DE1930748A1

DE1930748A1 - Optisch-elektrischer Bildumsetzer

Info

Publication number: DE1930748A1
Application number: DE19691930748
Authority: DE
Inventors: Wiemer Paul Kessler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-10-23
Filing date: 1969-06-18
Publication date: 1971-01-14
Also published as: US3521244A; FR2021325A1; GB1248268A; NL6909370A

Description

ÜS-Ser.No. 769,850 Piled: October 23, I968

Radio Corporation of America, New York, N.Y. (V.8t.A.) Optisch-elektrischer Blldumsetzer.

Die Erfindung betrifft einen optiseh-el@fefe£ls@hen Bildaas« setzer mit einer Anordnung gleichartiger aktiver !!««tut·. Bin solcher Bildumsetzer liefert auf optische Eingangssignal· hin entsprechende elektrische Ausgangseignale.

Einige bekannte elektro-optische Fühlschaltungea cigaen sieh Insbesondere für optisch-digital arbeitende ComputerantMndtingen zur Umwandlung von Liohtmustern, welche eine Binärinformation darstellen, in elektrische Signale. Diese Schaltungen enthalten eine Anordnung von Photodetektoren, von denen jeder lichtempfindlich 1st und ein elektrisches Signal liefert. Typischerwels· haben diese Schaltungen keine Speichereigensehaften. Um wirkungsvoll su arbeiten, müssen die Photodetektoren daher recht lichtempfindlich sein oder das auf sie fallende Licht mu3 sehr intensiv sein. Sur Erzielung einer ausreichenden Lichtintensität benutzt man manchmal Laserlicht. Die Verwendung von fasern oder von Lichtfühlern extrem großer Empfindlichkeit ist jedoch teuer.

Bekannte FestkÖrperbildfühlsehsltungen und -Vorrichtung·» für Pernsehanwendungen enthalten «ine Anordnung von Photodetektoren, und jedes Element einer typisch«» solch·» Anordnung besteht aus einem lichtempfindlichen Bauelement, «las in Reih* sät «!»·■ Schaltereleraent liegt, welches das lichtempfindlich« Element νοβ Ausgang des Fühlers abtrennt und nur im Ahtastaugenbliok freigibt. Das lichtempfindliche Element kann beispielsweise ein licht«epfin« Hoher Widerstand, eine Photodiode oder ein Phototransistor sein. Bei Verwendung eines Photowiderstandes oder einer Photodiode kann das Schalters lesen t ebenfalls «in· Mod· oder ein Transistor sein.

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Ein Phototransistor enthält jedoch in Form seiner Emitterdiode einen inneren Schalter und arbeitet in Anordnungen, ohne einen zusätzlichen Schalter bei jedem Element zu erfordern. Bekannte BildabfUhlanordnungen sind als dünne aus der Dampfphase abgelagerte Filmanordnungen und als diffundierte monolithische Aufbauten hergestellt worden.

Die monolithischen integrierten BildabfUhlanordnungen verwenden eine Photodiode« die als Speicherdiode betrieben wird, wobei diese Betriebswelse derjenigen bei eine« durch einen Elektronenstrahl abgetasteten Vidicon entspricht. Der Ladungsspeicherbetrieb beruht auf dem Prinzip, daß ein in Sperrichtung vorgespannter pn-übergang die In der Übergangskapazität gespeicherte Ladung in eine» Maße verliert» daß von der Intensität des auf den ; Übergang fallenden Licht·« a&hlngt. Sin dureh Photonen erzeugter Strom fließt durch den in Sperrioiituiig vorgespannten übergang und ist unmittelbar proportional dem Integral der BeleuehfessBgesfelrle® über de» Abtastintervall. Durch eine Messung des während jedes Abtastimpulse· zur Aufladung der übergangskaptsltät auf einen vorbestimmten Wert fließenden Stromes läßt sich ein Signal ge- \ winnen, das proportional dem Integral der Beichtung ist. Der Hau& vorteil dieser Betriebsart liegt darin, daß sie die Verwendung

relativ unempfindlicher Photodetektoren erlaubt. ;

i Bekannte PestkurperbildabfUhlvorrichtung, die sich zum La-

dungaapeicherbetrleb eignen, arbeiten »war *ufri«den*teilend, haben jedoch bestimmte Nachteile. Die in Dünnfilmtechnik hergestellten Anordnungen sind recht unstabil und unempfindlich. Die in monolithischer integrierter Form hergestellten Anordnungen sind relativ komplex und schwierig mit einer ausreichenden Zahl von Elementen auf einer genügend kleinen Fläehe herzustellen, wie sie für eine Auflösung erforderlich ist, die mit derjenigen von Fernsehbildern vergleichbar 1st.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung des Auflösungsvermögens und Verbilligung der Herstellung elektrooptlsoher Wandler der vorstehend beschriebenen Art. Diese Aufgabe wird erflndungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes der Elemente ein abwechselnd als lichtempfindliches Element und als Schalter arbeitendes Element ist. Es wird also nur «in aktives Element ver-

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wendet, das beispielsweise eine Photodiode sein kann, die abwechselnd als Lichtfühler und als Schalter betrieben wird. Diese Doppelfunktion der Photodioden wird möglich durch die Einfügung einer relativ großen, spannungsunabhängigen Kapazität in Reihe mit jeder Photodiode. Die Schaltung arbeitet im Ladungsspeicherprinzip, bei dem die gespeicherte Ladung durch die Reihenkapazität gehalten wird, und der konstante Wert dieser Kapazität vereinfacht den Betrieb dieser Schaltung.

