DE2930402A1 - Ladungs-transfervorrichtung - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Ladungstransfervorrichtung, die sich insbesondere für Bildabtaster in Festkörpertechnik eignet. Solche Vorrichtungen zur abschnittweisen Ladungsübertragung werden oftmals auch mit ihrer englischen Abkürzung als CTD-Elemente bezeichnet (CTD = Charge Transfer Device).

Festkörper-Bildabtaster enthalten üblicherweise einen Ladungsträgerspeicherbereich, der in Abhängigkeit von der während einer Belichtungsperiode auftreffenden Lichtmenge einen Ladungsträger oder eine Ladungsträgermenge speichert. Wird bei solchen Bildabtastern lokal oder abschnittweise eineüberschüssige Ladungsmenge erzeugt, der die in dem betreffenden Speicherbereich vorhandene Ladungsspeicherkapazität überschreitet, so fließt die Überschußladung in andere Speicherabschnitte oder anders ausgedrückt, in andere Bildelemente, was zu einem sogenannten "Blooming-Effekt", also zu einer partiellen überhellung oder einem überstrahlen führt.

Um dieses überstrahlen zu vermeiden , sind eine Reihe von Verfahren für Festkörper-Bildabtaster bekannt oder vorgeschlagen, die dem Zweck dienen, die Überschußladung zu entfernen. Bei Bildabtastern für Rahmen-Transfersysteme, d.h. solche mit Bild- oder Halbbildübertragung, die für einen Oberflächenkanal-Ladungstransfer eingerichtet sind, wird eine Überschußladung in Form von Minoritätsladungsträgern in das Substrat oder einen Hauptträgerbereich injiziert.

Zur Erläuterung dieser zum Stand der Technik zählenden Maßnahmen wird unter Bezug auf die Fig. 1 eine zweiphasige Oberflächenkanal-Ladungstransfervorrichtung beschrieben. Auf einer Oberfläche eines beispielsweise P-leitenden Silicium-

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substrats1 ist eine Isolierschicht 2 aufgebracht, über der eine Mehrzahl von Elektroden 3 (oder 3A bzw. 3B) liegt. Die Elektroden sind in abwechselnder Folge zu zwei Elektrodensätzen 3A bzw. 3B verbunden, die mit einer Taktspannung 0 1 bzw. 0 2 beaufschlagt werden. In diesem Fall ist die Dicke der Isolierschicht 2 unter der jeweiligen Elektrode 3 so gewählt, daß sich ein Dickenunterschied bei den vorderen im Vergleich zu den hinteren Stufen in bezug auf die Ladungstransferrichtung ergibt, so daß ein assymetrisches Oberflächenpotential entsteht und die Ladung wird durch die zweiphasigen Taktimpulse in einer gewünschten Richtung übertragen, die in Fig. 1 durch einen Pfeil a angegeben ist. Während der Belichtungsperiode wird ein Elektrodensatz, beispielsweise der Elektrodensatz 3A mit einer bestimmten negativen Spannung beaufschlagt, wodurch die Substratoberfläche unter dem Elektrodensatz 3A auf Speicherfunktion für die Majoritätsladungsträger geschaltet wird, während der andere Elektrodensatz 3B an eine vorgegebene positive Spannung gelegt wird, so daß die Substratoberfläche unter dem Elektrodensatz 3B im Verarmungs- oder Inversionszustand steht. Zu diesem Zeitpunkt zeigt das Potential den in Fig. 1 durch eine ausgezogene Linie b veranschaulichten Verlauf, der erkennen läßt, daß das Potential im Speicher- oder Akkumulationszustand geringfügig höher liegt als das durch eine gestrichelte Linie c in Fig. 1 angegebene Substratpotential. Wird das Substrat 1 in diesem Zustand beispielsweise auf seiner rückseitigen Oberfläche belichtet, so daß in Abhängigkeit von der einfallenden Lichtmenge Ladungsträger erzeugt werden, so sammeln sich die Minoritätsladungsträger in der jeweiligen Potentialwanne unter dem Elektrodensatz 3B, d.h. im Speicherbereich für die Minoritätsladungsträger, deren Menge der auftreffenden Lichtmenge entspricht. Wird in diesem Falle eine Ladungsträgermenge erzeugt, die größer ist als die Ladungsmenge, die der betreffende Spei-

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cherbereich aufnehmen kann, so fließt eine entsprechende Überschußladung nicht auf oder in die Anreicherungs- oder Ladungssammlungsfläche, sondern wird in Form von Minoritätsladungsträgern in jenen Substratbereich injiziert, dessen Zustand niedriger liegt als das Anhäufungs- oder AkkurauIationspotential. Die Überschußladungsträger fließen also in andere Bereiche des Substrats, so daß verhindert ist, daß überschüssige Ladungen in andere Speicherbereiche oder Bildelemente fließen oder die Überschußladung wird zusammen mit den Ladungen anderer Bildelemente übertragen. In diesem Fall jedoch erfolgt die Injektion der Überschußladungen in das Halbleitersubstrat in Form von Minoritatsladungsträgern, die sich etwa gleichmäßig in alle Richtungen diffusionsartig verteilen, so daß auch ein Teil der Ladungen auf Speicherbereiche anderer Bildelemente trifft und dort eingefangen wird. Im Ergebnis läßt sich mit diesem Verfahren das erwähnte Überstrahlphänomen nicht vollständig beseitigen.

Die Fig. 2 zeigt ein sogenanntes Interline -Transfersystem eines Festkörper-Bildabtasters mit einem beispielsweise P-leitenden Siliciumsubstrat 11, dessen eine Oberfläche mit einer Isolationsschicht 12 und einer darüber liegenden Sensorelektrode 13 bedeckt ist, die insbesondere aus einem transparenten Elektrodenmaterial besteht und als Lichtempfangsflache dient. In bekannter Weise enthält dieser Bildabtaster Sensorbereiche,die der auftreffenden Lichtmenge entsprechende Ladungen speichern, d.h. also Lichtempfangsund Speicherbereiche. Angrenzend an einen Sensorbereich ist ein Senken- oder Drainbereich zur Aufnahme überschüssiger Ladungen vorhanden, dessen Leitfähigkeit sich von der des Substrats 11 unterscheidet, der also beispielsweise N-leitend ist und an die Oberfläche des Substrats 11 stößt. Zwischen einem nicht dargestellten SchieberegJsterbereich und dem

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Sensorbereich ist außerdem eine Transfer-Gateelektrode 15 vorgesehen.

Im Lichtempfangszustand wird der bekannte Bildsensor nach Fig. 2 an seiner Sensorelektrode 13 beispielsweise mit einer vorgegebenen positiven Spannung beaufschlagt. Die Dicke der Isolationsschicht 12 ist partiell unterschiedlich, so daß sich ein Abschnitt mit einer Potentialwanne ergibt, die als Teil einer die Oberflächenpotentialverteilung im Substrat 11 angebenden ausgezogenen Linie d mit dem Abschnitt d1 bezeichnet ist, der den Speicherbereich für Minoritätsladungsträger bildet. Ein weiterer Abschnitt d2 verdeutlicht eine Potentialsperre zwischen dem Speicherbereich und dem überlauf-Drainbereich 14. Eine im Speicherbereich eventuell auftretende Überschußladung wird dann bestimmt durch die Höhe der Sperre d2 - vom Überlauf-Drainbereich 14 absorbiert, was in Fig. 2 durch einen Pfeil e angegeben ist. Der beschriebene besondere überlauf-Drainbereich 14 jedoch führt dazu, daß das Herstellungsverfahren für solche Bildabtaster vergleichsweise kompliziert wird, da in das Substrat 11 ein Bereich unterschiedlicher Leitfähigkeit eingebracht und außerdem eine Elektrode für die am Bereich 14 notwendige Spannung angebracht werden muß. Außerdem wird ein besonderer oder zusätzlicher Bereich im Substrat 11 durch den Überlauf-Drainbereich 14 belegt, so daß die Elementen-Packungsdichte nicht beliebig und in gewünschtem Maße erhöht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ladungstransfervorrichtung, insbesondere einen Festkörper-Bildabtaster zu schaffen, bei dem die erläuterten Überstrahleffekte nicht auftreten, der sich aber gleich-

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wohl im Vergleich zum Stand der Technik durch einen einfachen konstruktiven Aufbau und gute Herstellbarkeit insbesondere auch mit sehr hoher Integrationsdichte der einzelnen Sensorelemente herstellen läßt. 5

Die erfindungsgemäße Lösung sowie vorteilhafte Auscestaltungen sind in kurzer Zusammenfassung in den Patentansprüchen angegeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht eine Ladungstransfervorrichtung aus einem Halbleitersubstrat, auf dem eine Mehrzahl von getrennten Speicherbereichen zur Speicherung von Ladungsträgern während einer vorgegebenen Periode, Transferbereiche zur übertragung der Ladungsträger, Sperrbereiche zur Verhinderung der Verschiebung der in den Speicherbereichen festgehaltenen Ladungsträger während einer vorgegebenen Periode und Mittel ausgebildet sind, um Uberschußladungsträger zu entfernen, die eine vorgebbare konstante Ladungsmenge überschreiten. Diese Mittel zur Entfernung überschüssiger Ladungsträger bestehen darin, daß ein erstes und ein zweites Potential während der festgelegten Periode alternierend an bestimmte Bereiche des Substrats angelegt werden kann, wobei das erste Potential so gewählt ist, daß die Majoritätsladungsträger des Substrats_/ die mit bei Oberflächenzuständen eingefangenen Ladungen rekombinieren, an der Substratoberfläche induziert werden, während das zweite Potential so gewählt ist, daß die überschüssigen Ladungsträger durch die Oberflächenzustände eingefangen werden.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in mehreren

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Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schnittdarstellung eines wesentlichen Abschnitts eines bereits erläuterten Festkörper-Bildabtasters mit Rahmen-Transfersystem gemäß

dem bereits erläuterten Stand der Technik; Fig. 2 die Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils eines Festkörper-Bildabtasters eines Interline-Transfersystems gemäß dem ebenfalls bereits erläuterten Stand der Technik; Fig. 3 und 4 graphische Schaubilder zur Erläuterung,

wie bei der Erfindung Oberflächenkanal-Überschußladungsträger beseitigt werden;

Fig. 5 die Draufsicht auf einen Festkörper-Bildabtaster eines Rahmen-Transfersystems zur Erläuterung der

Erfindung;

Fig. 6 die Draufsicht auf einen vergrößert dargestellten wesentlichen Teilbereich eines Ausführungsbeispiels einer Ladungs-Transfervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 die Schnittseitenansicht, gesehen in Richtung

der Pfeile an der Linie A-A in Fig. 6; Fig. 8 ein Übersichtsdiagramm zur Erläuterung der Verläufe von Spannungen, die zum Betrieb der Ladungs-Transfervorrichtung nach Fig. 6 und 7

benutzt werden;

Fig. 9A bis 9E verschiedene Potentialdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Ladungs-Transfervorrichtung nach den Fig. 6 und 7;

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Fig. 10 die Draufsicht auf einen vergrößert dargestellten wesentlichen Teil eines anderen Ausführungsbeispiels einer Ladungs-Übertragvorrichtung gamäß der Erfindung; Fig. 11 eine Seiten-Schnittdarstellung, gesehen in

Richtung der Pfeile an der Linie A-A in Fig. 10;
Fig. 12 ein Ubersichtsdiagramm zur Erläuterung der Spannungen, die zum Betrieb der Vorrichtung nach den Fig. 10 und 11 benutzt werden; Fig. 13A bis 13C Potentialdiagramme zur Erläuterung

der Betriebsweise des Ausführungsbeispiels der Erfindung nach den Fig. 10 und 11;

Fig. 14 die schematisch dargestellte Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 15 die vergrößerte Draufsicht auf einen wesentlichen Teilbereich beim Ausführungsbeispiel der Fig. 14;

Fig. 16 und 17 vergrößerte Teilschnittdarstellungen, gesehen in Richtung der Pfeile an den Linien A-A bzv

B-B in Fig. 15;
Fig. 18 Verlaufsdiagramme von Spannungen, die zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Ausführungsbeispiel der Fig. 14 bis 17 benötigt werden;

Fig. 19A bis 19D Potentialdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 14 bis 17;

Fig. 20 in einer schematischen Draufsicht einen vergrößerten Ausschnitt eines weiteren Ausfüh

rungsbeispiels der Erfindung;

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Fig. 21 Verlaufsdiagranme von Spannungen, die zum

Betrieb der Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 20 benötigt werden;

Fig. 22 A bis 22D Potentialdigramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels von

Fig. 20;

Fig. 23 die Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 24 die Draufsicht auf einen vergrößert dargestell-0 ten wesentlichen Teilbereich des Ausführungs

beispiels der Fig. 23;

Fig. 25, 26 und 27 Schaubilder zur Erläuterung von Potential- und Leitungsmechanismen zur Beseitigung von Überschußladungsträgern bei Verwendung eines versenkten Kanals;

Fig. 28 die vergrößerte Draufsicht auf einen wesentlichen Teilbereich eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 29, 30 und 31 Schnittdarstellungen, gesehen in Richtung der Pfeile an den Linien A-A, B-B

bzw. C-C in Fig. 28;
Fig. 32 ein Spannungsdiagramm und

Fig. 33A bis 33B Diagramme eines Potential- und Bändermodells.

