CIRCUIT FOR TRANSFERRING SIGNALS, WHICH HAVE BEEN FREED OF BACKGROUND NOISE, FROM AN INFRARED DETECTOR TO A CHARGE-COUPLED DEVICE CHANNEL

Abstract: 1. Transfer circuit for intelligence signals, freed from background signal, of an infrared detector to a charge-coupled-device channel with a storage region which is below a storage electrode (3) and realised as drain region of a field effect transistor (T1), with an electrode (2) at the input of the storage region and with a transfer electrode (5) at the output of the storage region, in which the storage region is charged in a first time element by way of the transistor (T1), driven into conductive state, up to the source potential of the transistor, is discharged in a second time element by means of the electrode (2) at the input of the storage region and the infrared detector in accordance with the illumination of the detector and the remaining charge of the storage region is transferred in a third time element as useful intelligence charge by way of the transfer electrode (5) to the input (6) of the charge-coupled-device channel.

Description: Beschroibung Übergabeschaltung für vom Hintergrundsignal befreite Nutzsignale eines IR-Detektors an einen CCD-Kanal Die Erfindung betrifft eine Übergabesohaltung für vom Hintergrundsignal befreite Nutzsignale eines IR-Detektors (Infrarot-Detektors) an einen CCD-Kanal (Charge-Coupled Device-Kanal), Neuzeitliche Wärmebild-Geräte besitzen zur Verbesserung der Empfindlichkeit eine Vielzahl von Einzeldetektoren in der Fokusebene der IR-Optik. Die Forderung nach einer hohen geometrischen Bildauflösung bedingt eine dichte, im allgemeinen zweidimensionale Packung der Detektorelemente. Da die IR-Detektoren eine Betriebstemperatur von typisch 40 K c T c 100 K erfordern, sind die ein- oder zweidimensionalen Detektorarrays in ein Dewargehäuse einzubauen. Bei zweidimensionalen Multielementarrays ist dabei eine individuelle Herausführung der Signalleitungen von jedem Detektorelement zum zugehörigen Vorverstärker äusserst schwierig. Ein relativ einfaches Detektorsignal-Auslese- verfahren bieten die ladungsgekoppelten Bauelemente, auch CCD-Sch:i eberegi ster genanrlt. CCD-Schiebere$ister wandeln die Vielzahl der räumlich verteilten Detektorsignale um in ein Zeit-Multiplex-Signal. Diese Parallel-Serien-Wandlung durch die CCD-Schieberegister ergibt eine beträchtliche Verringerung der elektrischen Durchführungen in das Dewargehäuse. Das vom Detektor-Array auszuwertende Objekt weist übli- cherweise eine nur geringe Temperaturdifferenz zu seiner Umgebung bzw. zum Hintergrund auf. Daher ist das der Temperaturdifferenz entsprechende Nutzsignal nur ein Bruchteil des Hintergrundsignals, z.B. 1/100 bis 1/1000. Um den dynamischen Bereich der CCD-Schieberegister zu erhöhen, ist es notwendig, den vom Hintergrundsignal erzeugten Ladungsanteil vor dem Einlesen in das CCD Schieberegister zu subtrahieren. Vom CCD-Schieberegister wird dann nur noch ein dem Nutzsignal entsprechender' Ladungsanteil weitergeleitet. Als Beispiel für eine Hintergrundsignalunterdrückung ist in FIG. 1 eine Detektorsignal-Übergabeschaltung schematisch dargestellt, wie sie aus IEEE Transactions on Elektron Devices, Vol. ED-29, No. i, Jan. 19821 Seiten 3 bis 13 bekannt ist. Diese Schaltung erfordert entweder eine hohe zu jedem Detektorelement gehörige Speicher kapazität CO, um die während der Integrationszeit to angefalione 1 vom Hintergrund- und Nutzsignal gene rieree Gesamtladung zu speichern. Erst am Ende der Integrationszeit kann ein dem Hintergrundsignal entsprechender konstanter Ladungsanteil QK abgezogen und die verbleibende Ladung QN über das CCD-Schiebe registor 71 ausgelesen werden oder eine kurze Integrationszeit ## int 1 um die Speicherung der