Bei dem Flächenaufbau des erfindungsgemäßen Bildfühlers sind die FUhldioden als monolithische Anordnung von pn-Ubergängen in Planarwelse auf einer Oberfläche eines Körpers aus Halbleitermaterial ausgebildet, und die in Reihenschaltung mit ihnen verbundenen Kapazitäten sind in Dünnfilmtechnik auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebaut» Dieser Aufbau ist relativ einfach herzustellen und ermöglicht eine hohe Dichte der Elemente.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt!

Fig. 1 ein Prinzipsehaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Handlerss _;

Fig. 2 bis k eine Reihe v©n Signalverläufen zur ¥eranschau- j lichung der Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Wandlers;

Fig. 5 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer zweidimensionalen Anordnung der in Fig. 1 gezeigten Elemente, welche zur Verwendung in einem Digitalsystem geeignet istj

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen monolithischen integrierten Aufbau als Beispiel für eine Art des Schaltungsaufbaus nach Fig.5;

Fig. 7 einen Querschnitt längs der Linie 7-7 der Fig. 6; Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie 8-8 der Fig. 6;

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des monolithischen integrierten Aufbaus gegenüber Fig. 5»

Fig. 10 und 11 Schnitte längs der Linien 10-10 bzw. 11-11 der Fig. 9J

Fig. 12 eine andere Ausführungsform der Erfindung;

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Fig. 13 bis 16 Kurvenverläufe zur Erläuterung des Betriebs der AusfUhrungsform nach Fig. 12;

Fig. 17 eine Draufsicht einer gegenüber Fig. 12 abgewandelten AusfUhrungsform der Erfindung;

Fig. 18 bis 21 Schnitte längs der Linien 18-18, 19-19* 20-20 bzw. 21-21 in Fig. 17;

Fig. 22 eine Draufsicht auf eine weitere Abwandlung der monolithischen integrierten Anordnung nach Fig. 12 und

I Fig. 23 und 24 Querschnitte längs der Linien 23-23 bzw. ;24-24 von Flg. 22.

Beispiel I

' Eine AusfUhrungsform der Erfindung ist in Fig. 1 mit der ίBezugsziffer 10 bezeichnet. Sie enthält eine lineare Anordnung j von Speicherelementen 11, deren jedes eine Photodiode 12 in Reihenf !schaltung mit einer Kapazität 16 enthält. Die Kapazität 16 1st so aufgebaut, daß ihr Kapazitätswert unabhängig von der an ihr liegenden Spannung 1st, sie 1st also keine spannungsabhängige Kapazität wie etwa ein pn-übergang.

Die Kathoden der Photodioden 12 sind mit einem Leiter 14 verbunden, ihre Anoden sind jeweils mit einem Belag einer Kapazität 16 verbunden. Der andere Belag der Kapazität 16 liegt an einer ; Wahlschaltung 18, die in vereinfachter Form als ein Satz zweipoliiger Schalter 20 dargestellt ist. Ein Anschluß 22 jedes Schalters 20 liegt an einer positiven Spannungsquelle, welche durch einen ,Pol 24 dargestellt 1st. Der andere Anschluß 26 jedes Schalters 20 \liegt über eine Leitung 28 an Masse.

Zwischen die Leitungen 18 und 28 ist ein Lastwiderstand 30 geschaltet, an dem zwischen Hasse und einem Punkt 32 am Ende der Leitung 14 das Ausgangssignal abgenommen wird.

Im Betrieb der Schaltung 10 wird jede« Speicherelement 11 abgetastet, indem es momentan über den ihm zugeordneten Schalter 20 an den Pol 24 +V angeschlossen wird. Man kann dies 90 auffassen daß ein Rechteckimpuls an das ausgewählte Speicherelement ange- . legt wird. Die Impulse haben keine ideale Rechteckform, sondern zeigen an ihren Vorder- und RUckflanken Übergangszeit. Drei solche

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Impulse 34, 35 und 36 sind in Pig. 2 dargestellt. Die folgende Beschreibung gilt für jedes der vier Speicherelemente 11 in Fig.10

Der mit "Einstellen" bezeichnete Impuls 34 wird anfangs einem ausgewählten Speicherelement 11 zugeführt und spannt dessen Diode 12 in Durchlaßrichtung vor. Es fließt dann ein Strom vom Anschluß +V durch den ausgewählten Schalter 20 und das Speicherelement 11 und schließlich durch den Lastwiderstand JO nach Masse, so daß die Kapazität 16 und die innere Kapazität der Diode 12, welche in Fig.:. durch gestrichelte Linien dargestellt ist, aufgeladen werden. Die Einsehaltspannung der Diode ist vorzugsweise niedrig, so daß das Potential am Punkt 38 niemals nennenswert über das der Leitung 14 ansteigt.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung das Potential am Punkt 38 über der Zeit, wobei die Zeitskala derjenigen nach Fig. angepaßt ist, und Fig. 4 zeigt eine Darstellung des durch den Lastwiderstand fließenden Stromes im gleichen Maßstab. Der geringe Potentialanstieg am Punkt 38, der durch den Einstellimpuls hervorgerufen wird, ist in Fig. 3 mit 39 bezeichnet. Durch den Lastwiderstand 30 und die Diode 12 fließt ein Strom, der die Kapazität 16 auf +V Volt auflädt. Dieser Strom wird in Fig. 4 durch einen scharfen Impuls 40 relativ großer Amplitude dargestellt, welcher die Summe des zur Aufladung der Kapazität 16 erforderlichen Stromer und eines Übergangsstroms ist, der in gestrichelten Linien gezeichnet ist und zu Beginn und zum Ende jedes Einstell- oder Abtastimpulses infolge der unmittelbaren kapazitiven Kopplung entsteht, welche zwischen der Wählschaltung 18 und der Leitung 14 besteht.

