DE1537057B2

DE1537057B2 - Lichtelektrische anordnung

Info

Publication number: DE1537057B2
Application number: DE1967C0043074
Authority: DE
Inventors: Raymond Paris Poirier
Original assignee: CSF-Compagnie Generale de Telegraphie Sans FiI, Paris
Priority date: 1966-08-10
Filing date: 1967-08-09
Publication date: 1976-10-14
Also published as: US3562425A; DE1537057A1; GB1176358A; FR1500945A; NL6710949A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen, die einer räumlichen Lichtverteilung entsprechen, mit einer der Lichtverteilung ausgesetzten Halbleiterschicht, in welcher freie Ladungsträger in Abhängigkeit von der auftreffenden Lichtintensität erzeugt werden, eine Anordnung zum Anlegen von Spannungsimpulsen „_f an die Halbleiterschicht, und mit einer Anordnung zum ■ Abnehmen des durch die freien Ladungsträger unter dem Einfluß der Spannungsimpulse entstehenden Stroms.

Bei einer aus der US-PS 3111556 bekannten lichtelektrischen Anordnung dieser Art werden die Spannungsimpulse quer zu der auftreffenden Licht-

. strahlung an die Halbleiterschicht angelegt, so daß die unter dem Einfluß der Lichtstrahlung erzeugten freien Ladungsträger quer durch die Halbleiterschicht wandern und am einen Ende der Halbleiterschicht über eine dort gebildete Flächendiode abgenommen werden. Eine solche Anordnung setzt zunächst voraus, daß sich die Ladungsverhältnisse bei der Bewegung der Ladungsträger quer durch die Halbleiterschicht bis zum Abnahmepunkt nicht wesentlich ändern. Die längste vorkommende Laufzeit muß daher kurz gegen die mittlere Lebensdauer der Ladungsträger sein. Vor allem aber darf während dieser Verschiebung der Ladungsträger

■ keine erneute Belichtung der Halbleiterschicht erfolgen.

Die Belichtung muß deshalb blitzartig in den Pausen

zwischen den Spannungsimpulsen geschehen. Hierin ist (^ eine wesentliche Einschränkung zu sehen, die insbesondere die Verwendung dieser gekannten Anordnung für die Abtastung von Fernsehbildern ungeeignet macht.
Andererseits sind die. üblichen Geräte zur Umwandlung von optischen Bildern in Fernsehsignale mit Vakuumröhren ausgebildet, in denen Elektronenstrahlsysteme für die Abtastung der Fotokatoden vorhanden sind. Diese Geräte sind daher für viele Anwendungszwecke, beispielsweise für die Raumfahrttechnik, unerwünscht groß und schwer.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer für die Erzeugung von Fernsehbildsignalen geeigneten lichtelektrischen Anordnung von geringem Gewicht und Raumbedarf.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere MOS-Elemente vorgesehen sind, die durch auf die Halbleiterschicht unter Einfügung einer Isolierschicht aufgebrachte Metallkontakte und an der Halbleiterschicht angebrachte ohmsche Kontakte gebildet sind, daß der ohmsche Kontakt jedes MOS-Elements über einen Widerstand mit Masse verbunden ist, daß zwischen den Metallkontakten und Masse eine Vorspannung angelegt ist, und daß kurze, die

Vorspannung aufhebende Spannungsimpulse zeitlich gestaffelt an die MOS-Elemente angelegt werden.

Die lichtelektrische Anordnung nach der Erfindung hat einen sehr flachen Aufbau mit geringem Raumbedarf und Gewicht. Die Abtastung der Bildwandlerelemente erfolgt nur durch die an die Anordnung angelegten Spannungen. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Anordnung nach der Technik der integrierten Halbleiterschaltungen rationell hergestellt werden kann. Auf diese Weise können die MOS-EIe- ι ο mente mit großer Dichte angeordnet werden, wodurch ein gutes Auflösungsvermögen erzielt wird.