Vor der nachfolgenden Einzelbeschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung sei das wesentliche Prinzip der Erfindung in Erinnerung gerufen, welches darin besteht, daß eine überschüssige Ladungsträgermenge, die einen durch einen Lichtempfangs- und Speicherbereich aufnehmbaren Ladungsbetrag übersteigt, mit Majoritätsladungsträgern über den Oberflächenzustand rekombiniert und beseitigt wird. Dieses Prinzip wird

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zunächst unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 speziell für überschüssige Ladungsträger in einem Ladungsspeicherbereich eines Oberflächenkanals näher beschrieben.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen ein Enerie-Bändermodell einer MOS-Struktur, bei der eine SiO^-Isolierschicht ein P-Siliciumsubstrat überdeckt und über der Isolierschicht eine Gate-Elektrode ausgebildet ist. Eine festgelegte in bezug auf das P-Si-Substrat negative Spannung wird an die Gate-Elektrode angelegt, um die Oberfläche des Substrats in einen Anreicherungszustand (vgl. Fig. 3) zu versetzen. Ein Elektron (^) , welches bezüglich des Substrats ein Minoritätsladungsträger ist, wird durch den mit χ gekennzeichneten Oberflächenzsutand (Rekombinationszentrum) eingefangen und rasch mit einem Loch (+) rekombiniert, so daß in diesem Oberflächenzustand praktisch kein Elektron existiert. Wird jetzt an die Gate-Elektrode eine bestimmte positive Spannung gelegt, um die Oberfläche des P-Si-Substrats in einen Verarmungszustand zu versetzen (siehe Fig. 4) und um gleichzeitig die Überschußladung (Elektron) zur Substratoberfläche zu bewegen, so wird das Elektron O rasch durch den Oberflächenzustand eingefangen, der dem Verarmungszustand entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird das Oberflächenpotential für die Überschußladung (Elektronen) zu einer Absorptions- oder Saugspannung. Im strengen Sinne wird ein Teil der Falle durch jene Elektronen gefüllt, die durch thermische Erregung aus dem Valenzband freigesetzt werden. Wenn die Dauer des Verarmungszustands jedoch kurz ist, läßt sich das Verhältnis vernachlässigbar klein halten. Wird wiederum der Anreicherungszustand gemäß Fig. 3 eingestellt, so werden die Elektronen der Überschußladung, welche im Verarmungszustand der Fig. 4 eingefangen wurden, mit den vom Substrat freigesetzten Löchern rekombiniert mit der

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Folge, daß die Elektronen der Uberschußladung als Majoritätsladungsträgerstrom (Löcherstrom) abgeführt werden. Werden also die unter Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschriebenen Zustände abwechselnd und wiederholt eingestellt, so läßt sich die Überschußladung abführen oder in anderen Worten "abpumpen". Die Absorptions-(Rekombinations-)Kapazität für Überschußladungsträger pro Zyklus, d.h. die Pump-

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kapazität pro Zyklus beträgt etwa 1x10 /μπι . Erfindungsgemäß wird die Überschußladung durch den oben beschriebenen Pumpbetrieb beseitigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend in Einzelheiten erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung auf eine Oberflächenkanal-Ladungstransfervorrichtung und den Bildsensor eines Rahmen-Transfersystems angewendet.

Wie dem Fachmann bekannt und in einer Prinzipskizze in Fig. 5 veranschaulicht, besteht ein Festkörper-Bildabtaster eines Rahmen-Transfersystems aus einem Bildabschnitt 21, der ein Ladungsmuster entsprechend einem aufgenommenen optischen Bild oder einer auftreffenden Lichtmenge erhält, einen Speicherabschnitt 22, der das Ladungsmuster oder die Videoinformation vom Bildabschnitt 21 zeit- weilig speichert sowie ein Horizontal-Schieberegister 23, welches die Signale vom Speicherabschnitt 22 beispielsweise in jeder Horizontalzeile an einen Ausgangs-Abfrageabschnitt 24 überträgt. Die soweit beschriebenen Elemente sind in der Regel auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet.

Der Bildabschnitt 21 ist üblicherweise zweiphasig ansteuer- bzw. abfragbar, was in Einzelheiten in der ver-

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größerten Prinzipdarstellung der Fig. 6 bzw. in der Schnittdarstellung der Fig. 7 veranschaulicht ist. Im vorliegenden Fall sei angenommen/ daß ein Halbleitersubstrat 30 eines bestimmten Halbleitertyps beispielsweise ein P-leitendes Siliciumsubstrat mit einer Verunreinigungskonzentration von beispielsweise 5 χ 10 /cm verwendet werde. Eine Oberfläche des Siliciumsubstrats 30 ist mit einer ersten Isolationsschicht 31a beispielsweise aus SiO₂ bedeckt,über der langgestreckte und in Horizontalrichtung parallel nebeneinander unter Einhaltung eines festgelegten Zwischenabstands verlaufende bandförmige erste Elektroden 32a aufgebracht sind. Eine zweite Isolationsschicht 31b beispielsweise ebenfalls aus SiO₂ bedeckt die ersten Elektroden 32a sowie die erste Isolationsschicht 31a zwischen den benachbarten ersten Elektroden 32a. Sodann sind ebenfalls bandförmige und in Horizontalrichtung verlaufende zweite Elektroden 32b aufgebracht, die Teile der zweiten Isolationsschicht, unter denen die erste Isolationsschicht 31a liegt, bedecken, und die insgesamt eine vergleichsweise große Dicke aufweisen.

In diesem Fall verlaufen die zweiten Isolationsschichten 32b unter Einhaltung eines festgelegten Zwischenabstands wie erwähnt - ebenfalls in Horizontalrichtung. Die benachbarten ersten und zweiten Elektroden 32a bzw. 32b sind jeweils paarweise elektrisch miteinander verbunden und die jeweils übernächsten Elektrodenpaare _f jeweils gebildet durch eine erste und eine zweite Elektrode 32a bzw. 32b_; sind zu elektrisch verbundenen Elektrodenpaaren 32₁ bzw. 32₂ zusammengeschaltet, die mit Spannungen 01 bzw. 02 beaufschlagt werden. In diesem Fall werden gemeinsame Spannungen den ersten und zweiten Elektroden 32a und 32b der jeweiligen Elektrodenpaare 32. und 32 _ zugeführt. Die Dicke der Isolationsschichten unter den ersten bzw. zweiten Elektroden 32a bzw. 32b sind erheblich unterschiedlich. So

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beträgt beispielsweise die Dicke der Isolationsschicht unter der ersten Elektrode 32a 140nm und die Dicke unter der zweiten Isolationsschicht 32b wird zu 240^nm gewählt, so daß - wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben - das 5 Oberflächenpotential des Substrats 30 (Minimumpotential) unter den ersten und zweiten Elektroden 32a und 32b in bezug auf die Anordnungsrichtung der Elektroden, d.h. in Richtung des Ladungsübertrags unsymmetrisch wird.

Auf dem bzw. in dem Substrat 30 sind außerdem Kanalbegrenzerbereiche 33 ausgebildet, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie jener des Substrats 30 sind, jedoch im Vergleich zu letzterem eine ausreichend hohe Verunreinigungskonzentration aufweisen. Diese ebenfalls bandförmigen Kanalbegrenzerbereiche 33 verlaufen quer, beispielsweise senkrecht zur Längsrichtung der jeweiligen Elektroden 32a bzw. 32b unter Einhaltung eines festgelegten Abstands zwischen benachbarten Begrenzerbereichen und mit Ausrichtung auf die Oberfläche des Substrats 30. Ein Ladungstransferkanal ist damit durch den Bereich zwischen benachbarten Kanalbegrenzerbereichen 33 festgelegt. Ein aufzunehmendes optisches Bild wird von der Seite bzw. von der Seite des Substrats 30, auf der die Elektroden 32a und 32b liegen, oder auch von der anderen Seite auf den Bildabschnitt 21 projiziert. Ist vorgesehen, das Bild von der Elektrodenseite auf das Substrat 30 zu projizieren, so müssen die Elektroden 32a bzw. 32b als Transparentelektroden ausgebildet sein.

Während der Speicherperiode für das aufgefangene Licht im Bildabschnitt 21 wird ein spezieller der Erfindung zugrundeliegender Prozeßschritt hinsichtlich des BiId-

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abschnitts 21 durchgeführt, um überschüssige Ladungsträger zu entfernen/ d.h. um auf der Grundlage der oben kurz abgeleiteten Funktionstheorie überschüssige Ladungsträger abzupumpen. Die Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen den Spannungen 01 und 02, die an die jeweiligen Elektrodenpaare 32₁ und 32₂ angelegt werden, während die Teilschnittdarstellung des Bildabschnitts 21 nach Fig. 9A im wesentlichen der Darstellung von Fi.g 7 entspricht. Fig. 9B und 9C zeigen Oberflächen-Potentialdiagramme des Bildabschnitts 21 in den jeweiligen Zuständen, d.h., wenn die dem einen Elektrodenpaar 32₂ zuzuführende Spannung 0₂ als festgelegter positiver Spannungswert Vj,₂„ beispielsweise mit + 10V während der Lichtaufnähme-und -Speicherperiode von ti bis t2 zugeführt wird, beispielsweise für jede übernächste Bild- oder Rahmenperiode von ti bis t3, die nachfolgend als A-Periode bezeichnet wird, um eine Potentialwanne, d.h. einen Speicherabschnitt S für die Minoritätsladungsträger in jenem Substratbereich zu erzeugen, der der Unterseite der ersten Elektrode 32a eines Elektrodenpaars 32_ entspricht, wie in den Fig. 9B und 9C verdeutlicht. Auf diese Weise werden Ladungsträger, d.h. eine Informationsladung, die durch auftreffendes Licht erzeugt wurde, in den entsprechenden Speicherabschnitten S gespeichert, die in den Fig. schraffiert sind. Im dargestellten Beispiel ist die verarbeitbare Ladungsspeichermenge für die jeweiligen Speicherabschnitte S bestimmt durch eine Potentialdifferenz Δ E zwischen oder unter den Elektroden 32a und 32b des jeweiligen Elektrodenpaars 32₂ und eine die Differenz Δ Ε überschreitende Ladung führt zu einer Uberschußladung f. Während des Zeitintervalls von ti bis t2 werden die Elektroden 32a und 32b des anderen Elektrodenpaars 32.. mit einem festgelegten negativen Spannungswert V^- von beispielsweise - 5V beaufschlagt,

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so daß die Oberfläche des Substrats unter dem Abschnitt der Elektroden des Elektrodenpaars 32.. in den Anreicherungszustand versetzt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine

Zeitperiode T / während der die in Verbindung mit Fig. 3 a

beschriebene Rekombination erfolgt_/sowie eine Zeitperiode Τ,, während der ein positiver Spannungswert V^_1M von beispielsweise + 5V am Elektrodenpaar 32.. liegt, so daß an der Oberfläche des Substrats im Abschnitt unter dem Elektrodenpaar 32.. ein Potential auftritt, das einen Verarmungs- oder Inversionszustand bildet und Überschußladungen f, die durch die vorhergehende Rekombination freigesetzt werden, werden durch den Oberflächenzustand eingefangen. Die Perioden T und *C, werden wiederholt. Die Fig. 9B zeigt den Zustand während der Periode T"_a und die Fig. 9C den Zustand während der Periode ¹Cj₃.