Ein Abschalten des Einstellimpulses durch Umlegen des Schalters auf seine Masseklemme 26 hat zur Folge, daß die Diode 12 in Sperrichtung vorgespannt wird und das Potential am Punkt 38 auf -V Volt übergeht, wie es der Abschnitt 41 der Kurve 3 zeigt. Der genaue Wert des negativen Potentials, auf welches der Punkt 38 gelangt, hängt von den relativen Werten der Kapazität 16 und der inneren Kapazität 37 der Diode ab.. Vorzugsweise wird die Größe der Kapazität 16 sehr viel größer als die innere Diodenkapazität gewählt, so daß das negative Potential am Punkt 38, das beim Verschwinden des Einstellimpulses erreicht wird, sehr dicht bei -V Voit liegt. Die innere Kapazität der Photodioden soll so klein wie

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möglich gehalten werden, damit die kapazitive Kopplung des Schalt impulses auf die Ausgangsleitung 14 minimal gehalten wird.

Der Sperrwiderstand jeder Diode 12 ist in Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt und mit 42 bezeichnet. Sein Dunkelwiderstand ist sehr hoch, und damit wird die Ladung der Kapazität 16 eines ausgewählten Speicherelementes 11 festgehalten. Ein Dunkelzustand ist durch das Intervall zwischen den Impulsen 34 und 35 in Fig. 2 dargestellt. Während dieses Intervalls bleibt das Potential am Punkt 38 relativ konstant auf -V Volt, wie der Abschnitt 43 der Kurve nach Fig. 3 erkennen läßt.

Wenn die Diode 12 des ausgewählten Elementes 11 belichtet [ wird, dann ist ihr innerer Widerstand 42 sehr viel niedriger, weil beim Auftreffen von Lichtenergie auf die Diode Photoladungsträger erzeugt werden. Dieser niedrigere Widerstand erlaubt ein Abfließen der Ladung der Kapazität 16. Ein solcher Belichtungszustand liegt im Intervall zwischen den Impulsen 35 und 36 in Fig. 2 vor. Hier wird das Potential am Punkt 38 mit der Zeit weniger negativ, wie der ansteigende Teil 44 der Kurve gemäß Fig. zeigt.

Wenn bestimmt werden soll, wieviel Licht auf eine bestimmte Diode 12 gefallen ist, dann wird der ihr zugeordnete Schalter 20 mit seiner Klemme 22 verbunden, so daß an das ausgewählte Speicher element 11 die Spannung +V Volt gelegt wird: Dadurch fließt ein Strom zwischen der Klemme 24 und Masse durch die Schaltung. Im Dunkelzustand, in dem nur wenig Strom von der Kapazität 16 abfließen kann, ist nur eine geringe Strommenge zur Wiederaufladung der Kapazität 16 erforderlich. Wie die Impulse 45 in Fig. 4 zeigen, besteht der während des Abtastimpulses 35 fließende Strom fast ausschließlich aus dem kapazitiv übergekoppelten Signal. Andererseits ist nach einem Belichtungszeitraum ein größerer Strom zur Wiederaufladung der Kapazität 16 erforderlich, wie der Impuls 46 in Fig. 4 zeigt. Wegen des festen Wertes der Kapazität 16 sind die AusgangswelLenformen weniger kompliziert als es der Fall wäre, wenn die Kapazität spannungsabhängig wäre.

Die kapazitiv übergekoppelten Signale sind nicht brauchbar und lassen sich in verschiedener Weise, wie es in der Abtasttech-

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nik von Pestkörperanordnungen bekannt ist, elektrisch entfernen. Beispielsweise kann man die unerwünschten kapazitiven Signale aus. dem Gesamtausgangssignal dadurch entfernen, daß man entsprechende Kompensationssignale mit entgegengesetzter Phase addiert.

Fig. 5 veranschaulicht eine Schaltungsmöglichkeit, bei der die Kapazitäts-Dioden-Speicherelemente 11 der Schaltung 10 in einer zweidimenslonalen Anordnung zur übertragung optisch-digitaler Informationen In elektrische Signale und zur Speicherung dieser Informationen vorgesehen sind. Die in Fig. 5 mit der Bezugsziffer 50 bezeichnete Schaltung enthält eine Mehrzahl von Reihen- i leitern 52 und eine Hehrzahl von Spaltenleitern 54. An jedem ; Schnittpunkt zwischen Reihenleitern 52 und Spaltenleitern 54 ist \ eine Reihenschaltung einer Kapazität 56 mit einer Diode 58 vorge- j sehen, welche den Elementen 16 bzw. 12 in Fig. 10 entsprechen. Jede dieser Kombination-Kapazität-Diode kann ein Informationsbit darstellen, und Jede Reihe kann ein "Wort" enthalten.

Die Reihenleiter 52 sind jeweils über einen großen Widerstand 59 mit einer Reihenwählschaltung 60 entsprechend der Wählschaltung 18 in Fig. 1 verbunden. Die Schaltung 60 enthält eine !Mehrzahl von Schaltern 62 zum wahlweisen Verbinden der Reihenleiter 52 mit einer positiven Spannung +V oder mit Masse. Außerdem sind die Reihenleiter 52 je über eine Diode 64 an eine positive •Spannung auf der Leitung 66 angeschlossen. Die Kathoden der Dioden 64 sind mit den Reihenleitern 52 verbunden, während ihre Anoden an der Leitung 66 liegen.

