DE4203837C2 - CCD-Bildsensor mit verbessertem Speicher- und Transferwirkungsgrad - Google Patents
CCD-Bildsensor mit verbessertem Speicher- und TransferwirkungsgradInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildsensor, insbesondere
einen CCD-(Charged Coupled Device)-Bildsensor nach der Interline-
Wandler-Methode (Zwischenzeilen-Abtast-Typ).
Im allgemeinen wird ein CCD-Bildsensor des Zwischenzeilen-
Abtast-Typs auf einer Fläche gebildet, um im Verhältnis 1 : 1
mit einem Fotosensor und einem Signalübertragungsbereich
übereinzustimmen und wird in Heimgeräten, wie einem Camcorder,
verwendet, wo gegenüber einem militärischen Gerät kein hohes
Maß an Bildqualität oder Stabilität verlangt wird.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 wird ein bekannter
CCD-Bildsensor des bekannten Zwischenzeilen-Abtast-Typs
erläutert, wie dies beispielsweise aus der US 4 527 182
bekannt ist.
Im folgenden werden die ungeradzahligen Horizontalzeilen, auf
denen Fotodioden 31 angeordnet sind, jeweils als ungerade
Horizontalzeile bezeichnet, während die geradzahligen
Horizontalzeilen, auf denen weitere Photodioden 31 angeordnet
sind, als gerade Horizontalzeilen bezeichnet werden.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des CCD-Bildsensors des
bekannten Zwischenzeilen-Abtast-Typs, wobei jede Fotodiode 31
an einen entsprechenden vertikalen CCD-Bereich, d. h. VCCD-
Bereich 32, angeschlossen ist. Jede Fotodiode 31 ist mit dem
VCCD-Bereich 32 derart verbunden, daß sie eine auszulesende
Bildsignalladung nur in einer Richtung an den VCCD-Bereich 32
überträgt, wobei jeder VCCD-Bereich 32 mit einem horizontalen
CCD-Bereich bzw. HCCD-Bereich 33 derart verbunden ist, daß die
Bildsignalladung einer jeden Fotodiode 31 gleichzeitig durch
einen Vierphasentaktbetrieb nach Maßgabe des ersten bis
vierten Taktsignals V∅1-V∅4 zu dem HCCD-Bereich übertragen
wird.
Ferner sind ein Ausgangsgate 34, ein Float-Diffusionsbereich
35, eine Rücksetzgate-Elektrode 36 und der Rücksetz-Drain 37
nacheinander mit der Ausgangsseite des HCCD-Bereichs verbun
den, und ein Leseverstärker 38 ist mit dem Float-Diffusions
bereich 35 verbunden. Taktsignalspannungen H∅1-H∅2 transpor
tieren die Bildsignalladungen zu dem Ausgangsgate 34.
Fig. 4 zeigt einen Teil einer Schaltungsauslegung des CCD-
Bildsensors nach Fig. 3. Zwischen dem VCCD-Bereich 32 und der
Fotodiode 31 ist ein Kanalstoppbereich gebildet, und die un
gerade Steuerelektrode 40, der das erste VCCD-Taktsignal und
das zweite Taktsignal V∅1 und V∅2 zugeführt wird, ist auf der
Oberseite des Kanalstoppbereichs und des VCCD-Bereichs 32
gebildet, so daß sie mit jedem Transfergate 41 der auf der
ungeraden Horizontalzeile angeordneten Fotodioden 31 verbunden
ist. Die gerade Gateelektrode 42, der das dritte und vierte
VCCD-Taktsignal V∅3 und V∅4 zugeführt wird, ist auf der Oberseite
des VCCD-Bereichs 32 und des Kanalstoppbereichs gebildet
und daher mit jedem Transfergate 43 der Fotodioden 31 auf der
geraden Horizontalzeile verbunden.
Da die ungerade Gateelektrode 40 und die gerade Gateelektrode
42 vom gleichen Typ sein müssen, können sie aufeinanderfolgend
wiederholt gebildet sein, wobei die ungerade Gateelektrode 40
und die gerade Gateelektrode 42 durch Isoliermaterial elek
trisch voneinander getrennt sind (nicht gezeigt).
Das Material jedes Transfergates 41, 43 und jeder ungeraden
und geraden Gate-Elektrode 40, 42 enthält Polysilizium. Die
vorgenannte ungerade Gateelektrode 40 ist an der Unterseite
und Oberseite der Fotodioden 31 der ungeraden Horizontalzeilen
gebildet und enthält eine zweite ungerade Teilelektrode, die
mit jedem Transfergate 41 der Fotodioden 31 verbunden ist und
an die das erste VCCD-Taktsignal V∅1 geführt wird.