Während der Lichtempfangs- und -speicherperiode von t.. bis t₂ bilden sich Sperren, und zwar mindestens durch die Potentiale unter den zweiten Elektroden 32b der Elektrodenpaare 32.., die verhindern, daß Ladungsträger in den jeweiligen Speicherbereichen S gemeinsam tibertragen werden, wie die Fig. 9B und 9C verdeutlichen.

Während der Periode von t₂ bis t^, also nach der Lichtempfangs- und -speicherperiode von t.. bis t₂ beispielsweise während der Vertikalaustastlücke eines Fernsehbilds wird die Ladung vom Bildabschnitt 21 zum Informationsspeicherabschnitt 22 in herkömmlicher Weise, also beispielsweise dadurch übertragen, daß zweiphasige Taktspannungen den Elektrodenpaaren 32.. und 32~ zugeführt werden, so daß ein abgestufter Potentialverlauf in sequentieller Folge vom Elektrodenpaar 32- zum Elektrodenpaar 32, und umgekehrt entsteht, der - wie die ausgezogene Linie b in

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Fig. 1 erkennen läßt, asymmetrisch verläuft - um Ladungsträger entlang der zwischen benachbarten Kanalbegrenzerbereichen 33 (vgl. Fig. 6) festgelegten senkrechten Linie zum Informationsspeicherbereich 22 (vgl. Fig. 5) zu übertragen.

Während der Lichtempfangs- und -speicherperiode von t₃ bis t₄ in der folgenden Rahmenperiode (die nachfolgend als B-Periode) bezeichnet ist (vgl. Fig. 8) werden die Elektrodenpaare 32. und 32„ mit Spannungen 0. und 0, beaufschlagt, deren Spannungsrelation zu den Spannungen 0<j und 05 während der Lichtempfangs- und -speicherperlode von t,- bis t- in der früheren Α-Periode entgegengesetzt ist, um unter der ersten Elektrode 32a des Elektrodenpaars 32.. den Speicherbereich S zu erzeugen, der sich vom Speicherbereich S unter der Elektrode 32a des Elektrodenpaars 322 in der Α-Periode unterscheidet. Während der B-Periode (die auch als B-Rahmenperiode bezeichnet werden kann), entsteht während der Dauer TL unter dem Elektrodenpaar

32₂ der Anr ei cherungs zustand und während der Dauer *£*V der Verarmungszustand. Das heißt, die dem Elektrodenpaar 32_o zuzuführende Spannung 02 wird so gewählt, daß die während der Perioden t „ und L w zugeführten Spannungen

a ο

sich wiederholen.

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Während des Zeitintervalls von t. bis tr nach der Lichtempfangs- und -speicherperiode von tg bis t- dienen die zweiphasigen Taktspannungen 0- und 0₂ zum Ladungsübertrag in den Bildspeicherabschnitt 22.

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Da der Bildspeicherbereich 22, das Horizontalschieberegister 23 und der Ausgangs- oder Signalabfühlbereich 24, die im hinteren Abschnitt des Bildbereichs 21 angeordnet sxnd, im wesentlichen genauso angeordnet und aufgebaut sind wie bei einem bekannten Festkörper-Bildabtaster für Rahmen-Ubertragsysterne, kann eine in Einzelheiten gehende Beschreibung erübrigt werden.

Wie bereits erwähnt, ist gemäß der Erfindung ein Speicherbereich vorhanden, der die durch das während der entsprechenden Lichtempfangs- und -Speicherperiode darauf projizierte Licht erzeugten Ladungsträger (Minoritätsladungsträger) speichert, und an diesen Speicherbereich grenzt ein Abschnitt an, in dem der erwähnte Pumpvorgang durch wiederholtes Umschalten vom Anreicherungs- in den Verarmungszustand und umgekehrt erfolgt, um die Rekombination der durch den Oberflächenzustand und die durch die Überschußladung f des Oberflächenzustands (d.h. eine Leerstelle) eingefangenen Ladungen zu rekombinieren; in anderen Worten: angrenzend an den Speicherbereich sind Mittel vorgesehen, um die Überschußladungen zu beseitigen. Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme läßt sich der Überstrahleffekt, falls die oben erläuterte partielle Bildüberhellung aufgrund von Überschußladungen auftritt, sehr wirksam beseitigen.

Im vorliegend beschriebenen Fall werden die Überschußladungen (Minoritätsladungsträger) schließlich als Majoritätsladungsträgerstrom vom Substrat abgesaugt, so daß die Gefahr beseitigtist, daß dieseüberschußladungen in die Nähe anderer Speicherbereiche gelangen können, in denen dann - wenngleich möglicherweise in schwächerer Ausbildung - immer noch Überstrahlphänomene entstehen können. Wichtig im Zusammenhang mit der Erfindung ist, daß anders als beim Stand der Technik

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kein weiterer Drain-Bereich benötigt wird, d.h. ein Bereich, der sich vom Leitfähigkeitstyp des Substrats unterscheidet, so daß eine höhere Integrationsdichte erzielbar ist.

Bei dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die im Speicherbereich S aufnehmbare Ladungsmenge, d.h. die Sättigungsladung bestimmt durch die Potentialdifferenz Δ E zwischen dem Abschnitt unter der den Speicherbereich S bildenden Elektrode und jenen Elektroden, die mit der erstgenannten verbunden sind (vgl. die Fig. 9B und 9C). Es ist jedoch möglich, daß - wie in Fig. 8 in gestrichelter Linie gezeigt - die Spannungen 01 und 02 mit der Periode T", während der Lichtempfangs- und -Speicherperioden von ti bis t2 und von t3 bis t4 als ein Spannungswert 0s gewählt werden, der höher liegt als die Spannungen V₆J₂Ji ^und ^Vc41h' ^^e ^^as Elekfcrodenpaar beaufschlagen, das den Speicherbereich S bildet, beispielsweise zu +12V (im Vergleich zu +10V), um die aufnehmbare Ladungsmenge zu begrenzen. Dies bedeutet beispielsweise hinsichtlich der Lichtempfangs- und -speicherperiode innerhalb der Α-Periode, daß der Oberflächenpotential zustand während der Dauer f ähnlich jenem wird, der in Fig. 9B veranschaulicht ist, was die Fig. 9D zeigt. Während der Dauer T"_b jedoch bildet sich unter der zweiten Elektrode 32b des Elektrodenpaars 32.. für den Speicherbereich S eine Sperre ΔΕ^ (vgl. Fig. 9E). Zu diesem Zeitpunkt (innerhalb der Periode oder Dauer Tw) wird die Spannung höher gewählt als 02, so daß die Sperre Δ E, kleiner wird als die Sperre Δ E unter der zweiten Elektrode 32b des Elektrodenpaars 32-. Die durch den Speicherbereich S aufnenra-'jare Ladungsmenge ist damit bestimmt durch die Sperre Δ E₁. was zur Folge hat, daß die Überschußladung f über die Sperre Δ E, hinweggeht und dann durch den Oberflfichenzustand unter der ersten Elektrode 32a des Elektrodenpaars 32.. eingefangen

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wird. Die Beseitigung der Überschußladung erfolgt durch einen ähnlichen Pumpvorgang wie oben beschrieben, d.h. diese Überschußladung wird vom Substrat als Majoritätsladungsträgerstrom abgeführt. Wird die durch den Speicherbereich S aufnehmbare Ladungsmenge auf der Pumpseite beschränkt, so kann die Sättigungsladungsmenge durch Wahl der Höhe der Sperre ^ E, oder der Spannung 0s gewählt werden, so daß sich eine sogenannte (^-Korrektur oder AGC-Korrektur durch entsprechende Einstellung und überwachung der Spannung 0s erreichen läßt.

Das in den Fig. 6 bis 9 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf einen durch zweiphasige Taktimpulse steuerbaren Bildabtaster. Die Erfindung läßt sich jedoch auch auf vierphasig steuerbare Typen, dreiphasig zu steuernde Typen oder ganz generell auf solche Ausführungsformen mit unterschiedlicher Taktimpulssteuerung anwenden. Bei der in den Fig. 10 und 11 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um einen Bildabtastertyp für dreiphasige Taktimpulssteuerung. Hier ist die Oberfläche eines HaIbleitersubstrats 30 (beispielsweise eines Siliciumsubstrats) mit einer SiO^-Isolationsschicht 31 gleichförmiger Dicke von beispielsweise 120nm überdeckt, über der Isolationsschicht liegen unter Einhaltung eines festgelegten gegenseitigen Abstands in Horizontalrichtung parallel verlaufende bandförmige Elektroden. In diesem Fall sind die jeweils dritten Elektroden miteinander verbunden, so daß sich drei Elektrodenpaare 32.., 32„ und 32₃ ergeben, die durch Spannungen 01, 02 bzw. beaufschlagt sind.

Die Spannungen 01, 02 und 03 werden wie folgt gewählt:

Wie beispielsweise die Fig. 12 zeigt, kann das der Elektrode 32^ während der Lichtempfange- und -spelcherperiode von ti bis t2 zuzuführende Potential01 als vorgebbarer nega-

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tiver Spannungswert V^₁₁ beispielsweise -5V gewählt werden, um die Substratoberfläche unter der Elektrode 32₁ im Anreicherungszustand zu halten. Die Spannung 02, die während der Periode von ti bis t2 die Elektrode 32₂ beaufschlagt, wird als negativ vorgebbarer Spannungswert V^-t ^mit beispielsweise -5V gewählt, um die Substratoberfläche unter der Elektrode 32₂ in den Anreicherungszustand zu versetzen und die Pumpspannung während der Periode L zuzuführen, so daß die in Verbindung mit Fig. 3 erläuterte Rekombination stattfindet. Während der Periode t~, dagegen wird an diese Elektrode eine positive vorgegebene Spannung V^-u ^von beispielsweise +5V zugeführt, um die während der Rekombinationsphase durch den entsprechenden Oberflächenzustand eingefangenen überschüssigen Ladungsträger auszuräumen, was oben in Verbindung mit Fig. 4 erläutert wurde. Die der Elektrode zuzuführende Süannung 03 dagegen wird als positiver festgelegter Spannungswert ν^_3Η mit beispielsweise 10V gewählt, um auf der Substratoberfläche unter der Elektrode 32^ eine Potentialwanne zu erzeugen, die den Speicherbereich S für die Informationsladung darstellt.