Die Spaltenleiter 54 dienen als Ausgangsleitungen für die Schaltung 50. Jeder Spaltenleiter 54 liegt über einen Widerstand 68 an Masse, und die Ausgangssignale werden an diesen Widerständen abgenommen.

: Beim Betrieb der Schaltung 50 werden die Kapazitäten 56 zu-'nächst auf einen gleichförmigen Ladungszustand gebracht. Dies :erfolgt durch Anlegen eines Einstellimpulses in Form einer positi- |ven Spannung an die Leitung 66. Dadurch fließt ein Strom vom Leiter 66 durch die Dioden 64 und die Reihenleiter 52, durch jede Kapazität 56 und Diode 58 zu den Spaltenleitern 54 und dann Über die Widerstände 68 nach Masse. Die "Widerstände 59 dienen nur der

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Trennung der Leitung 66 von der Reihenwählschaltung 60 zur Vermeidung eines Kurzschlusses der Leitung 66 nach Masse, wenn während des Anlegens des Einstellimpulses Reihenwählschalter 62 nach Masse geschaltet sind.

Nun kann ein eine Digitalinformation enthaltendes Lichtmuster auf die Anordnung der Dioden 58 aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Belichtung der Dioden 58 durch eine nichtdargestelle Maske, etwa eine gelochte Karte oder ein gelochtes Band, erfolgen. Ein typisches Lichtmuster ist in Fig. 5 durch die neben den Dioden 58 stehenden Worte "Dunkel" und "Licht" veranschaulicht. Die Dunkelzustände können eine logische 0, die Lichtzustände dagegen eine logische 1 bedeuten.

Zu einer vorbestimmten Zeit nach der Belichtung kann ein zu lesendes Wort dadurch bestimmt werden, daß man jnit Hilfe eines Schalters 62 in der Reihenwählschaltung 60 eine positive Spannung auf den ausgewählten Reihenleiter 52 gibt. In dem veranschaulichten Beispiel ist der zweite (mittlere) Schalter 62 in dieser Lage gezeigt. Nach Schließen des Schalters 62 zur positiven Spannung fließt ein Strom, welcher die Ladung wieder herstellt, die von der Kapazität 56 im Intervall nach Beendigung des Einstellimpulses abgeflossen ist. Dieser Strom erzeugt einen Spannungsabfall in den Widerständen 68, der als Ausgangssignal gelesen werden kann. Die nichtbelichteten Dioden 58, die in Fig. 5 mit "Dunkel" j gekennzeichnet sind, haben nur wenig Ladung verloren, so daß durch j sie nur ein kleiner Strom fließt. Im veranschaulichten Beispiel stellt somit das Ausgangssignal der ersten und dritten Diode 58 in der mittleren Reihe den Digitalwert 0 dar. Die belichteten ! Dioden 58 sind wesentlich stärker entladen worden und benötigen damit einen größeren Aufladungsstrom, Dieser größere Strom hat einen größeren Spannungsabfall am zugehörigen Widerstand 68 zur Folge, und das von der mittleren Diode 58, die durch die Bezeichj nung "Licht" gekennzeichnet ist, stellt somit eine 1 dar. Die Schaltung 50 hat Speichereigenschaften, wenn sie nach der Belichtung gegen weiteres Licht abgeschirmt wird, da sie die als Ladung ; in den Kapazitäten 56 gespeicherte Information eine relativ lange Zeit aufrechterhält.

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j' Die Schaltung 50 ist für eine auf Wortspeicherung gerichtete 'Betriebsart mit mehreren Ausgängen von den Spalten beschrieben worden. Die Fühlelemente der Schaltung 50 können aber auch für . ' eine fernsehbildartige Übertragung nacheinander adressiert werden.ι Ein hierfür geeignetes Abtastsystem ist beispielsweise in dem Auf-, satz "A Self-Scanned Solid State Image Sensor" in den Proc. of the IEEE Band 55 vom September I967, Seite 1591 t>is 1593 beschrieben.

i Anhand der Fig. 6 bis 8 ist eine Herstellungsmöglichkeit der

!Schaltung 50 in integrierter Form beschrieben. Hierzu wird ein j Träger 70 aus eigenleitendem Halbleitermaterial, wie Silizium, ! mit einer Oberseite 72 und einer Unterseite ¹JK verwendet. Angren- ; zend an die Unterseite 74· sind mehrere längsgerichtete parallele ι diffundierte Zonen 76 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel ! n⁺-leitend sind. Diese Zonen 76 dienen als' Spaltenleiter 5^·.

j ■ Angrenzend an die Oberseite 72 des Trägers 70 ist eine Mehrzahl praktisch quadratischer p⁺-leitender diffundierter Zonen 78 vorgesehen. Jede ρ -Zone 78 stellt eine Anode dar und bildet zusammen mit dem Material des Trägers 70 und dem η -Material der Zonen 76 eine PIN-Photodiode.

Über der Oberseite 72 des Trägers 70 liegt eine Schicht aus Isoliermaterial 80. Über dem Halbleitermaterial des Körpers 70 wird die Isolierung dicker gemacht, indem beispielsweise besondere Schichten 81 aus Isoliermaterial an diesen Stellen vorgesehen werden. Auf der Isolierschicht 80 befinden sich mehrere längsgestreck te parallele leitende Streifen 82, welche die Funktion der Reihenleiter 52 übernehmen. Diese leitenden Streifen 82 sind kapazitiv über die Isolationsschicht 80 mit den ρ -Zonen 78 gekoppelt und wirken auf diese Weise als die Kapazitäten 56.