Die gerade Gateelektrode 42 ist an der Unterseite und Ober
seite der Fotodioden 31 der geraden Horizontalzeile gebildet.
An die erste Teilelektrode wird das vierte VCCD-Taktsignal V∅4
angelegt. Die zweite gerade Teilelektrode 42 ist mit dem
Transfergate 43 der Fotodioden 31 verbunden. An diese wird das
dritte VCCD-Taktsignal V∅3 angelegt.
Die Funktionsweise des Taktens des VCCD-Bereichs wird nach
folgend im einzelnen erläutert.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie a-a' der
Fig. 4; dabei ist eine p-leitende Potentialschicht 45 auf
einem n-leitenden Substrat 44 geformt. Der n-leitende VCCD-
Bereich 32, und die n-leitenden Fotodioden 31 sind an der ge
raden Horizontalzeile aufeinanderfolgend in einem vorbe
stimmten Abstand gebildet und mit dem Kanalstoppbereich 39
gekoppelt. Das Transfergate 43 zur Übertragung der Ladung ist
an der Oberseite zwischen jeder der Fotodioden 31 und dem
VCCD-Bereich 32 gebildet, während die zweite gerade Teilelek
trode 42, an die das dritte VCCD-Taktsignal V∅3 angelegt wird,
an der Oberseite jedes VCCD-Bereichs 32 gebildet ist, um jede
der Fotodioden 31 der geraden Horizontalzeilen mit dem VCCD zu
verbinden. Die p+-leitende Dünnschicht 46 ist auf der
Oberfläche jeder Fotodiode 31 gebildet, um im Normalfall die
Anfangsspannung aufzubringen. Der so aufgebaute CCD-Bildsensor
für das herkömmliche Zwischenzeilen-Abtast-Verfahren arbeitet
wie folgt:
Die an den Fotodioden 31 von der VCCD-Taktsignalspannung, die an die Gateelektrode 42 von Fig. 5 angelegt wird, erzeugte Bildsensorladung wird zum VCCD-Bereich und danach zum HCCD- Bereich 33 von Fig. 3 übertragen. Dabei ändert sich der Potentialverlauf aus dem VCCD-Bereich 32 gemäß Fig. 6 entlang der Linie b-b' von Fig. 5.
Die an den Fotodioden 31 von der VCCD-Taktsignalspannung, die an die Gateelektrode 42 von Fig. 5 angelegt wird, erzeugte Bildsensorladung wird zum VCCD-Bereich und danach zum HCCD- Bereich 33 von Fig. 3 übertragen. Dabei ändert sich der Potentialverlauf aus dem VCCD-Bereich 32 gemäß Fig. 6 entlang der Linie b-b' von Fig. 5.
In Fig. 6 ist gezeigt, daß der Potentialverlauf allmählich
nach unten geht, wenn die VCCD-Taktsignalspannung von V1 auf
V4 verringert wird.
Es ist jedoch bekannt, daß der Potentialverlauf in dem VCCD-
Bereich nicht weiter abfällt, obwohl die Spannung des VCCD-
Taktsignals unter die Spannung V4 gemäß Fig. 6 abfällt, weil
an die p-leitende Potentialschicht 45 von Fig. 5 die Spannung
0 V der Massevorspannung 10 angelegt wird und an dem Kanal
stoppbereich 39 ebenfalls die Massevorspannung 10 von 0 V
anliegt. Dabei wird der Punkt, von dem aus der Potential
verlauf nicht weiter abwärts geht als Haftspannung (Pinning-
Spannung) bezeichnet.
Bei dem CCD-Bildsensor für das konventionelle Zwischenzeilen-
Abtast-Verfahren nach Fig. 5 wird infolgedessen die VCCD-
Signalspannung zwar auf einen Pegel unterhalb der Spannung V4,
V∅1 gebracht, aber diese negative Spannung wird nur an die
Isolationsschicht angelegt (diese ist nicht gezeigt, befindet
sich aber zwischen der Oberfläche des VCCD-Bereichs 32 und der
Gateelektrode 42) und hat keine Auswirkung im VCCD-Bereich 32.
Folglich ist die Möglichkeit sehr begrenzt, den Transfer-
Wirkungsgrad der Bildsignalladung aus dem VCCD-Bereich nach
den Erfordernissen des Anwenders zu steuern.