Die Wirkung der lichtelektrischen Anordnung nach der Erfindung beruht darauf, daß jedes MOS-Element beim Anlegen des Spannungsimpulses einen Stromimpuls erzeugt, welcher der Beleuchtungsintensität des betreffenden MOS-Elements proportional ist. Dieser Stromimpuls fließt über den Widerstand und erzeugt an diesem einen entsprechenden Spannungsimpuls. Wenn der Widerstand mehreren MOS-Elementen gemeinsam ist, entsteht an dem Widerstand eine Impulsfolge, welche zeitlich gestaffelt die Beleuchtungsstärken der verschiedenen MOS-Elemente wiedergibt. Diese Spannungsimpulsfolge entspricht dem Prinzip eines Fernsehbildsignals, wobei jedes MOS-Element einem Bildpunkt zugeordnet ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht daher darin, daß die MOS-Elemente matrixförmig in einer Ebene in Zeilen und Spalten angeordnet sind, daß die Metallkontakte aller in der gleichen Spalte liegenden MOS-Elemente miteinander verbunden sind, und daß die ohmschen Kontakte aller in der gleichen Zeile liegenden MOS-Elemente über einen gemeinsamen Widerstand mit Masse verbunden sind.

Bei dieser Ausführungsform entspricht jede Zeile von MOS-Elementen einer Bildzeile des Fernsehbildes und an dem gemeinsamen Widerstand kann das Zeilensignal abgenommen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt F i g. 1 ein MOS-Element im Ruhezustand,

F i g. 2 ein MOS-Element im Betriebszustand,

Fig.3 schematisch eine lichtelektrische Anordnung nach der Erfindung,

F i g. 4 ein erläuterndes Diagramm,

Fig.5 ein Zeitdiagramm der spaltenweisen Abtastung,

F i g. 6 ein Zeitdiagramm der Zeilen-Bildsignale,

F i g. 7 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines MOS-Elements für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig.8 eine perspektivische Ansicht des MOS-Elements von F i g. 7,

Fig.9, 10 und 11 verschiedene Herstellungsstadien des MOS-Elements nach F i g. 7 und 8,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mit integrierten MOS-Elementen,

Fig. 13 eine Draufsicht auf die Anordnung von Fig. 12,und

F i g. 14 schematisch ein Bildaufnahmegerät mit einer lichtelektrischen Anordnung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein MOS-Element (Metall-Oxid-Halbleiter-Element) mit einem Metallkontakt 1, der auf einer für Photonen durchlässigen Isolierschicht 2 angebracht ist, z. B. einer Siliziumoxid-Schicht, die ihrerseits auf einer Halbleiterschicht 3 angebracht ist, die beispielsweise aus Silizium vom Leitungstyp π besteht Ein an der entgegengesetzten Fläche der Halbleiterschicht 3 angebrachter ohmscher Kontakt 4 ist mit Masse verbunden. Der Metallkontakt 1 ist durch eine Gleichspannungsquelle 5 an eine gegen Masse negative Vorspannung gelegt

Zunächst sei angenommen, daß das MOS-Element von F i g. 1 sich im Dunkeln befindet. In einem Anfangszeitpunkt wird die negative Vorspannung — Vo an den Metallkontakt 1 angelegt. F i g. 1 zeigt den Ladungszustand des MOS-Elements in diesem Anfangszeitpunkt.

Die Elektronen setzen sich in Bewegung und hinterlassen in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 2 und der Halbleiterschicht 3 im Halbleiter eine Zone 12 von ionisierten Donatoratomen 11, die positiv geladen sind und durch Kreise mit einem Plus-Zeichen dargestellt sind. Da thermisch Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, konzentrieren sich die Löcher in der Zone 12. Sie sind mit einfachen Plus-Zeichen gekennzeichnet. F i g. 2 stellt diesen Zustand dar.

Es läßt sich eine Zeit definieren, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

^J> d

In dieser Gleichung sind:

Nd die Donatorkonzentration pro cm³, die im Falle eines Ausführungsbeispiels mit Silizium des Leitungstyps π mit einem spezifischen Widerstand von 500 0hm · cm beispielsweise Nd= 10¹³/cm³ beträgt;

m die Eigenleitungskonzentration im nicht dotierten Halbleiter, im obigen Falle beispielsweise m = 1,5 · 10¹⁰/cm³;

7o die Lebensdauer der Minoritätsträger, beim Ausführungsbeispiel T₀ = 15 μβ.

Es ergibt sich für das Ausführungsbeispiel eine Zeit:

T= 15

,13

1,5 · ΙΟ¹⁰

= 10 ms.

Wenn unter diesen Voraussetzungen der Halbleiter beleuchtet wird, kommt zu der erwähnten thermischen Erzeugung eine durch Fotoionisierung verursachte Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren hinzu.