Beispiel II

Einen anderen Aufbau für die Schaltung 50 veranschaulichen die Pig. 9 bis 11. Hler wird ein Träger 85 verwendet, der ursprünglich durchgehend p~leitend ist. Der Träger 85 hat eine Oberseite 86, an die angrenzend eine Mehrzahl längsgerichteter paralleler Zonen 88 abgestufter Leitfähigkeit vorgesehen sind. Wie

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I Pig. 11 zeigt, sind die Zonen 88 in der Nähe der Oberfläche 86 η -leitend und gehen mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche 86 in einen n-Leitungszustand über. Innerhalb jeder Zone 88 be-•findet sich in gegenseitigem Abstand eine.Mehrzahl von ρ -Zonen j 90. Die p⁺-Zonen°/0, die η-Bereiche der Zonen 88 und die pn-Über- !gänge zwischen ihnen bilden die lichtempfindlichen Dioden der An- !Ordnung. Die n*-Bereiche der Zonen 88 stellen die Reihenleiter j dar. In ohmschem Kontakt mit den Zonen 88 befinden sich an ihren ', !Enden Elektroden 91* die dem Anschluß der Zonen 88 an eine äußere ;Schaltung dienen (Fig. 9 und 10).

j Auf der Oberseite 86 des Trägers 85 befindet sich eine Schicht 92 aus Isoliermaterial, in der öffnungen 93 an den Stellen der ρ -Zonen 90 vorgesehen sind. Eine Kontaktelektrode 94 relativ begrenzten Ausmaßes befindet sich in Kontakt mit jeder p⁺-Zone und !erstreckt sich aus der öffnung 93 nach oben zur Oberseite der ; j Isolierschicht 92.

Die Kontaktelektroden 94 und die nicht von ihnen bedeckten • Teile der Isolierschicht 92 sind mit einer Schicht aus Isoliermaterial 95 überzogen, Eine Mehrzahl von Spaltenleitern 96 in ;' iPorm abgelagerter Metallschichten verlaufen quer zu den Zonen ; oberhalb der Elektroden 94. Die Elektroden 94 und die Spaltenlei-Jter 96 bilden zusammen mit dem Isoliermaterial der Schicht 95 !zwischen ihnen die Kapazitäten, die über die Kontakte zwischen I den Elektroden 94 und den p⁺-Zonen 90 mit den durch die Zonen j und 88 gebildeten Dioden geschaltet sind.

Beispiel III

Fig. 12 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des elektro-optischen Bildwandlers. Diese Schaltung enthält eine Mehrzahl von Photodioden 100, die den Photodioden 12 der Fig. 1 ent-I sprechen. Die Anode jeder Photodiode 100 ist mit einem gemeinsamen Belag 102 eines Paares von Kapazitätselementen 103 bzw. verbunden. Die anderen Beläge der Kapazitäten 103 bzw. 104 sind mit 105 bzw. 106 bezeichnet. Die Beläge 105 der Kapazitäten I03 sind mit einer Mehrzahl horizontaler Reihenleiter 107 und die Beläge 106 der Kapazitäten 104 mit einer Mehrzahl vertikaler Reihenleiter 108 verbunden» Jeder der Reihenleiter 107 ist mit einer

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Vertikal-Adressen-Schaltung 110 und Jeder der Spaltenleiter 108 mit einer Horizontal-Adressen-Schaltung 112 verbunden. Die Kathoden all dieser Dioden einer gegebenen Reihe sind mit Leitern 115 verbunden, die über einen Lastwiderstand 114 an Masse liegen. Die Ausgangssignale können am Lastwiderstand zwischen Masse und einem Ausgangsleiter 115 abgenommen werden, !

Wird die Schaltung nach Fig. 12 nach Art eines Fernsehbild- ; abtasters beschrieben, dann werden die Photodioden 100 durch die Schaltungen 110 und 112 nacheinander abgetastet, so daß ein regu- ; läres Ausgangssignal am Lastwiderstand 114 auftritt. Der Abtastaugenblick tritt für jedes Element der Anordnung auf, wenn seine i beiden Leiter 107 und·108 an positiver Spannung liegen, weil dann ; eine genügend positive Spannung zur Vorspannung der zugehörigen Diode 100 in Durchlaßrichtung vorhanden ist. Die Abtastung der Anordnung nach Fig. 12 kann beispielsweise für jede Reihe von links nach rechts und von Reihe zu Reihe von oben nach unten erfolgen.

Jedesmal, wenn eine Photodiode 100 in Durchlaßrichtung vorge-j spannt wird, werden die ihr zugeordneten Kapazitäten lOjJ und 104 aufgeladen. Die Ladung fließt von den Kapazitäten proportional zum Verhältnis der auf die Diode 100 zwischen den Abtastvorgängen auffallenden Lichtmenge ab. Immer wenn zwei Abtastimpulse gleichzeitig an einem gegebenen Element auftreten, dann fließt ein Stronj von den Abtastschaltuhgen durch das Element und den Lastwiderstandl nach Masse, wobei die Größe dieses Stromes von der Lichtmenge abhängt, welche'die Kapazitäten entladen hat. !