Die beschriebene konventionelle Einrichtung kann die Spannung
nicht unter die Haftspannung verringern, obwohl an die Gate
elektrode eine große negative Spannung angelegt wird. Da also
die Breite des Potentialverlaufs im VCCD-Bereich
begrenzt ist, kann der Wirkungsgrad des Ladungstransfers und
die Speicherfähigkeit von Bildsignalladungen nicht maximiert
werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines CCD-
Bildsensors, bei dem der Speicher-Wirkungsgrad und der
Transfer-Wirkungsgrad im VCCD-Bereich durch Verringerung der
Haftspannung (Pinning-Spannung) maximiert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine p-leit
ende Potentialschicht auf einem n-leitenden Substrat geformt,
und eine n-leitende Fotodiode und ein n-leitender VCCD-Bereich
sind wiederholt alternierend auf der Oberfläche der p-leiten
den Potentialschicht gebildet, und ein p+-leitender Kanal
stoppbereich ist an einem Randteil des n-leitenden VCCD-
Bereichs gebildet. Dabei ist eine Elektrode zum Anlegen der
Haftspannung Vp an jeder p+-Schicht des Kanalstoppbereichs
vorgesehen. Infolgedessen kann die Haftspannung gesenkt
werden, wodurch die Breite des Potentialverlaufs im
VCCD-Bereich vergrößert wird.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungs
beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen CCD-Bildsensor
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Potentialdiagramm der Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines CCD-Bildsensors eines
allgemeinen Zwischenzeilen-Transferverfahrens;
Fig. 4 ein Schaltbild eines bestimmten Teils;
Fig. 5 einen Vertikalschnitt eines CCD-Bildsensors für das
konventionelle Zwischenzeilen-Transferverfahren;
und
Fig. 6 ein Potentialdiagramm der Vorrichtung von Fig. 3.
Fig. 1 zeigt die folgenden wesentlichen Teile:
1 n-leitendes Substrat
2 p-leitende Potentialschicht
2a/2b schmälere bzw. breitere Bereiche der p-leitenden Potentialschicht
3 Fotodiode
4 VCCD-Bereich
5 Transfergateelektrode
6 p+-leitender Kanalstoppbereich
7 Gateelektrode
8 p+-leitende Dünnschicht
9 Anschlußstelle für Potential der Kanalstoppbereiche
10 Massevorspannung
2 p-leitende Potentialschicht
2a/2b schmälere bzw. breitere Bereiche der p-leitenden Potentialschicht
3 Fotodiode
4 VCCD-Bereich
5 Transfergateelektrode
6 p+-leitender Kanalstoppbereich
7 Gateelektrode
8 p+-leitende Dünnschicht
9 Anschlußstelle für Potential der Kanalstoppbereiche
10 Massevorspannung
Nachstehend wird der CCD-Bildsensor im einzelnen erläutert:
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt des CCD-Bildsensors, wobei das CCD-Bildsensor-Blockschaltbild demjenigen von Fig. 3 ent spricht. Der Vertikalschnitt zeigt die folgenden Einzelheiten:
Es ist eine p-leitende Potentialschicht 2 gebildet und eine n- leitende Fotodiode 3 und ein n-leitender VCCD-Bereich 4 sind wiederholt alternierend auf der Oberfläche der p-leitenden Potentialschicht 2 gebildet. Ein p+-leitender Kanalstopp bereich 6 ist mit jeweils vorbestimmter Breite an beiden Rändern des n-leitenden VCCD-Bereichs 4 gebildet.
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt des CCD-Bildsensors, wobei das CCD-Bildsensor-Blockschaltbild demjenigen von Fig. 3 ent spricht. Der Vertikalschnitt zeigt die folgenden Einzelheiten:
Es ist eine p-leitende Potentialschicht 2 gebildet und eine n- leitende Fotodiode 3 und ein n-leitender VCCD-Bereich 4 sind wiederholt alternierend auf der Oberfläche der p-leitenden Potentialschicht 2 gebildet. Ein p+-leitender Kanalstopp bereich 6 ist mit jeweils vorbestimmter Breite an beiden Rändern des n-leitenden VCCD-Bereichs 4 gebildet.
Die Dotierungsdichte desjenigen Teils des n-leitenden VCCD-
Bereichs 4, der den p+-leitenden Bereich abschirmt, ist
geringer als und n--leitend gegenüber der Dotierungsdichte in
den übrigen Teilen des gleichen n-leitenden VCCD-Bereichs 4,
und daher ist sein Potential höher als das der übrigen Teile.
Die Funktionsweise des so aufgebauten CCD-Bildsensors wird
nachstehend erläutert.
Die von der Fotodiode 3 erzeugte Bildsignalladung wird zum
VCCD-Bereich 4 aufgrund der an die Gateelektrode 7 angelegten
VCCD-Taktsignalspannung übertragen (Fig. 1). Die zum VCCD-
Bereich 4 übertragene Bildsignalladung wird dann zu den HCCD-
Bereichen 33 gemäß Fig. 3 übertragen.