Die Fig. 13B und 13C zeigen Potentialdiagramme der in Fig. 13A entsprechend der Fi. 11 nochmals dargestellten Vorrichtung für die Perioden T~_a und T^. Im Zustand der Fig. 13B, d.h. für die Periode X~_a steht der unter den Elektroden 32.. udn 32- liegende Substratbereich im Anreicherungszustand, so daß die durch den OberflXchenzustand eingefangenen Ladungen rekombiniert werden. Im Zustand der Fig. 13C, d.h. für die Periode T_b wird die überschüssige Ldung f durch den vakanten Oberflächenzustand unter der Elektrode 32₂ eingefangen. Diese eingefangene überschüssige Ladung wird im nachfolgend wiedereingestellten Zustand gem. Fig. 13B rekombiniert und beseitigt. Dieser Betrieb

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läuft abwechselnd ab, um die überschüssigen Ladungsträger abzupumpen, d.h. zu beseitigen. Der übertrag der Signalladungen vom Lichtempfangs- und -Speicherbereich in den Informationsspeicherbereich erfolgt durch Anlegen der dreiphasigen Taktspannungen Vw_1R, V^₃₃ und V^₃₁₁ an die jeweiligen Elektroden innerhalb der Periode von t2 bis t3. Selbst während der Lichtempfangs- und -Speicherperiode von t3 bis t4 während der B-Rahmenperiode werden den jeweiligen Elektroden ähnliche Spannungen zugeführt wie während der Periode ti bis t2, um die Beseitigung überschüssiger Ladungen zu gewährleisten.

Unter Bezug auf die schematische Darstellung der Fig. 14 wird die Erfindung nachfolgend in Anwendung auf einen eindimensionalen Festkörper-Bildabtaster oder eine Bildaufnahmevorrichtung, d.h. einen sogenannten "Zeilensensor" beschrieben. In diesem Fall ist eine Mehrzahl von Speicherbereichen oder Lichtempfänger- und -Speicherbereichen 41a, die eine einem auftreffenden Lichtbild entsprechende Ladungsträgermenge speichern, entlang einer Linie oder Zeile angeordnet und bilden insgesamt einen Bildsensorbereich 41. Zu beiden Seiten des Bildsensorbereichs 41 ist je ein Schieberegister 42A bzw. 42B angeordnet, so daß sich eine Zweikanal-Aufnahmevorrichtung ergibt. Die bei Lichtempfang durch einen ersten und jeweils übernächste Speicherbereiche 41a erzeugten Ladungsträgermengen, d.h. Informationsladungen werden in das Schieberegister 42A oder 42B übertragen und dann abwechselndüüber eine Ausgangsschaltung 43 ausgelesen. Die Abfrage der Informationsladungen erfolgt sequentiell.

Fig. 15 zeigt die vergrößerte Teildraufsicht auf einen wesentlichen Teil dieses Ausführungsbeispiels einer eindlmen-

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sionalen Zweikanal-Bildaufnahmevorrichtung mit erfindungsgemäßen Merkmalen und die Fig. 16 und 17 zeigen Schnittdarstellungen, gesehen in Richtung der Pfeile an den Linien A-A bzw. B-B in Fig. 15.
5

Diese eindimensionale Zweikanal-Bildaufnahmevorrichtung besteht im wesentlichen aus einem beispielsweise P-leitenden Siliciumhalbleitersubstrat 50 mit einer Verunreinigungs-

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konzentration von 5x10 /cm und einer die Oberfläche des Substrats 50 abdeckende SiC^-Isolationsschicht 51 mit einer Dicke von 120nm. Ein Kanalbegrenzerbereich 53 mit gleicher Leitfähigkeit, jedoch höherer Verunreinigungskonzentration wie das Substrat 50 ist in der Oberfläche des Substrats 50 vorhanden. Dieser Kanalbegrenzerbereich 53 besteht aus bandförmigen Abschnitten 53a, die parallel zueinander und in Querrichtung zu den entsprechenden Lichtempfangs- und -Speicherbereichen 41, d.h. der Richtung der Sensorbereiche 41 angeordnet sind, so daß die einzelnen Lichtempfänger- und -Speicherbereiche 41a voneinander getrennt sind,· über Abschnitte 53b, die sich in Richtung des Sensorbereichs 41 erstrecken, sind die einen Enden benachbarter Kanalbegrenzerabschnitte

die 53a verbunden. In diesem Fall verbinden Abschnitte 53b außerdem jeweils übernächste Enden, so daß der Kanalbegrenzerbereich 53 insgesamt als zickzackförmiges Muster vorliegt.

über der Isolationsschicht 51 ist beispielsweise eine transparente bandförmige Sensorelektrode, eine sogenannte Photogate-Elektrode 54 aufgebracht, die die durch die Abschnitte 53a des Kanalbegrenzerbereichs 53 erfaßten Abschnitte entlang der Mittellinie des Substrats 50 überschneidet. Zu beiden Seiten der Photogate-Elektrode 54 sind auf der Schicht 51 bandförmige parallel zueinander verlaufende Pump-Elektroden 55A und 55B angeordnet, die in nach-

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folgend näher zu beschreibender Weise zur Beseitigung der Überschußladung dienen. Entlang der beiden äußeren Seiten der Elektroden 55A und 55B sind auf der Schicht 51 Transfer-Gateelektroden 56A bzw. 56B aufgebracht. 5

Die Schieberegister 42A und 42B liegen außerhalb der Abschnitte 53b des Kanalbegrenzerbereichs 53. Die Schieberegister 42A und 42B können als Oberflächenkanal oder als versenkter Kanal und sowohl für zweiphasige, dreiphasige, vierphasige als auch allgemein mehrphasige Taktspannungen ausgelegt sein; sie sind jedoch so angeordnet, daß die jeweiligen Steuerbits immer dem jeweils übernächsten Lichtempfangs- und Speicherbereich 41a zuzuordnen sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schieberegister 42A und 42B als versenkte Kanal-Ladungstransferelemente für zweiphasige Ansteuerung ausgebildet. Wie die Fig. 15 und 17 erkennen läßt, überdecken erste Isolationsschichten 51a beispielsweise aus SiO₂ mit einer Dicke von 240nm die Oberfläche des Substrats 50 und erste Elektroden 57a sind auf den ersten Isolationsschichtabschnitten 51a unter Einhaltung festgelegter Zwischenabstände ausgebildet. Die jeweiligen ersten Elektroden 57a sind so angeordnet, daß sie auf Abschnitte zwischen benachbarten Abschnitten 53a des Kanalbegrenzerbereichs 53 ausgerichtet sind und einander gegenüberstehen, gegebenenfalls über einen dazwischenliegenden Abschnitt 53b. Zweite Isolierschichtabschnitte 51b, beispielsweise aus SiO₂ mit einer Schichtdicke von 120nm überdecken die Oberfläche des Substrats 50 zwischen benachbarten ersten Elektroden 57a und über diesen Isolierschicht- abschnitten 51b sind jeweils zweite Elektroden 57b aufgebracht. Jeweils benachbarte erste und zweite Elektroden 57a und 57b sind miteinander verbunden und jeweils jedes zweite so gebildete Elektrodenpaar 57a, 57b ist elektrisch ver-

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bunden, so daß sich zwei Paare von Elektroden 57A1, 57A2 bzw. 57B1, 57B2 ergeben, die einem jeweiligen Schieberegister 42a bzw. 42b zugeordnet sind. In den Fig. 16 und 17 ist ein an der Oberfläche des Substrats 50 ausgebildeter versenkter Kanalbereich 58 vorhanden, dessen Leitfähigkeit sich vom Leitfähigkeitstyp des Substrats 50 unterscheidet.

Ein Bild wird in diesem Fall direkt auf den Sensorbereich 41 projiziert, d.h. die Sensorelektrode 54 ist transparent.

Unter Bezug auf die Fig. 18 sowie auf die Fig. 19A bis D wird nachfolgend die Arbeitsweise der in ihrem Aufbau beschriebenen eindimensionalen Bildaufnahmevorrichtung erläutert, wobei die Schnittdarstellung der Fig. 19A im wesentlichen jener der Fig. 16 entspricht.

Eine Spannung 0s beaufschlagt die Sensorelektrode 54, so daß sich Potentialwannen für Minoritätsladungsträger in den jeweiligen Teilabschnitten 41a des Sensorbereichs 41 bilden; dabei wird eine vorbestimmte positive Spannung Vs so gewählt, daß sich in diesem Bereich ein Zustand ausbildet, durch den Minoritätsladungsträger gespeichert werden; die Spannung Vs wird beispielsweise zu +15V gewählt. Eine während der Lichtempfangs- und -Speicherperioden von ti bis t2, von t3 bis t4, ... den Transfergateelektroden 56A und 56B zuzuführendes Potential wird durch eine wählbare Spannung V_t_ von beispielsweise OV bestimmt, so.dafl sich auf den Substratoberflächenbereichen unter den Elektroden 56* und 5fB die Sperren für die Minorität«ladungsträger ausbilden. Ein die Pumpelektroden 55A und 55B während der Ferioden ti bis t2, _3 bis t4, zu beaufschlagendes Potential #_ wird während der Dauer TT durch eine festgelegte Spannung V__ von beispielsweise -5V festgelegt, so dal während dieser Seit sich ein An-

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reicherungszustand an den Flächenabschnitten unter den Elektroden 55A und 55B ergibt und während der Dauer L , durch eine positive Spannungs V von beispielsweise +5V bestimmt ist, so daß sich jetzt an den gleichen Substrat-5 Oberflächenabschnitten ein Verarmungs- oder Inversionszustand ausbildet. Diese Zustände wechseln ab, wie die Fig. erkennen läßt. Die Perioden von ti bis t2, von t3 bis t4, .... entsprechen jenen Zeitabschnitten, in denen die Informationsladungen von den Schieberegistern 42A und 42B sequentiell an die Ausgangsschaltung 43 übertragen werden, so daß eine Steuerung durch zweiphasige Taktspannungen, nämlich die Potentiale bzw. Spannungen 0_1A, 0_2A und 0_1ß, 0_2ß möglich ist, die die beiden Elektrodenpaare 57A1, 57A2 bzw. 57B1, 57B2 der Schieberegister 42A bzw. 42B beaufschlagen.

Während der Perioden von t2 bis t3, von t4 bis t5, werden die Ladungsträger vom Sensorbereich 41 zu den Schieberegistern 42A und 42B übertragen. Während dieser Perioden t2 bis t3, t4 bis t5, .... wird das an die Transfergateelektroden 56A und 56B anzulegende Potential 0t durch eine positive festgelegte Spannung V.„ von beispielsweise +15V bestimmt, während das die Pumpelektroden 55A und 55B beaufschlagende Potential 0P festgelegt ist durch eine positive Spannung V_p„ von beispielsweise +10V, diealso höher liegt als die

Pumpspannung V ... Die Potentiale 0_2A und 0^_ß/ äxe an die

Elektrodenpaare der Schieberegister 42A und 42B entsprechend jedem übernächsten Lichtempfänger- und -Speicherbereich 41a also im dargestellten Beispiel an die Elektroden 57A2 und 57B1 anzulegen sind, werden durch eine positive Spannung V_CH

von beispielsweise +20V bestimmt. Auf diese Weise ergeben

•Um
sich Minimumpotentiale für den versenkten Kanal unter den Elektroden in jedem Fall so, daß die Informationsladung (Minoritätsladungsträger) gespeichert wird.