Gesaintladung auch in kleinerer Speicherkapazität C vornehmen zu können. o Der erste Fall ist unerwünscht, weil grosse Speicherflächen (in FIG. 1 die Fläche der Elektrode 3) den Füllfaktor (das Verhältnis der Fläche des Sensor-Elements zur Fläche der Übergabeschaltung) reduzieren. Für den Fall einer photo neninduzierten Generationsrate der Ladungsträger von 2.1016 cm-ês-Ú, einer Integrationszeit von #t = 100 s int und einer Gatespannung U3 von 10 V ist die Gatefläche der Speicherelektrode 3 bereits gleich der Sensorfläche. Der zweite Fall ist unerwünscht, weil er hohe Verschiebefrequenzen in der Übergabeschaltung und Taktfrequenzen für das CCD-Schieberegister erfordert. Ausserdem wird durch die geringen Ladungsmengen auch das Signal/Rausch-Verhältnis wesentlich verschlechtert. Für den Fall einer Integra tionszeit von Jtint = 10 s ergibt sich bei 100 Detektorelementen bereits eine CCD-Schieberegisterfrequenz von 10 MHz, weil Sensortotzeiten vermieden werden sollen. CCD-Schieberegister für hohe frequenzen haben jedoch im allgemeinen einen geringeren dynamischen Bereich und erheblich schlechtere Transèreigenschaften. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu vorDexsern. Insbesondere soll Mhne Verschlechterung des Signal/Rausch-VerhMltnisses das Verhältnis Detektorfläche/(Fläche der Übergabeschaltung) verbessert werden. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst. Es ist nunmehr möglich, mit einer einfachen Elektrodenkonfiguration zu arbeiten, wodurch Technologiefehler reduziert werden und damit eine höhere Ausbeute an IR-Auswerteschaltungen erzielt wird. Ausserdem erfolgt nun das Abtrennen eines konstanten Ladungsanteils (chargepartitioning), das Abziehen der Nutzsignalladung (skimming) und der Überstrahlungsschutz (anti-blooming) in einer einzigen Stufe und wird in einer überraschend einfachen Weise durchgeführt. Wegen des geringen Platzbedarf s der Übergabeschaltung wird, wenn sie auf einem Haibleiterchip mehrfach vorgesehen wird, ein gutes Verhältnis IR-Detektorfläche/Qesamt- fläche des Chips erzielt. Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen im einzelnen: FIG. 2 Die erfindungagemässe Übergabeschaltung FIG. 2.1 Den jeweiligen Oberflächenpotentialverlauf zu bis 2.4 vier aufeinanderfolgenden Zeitintervallen In FIG. 2 ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit üinc llyDride Ill-Uctektor-Über$abestuSe mit CCD-Schieberegistereingang dargestellt. Hybrid bedeutet, dass die IR Detektoren und die Übergabeschaltungen auf zwei voneinander getrennten Halbleiter-Chips, z.B. übereinander, angeordnet und durch Leiiungsbrücken L mitein nder verbunden sind. Mit RD ist ein IR-Detektor des Detektorchips bezeichnet. Sein Widerstand hängt von der IR-Bestrahlungsstärke ab. Die Elektroden 2 bis 7 sind in an sich bekannter Weise auf dem Ualbleiter-Chip mit den Übergabeschaltungen angeordnet. Ein leitend dotierter Bereich 1 des Halbleiterchips ist mittels der Leitungsbrücke L mit einem IR-Detektor 1D des Detektorchips verbunden. Der Bereich unter der Speicherelektrode 3 ist als Drainbereich eines Feldeffekttransitors T1 realisiert. Die Speicherelektrode 3 und die Sourceelektrode 5 des Transistors TI werden auf konstantem Potential gehalten. Im Gegensatz zum in FIG. 1 gezeigten Stand der Technik wird eine vom IR-Detektor generiert Ladung nicht unter der Speicherelektrode 3 innerhalb einer Integrationszeit int aufsummiert, sondern gemäss der Erfindung fliesst durch einen kurzzeitigen Spannungsimpuls am Gate G des Transistors TI in einem ersten Takt, wie FIG. 2.1 zeigt, zunächst eine Ladung Qmax über den leitend gesteuerten Transistor T1 unter die Speicherelektrode 3. Der Betrag der Ladungsmenge QmaX hängt von der gewählten, im Betrieb konstanten Sourcespannung des