Fig. 2 ist das Potentialdiagramm entlang der Linie c-c' von
Fig. 1 und zeigt den Potentialverlauf im VCCD-Bereich 4
entsprechend der Größe der an die Gateelektrode 7 angelegten
VCCD-Taktsignalspannung. Es ist bekannt, daß das Potential
allmählich abfällt, da der Potentialverlauf zwischen V1 und V5
der an die Gateelektrode 7 angelegten VCCD-Taktsignalspannung
veränderlich ist. Unterhalb V4 hat die an die Gateelektrode 7 ange
legte negative Spannung nur Einfluss auf die Potential
verteilung in der Oxidschicht (nicht gezeigt) zwischen dem
VCCD-Bereich 4 und der Gateelektrode 7, nicht jedoch auf die
Potentialverteilung im VCCD-Bereich 4.
Da der p+-leitende Kanalstoppbereich 6 von Fig. 1 über den
Anschluss 9 mit einem Potential beaufschlagbar ist und da die
an die Gateelektrode 7 angelegte negative Spannung gleichmäßig
angelegt wird, ist die VCCD-Taktsignalspannung veränderlich,
indem die Haftspannung verringert wird. Der Potentialverlauf
im VCCD-Bereich kann daher auch nach unten verschoben werden.
Wenn beim Stand der Technik der Umfang der Veränderlichkeit
zwischen V1 und V3 liegt, so ist die Erfindung zwischen V1 und
V4 veränderlich mit einem erweiterten Umfang ΔVp an Veränderlichkeit.
Da gemäß der obigen Beschreibung die negative Spannung mit
einem vom Benutzer geforderten Wert über den die negative
Spannung führenden Anschluß 9 am Kanalstoppbereich 6 angelegt
wird, wird die Breite des Potentialverlaufs des VCCD-
Bereichs 4 vergrößert, und die Ladungsspeicherfähigkeit sowie
der Wirkungsgrad des Ladungstransfers werden maximiert, wobei:
ΔQ = CΔV.
Aus der auf die Ladung bezogenen obigen Gleichung ist bekannt,
daß mit zunehmenden ΔV gemäß der Erfindung die Ladungs
speicherfähigkeit größer und gleichzeitig der Wirkungsgrad des
Ladungstransfers maximiert wird.
Claims (4)
1. CCD-Bildsensor, mit
einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
einer auf diesem angeordneten Schicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf ein definiertes Potential legbar ist,
mehreren in der Schicht (2) nebeneinander angeordneten Bereichen (3, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps, die als Fotodetektorbereiche (3) und als VCCD-Kanalbereiche (4) dienen,
Dünnschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps (8), die auf den als Fotodetektorbereiche dienenden Bereichen (3) des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind und weitere Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps berühren, und
Transfergate-Elektroden (5), die den Ladungsübergang von den Fotodetektorbereichen (3) zu den VCCD-Kanalbereichen (4) steuern,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nebeneinander angeordneten Bereiche (3, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps direkt aneinandergrenzen,
daß die weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps an den beiden Rändern und innerhalb der VCCD-Kanalbereiche (4) angeordnet sind, und
daß das Potential der weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps steuerbar ist.
einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
einer auf diesem angeordneten Schicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf ein definiertes Potential legbar ist,
mehreren in der Schicht (2) nebeneinander angeordneten Bereichen (3, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps, die als Fotodetektorbereiche (3) und als VCCD-Kanalbereiche (4) dienen,
Dünnschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps (8), die auf den als Fotodetektorbereiche dienenden Bereichen (3) des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind und weitere Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps berühren, und
Transfergate-Elektroden (5), die den Ladungsübergang von den Fotodetektorbereichen (3) zu den VCCD-Kanalbereichen (4) steuern,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nebeneinander angeordneten Bereiche (3, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps direkt aneinandergrenzen,
daß die weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps an den beiden Rändern und innerhalb der VCCD-Kanalbereiche (4) angeordnet sind, und
daß das Potential der weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps steuerbar ist.
2. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Elektroden (9) zum Anlegen des Potentials an den weiteren
Bereichen (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind.
3. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der VCCD-Bereich (4) so ausgebildet ist, daß die Dotierung
in der Umgebung der weiteren Bereiche (6) des zweiten
Leitfähigkeitstyps geringer als im übrigen VCCD-Bereich ist.
4. CCD-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp so
ausgebildet ist, daß ein flacher Teil an der Unterseite der
Fotodetektorbereiche (3) und ein tiefer Teil an der Unterseite
der VCCD-Bereiche (4) gebildet ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019910002472A KR920017285A (ko) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 피닝전압이 낮은 고체 촬상소자의 구조 |
Publications (2)
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---|---|
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DE4203837C2 true DE4203837C2 (de) | 2002-03-21 |
Family
ID=19311130
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR (1) | KR920017285A (de) |
DE (1) | DE4203837C2 (de) |
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Legal Events
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---|---|---|---|
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