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Als Ergebnis zeigt sich während der Lichtempfangsund -speicherperioden von ti bis t2, t3 bis t4, ... eine Potentialwanne im Lichtempfangs- und -Speicherbereich 41A unter der Sensorelektrode 54, was in den Figuren 19B und 19C veranschaulicht ist. In dieser Wanne wird die Informationsladung gespeichert. Während des Periodenabschnitts bzw. der

Dauer T* innerhalb der Perioden von ti bis t2, von t3 bis a

t4, befinden sich die Substratoberflächenbereiche

unter den Pumpelektroden 55A, 55B und unter den Transferelektroden 56A, 5 6B im Anreicherungszustand und bilden eine Sperre^ die verhindert, daß die im Speicherbereich 41a gespeicherten Ladungsträger übertragen werden und gleichzeitig werden die durch den Oberflächenzustand eingefangenen Ladungsträger rekombiniert, wie oben in Verbindung mit Fig.

erläutert. Während des nächsten Zeitabschnitts mit der

Dauer I . sind die Substratoberflächenabschnitte unter den b

Elektroden 55A und 55B,die an den Abschnitt 41a anschließen, auf Verarmungszustand geschaltet (vgl. Fig. 19C) und die im Speicherbereich 41a aufgetretene Überschußladung f wird durch den aufgrund der vorhergehenden Rekombination leeren Oberflächenzustand eingefangen, was in ähnlichem Zusammenhang oben bereits in bezug auf die Fig. 3 erläutert wurde. Die Beseitigung durch Rekombination erfolgt dann im nächstfolgenden Zeitabschnitt der Dauer T~_· Die Überschußladung f im Speicherbereich 41a wird also in den an den Speicherbereich 41 angrenzenden Abschnitten durch die sich abwechselnd wiederholenden Perioden IT und L _b"abgepumpt" und beseitigt. Während dieses Pumpbetriebs verhindert das Potential unter den Transfergateelektroden 56A und 56B das übertragen der Ladung vom Speicherbereich 41a zu anderen Bereichen, d.h. in die Schieberegister 42a und 42b und außerdem verhindert der Kanalbegrenzerbereich 53 eine gegenseitige Vermischung

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der Ladungen in den einzelnen Speicherabschnitten 41a.

Wie die Fig. 19D zeigt, wird in den nächsten Perioden von t2 bis t3, von t4 bis t5, .... die Potentialsperre im Abschnitt unter den Transferelektroden 56A und 56B entfernt, in denen kein Teilabschnitt 53b des Kanalbegrenzerbereichs 53 vorhanden ist. Die Informationsladung im Lichtempfangs- und -speicherabschnitt 41a wird damit in den Bereich unter der ersten Elektrode 57a des Schieberegisters 42A und 42B übertragen.

Die jetzt in den Schieberegistern 42A bzw. 42B stehende Informationsladung wird dann während der nächsten Perioden von t3 bis t4, von t5 bis t6, ... durch Anlegen von zweiphasigen Taktspannungen 0_1A» 0_2A bzw. 0*_B> 0_2B ²^r Ausgangsschaltung 43 übertragen. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt gleichzeitig wieder der zurvor beschriebene Vorgang des Lichtempfangs und die entsprechende Ausbildung einer Speicherladung im Sensorabschnitt 41.

Die im Lichtempfangs- und Speicherabschnitt 41a des Sensorbereichs 41 verarbeitbare Ladungsmenge, d.h. die Sättigungsladung ist bestimmt durch eine Differenz £ Es zwischen dem Potential im an den Speicherabschnitt 41a angrenzenden Bereich unter den Pumpelektroden 55A und 55B während der Dauer t . (siehe Pig. 19C) und dem Potential während der Ubertragperiode zu den Schieberegistern (vgl. Fig. 19D). Wie die Fig. 19D zeigt, verbleibt beim dargestellten Ausführungsbeispiel im Speicherabschnitt 41a eine Ladung r, die nicht in die Schieberegister 42A und 42B übertragen wird. Diese Ladung r hat jedoch auf das Auslesen der Information keinen Einfluß; sie ist vielmehr als stets vorhandene Permanentladung anzusehen.

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Bei der unter Bezug auf die Fig. 16 bis 19 beschriebenen eindimensionalen Bildaufnahmevorrichtung besteht die erfindungsgemäße Einrichtung zur Beseitigung der erwähnten Überschußladung im wesentlichen aus den Pumpelektroden 55A und 55B, die entlang beider Seiten der Lichtempfangs- und -speicherabschnitte 41a verlaufen, welche durch den Kanalbegrenzerbereich 53 getrennt sind. Die vergrößerte Teilansicht der Fig. 20 verdeutlicht jedoch eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung der Überschußladung. In diesem Fall sind die Abschnitte 53b des Kanalbegrenzerbereichs 53 so verbreitert, daß sie bis unter eine der Pumpelektroden 55A oder 55B reichen, so daß die Einrichtung zur Beseitigung der Überschußladung nur auf einer Seite des Lichtempfangs- und -speicherabschnitts 41a vorhanden ist. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, auch die oben in Verbindung mit Fi.g 19 erwähnte restliche Ladung r zu beseitigen.

Das Schaubild der Fig. 21 verdeutlicht den Verlauf von Spannungen, die in der erläuterten Weise den Elektroden beim Ausführungsbeispiel der Fig. 20 zugeführt werden, während die Fig. 22 mit ihren Teilabschnitten 22A bis 22C zur Verdeutlichung der Minimumpotentiale in unterschiedlichen Zeitabschnitten dient, wenn gleichzeitig die Teilschnittdarstellung der Fig. 22A betrachtet wird, die einem Schnitt, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie A-A in Fig. 20 entspricht. Bei diesem Beispiel wird das die Sensorelektrode 54 beaufschlagende Potential 0s während aller Perioden bestimmt durch eine positive festgelegte Spannung Vs von beispielsweise +10V. Das an den Transfergateelektroden 56A und 56B während der Lichtempfangs- und -Speicherperioden von ti bis t2_f von t3 bis t4, ... liegende Potential 0t ist - ähnlich wie beim vorhergehenden Beispiel - bestimmt durch eine festgelegte Spannung V von beispielsweise OV und das die Pumpelektroden

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55A und 55B während der Perioden von ti bis t2, von t3 bis t4, beaufschlagende Potential 0P ist - wiederum ähnlich wie beim vorhergehenden Beispiel - während der Perioden L bzw. f", durch negative bzw. positive Spannungen V_._T bzw. V_„ von

ir Li JrM beispielsweise -5V bzw. +5V festgelegt, die im Wechsel den Pumpvorgang bestimmen. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schieberegister 42A bzw. 42B mit den Taktspannungen versorgt.

Während der folgenden Perioden von t2 bis t3, von t4 bis t5, ...., in denen der Übertrag der Informationsträgerladung vom Sensorbereich 41 zu den Schieberegistern 42A und 42B erfolgt, werden die Transfergateelektroden 56A und 56B durch das Potential 0t beaufschlagt, das festgelegt ist durch die Spannunge V.„ von beispielsweise +20V. Das zu diesem Zeitpunkt an den Pumpelektroden 55A und 55B liegende Potential 0P ist festgelegt durch die Spannung V_„, die beispielsweise um +15V höher liegt als die Pumpspannung V_pM· Durch Wahl einer positiven Spannung V_c„ von beispielsweise +25V werden die an die Elektrodenpaare der Schieberegister 42A und 42B für jeden übernächsten Lichtempfangs- und -speicherabschnitt 41a oder im gewählten Beispiel für die Elektroden 57A2 und 57B1 maßgeblichen Potentiale 0~_A und 0_lß bestimmt.

Auf diese Weise werden während der Lichtempfangs- und -speicherperioden ti bis t2, t3 bis t4, ...,die außerdem Ladungsübertragperioden für die Schieberegister 42A und 42B sind, was in den Fig. 22B und 22C dargestellt und in Verbindung mit den Fig. 19B und 19C beschrieben wurde, die Überschußladungen f durch den Pumpvorgang beseitigt. In diesem Fall erfolgt die Beseitigung der Überschußladungen lediglich auf einer Seite des Speicherbereichs 41a. Während der folgenden Perioden von t2 bis t3, von t4 bis t5, ... bildet sich ein treppenförmiges Potential (vgl. Fig. 22D) und im

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wesentlichen die gesamte im Speicherbereich 41a vorhandene Informationsladung wird in die Schieberegister 42A und 42B übertragen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Pumpspannung und die zweiphasigen Taktspannungen für die Schieberegister 42A und 42B als unabhängige Spannungen zugeführt. Es ist jedoch auch möglich, eine der zweiphasigen Taktspannungen als Pumpspannung zu verwenden. Für diesen Fall wird die Pumpelektrode dadurch gebildet, daß ein Teil eines Elektrodenpaars des Schieberegisters 42A und/oder 42B vergrößert wird.

Nachfolgend wird der Fall betrachtet, daß die Erfindung auf eine zweidimensionale Bildaufnahmevorrichtung eines Interline-Transfersystems angewendet wird. Ein Festkörper-Bildabtaster für ein solches Interline-Transfersystem wird zunächst allgemein unter Bezug auf die Fig. 23 erläutert.

Dieser Festkörper-Bildabtaster besteht aus einer Mehrzahl von Lichtempfangs- und -speicherabschnitten 61, die als Bildelemente dienen und auf die ein Lichtbild auftrifft und in Informationsladungen umgesetzt wird. Diese Lichtempfangs- und -speicherabschnitte 61 sind nach Zeilen und Spalten geordnet, d.h. in Horizontal- und Vertikalrichtung ausgerichtet. In Vertikalrichtung verlaufende Schieberegisterbereiche 62, die jeweils aus Ladungstransferelementen gebildet sind, sind auf einer Vertikallinie angeordnet und für jede Vertikalspalte der Lichtempfangs- und -speicherabschnitte 61 vorhanden. Ein Horizontalschieberegisterbereich 63 besteht aus Ladungsübertragelementen und ist den Vertikalschieberegisterabschnitten 62 gemeinsam zugeordnet. Eine Ausgangs- oder

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Ausleseschaltung 64 ist mit dem Horizontalschieberegister 63 verbunden.

Bei diesem Festkörper-Bildabtaster ist vorgesehen, daß die in den Lichtempfangs- und Speicherabschnitten jeder übernächsten Horizontalzeile erzeugten Informationsladungen beispielsweise in einem ungeradzahligen Feld (Halbbild) in die Vertikalschieberegister 62 übertragen werden. Die Informationsladungsträger jeder Horizontalzeile werden von den Vertikalschieberegistern 62 zum Horizontalschieberegister 63 übertragen und über die Ausgangsschaltung 64 sequentiell aus dem Horizontalschieberegister 63 ausgelesen. Für ein geradzahliges Feld werden in entsprechender Weise die Informationsladungen aus den Lichtempfangs- und -Speicherbereichen 61 für die übrigen jeweils übernächsten Horizontalzeilen in die Vertikalschieberegister 62 übertragen. Sodann erfolgt in analoger Weise der übertrag in das Horizontalschieberegister 63 und zur Ausgangsschaltung 64,an der die Informationssignale in sequentieller Folge abgreifbar sind.

Die Fig. 24 zeigt die Draufsicht auf einen wesentlichen Teil des Festkörper-Bildabtasters eines Interline-Transfersystems, für das sich die Erfindung gut eignet. Der konstruktive Aufbau ähnelt im Prinzip jenem des bereits erläuterten eindimensionalen Bildabtasters. Aus diesem Grund sind in Fig. 24 die aus den Fig. 15 und 20 bereits bekannten Bereiche und Abschnitte mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet; eine in Einzelheiten gehende Erläuterung kann erübrigt werden. Bei der Fig. 24 entsprechen der Lichtempfangs- und -speicherabschnitt 61 und das Vertikalschieberegister 62 dem Lichtempfangs- und -speicherabschnitt 41a bzw. den Schieberegistern 42A und 42B bei den Fig. 15 bzw. 20. Der

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Kanalbegrenzerbereich 53 ist so gestaltet, daß die einzelnen Lichtempfangs- und -Speicherbereiche 61 und die gemeinsamen Abschnitte des Schieberegisters 62, die mit den Abschnitten 61 verbunden sind, getrennt werden, abgesehen von den einander entsprechenden Bereichen der Schieberegister 62, so daß der Bereich 53 die einander entsprechenden Abschnitte 61 umgibt außer jenen mit den Schieberegistern verbundenen Bereichen.