Die Fig. 13 und 14 veranschaulichen die Längen und zeitlicher Beziehungen der für die Abtastung der Schaltung nach Fig. 12 zugeführten Impulse. So zeigt beispielsweise Fig. 13 einen typischen Impuls, der durch die Vertikal-Adressen-Schaltung 110 erzeugt und einem der Reihenleiter 107 zugeführt wird. Dieser Impuls hat eine relativ lange Dauer, er ist nämlich mindestens so lang wie die , Zeit, welche die andere Adressenschaltung 112 zu einem vollständigen Betriebszyklus erfordert. Die Impulsamplitude ist etwas niedriger als die zum Vorspannen einer Diode 100 in Durchlaßrichtung erforderliche Spannung. Fig. 14 zeigt eine Reihe relativ j kurzer Impulse, welche von der Horizontal-Adressen-Schaltung 112 j

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einem Spalten leiter 108 zugeführt werden. Der Abstand dieser Impulse 1st größer als die Breite des Impulses nach Pig. IJ, ihre Amplituden sind so groß, daß sie in Kombination mit dem Impuls der Fig. 13 eine Diode 100 in Durchlaßrichtung vorspannen können. Wie in den Fig. I3 und 14 angemerkt ist, kann die Dauer des Impulses nach Fig. 1> und die Impulslücke nach Fig. 14 63 Mlkrosekunderi betragen» Eine Überlappung der Impulse darf nur einmal während jeder Abtastperiöde auftreten, ■ ■'.-·■

Fig. 15 ist eine Darstellung des am Belag 102 eines der Elemente' der Schaltung nach Flg. 12 erscheinenden Potentials. Vor dem Anlegen Irgendeiner Spannung an die Anordnung ist das Potential des Belags 102 0 Volt. Nach Anlegen der Abtastimpulse an die zugehörigen Reihen- und Spaltenleiter 107 und 108 steigt das Potential des Belages 102 leicht über Massepotential, wie der Teil 117 der Kurve nach Flg. 15 erkennen läßt. Durch den Lastwiderst and 114 fließt ein Strom infolge des Durchlaßzustandes der Diode 100, welcher di« zugehörigen Kapazitäten 103 und 104 auflädt. Dieser Strom 1st in FIg, 16 durch den Impuls 118 veranschaulicht. Ein Teil des Stromes ist auf die kapazitive Überkopplung zurückzuführen, wie sie bereite im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben ist. Der kapa- . zitlv gekoppelte Strom, der gestrichelt in Flg. 16 dargestellt ist kann auf elektrischem Wege vom Gesamtausgangssignal durch Zuführung «ines entsprechend geformten Kompensationssignals in einer äußeren Schaltung entfernt werden.

Am Ende des Impulses auf dem Spaltenleiter 103 sinkt das Potential des Belages 102 auf einen Wert unterhalb 0 Volt, wie der Teil 1X9 der Kurve nach Fig. I5 zeigt. Am Ende des Impulses auf dem Reihenleiter 10? sinkt dann das Potential des Belages 102 noch weiter ins Negative auf den durch den Teil 120 veranschaulichten Wert, da sowohl der Spaltenleiter 108 als auch der Reihenleiter 107 auf Massepotential liegen. Danach hat keiner der wieder holten Impulse auf dem Spaltenleiter 108, veranschaulicht durch die Impulse 121 und 122, »ehr eine Wirkung, solange dieser Zu-' stand anhält, da die Amplitude dieser Impulse nicht auereicht, um die Diode 100 leitend vorzuspannen.

'^" Nach einem vollständigen Abtaetzyklus koinzidi«r«n die Spandes Reihenleiters 107 und des Spaltenleiters 108 wieder für

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ein bestimmtes Element, und dieser Zustand ist in Fig. l*j durch den mit "Abtastung" bezeichneten Impuls gekennzeichnet. Während der Dauer zwischen den Impulsen 11? und 123 soll kein Lieht auf die Diode 100 fallen, so daß nur sehr wenig Ladung von den Kapazitäten 103 und 104 abfließt. Infolgedessen fließt nur ein sehr kleiner Strom während des Impulses 125, der in Fig. 16 durch den kleinen Impuls 124 dargestellt ist. Ebenso wie der Ausgangsimpuls 45 nach Fig. 4 besteht dieser Impuls 124 hauptsächlich aus einem kapazitiv übergekoppelten Übergangssignal.

Nach einem weiteren Abtastintervall tritt wiederum «ine Koinzidenz der Impulse auf den Reihen- und Spaltenleitern ©in* Nimmt man an, daß inzwischen eine Belichtung des betrachteten Schaltungs elementes im Intervall zwischen den Abtastimpulsen 125- und 125 (Fig. 15) stattgefunden hat, dann ist der Sperrwiderstand der Diode 100 viel niedriger als im DunMLzustaiid, und es ist vom Belag 102 über die Diode 100 ein Strom nach Masse^: abgef los seit,,-Dieser Strom äußert sich in Fig. 15 durch den Anstieg dör Kurv® zwischen den Abtastimpulsen 123 und 125» "Zu Beginn eines Eeiheniiapulses hat das Potential am Belag 102 den ¥ei*t 126'in FIg₆ 1%-_: der etwas höher als- das maximale negative Potential liegt, welchem in der Anordnung auftritt. Infolgedessen werden die Kapazitäten 103 und 104 auf eine Spannung aufgeladen, die unterhalb. des MasäiaüHssfliegt und zu ihrer Widerauf ladung auf ihren Maximalwert ist eia S ti»ora erforderlich. Die Größe-dieses Strotäs ist proportional ßer Licht« menge _s welche in dem Zeitraum m'Jiselien zwei..Abtastungen auf 4as Schaltungselement gefallen ist*, "wi© _:ia Fig. -l6 durch den Impuls I27 veranschaulicht ISt₅ dessen Amplitude größer als die des Dunkelimpulses 124 ist« ·