Transistors T1 ab. Der Speicherbereich unter der Elektrode 3 wird folglich bis zum Source-Potential aufgeladen. Die Fläche und die Breite der Speicherelektrode 3 ist so gewählt, dass die gespei cherte Lbduwsg Qtmax noch vorn CCD-Schieberegister, dessen Eingang unter der Elektrode 7 liegt, zu verarbeiten ist. In eilloul zweiten Takt wird nun, wie FIG. 2.2 zeigt, mittels der Entladeelektrode 2 der sich unter der Speicherelektrode 3 befindende Speicherbereich durch den belich tungsabhängigen Widerstand des IR-Detektors RD nach Mass- gabe seiner Belichtung entladen. Dabei fliesst die Ladungsmenge QO ab. Die verbleibende Restladung QN = Z Qmax - Q0 wird in einem dritten Takt als Nutzladung über die Transferelektrode 5 an den Eingang des CCD-Kanals, also unter die Elektrode 7, transferiert. Hierzu werden im dritten Takt die im zweiten Takt abgesenken Po tentialschwellen unter den Elektroden 2 und 3 angehoben und die Potentialschwelle unter der Elektrode 5, wie FIG. 2.3 zeigt, abgesenkt. Durch Anheben der Potentialschwelle unter der Elektrode 5 und Absenken der Potentialschwelle unter der Elektrode 3 wird der Zustand gemäss FIG. 2.4 erreicht. Die Ladung QN kann nun aus der CCD-Eingangsstufe, also dem Bereich unter der Elektrode 71 ausgelesen und über den Transistor Tl kann erneut eine Ladungsmenge Qmax unter die Speicherelektrode 3 eingegeben werden, so dass dann der Vorgang gemäss FIG. 2.1, wie bereits beschrieben, erneut ablaufen kann. Nach der Speicherung der je nach Anwendung vorzugebenden Ladung Qmax wird das Potential an der Elektrode 2 für die Zeit atint jeweils auf einen derartigen, evtl. nachstellbaren oder automatisch nachregelbaren Wert eingestellt, dass bei den hellsten Bildteilen des IR-Bildes QN = Qmax - Q0 = O wird. Durch diese Massnahme ist eine zusätzlicho anti-blooming-Schaltung nicht erforderlich. Wird z.I3. der IR-Detektor einer zu hohen Beleuchtung ausgesetzt, so kann nicht mehr als die gesamte über den Transistor TI eingespeiste Ladung Qmax über den Detektor RD abfliessen. Am CCD-Eingang erscheint somit in diesem Fall das Signal ItNullt2. Eine Schaltung zur Subtraktion des IR-Hintergrundsignals entfällt ebenfalls, da durch die konstante Hintergrundstrahlung eine diese entsprechende Grundladung über den Detektorwiderstand RD abgeführt wird. Auf diese Weise verbleibt die vom CCD-Schieböregister zu verarbeitende Signalladung QN unter der Elektrode 3. Das Skimming Verfahren ist somit automatisch realisiert Da diese einfache Schaltung nur wenig Platz beansprucht, kann sie mit Vorteil auf einem Halbleiter-Chip mehrfach vorgesehen werden. Selbst in monolithischer Ausführung, bei der IR-Detektoren und Übergabeschaltungen auf einem einzigen Halbleiter-Chip angeordnet sind, lassen sich dadurch gute Verhältnisse von Detektorfläche/Halbleiter chip-Fläche erzielen.

Claims: Patentansprüche 1. Übergabeschaltung für vom Hintergrundsignal befreite Nutzsignale eines IR-Detektors an einen CCD-Kanal (Charge-Coupled-Device-Kanal), dadurch gekennzeichnet, dass unter einer Speicherelektrode (3) ein Speicherbereich vorgesehen ist, der in einem ersten Takt über einen leitend gesteuerten Transistor (T1) bis zum Source-Potential des Transistors aufgeladen wird, in einem zweiten Takt mittels einer Entladeelektrode (2) und dem IR-Detektor (RD) nach Massgabe der Belichtung des Detektors entladen wird und dessen Restladung in einem dritten Takt als Nutzladung über die Transferelektrode (5) an den Eingang (7) des CCD-Kanals transferiert wird. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem flalbleiterchip mehrfach vorgesehen ist.

Inventors: KOHLBACHER, GERHARD, DIPL.-ING., NOTHAFT, PETER, DR.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1984
Main classification: H01L27
IPC codes: H01L27, H01L29