Die Vertikaleschieberegister 62 sind durch zweiphasige Taktspannungen steuerbar. Ähnlich wie oben bereits beschrieben, erstrecken sich die ersten und zweiten Elektroden 57a und 57b entlang der gemeinsamen Horizontalzeile des jeweiligen Schieberegisters 62, d.h. also in Horizontalrichtung und eine Bit-Stelle ist zwei in Horizontalrichtung benachbarten Abschnitten 61 zugeordnet. In jedem Schieberegister 62 ist die Dicke der Isolationsschicht unter der ersten Elektrode 57a dicker gewählt als jene unter der zweiten Elektrode 57b, so daß sich ein Speicherbereich St unter der ersten Elektrode 57a und ein Transferbereich Tr unter der zweiten Elektrode 57b ergibt. Zwischen dem Speicherbereich St und dem entsprechenden Lichtempfangs- und -speicherabschnitt 61 ist eine Transfergateelektrode 56 aufgebracht, so daß sich dort ein steuerbarer Bereich ergibt.

In diesem Beispiel ist die Transfergateelektrode 56 mit der zweiten Elektrode 57b gemeinsam bzw. dieser zugeorndet. Zwischen der Transfergateelektrode 56 und dem Speicherbereich 61 ist eine Pumpelektrode 55 vorgesehen, welche zur Beseitigung überschüssiger Ladungen dient.

Die auf dem Lichtempfangs- und -speicherabschnitt 61 ausgebildete Sensorelektrode 54 ist beispielsweise eine Transparentelektrode, die den jeweiligen Abschnitten 61 gemeinsam

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zugeordnet ist, so daß die Sensorelektrode 54 die gesamte Oberfläche bedecken kann.

Ein Festkörper-Bildabtaster eines Interline-Transfersystems nach oben beschriebenem Aufbau läßt sich ähnlich ansteuern wie ein gewöhnlicher Bildabtaster dieser Art. Die Pumpelektrode 55 jedoch wird während der Lichtempfangs- und -Speicherperiode durch ein Potential0P beaufschlagt, dem während der Dauer L eine Spannung entspricht, die einen Anreicherungszustand im dem Speicherbereich 61 benachbarten Abschnitt bewirkt, um die durch den Oberflächenzustand eingefangenen Ladungen zu rekombinieren. Während der Dauer L , dagegen wird eine Spannung zugeführt, die einen Verarmungsoder Inversionszustand zur Folge hat, so daß überschüssige Ladungsträger durch den Oberflächenzustand eingefangen werden. Durch die abwechselnd aufeinanderfolgenden Perioden bzw. Dauern L _a, T_b läßt sich die Überschußladung in jedem Lichtempfangs- und -Speicherbereich 61 ähnlich beseitigen wie oben in Verbindung mit einem eindimensionalen Bildabtaster beschrieben wurde.

Beim Beispiel der Fig. 24 besteht die Einrichtung zur Beseitigung der Überschußladung aus der zwischen den Speicherabschnitten 61 und der Transfergateelektrode 56 vorgesehenen Pumpelektrode 55. Diese Pumpelektrode 55 kann jedoch auch zu beiden Seiten jedes Speicherbereichs 16 ausgebildet sein und diesen einschließen oder auch nur auf einer Seite jedes Abschnitts 61 gegenüber der Transfergateelektrode 56. Es ist außerdem möglich, die Pumpelektrode 55 als von den anderen Elektroden getrennte Elektrode auszubilden oder gemeinsam mit einem der Elektrodenpaare der Schieberegister 62, wobei dann die Taktspannung auch als Pumpspannung dient. Wird die Taktspannung als Pumpespannung verwendet

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oder soll die oder eine Elektrode des Schieberegisters als Pumpelektrode benutzt werden, wie eben erwähnt, so kann die Breite des Kanalbegrenzerbereichs 53 zwischen benachbarten Speicherabschnitten 61 auf der jeweiligen Vertikallinie enfeprechend schmal ausgebildet werden. Bei einem üblichen Bildabtaster ist es erforderlich, daß die Verbindungsabschnitte der jeweiligen Elektroden der Schieberegister auf dem Kanalbegrenzerbereich 53 zwischen den Speicherabschnitten gegen die an die obige jeweilige Vertikalzeile anschließen. Aus diesem Grund muß bei einem gewöhnlichen Bildabtaster die Breite des Bereichs 53 relativ groß gewählt werden. Wird jedoch der Elektrodenverbindungsabschnitt als Pumpelektrode benutzt, so kann die Breite des Kanalbegrenzerbereichs 53 reduziert werden, d.h. es ist nicht erforderlich, die Gesamtfläche zu vergrößern, um die erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Beseitigung der überschüssigen Ladungsträger unterzubringen.

Bei der bisherigen Beschreibung wurde der Fall betrachtet, daß die Oberschußladungsträger im Ladungsspeicherbereich durch einen Oberflächenkanal beseitigt werden, d.h. durch eine Oberflächenkanal-Pumpeinrichtung. Die Erfindung läßt sich jedoch auch in entsprechender Weise mit einem versenkten Kanalbereich verwirklichen. Ein Ausführungsbeispiel dafür wird unter bezug auf die Fig. 25 und 26 beschrieben.

Die Fig. 25 und 26 zeigen ein Energiebändennodell für ein P-Si-Substrat, bei dem eine N~ -Schicht niedriger Verunreinigungskonzentration in der Oberfläche des Substrats ausgebildet und durch eine SiOj-Isolationsschicht überdeckt sowie mit einer darüberliegenden Gateelektrode versehen ist. Eine in bezug auf die N~ -Schicht negative Spannung wird an

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die Gateelektrode angelegt, um eine Inversionsschicht auf der Oberfläche der N~ -Schicht zu erzeugen. Auf der Oberfläche der Inversionsschicht oder auf der Oberfläche des Substrats entsteht auf diese Weise senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 25 und 26 angrenzend an die N~ -Schicht ein P-Typ-Kanalbegrenzerbereich mit hoher Verunreinigungskonzentration, so daß Löcher (+) der Majoritätsladungsträger des Substrats - geliefert durch den Kanalbegrenzerbereich gesammelt und Elektronen Q der Majoritätsladungsträger in der N~ -Schicht die durch den Oberflächenzustand gefangen werden (das Rekombinationszentraum ist in den Fig. 25 und 26 durch χ gekennzeichnet) rasch mit Löchern © rekombiniert werden. Bei diesem Oberflächenzustand verbleibt damit praktisch kein Elektron φ . Danach wird die Gateelektrode mit einer in bezug auf die N~ -Schicht positiven festgelegten Spannung beaufschlagt, um einen flachen Bandzustand zu erreichen. Existieren an der Oberfläche der N -Schicht Elektronen φ , so werden diese durch den vakanten Oberflächenzustand gefangen. Erscheint jetzt wiederum der Inversionszustand gemäß Fig. 25, so werden die eingefangenen Elektronen Q mit Löchern ^^ rekombiniert und beseitigt. Rühren die auf der N~ -Schicht evtl. vorhandenen Elektronen (^ von einer Überschußladung her, so läßt sich diese durch wiederholtes Einstellen der Oberflächenzustände gemäß den Fig. 25 und 26 beseitigen. Dieser Zustandswechsel entspricht dem oben erläuterten Abpumpen der überschüssigen Ladungsträger. In Fig. 26 wird der flache Bandzustand oder flache Potentialverlauf durch die an der Gateelektrode vorhandene Spannung erreicht. Betrachtet man jedoch den in Fig. 27 veranschaulichten Zustand, bei dem die Gatespannung konstant auf V„ gehalten wird, und Ladungsträger im als versenkter Kanal ausgebildeten Ladungsspeicherbereich gespeichert werden, so ändert

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sich mit ansteigender Ladungsträgermenge das Bändermodell, wie die Fig. b1, b2_f b3, ... bm, ... bn verdeutlichen sollen und erreicht schließlich den durch die Kurve bm gezeigten flachen Bandzustand, wenn die Ladungsträgermenge einen bestimmten Betrag erreicht. In diesem Fall geben die Abschnitte der einzelnen Kurven b1 bis bn zwischen den gestrichelten Linien C1,C2 die Position an, bei der, bei der Ladungsträger existieren können, d.h. der "flache" oder "ebene" Bandzustand ergibt sich als die Möglichkeit, daß ein an der Oberfläche der N~ -Schicht ankommender Ladungsträger eingefangen wird. Die Menge an Ladungsträgern, die zum flachen Bandverlauf führt oder die Sättigungsmenge an Ladungsträgern im versenkten Kanal (die aufnehmbare Ladungsmenge) läßt sich durch die Gatespannung V_r definieren.

Als ein Beispiel der Anwendung der erfindungsgemäßen Pumpfunktion auf einen Bildabtaster mit versenkten Kanalbereichen sei auf die Fig. 28 und folgende Bezug genommen. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich dabei auf einen Festkörper-Bildabtaster eines Interline-Transfersystems mit versenkter Kanalstruktur und einem Aufbau, der im wesentlichen jenem in Fig. 23 dargestellten entspricht.

Die schematische Draufsichtdarstellung der Fig. 28 zeigt einen Teil von Lichtempfangs- und -Speicherbereichen und einen Teil der Vertikalschieberegister 62, während die Fig. 29, 30 und 31 jeweils Schnittdarstellungen, gesehen in Richtung der Pfeile an den Linien A-A, B-B bzw. C-C in Fig. 28 wiedergeben.
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In der Hauptfläche eines beispielsweise P-leitenden Siliciumhalbleitersubstrats 50 ist ein Kanalbegrenzerbereich

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durch eine hohe Verunreinigungskonzentration (P ) ausgebildet, und der sich bis zur Substratoberfläche erstreckende P-Bereich des Substrats wirkt als Begrenzerbereich für einen versenkten Kanal vom N-Typ. Der Kanalbegrenzerbereich 53 weist somit gleiche Leitfähigkeit auf wie das Substrat 50, jedoch eine höhere Verunreinigungskonzentration. Dieser Kanalbegrenzerbereich 53 ist prinzipiell ähnlich angeordnet wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 24, d.h. er trennt die einzelnen Lichtempfangs- und -Speicherbereiche 61 und außerdem die gemeinsamen Abschnitte der Schieberegister 62 außer jenen Abschnitten, die mit den Abschnitten 61 verbunden sind und außer an den Verbindungsabschnitten der Schieberegister 62 die jeweiligen Abschnitte 61 umgeben.

Unter den jeweiligen durch die zur Bildung der Bereiche 61 von den Kanalbegrenzerbereichen 53 umgebenen Abschnitten und unter jenen Abschnitten, die die Vertikalschieberegister 62 bilden, befinden sich gegen die Oberfläche des Substrats 50 gerichtete Bereiche 70 in Form eines versenkten Kanals mit gegen das Substrat 50 entgegengesetzter Leitfähigkeit, d.h. mit N-Leitfähigkeit.