Eine Herstellungsraö'gliehkeit für-"die-Schaltang, .nach" Fig.. 12

in monolithischer integrierter Form sei. an·" Hand der Fig^. 17 "btsierläutert» Innerhalb· ©ines vorzugsweise aus n^leitsnasm-'Mlisiiim

bestehenden Halbleiterkörpers rait 0in.fr· ebenem. Oberseite: 13I wird, angrenzend an dies© Ob©i°s©ifee ®iii@ Anordnung von p^-difföndierten j Zonen 132 mifc gegenseitigem Äbstaa€ ausgebilöatο D±sa@ EsBen; bil-"| den-öle Anoden der v©i?sehi©ö©n©n Diodsn 100 der Änordniaig^.. und äasj n-leitenöe Material" des. Halbleit©rkörp©.rs 13© bildet ein© cresm^m^ Kathode für all-dies© Dioden-. Ein© leitend© Elektrode

ORIGINAL

; kann zum Verbinden des η-leitenden Materials mit einer äußeren I Schaltung auf dem Halbleiterkörper 130 vorgesehen sein.

j Auf der Oberseite I3I des Halbleiterkörpers I30 befindet sichj I eine Schicht 134 aus Isoliermaterial, beispielsweise Siliziumj dioxyd. In der Isolierschicht wird angrenzend an jede p^-leitende I Anodenzone 132 je eine öffnung ausgebildet, innerhalb deren ein j Plattenteil 135 angeordnet wird, das sich in ohmschem Kontakt zur Ι ρ -Zone I32 befindet und nach oben auf die Oberseite der Isolier- _; schicht 134 in einem begrenzten Ausmaß erstreckt. Die Platten- ϊ teilt* 135 entsprechen dem gemeinsamen Belag 102 der Kapazitäten ; ! 103 und 104 bai der Schaltung nach Pig. 12,

r f

• Auf der Oberseite der Isolierschicht 134 sind in den Abstän- \ ¹ den zwischen den Plattenteilen I35 gemäß Fig. 20 und 21 mehrere parallele Reiiiesileiter I36 angeordnet. Eine Schicht 137 aus Iao-'liersaterlai,.beispielsweise wieder Siliziumdioxyä, liegt über I den soweit; tS^cfe'ietoenen Elementen. Schließlich sind auf der ■; IsolierschieiK t^f mehrere Spaltenlei t-sr I38 υχιύ eine Mehrzahl kapazitiver'Fj,.',^•■jeii'cJÄea^infcs 139 aufgebracht» Die Spaltenleiter 138 sind relativ 'er. ft - <mü sind so angeordnet, daS sie einen Teil jedes öer unteren Platt enteile 135 überdecken und mit innen Kapa-I Zitaten'bilden. BIe Kapazitätsplattenteile 139 sind ebenfalls relativ breit und verlaufen parallel zu den Spaltenleitern von einer Kontaktstelle ütt den Reihenleitern 136> über denen sie liegen, zu einer anösren Stelle der unteren Plattenteile 135. ,In der Iso- ! ;lierschicht 137 sind geeignete öffnungen 140 vorgesehen, welche { \ einen Kontakt zwischen den Plattenteilen 139 und den Reihenleitern I 136 erlauben.,

l)iejenig@a Seile dei> Spaltenleiter I38, die über den Platten- ; teilen 135 liegsB^ entsprechen den KondensatorbelMgen 106 und die ¹ Plattenteile 1J#9 entsprechen den Belägen 105 der Schaltung nach PIg₆ 12. So werden alle Schaltungsfunktionen der Schaltung nach

Pig* 12 durch «lea relativ, einfachen Aufbau nach Fig. 1? ausge- ; Es isfc um™ sine Diffusion zur Bildung der p^'-Zonen. 132 j IiPt*ο Bis !Leiter imd Isolatoren.können naali piiotolitho=» i HGn "isoiaailc-sn ausgebildet werden* die für r?onoli this ehe | rt©. Söiialtuagen bekannt sind. j

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Beispiel IV

i .■---■■.■..,..■■-■■■■. "^; ;, ; Ein noch einfacherer Aufbau für die Realisierung der Schal- | . tung nach Fig. 12 ist in den Fig. 22 bis 24 veranschaulicht« Hler I ist in einem beispielsweise η-leitenden Sllizium-HalbleiterkÖrper j

142 mit einer Oberseite 14^ angrenzend an diese eine Mehrzahl von j

! p⁺-leitenden Zonen 144 ausgebildet. Der Halbleiteraufbau let prak-i ¹ tisch identisch mit 4em nach Fig. 17. Eine der Elektrode 133 ent- t

j sprechende Elektrode 145 kann zur Verbindung des n-leitenden Ma- j terials mit einer Süßeren Schaltung vorgesehen sein. · !

Über der gesamten Oberseite 143 des Halbleiterkörpers 142 ί befindet sich eine zusammenhängende Schicht 146 aus Isoliermate- ; rial, beispielsweise Siliziumdioxyd. In dieser Schicht 146 befinden sich keine öffnungen. Auf der Oberseite der Isolierschicht 146 sind mehrere Reihenleiter 147 vorgesehen, und Jeder dieser Reihenleiter wird von einer Isolierschicht 148 Überkreuxt. Schließlich
befinden sich auf der Oberseite der Isolierschicht 146 fflehrer«
sich über die überkreuzenden Isolatoren 148 erstreckende Spaltenleiter 149, di* φΐβΓ tu din Relhanl#it«rn 14? vtrilwiiii.

Bei dieser Ausführungafor» werden di* p⁺»Son»n 144 ^&iabi*''.
groß gemacht und wirken selbst al« KapaaitHtatee!Mg«. Die Funktion der oberen Beläge 105 und 106 der Kapazitäten 105 und 104 im der
Schaltung nach Fig. 12 wird durch diejenigen Teile der Reihenleiter 147 und der Spaltenleiter 149 ausgeübt, die über den p⁺-
Zonen 144 liegen. Zu diesem Zweck sollten die Spaltenleiter 14$
etwas breiter .als die Reihenleiter 147 «ein, so daß die entsprechenden Kapazitäten zwischen der Zone 144 und Jede« der Leiter
etwa gleich sind.