Es läßt sich zeigen, daß nach einer Zeit t < Γ die Anzahl der angesammelten Löcher und infolgedessen die positive elektrische Ladung in der Zone 12 linear von der Beleuchtung abhängt:

Q = Q₀ + Κψ,

wobei ψ die Lichtintensität ist.

Nachstehend wird eine lichtelektrische Anordnung beschrieben, bei der diese physikalische Erscheinung zur Erzeugung von Fernseh-Bildsignalen ausgenutzt wird. Ein Ausführungsbeispiel dieser Anordnung ist in F i g. 3 dargestellt.

Man erkennt in dieser Figur eine Matrix aus neun MOS-Elementen der zuvor beschriebenen Art, die in drei Zeilen und drei Spalten mit je drei MOS-Elementen angeordnet sind und folgendermaßen bezeichnet sind: Dn, Dn, D\3 für die 1. Zeile,
D_2x, D₂₂, D₂₃ für die 2. Zeile,
D31, Di₂, D33 für die 3. Zeile.
Die dem Kontakt 4 von F i g. 1 entsprechenden

ohmschen Kontakte der MOS-Elemente Ai, Du, A3 sind parallel an einen Widerstand R\ angeschlossen, dessen andere Klemme an Masse liegt. In entsprechender Weise sind die ohmschen Kontakte der MOS-Elemente Ai bis Dn an einen Widerstand R2 und die ohmschen Kontakte der MOS-Elemente Ai bis Dn an einen Widerstand A3 angeschlossen.

Die mit den MOS-Elementen verbundenen Klemmen der drei Widerstände sind mit einem Umschalter C mit drei Schaltstellungen verbunden. Der Umschalter C _!0 schaltet die Widerstände R\, R₂, R3 gemäß einem festgelegten Zeitprogramm zyklisch an einen Verstärker A an, wie später noch erläutert wird.

Die Metallkontakte der MOS-Elemente Ai, Ai, Ai der Spalte 1 sind mit einem ersten Ausgang einer Verzögerungsleitung LR verbunden. In gleicher Weise sind die Metallkontakte der MOS-Elemente A2, A2, D32 der Spalte 2 an einen zweiten Ausgang und die Metallkontakte der MOS-Elemente A3, A3, A3 der Spalte 3 an einen dritten Ausgang der Verzögerungsleitung LR angeschlossen. Der Eingang der Verzögerungsleitung LR ist mit einem Impulsgenerator GA verbunden.

Die Wirkungsweise der Anordnung wird aus den folgenden Erläuterungen verständlich:

F i g. 4 zeigt im unteren Teil (A) den Verlauf einer Spannung V, die an die Klemmen eines MOS-Elements angelegt wird, das einer Lichtbestrahlung ausgesetzt ist. Diese Spannung ist im Ruhezustand gleich — Vo, doch wird sie durch Spannungsimpulse der Dauer t < T periodisch auf den Wert Null gebracht, wobei t in der Größenordnung von 30 bis 40 μ5 liegt.

Im oberen Teil (B) von Fig.4 ist der Strom / dargestellt, der infolgedessen über einen Widerstand fließt, welcher zwischen den ohmschen Kontakt des MOS-Elements und Masse geschaltet ist. Der Strom ist nach dem Anlegen der Vorspannung — Vo zunächst negativ, doch nimmt er beim Anlegen eines Spannungsimpulses einen großen positiven Wert an, worauf er in einer Zeit t'< t auf den Wert Null zurückgeht. Das Ende des Spannungsimpulses entspricht dem erneuten Anlegen der Vorspannung — Vo, so daß der Strom wieder seinen negativen Wert annimmt. Die schraffierten Flächen haben die gleiche Größe wie die Flächen der dreieckigen Stromspitzen, dh, die während der Impulse abgeführten Ladungen werden während der Impulspausen wieder zugeführt

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Spitzenwerte des Stroms im MOS-Element linear von dem darauf auffallenden Lichtstrom abhängig sind.

In Fig.5 ist dargestellt, wie die Spannungsimpulse nacheinander an die Spalten der Matrix von Fig.3 angelegt werden. Die erste Spalte erhält den Impuls Pt, der aufhört, sobald die zweite Spalte den Impuls P₂ erhält usw. Die Anfangsflanken eines jeden Impulses fallen also mit den Endflanken des jeweils vorausgehenden Impulses zusammen.