Das Schieberegister 62 gehört ebenfalls zu jenem Typ, die zweiphasig angesteuert werden. Erste und zweite Elek- *-.roden 57a und 57b für die jeweiligen Schieberegister 62 erstrecken sich in Horizontalrichtung und sind jeweils einer gemeinsamen Horizontalzeile zugeordnet. Jedes der Schieberegister 62 weist eine erste Isolationsschicht 71a unter der ersten Elektrode 57a und eine zweite Isolationsschicht 71b auf, die dünner ist als die erste Isolationsschicht 71a und unter der zweiten Elektrode 57b liegt, um unterschiedlich tiefe Potentiale unter den jeweiligen Elektroden 57a bzw. 57b zu erzeugen. Im Minimumpotentialbereich

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des versenkten Kanals befindet sich unter der ersten Elektrode 57a ein Speicherabschnitt St mit einer Potentialwanne für die Minoritätsladungsträger (die Informationsladungsträger) . Unter der zweiten Elektrode 57b liegt ein Ubertragabschnitt Tr mit einer Potentialsperre für die Potentialwanne. Im Abschnitt zwischen den einzelnen Speicherbereichen St und den entsprechenden Lichtempfangs- und -Speicherbereichen 61 befindet sich eine beispielsweise einstückig mit der zweiten Elektrode 57b verbundene Transfergateelektrode 56. Auch in diesem Fall ist die über den Speicherbereichen 61 vorhandene Sensorelektrode 54 als Transparentelektrode ausgebildet unter Zwischenschaltung einer den Speicherbereichen 71 gemeinsamen Isolationsschicht 71c

Zur Beseitigung der Überschußladungen wird der Sensor einem bestimmten Ansteuerverfahren ausgesetzt, um die in Verbindung mit den Fig. 25, 26 und 27 erläuterten Funktionen zu erreichen. Bei diesem Beispiel sind die ersten und zweiten Elektroden 57a und 57b der Schieberegister 62, die in Übereinstimmung mit den jeweiligen Speicherbereichen 61 ausgebildet sind, zusammengeschaltet, um wie bereits bekannt, zwei Paare von Elektroden 57₁ und 57₂ zu erhalten.

Die Fig. 32 verdeutlicht in zeitkorrelierter Darstellung Potentiale bzw. Spannungen 01, 02, die die Elektrodenpaare 57-, 57₂ beaufschlagen sowie ein Potential bzw. eine Spannung 0s, die an der Sensorelektrode 54 liegt.

Die Schnittdarstellung der Fig. 33A, die im wesentlichen einem Schnitt, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie A-A in Fig. 28 entspricht sowie die Fig. 33B₁, 33C₁ und 33D verdeutlichen den Verlauf von Minimumpotentialen ia

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Bereich der entsprechenden Abschnitte bei der Fig. 33A und die Fig. 33b₂ und 33C» verdeutlichen das Bändermodell der entsprechenden Sensorbereiche.

Die Perioden ti bis t2, t3 bis t4, ... in Fig. 32 entsprechen der Vertikalaustastlücke beispielsweise bei einem Fernsehbild. Während dieser Perioden werden die in den Lichtempfangs- und -Speicherbereichen 61 gespeicherten Informationsladungen in die Vertikalschieberegister 62 übertragen und während der Perioden von t2 bis t3, von t4 bis 15, ... werden die in den Vertikalschieberegistern 62 vorhandenen Informationsladungen in das Horizontalschieberegister 63 übertragen (siehe auch Fig. 23) und gleichzeitig bilden sich während dieser gleichen Zeitperioden durch auftreffendes Licht neue Speicherladungen. Während der übertragperiöden von ti bis t2, von t5 bis t6, ... von den Speicherbereichen 61 zu den Schieberegistern 62 unmittelbar vor den Obertragperioden von den Lichtempfangs- und -Speicherbereichen bzw. den Vertikalregistern 62 zum Horizontalschieberegister 63 beispielsweise während eines ungeradzahligen Felds (Α-Feld) wird das dem einen Elektrodenpaar 57.. zuzuführende Potential 01 durch eine festgelegte positive relativ hohe Spannung V-... „ von beispielsweise +20V bestimmt, um eine Potentialwanne im Speicherbereich St unter der ersten Elektrode 57a des Elektrodenpaars 57.. im versenkten Kanal des Schieberegisters 62 zu erzeugen (vgl. Fig. 33D) und um außerdem eine niedrigere Potentialsperre unter der Transfergegenelektrode 56 zwischen dem Speicherbereich St und dem entsprechenden Speicherbereich zu erzeugen, um damit die Informationsträgerladung der Speicherbereiche 61 in jeder zweiten Horizontalzeile zu Übertragen.

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Zu diesem Zeitpuntk wird das dem anderen Elektrodenpaar 57- zuzuführende Potential 02 bzw. die anzulegende spannung auf beispielsweise OV eingestellt, um zu vermeiden, daß die im Speicherbereich des oben erwähnten Elektrodenpaars gespeicherte Informationladung in das Schieberegister 62 übertragen wird. Während der folgenden Perioden von t2 bis t3, t6 bis t7, ... werden zweiphasige Taktimpulse den beiden Elektrodenpaaren 57.. und 57₂ zugeführt, um die in den jeweiligen Schieberegistern 62 vorhandenen Ladungsträger in Vertikalrichtung zu verschieben. Während der Ladungstransferperioden von t3 bis t4, von t7 bis t8, ... vom Speicherbereich 61 in das Schieberegister 62, d.h. unmittelbar vor den Transferperioden von t4 bis t5, von t8 bis t9, ..., während der der Verschiebevorgang vom Speicher- und Vertikalschieberegister 62 in das Horizontalschieberegister 63 im nachfolgenden geradzahligen Feld (B-Feld) erfolgt, wird das dem Elektrodenpaar 57- zuzuführende Potential02 durch eine positive, relativ große Spannung V^2_H von beispielsweise +20V festgelegt, um die Informationsladungsträger in jedem zweiten Speicherbereich zum Speicherbereich St unter der zweiten Elektrode 57b zu verschieben - im Gegensatz zu den oben erläuterten Perioden ti bis t2, t5 bis t6, ...

Während der beiden Lichtempfangs- und -Speicherperioden von t2 bis t3, t4 bis t5, t6 bis t7, ... der A- und B-Felder wird die das Potential 0s an der Sensorelektrode 54 bestimmende Spannung nicht als normale Konstantspannung Vs festgelegt, sondern als Pumpspannung, die zur Beseitigung der Überschußladungen dient. Das heißt, während der Lichtempfangs- und -speicherperloden wird das Potential 0s durch eine Spannung V bestimmt, die die Oberfläche des den Speicherbereich 61 bildenden versenkten Kanal«, d.h. die Oberfläche des Bereichs 70 in einen Zustand versetzt, der einer Inversionsschicht entspricht, deren Wirkung oben In

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Verbindung mit Fig. 25 erläutert wurde. Die Spannung V wird während der sich wiederholenden Perioden L und ΤΊ.

a ^u D

zu beispielsweise -10V gewählt, wobei in der Periode T~ die Ladungsträger (Elektronen) durch den Oberflächenzustand eingefangen und rekombiniert werden, während in den Perioden

T"j- (vgl. auch obige Beschreibung der Fig. 27) ein festgelegtes Potential von beispielsweise +5V angelegt wird, um die Ladungsspeichermenge festzulegen, die den flachen Bandverlauf für den Speicherbereich 61 bestimmt. 10

Die Fig. 33A zeigt die Teilschnittdarstellung des Sensors; die Fig. 33B- und 33B~ verdeutlichen den Verlauf der Minimalpotentiallinien in Relation zu den entsprechend angegebenen Bereichen des Sensors in der Periode f" sowie

ein entsprechendes Bändermodell und die Fig. 33C₁ und 33C₂ zeigen das entsprechende Minimumpotentialdiagramm mit Bändermodell für die Periode T". . Wird während der Periode L , eine Überschußladungsträgermenge erzeugt, die die Grenze des Oberflächenpotentials und des Speicherbereichs 61 (d.h. des Potentials des versenkten Kanals des Speicherbereichs 61), nämlich die ebene Bandgrenze überschreitet, - wie die Fig. 33B₁ und 33B₂ zeigen - so erreicht die Speicherladung die Oberfläche und wird dann durch den Speicherzustand eingefangen, so daß in der Periode T~_a Leerstellen entstehen. Die überschüssigen Ladungsträger werden also durch den Wechsel der Perioden 7~ und f.

a D

beseitigt. Die Informationsladungen, die niedriger liegen als die erwähnte Sättigungsladungsmenge.werden während der zugeordneten Perioden von t3 bis t4, t7 bis t8, ... oder von t5 bis t6, t9 bis t10, ... zum Schieberegister 62 übertragen (vgl. Fig. 33B).

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Aus der bisherigen Beschreibung dürfte für den Fachmann ersichtlich sein, wie gemäß dem Prinzip der Erfindung überschüssige Ladungsträger bei Halbleiterbildabtastern und dergleichen beseitigt werden können ohne Gefahr zu laufen, daß die Überschußladungen sich mit den Informationsträgerladungen vermischen und zu dem erwähnten Überstrahleffekt führen. Selbst bei Festkörperbildabtastern mit versenkten Kanalbereichen werden die überschüssigen Ladungsträger als Majoritätsladungsträger in bezug auf das Substrat abgesaugt, so daß die bisherigen inhärenten Schwierigkeiten beim Stand der Technik vermieden sind, die dadurch entstanden sind, daß überschüssige Ladungsträger als Minoritätsladungsträger abgesaugt wurden. Für Halbleiterbauelemente der erwähnten Art mit versenkten Kanalbereichen ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die Oberflächenbereiche in den Abschnitten mit versenktem Kanal gleichzeitig als Pumpbereiche für die überschüssigen Ladungsträger verwendet werden können und keine besondere Pumpelektrode erforderlich wird, so daß die Sensorfläche verkleinert werden kann und der Herstellungsprozeß vergleichsweise einfach wird.

Bei einer Oberflächenkanalstruktur kann die Möglichkeit bestehen, daß nicht alle Ladungsträger (außer den durch den Oberflächenzustand eingefangenen Ladungsträgern) in den Speicherbereich zurückgeführt werden und ein Teil als Minoritätsladungsträger in das Substrat abgesaugt wird, wenn eine hohe Minoritätsladungsträgerdichte auf der Oberfläche des Pumpbereichs existiert, was der Fall sein kann, wenn diese Oberfläche rasch auf Anreicherungszustand gebracht wird. Um diese Gefahr zu beseitigen, ist anzustreben, den Anreicherungszustand an der Oberfläche des Pumpbereichs durch eine vergleichsweise längere Anstiegszeit herzustellen als die Diffusions-(Ansprech-)Zeit der Minoritätsladungsträger.

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Der Pumpevorgang bei Typen mit versenkten Kanalbereichen erzeugt bei einer Inversion des Oberflächenzustands ein elektrisches Feld, welches die Majoritätsladungsträger im den Kanal bildenden Bereich 70 in das Innere dieses Bereichs anzieht (Elektronen, wenn der Bereich 70 eine N~ -Schicht ist). Da in diesem Fall das Potential des Bereichs 70 stets niedriger liegt als das des Substrats, läßt sich Gefahr, daß überschüssige Ladungsträger als Minoritätsladungsträger abgesaugt werden, vollständig vermeiden.

10

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Lichtempfangs- und -Speicherbereich als sogenannte MOS-Struktur ausgebildet. Die gleichen vorteilhaften Wirkungen lassen sich jedoch auch dann erzielen, wenn der Speicherbereich nach dem Prinzip einer Fotodiode hergestellt ist. Anstelle des Kanalbegrenzerbereichs 53 kann auch eine andere geeignete Maßnahme zur Bildung einer Potentialsperre vorgesehen werden.