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Claims

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Patentansprüche

j U-J) Optisch-elektrischer Bildumsetzer mit einer Anordnung gleichartiger aktiver Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elemente (11) ein abwechselnd als lichtempfindliches Element und als Schalter arbeitendes Element ist.

2.) Umsetzer nach Anspruch 1, d.a durch gekennzeichnet, daß jedes Element (11) eine Photodiode (12) umfaßt, mit der eine spannungsunabhängige Kapazität.(16) in Reihe geschaltet ist.

3.) Umsetzer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung, welche periodisch ein Signal einer solcher Polarität an jede der Photodioden (12) legt, daß sie über die in Reihe mit ihr geschaltete Kapazität (16) in Durchlaßrichtung vorgespannt wird.

4.) Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekenn ze i c h η et , daß die Größe der in Reihe mit der Photodiode (12) liegenden Kapazität (l6) wesentlich größer als die innere Kapazität (37) der Photodiode ist.

5.) Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η j ζ e ic h η et ₉ daß die Reihenkapazität (16) einen mit einer j Elektrode der Photodiode (100) verbundenen Belag (102) und zwei j weitere* getrennte Gegenbeläge (105, 106) aufweist, mit denen jeweils eine leitung (107, 108) zur unabhängigen Zuführung von Signalimpulsen zu den beiden Gegenbelägen verbunden sind.

6.) Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ~ ze ich net* daß eine Mehrzahl von mit je einer Kapazität (105, 10%) in Reihe geschalteten Photodioden (100) in Reihen und Spalten angeordnet, sind, daß eine Mehrzahl von Reihenleitern

(107) und eine Mehrzahl von Spaltenleitern (108) vorgesehen sind, wobei jeder Reihenleiter (107) mit einem (102) zweier getrennter Beläge jeder Kapazität (IO5) einer Reihe und jeder Spaltenleiter

(108) mit dem anderen Belag (106) jeder Kapazität (10^) einer Spalte verbunden sind. . <

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7.) Umsetzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl lichtempfindlicher Speicherelemente (ll) von denen jedes eine Photodiode (12) und eine in Reihe mit ihr geschaltete Kapazität (l6) aufweist, deren Kapazitätswert span-J nungsunabhängig ist, und daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, ι I welche jedem Speicherelement (ll) eine Spannung solcher Polarität j und Amplitude zuführt, daß die Photodiode (12) in Durchlaßrichtung! j vorgespannt wird und die Kapazität (16) auf einen vorbestimmten j

! Wert aufgeladen wird. j

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I 8.) Umsetzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet j durch eine Mehrzahl von Reihenleitern (107) und eine Mehrzahl von quer zu diesen verlaufenden und gegen sie isolierten j Spaltenleitern (108), sowie eine Mehrzahl von lichtempfindlichen j Speicherelementen, die mit den Reihen- und Spaltenleitern verbun-I den sind und je eine Photodiode (lOO) sowie eine in Reihe mit ; dieser geschaltete Kapazität (l0j5, 104) aufweisen, deren Kapa-. ' zitätswert spannungsunabhängig ist, und durch eine Steuerschal- ; tung zur Zuführung eines Signalimpulses solcher Polarität und , Amplitude an die Speicherelemente, daß deren Photodiode (100) j in Durchlaßrichtung vorgespannt und ihre Kapazität (10j5, 104) ^! aufgeladen wird, und durch eine Meßanordnung (114) zur Bestimmung ; des Aufladestromes für die Kapazitäten (ΚΓ3, 104),

9.) Umsetzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet

durch einen Halbleiter mit einer Anordnung lichtempfindlicher gleichrichtender Dioden (100), deren jede eine innere Kapazität eines vorbestimmten Wertes hat, durch eine Mehrzahl von Kapazitäten (103, 104), von denen mindestens einer mit einem Belag in Reihe mit jeder der Dioden geschaltet ist und einen spannungsunabhängigen Kapazitätswert hat, der wesentlich größer als derjenige der inneren Kapazität der mit ihr in Reihe geschalteten Diode ist, und durch eine erste Leitergruppe (113) die mit der anderen Elektrode jeder der Dioden verbunden ist, sowie durch eine 'zweite Leitergruppe (107, 108), die mit den Kapazitäten verbunden sind^v.

10, ) Umsetzer nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter einen Körper (fo) aus praktisoh'eigenleitendem, monokristallinem Halbleitermaterial umfaßt,

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;der zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen hat, an deren eine j (72) angrenzend eine Anordnung von Halbleiterzonen (73) eines 'Leitungstyps vorgesehen ist, während angrenzend an die andere ■ Hauptfläche (74) eine Mehrzahl längsgestreekter Zonen (76) vom ' entgegengesetzten Leitungstyp im Halbleiterkörper (70) ausgebildet ist, so daß die ersterwähnten Zonen (78) zusammen mit einem \ Teil des Halbleiterkörpers (70) und einem Teil jeder der längsgestreckten Zonen (76) eine Gleichriehterdiode bildet.

11.) Umsetzer nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität einen Körper aus Isoliermaterial (80) auf einer Oberfläche des Halbleiterkörper (70) und eine Mehrzahl von leitenden Schichten (82) auf dem Isolier-• körper (80) umfaßt, wobei die Leiter (82) mit Teilen die Zonen (78) des entgegengesetzten Leitungstyps im Halbleiterkörper (70) | überdecken. _;

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