Während einer Periode der Verzögerungsleitung bleibt der Umschalter C einer Zeile zugeschaltet, beispielsweise der Zeile / Dies hat zur Folge, daß der Widerstand Rj am Ende der betreffenden Periode der Verzögerungsleitung nacheinander die Stromimpulse aller MOS-Elemente der Zeile empfangen hat. Am Widerstand Rj bildet sich also eine Folge von Impulsen, deren Amplituden die Stärke der Beleuchtung der MOS-Elemente der Zeile ausdrücken (F i g. 6). Anschließend geht der Umschalter zu der folgenden Zeile über.

F i g. 7 zeigt im Schnitt eine andere Ausführungsform eines MOS-Elements, das vorteilhaft bei der lichtelektrischen Anordnung verwendbar ist. In dieser Figur bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1. Die Isolierschicht 2 ist mit einer Rinne 41 ausgebildet. In dieser Rinne ist ein ohmscher Kontakt 401 an der freiliegenden Oberfläche der Halbleiterschicht 3 angebracht Der Metallkontakt ist in zwei Teile 111,112 aufgeteilt, welche zu beiden Seiten des Rinnenkontakts 401 liegen, der eine ausreichende Breite / hat Im übrigen entspricht die Anordnung der Fig. 1. Unter der Einwirkung einer Spannung -V wandern die elektrischen Ladungen vom ohmschen Kontakt 41 zu den Metallkontakten 111,112, und zwar auf Wegen im Inneren des Halbleiters (gestrichelte Linien in der Figur). Dieser spielt gegenüber dem Dielektrikum 2 die gleiche Rolle wie bei dem MOS-Element von F i g. 1.

Fig.8 zeigt perspektivisch zwei MOS-Elemente 111-401-112 und 121-402-122 der in Fig.7 gezeigten Art, welche in einem einstückigen Körper mit einer Isolierschicht 2 und einer Halbleiterschicht 3 ausgebildet sind. Die beiden ohmschen Kontakte 401,402 sind in parallelen Rinnen in der Isolierschicht 2 angeordnet. Am Boden dieser Rinnen ist durch Diffusion ein Störstoff eingebracht, welcher den Widerstand des Siliziums gemäß dem weiter unten beschriebenen Verfahren herabsetzt. Unter dem Boden jeder Rinne liegt daher eine Schicht des Leitungstyps n⁺.

Auf der oberen Fläche der Isolierschicht 2 sind die Metallkontakte 111, 112 bzw. 121, 122 aufgebracht, welche zu beiden Seiten des Rinnenkontakts 401 bzw. 402 liegen.

Die Herstellung geschieht in folgender Weise: Auf einem Siliziumplättchen 3 (F i g. 9) wird durch Oxidation eine Schicht 2 aus Siliziumdioxid S1O2 gebildet. Die Rinnen werden nach der üblichen Lichtdruck- und Ätztechnik in die Oxidschicht eingeschnitten (F i g. 10). Darauf wird der Störstoff eindiffundiert. Anschließend wird die Oxidschicht von dem Siliziumplättchen entfernt das sodann erneut derart oxidiert wird (Fig. 11), daß der mittlere Teil der Rinnen wieder mit Oxid bedeckt ist, nämlich durch die Abschnitte 131,132.

Dann wird, wie in F i g. 12 dargestellt, eine Metallisierung auf die Isolierschicht 2 aufgebracht Die Metallisierung besteht aus den Streifen 111, 112 bzw. 121, 122, ( welche zu beiden Seiten der die Kontakte 401 bzw. 402 enthaltenden Rinnen liegen, sowie aus einem Streifen 501, der senkrecht zu den beiden vorhergehenden angeordnet ist und diese elektrisch verbindet. Jede Zeile von MOS-Elementen ist auf diese Weise mit ihrem Widerstand über einen Rinnenkontakt, beispielsweise 401, verbunden, und jede Spalte ist an ihrem Ausgang der Verzögerungsleitung durch ihren Anschlußstreifen 501 angeschlossen. Die letzte Ziffer des Bezugszeichens des Rinnenkontakts zeigt die Zeilennummer der Matrix an; die letzte Ziffer des Bezugszeichens des Metallstreifens gibt die Spaltennummer an. Bei der in Fig. 13 in Draufsicht von oben dargestellten Matrix sind beispielsweise zwei Zeilen 1001 und 1002 sowie zwei Spalten 901 und 902 zu erkennen.