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ZUSAMMENFASSUNG

Die Ladungstransfervorrichtung, insbesondere ein Festkörperbildabtaster zeichnet sich dadurch aus, daß auch bei starker Belichtung Oberstrahleffekte vermieden sind.

Die Transfervorrichtung besteht aus einem Halbleitersubstrat, einer Mehrzahl von Sensorbereichen, die während einer festgelegten Periode Signalladungen entsprechend auftreffenden Lichtmengen speichern, sowie ein Schieberegister, um die gespeicherten Signalladungen auszulesen. Die "Anti-Blooraing-Funktion" wird durch Anlegen einer wechselnden Spannung an die an die Sensorbereiche angrenzenden Halbleiterbereiche während festgelegter Zwischenperioden erreicht, um an der Oberfläche des Halbleitersubstrats abwechselnd Anreicherungs- und Verarmungszustände zu erzeugen. Die in einem Oberflächenzustand eingefangenen Minoritätsladungsträger (beispielsweise Elektronen) werden mit Majoritätsladungsträgern des Substrats rekombiniert, wenn die Fläche auf Anreicherungszustand geschaltet ist. Dabei werden insbesondere Überschuß signal ladungen durch™.-einen bestimmten Oberflächenzustand eingefallen (der durch die vorhergehende Rekombination "geleert" ist), wenn die Fläche auf Verarmungszustand umgeschaltet wird. Die Uberschußladungen lassen sich durch die abwechselnde Veränderung der Oberflächenzustände beseitigen, so daß Oberstrahleffekte verhindert sind.

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Claims (6)

1. PATENTANWÄLTE ^

   TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

   Beim Europitschen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representative· befor· the European Patent Office - Mandalalres agrafe pres !'Office europeen de· brevets

   Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

   Dipl.-lng. F. E. Müller _. . ..,

   Triftstrasse 4, S.ekerwall 7,

   D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

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   Mü/vL/hm 26. Juli 19

   SONY CORPORATION 7-35 Kitashinagawa, 6-chome Shinagawa-ku, Tokyo /Japan

   Ladungs-Transfervorrichtung

   Priorität: 28. Juli 1978 - Japan - No. 91265/78

   PATENTANSPRÜCHE

   1y Ladungs-Transfervorrichtung mit

   - einem Halbleitersubstrat/

   - einer Speichereinrichtung auf dem Substrat mit einer Mehrzahl von getrennten Speicherbereichen zur Speicherung von Ladungsträgern während einer festgelegten Zeitperiode;

   - einer Transfereinrichtung zur übertragung der Ladungsträger ,

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   - einer Einrichtung zur Erzeugung mindestens einer Potentialsperre zur Verhinderung der Verschiebung der in den Speicherbereichen festgehaltenen Ladungsträger während der festgelegten Zeitperiode und

   - Mitteln zur Beseitigung von Oberschußladungsträgern die einen konstanten festgelegten Ladungsmengenbetrag überschreiten,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   - die Mittel zur Beseitigung der Überschußladungsträger Elektrodenelemente umfassen, über die ein erstes und ein zweites Potential während der festgelegten Zeitperiode alternierend an bestimmte Bereiche des Substrats anlegbar ist, wobei das erste Potential so wählbar ist, daß Majoritätsladungsträger des Substrats,die mit durch Oberflächenzustände eingefangenen Ladungsträgern rekombiniert werden, an der Oberfläche des Substrats induzierbar sind, während das zweite Potential so festlegbar ist, daß die überschüssigen Ladungsträger durch einen bestimmten Oberflächenzustand eingefangen werden.
2. 2. Festkörper-Bildabtaster mit Ladungstransfer und

   - einem Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps,

   - einer Mehrzahl von in festgelegten Bereichen des Halbleitersubstrats ausgebildeten Bildelementen zur Speicherung von Minoritatsladungsträgerη des Substrats entsprechend einer während einer festgelegten Periode erfolgenden Bestrahlung, wobei jedes der Bildelemente gegen andere Bildelemente durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Potentialsperre für die Minoritätsladungsträger während der festgelegten Periode getrennt ist,

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   festgelegten Bereichen des Substrats und den Bildelementen zugeordneten Schieberegistern zur Übertragung der Ladungsträger,
   gekennzeichnet durch

   - eine Einrichtung zur Entfernung von Überschußladungsträgern, die eine festgelegte Speicherkapazität der Bildelemente übersteigen, mit Mitteln zum abwechselnden Anlegen eines ersten und eines zweiten Potentials während der festgelegten Periode an den Bildelementen benachbarten Abschnitten des HalbleiterSubstrats, wobei die ersten und zweiten Potentiale so wählbar sind, daß auf der Oberfläche des Substrats ein Anreicherungszustand bzw. ein Verarmungszustand entsteht .
3. 3. Festkörper-Bildabtaster mit Ladungstransfer und

   - einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps,

   - einer Mehrzahl von Bildelementen eines zum Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der Oberfläche des Substrats zur Speicherung von Signalladungen während einer festgelegten Zeitperiode entsprechend einer auftreffenden Strahlung, wobei die einzelnen Bildelemente gegeneinander durch Kanalbegrenzerbereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp getrennt sind;

   - in festgelegten Bereichen des Substrats ausgebildeten und den Bildelementen zugeordneten Schieberegistern zur Übertragung der Signalladungen,

   gekennzeichnet durch

   - eine Einrichtung zur Beseitigung von Überschußladungen, die eine bestimmte Speicherkapazität der Bildelemente überschreiten mit Mitteln zum abwechselnden Anlegen eines ersten und eines zweiten Potentials an

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   die Bildelemente während der festgelegten Zeitperiode, wobei das erste Potential so wählbar ist, daß Majoritätsladungsträger des Substrats an der Oberfläche der Bildelemente induziert werden, die mit bei betreffenden Oberflächenzuständen eingefangenen Ladungsträgern rekombinieren, während das zweite Potential so wählbar ist, daß die überschüssigen Ladungsträger zu der Oberfläche hin verschoben werden, um durch die Oberflächenzustände eingefangen zu werden.
4. 4. Festkörper-Bildabtaster mit Ladungstransfer und

   - einem Halbleitersubstrat,

   - einer Mehrzahl von der Oberfläche des Substrats zugeordneten Sensorbereichen, die im wesentlichen auf einer Linie ausgerichtet sind und während festgelegter Zeitperioden zur Speicherung von Signalladungen entsprechend einer auftreffenden Bestrahlung dienen,

   - einem ersten und einem zweiten an der Substratoberfläche liegenden und zu beiden Seiten der Linie der Sensorbereiche angeordneten Schieberegister, deren erstes mit geradzahligen Sensorbereichen und deren zweites mit ungeradzahligen Sensorbereichen verbunden ist,

   - einem Kanalbegrenzerbereich, der die Sensorbereiche gegeneinander und die geradzahligen Sensorbereiche gegen das zweite Schieberegister und die ungeradzahligen Sensorbereiche gegen das erste Schieberegister trennt, und mit

   - einer Steueranordnung zwischen den Sensorbereichen und den Schieberegistern zur Erzeugung einer Potentialsperre für die Signalladungen während der festgelegten Zeitperioden,

   gekennzeichnet durch

   - eine an festgelegten Flächenbereichen dee Halbleitersubstrats ausgebildete und den Sensorbereichen zuge-

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   ordnete Einrichtung zur Beseitigung von Überschußladungen aus den Sensorbereichen,mit Mitteln zum abwechselnden Anlegen eines ersten und zweiten Potentials an festgelegte Abschnitte des Substrats während der festgelegten Zeitperioden, wobei das erste Potential so wählbar ist, daß Majoritätsladungsträger des Substrats an der Substratoberfläche induziert werden, die mit bei bestimmten Oberflächenzuständen eingefangenen Ladungsträgern rekombinieren₇ während das zweite Potential so wählbar ist, daß die Überschußladungsträger durch die Oberflächenzustände eingefangen werden.
5. 5. Festkörper-Bildabtaster mit Ladungstransfer und

   - einem Halbleitersubstrat, das an seiner Hauptfläche durch eine Isolationsschicht überdeckt ist,

   - einem Bildsensorbereich an einem ersten Abschnitt des Substrats,mit einer Mehrzahl von nach Zeilen und Spalten ausgerichteten Sensorelernenten zur Aufsummierung von Signalladungen entsprechend einer auftreffenden Strahlung,

   - einem an einem zweiten Bereich des Substrats ausgebildeten Speicherbereich mit einer Mehrzahl von nach Zeilen und Spalten ausgerichteten Speicherzellen zur zeitweiligen Speicherung der im Sensorbereich integrierten Signalladungen und mit einem Horizontalschieberegister zum zeilenweisen Auslesen der Signalladungen aus dem Speicherbereich, wobei der Sensorbereich und der Speicherbereich mit Elektroden versehen sind, über die jedem Sensorelement bzw. jeder Speicherzelle eine Spannung zuführbar und in Zeilenrichtung ein asymmetrisches Potential erzeugbar ist, um Signalladungen in eine Richtung zu übertragen, sowie mit

   - dem Sensorbereich zugeordneten Elektroden, um durch Anlegen einer ersten Spannung eine Potentialwanne zur Speicherung von Signalladungen an bestimmten Sensor-

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   elementen hervorzurufen und durch Anlegen einer zweiten Spannung eine Potentialsperre für Signalladungen in den Sensorelementen benachbarten Bereichen zu erzeugen,
   gekennzeichnet durch

   - Mittel zum abwechselnden Anlegen einer dritten und einer vierten Spannung an festgelegte Abschnitte des Substrats, wobei das dritte Potential so wählbar ist, daß Majoritätsladungsträger des Substrats an der Substratoberfläche induziert werden, die mit durch Oberflächenzustände eingefangenen Ladungen rekombinieren ,und wobei das vierte Potential so wählbar ist, daß Überschußladungsträger durch die Oberflächenzustände während einer Bestrahlungsperiode eingefangen werden und

   - dem Sensorbereich und dem Speicherbereich zugeordnete Elektroden zur Zuführung periodischer Taktspannungen zur übertragung der Signalladungen in einer Richtung entlang der Zeilen während einer auf die Bestrahlungsperiode folgenden Zeitperiode.
6. 6. Festkörper-Bildabtaster mit Ladungstransfer gekennzeichnet durch

   - ein Halbleitersubstrat mit einer Hauptfläche,

   - einer Mehrzahl von auf dem Substrat ausgebildeten und nach Zeilen und Spalten ausgerichteten Bildelementen zur Sammlung von während einer festgelegten Zeitperiode in Abhängigkeit von einer auftreffenden Bestrahlung erzeugten Signalladungen,

   - eine Mehrzahl von jeder Zeile der Bildelemente zugeordneten Vertikalschieberegistern zur übertragung der Signalladungen in eine Richtung,

   - Mitteln zur Erzeugung einer Potentialsperre für die Signalladungen zur Verhinderung eines Signalladungsflusses zwischen den Bildelementen,

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   - Elektroden, über die eine Spannung an das Substrat anlegbar ist,zur Übertragung der Signalladungen und zur Verhinderung eines mindestens partiellen Überstrahleffekts ,mit Mitteln zum abwechselnden Anlegen einer ersten bzw. zweiten Spannung während der festgelegten Zeitperiode an bestimmte Abschnitte des Substrats, wobei das erste Potential so wählbar ist, daß Majoritätsladungsträger des Substrats an der Substratoberfläche induziert werden, die mit durch Oberflächenzustände eingefangenen Ladungen rekombinieren und wobei das zweite Potential so wählbar ist, daß Überschußladungen durch dadurch bedingte Oberflächenzustände eingefangen werden.

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