0^-Spannung oder eine 0,,-Spannung aufnehmen) während eines kurzen Zeitintervalles (Δ U auf einen Wert geändert wird, der die Substratbereiche, die vorher im Speicherungszustand waren, in den Verarmungszustand versetzt, und daß gleichzeitig das an den bestimmten, ersten Teil der Elektroden (die Elektroden, die die 0>2~Svaxinung aufnehmen) auf einen Wert geändert wird, um die Substratbereiche unter dem bestimmten, ersten Teil der Elektroden in einen tieferen Verarmungs zustand zu treiben.

2_e Vorrichtung zur Steuerung der Überstrahlung bei einem nach dem Ladungskopplungsprinzip arbeitenden Bildwandler, der ein Halbleitersubstrat, eine Vielzahl Elektroden, die unter Abstand zueinander entlang der Länge des Substrates angeordnet und kapazitiv mit dem Substrat gekoppelt sind, und eine Einrichtung aufweist, die während der Integrationszeit wirksam ist, um einen bestimmten, ersten Teil der Elektroden, zwischen denen ein zweiter Teil der Elektroden liegt, auf

6098 2 9/06 7 2 —!SiNAL INSPECTED

Ί O ·» Z Ό-J ■■■-'/

sinem. Potential zu halten, so daß IJerarmungsberei ehe in dem Substrat gebildet werden, und um den anderen Teil, das heißt die dazwischenliegenden. Elektroden auf einem Potential zu halten? um Speicherungsbereiche in des Substrat zwischen den Verarmungsbereichen gu bilden^ gekennzeichnet durch Einrichtungen, die während eines verhältnismäßig kurzen Zeitintervalls ( Δ "fc-j) nach der Integrations se it wirksam sind, um das an dem zweiten Teil der Elektroden (die Elektroden, an denen 0^- oder ^,-Spannungen anliegen) auf einen Wert zu ändern, so daß Verarmungsbereiclie in dem Substrat gebildet werden, und um gleichzeitig das Potential, das an den ersten Teil der Elektroden (die Elektroden^» die eine p^-Spannung empfangen) auf einen Wert zu ändern, um das Substrat unter dem ersten Teil der Elektroden in einen tieferen Verarmungszustand zu treiben, wobei der Verlust an IJadungssignal von den Substratbereichen unter dem ersten feil dar Elektroden während dem Zeitintervall (At₁) vermieden wird.

6098 29/0672