Will man auf einem Quadratzentimeter 100 Zeilen und 100 Spalten unterbringen und soll die Abtastperiode einer Zeile 50 ms betragen, so beträgt der Abstand der Zeilen und der Spalten 100 μπι, und dem Widerstand können Impulse in Abständen von 50 ms · IQ-* = 5 μδ zugeführt werden.

Die beschriebene lichtelektrische Anordnung ermöglicht auf einfache Weise die Schaffung einer Matrix von

Fotoelementen. Die Empfindlichkeit ist dabei vergleichbar mit jener von Fotodioden. Außerdem gibt jedes lichtempfindliche Element ein Signal ab, das dem integrierten Lichtstrom entspriqht, den es während der Abtastzeit einer Zeile aufgenommen hat.

Fig. 14 zeigt ein optisches Gerät 1000, das auf der lichtempfindlichen Oberfläche einer Anordnung 1001' der zuvor beschriebenen Art ein in Fernsehsignale umzuwandelndes optisches Bild erzeugt Die Einheit 1002' stellt dabei den zugehörigen Elektronikteil dar.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

609 542/174

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtelektrische Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen, die einer räumlichen Lichtverteilung entsprechen, mit einer der Lichtverteilung ausgesetzten Halbleiterschicht, in welcher freie Ladungsträger in Abhängigkeit von der auftreffenden Lichtintensität erzeugt werden, eine Anordnung zum Anlegen von Spannungsimpulsen an die Halbleiterschicht, und mit einer Anordnung zum Abnehmen des durch die freien Ladungsträger unter dem Einfluß der Spannungsimpulse entstehenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere MOS-Elemente vorgesehen sind, die durch auf die Halbleiterschicht (3) unter Einfügung einer Isolierschicht (2) aufgebrachte Metallkontakte (1; 111, 112, 121, 122) und an der Halbleiterschicht (3) angebrachte ohmsche Kontakte (4; 401, 402) gebildet sind, daß der ohmsche Kontakt jedes MOS-Elements über einen Widerstand (Ru R₂, R3) mit Masse verbunden ist, daß zwischen den Metallkontakten und Masse eine Vorspannung angelegt ist, und daß kurze, die Vorspannung aufhebende Spannungsimpulse zeitlich gestaffelt an die MOS-Elemente angelegt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Elemente (Ai, A2, A3, Ai, A2, A3, Α«, A2, A3) matrixförmig in einer Ebene in Zeilen und Spalten angeordnet sind, daß die Metallkontakte aller in der gleichen Spalte liegenden MOS-Elemente (z. B. An, Ai, Ai) miteinander verbunden sind, und daß die ohmschen Kontakte aller in der gleichen Zeile liegenden MOS-Elemente (z. B. Ali A2, A13) über einen gemeinsamen Widerstand (R_it R₂, R3) mit Masse verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der Spannungsimpulse eine Verzögerungsleitung (LR) mit gestaffelten Ausgängen vorgesehen ist und daß die miteinander verbundenen Metallkontakte jeder Spalte mit einem Ausgang der Verzögerungsleitung verbunden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen zyklisch betätigten Umschalter (C), welcher die den Zeilen zugeordneten Widerstände (R\, R₂, A3) der Reihe nach mit dem Eingang eines Verstärkers ^verbindet.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3) einen Träger bildet, auf den die Isolierschicht (2) und die Kontakte (1,111,112,121, 122,4,401,402) aufgebracht sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Kontakt (401, 402) jedes MOS-Elements am Grund einer in der Isolierschicht gebildeten Rinne (41) gebildet ist und daß der Metallkontakt (111,112) jedes MOS-Elements durch zwei zu beiden Seiten der Rinne (41) auf die Isolierschicht (2) aufgebrachte Streifen gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil jeder Rinne mit einer Isolierschicht (131, 132) bedeckt ist, auf die ein die beiden Streifen (111, 112, 121, 122) des Metallkontakts verbindender metallischer Querstreifen (501) aufgebracht ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle MOS-

Elemente auf und in einer gemeinsamen Halbleiterschicht (3) gebildet sind.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Kontakte aller in der gleichen Spalte liegenden MOS-Elemente am Grund einer gemeinsamen Rinne durch einen zusammenhängenden Metallstreifen (401,402) gebildet sind, und daß die die Metallkontakte (111, 112,121,122) bildenden Streifen aller in der gleichen Zeile liegenden MOS-Elemente durch einen gemeinsamen Querstreifen (501) miteinander verbunden sind.