DE2213765B2

DE2213765B2 - Bildaufnahmevorrichtung mit einem Feldeffekttransistor als Sensor

Info

Publication number: DE2213765B2
Application number: DE2213765A
Authority: DE
Inventors: J M Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-03-24
Filing date: 1972-03-22
Publication date: 1979-02-08
Also published as: IT954512B; JPS5318127B1; SE377223B; BE781164A; ES401057A1; GB1391934A; ATA250872A; BR7201747D0; DE2213765C3; CA951005A; AU463449B2; AU4025372A; CH549321A; DE2213765A1; US3721839A; AT330264B; NL7203662A; FR2130669A1; FR2130669B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahmevorrichtung für Betrieb im Ladungsspeicherungsmodus, wie näher im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben.

Bildaufnahmevorrichtungen sind u. a. aus den Literaturstellen »I.E.E.E. Transactions on Electron Devices«, Heft ED-15, Nr. 4, S. 256-261 (April 1968) und »I.E.E.E. Spectrum« vom März 1969, S. 52—65 bekannt. Zahlreiche der in diesen Veröffentlichungen beschriebenen Vorrichtungen weisen in der Praxis den Nachteil auf, daß die Pegel der Ausgangssignale verhältnismäßig niedrig liegen. Da allen diesen Mehrelement-Bildaufnahmesystemen ein Vielfaches an Innenkapazität inhärent ist, die über ein gemeinsames Substrat oder über Verbindungen mit dem Bildaufnahmeelement das ausgelesen wird, miteinander gekoppelt sind, weist das Ausgangssignal einen hohen Rauschpegel auf, der — infolge der kapazitiven Kopplung zwischen den Elementen — durch die Signale in den nicht auszulesenden Elementen herbeigeführt wird. Das verhältnismäßig niedrige Signal-Rauschverhältnis derartiger bekannter Vorrichtungen ist unbefriedigend.

Vidikonröhren als Bildaufnahmevorrichtungen sind gleichfalls bekannt. Die Vidikonröhre weist den Vorteil auf, daß sie im Ladungsspeicherungsmodus wirkt Dies

bedeutet, daß Ladung in einem Bildaufnahmeelement während der vollständigen Rasterperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen ein Element ausgelesen wird, gespeichert werden kann und daß das Ausgangssignal ein Maß für die gespeicherte Ladung ist, die nach dem Rasterxeitintervall in dem Element übrigbleibt Eine Anwendung dieses Prinzips bei Feststoff-Bildaufnahmevorrichtungen hat ähnliche Vorteile ergeben, ohne daß jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich verbessert wird, weil das Störsignal aus den kapazitiv gekoppelten, nicht ausgelesenen Elementen, das beim Schalten von Element zu Element auftritt, bewirkt, daß der Rauschpegel hoch bleibt

Außerdem sind Bildaufnahmevorrichtungen mit Feldeffekttransistoren aus z. B. den US-PS 30 51 840 und 34 53 507 bekannt Diese bekannten Vorrichtungen, die den Vorteil der von den Transistoren hervorgerufenen Verstärkung aufweisen, können jedoch nicht in dem beschriebenen Ladungsspeicherungsmodus betrieben werden.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, eine verbesserte Bildaufnahmevorrichtung zu schaffen, die im Ladungsspeicherungsmodus betrieben wird und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.

Dabei soll nach der Erfindung eine Feststoff-Bildaufnahmevorrichtung geschaffen werden, die durch bekannte planare Halbleitertechniken hergestellt werden kann. Die Farbempfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung soll nach Wunsch geändert werden können. Das Signal muß von dem durch das Schalten herbeigeführten Rauschen trennbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei der eingangs genannten Art nach der Erfindung einer Bildaufnahmevorrichtung Mittel vorhanden, wie näher im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind die photoempfindlichen Elemente in einem einkrif tallinen Körper aus einem photoempfindlichen Halbleitermaterial integriert, wobei der Körper ein Substrat von einem Leitfähigkeitstyp aufweist, auf dem eine verhältnismäßig dünne epitaktische Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und mit einem höheren spezifischen Widerstand angeordnet ist. Für jedes Bildaufnahmeelement wird in der epitaktischen Schicht eine verhältnismäßig kleine Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie und mit ejnem niedrigeren spezifischen Widerstand als die epitaktische Schicht angeordnet. Diese Zone erstreckt sich von der Oberfläche her in der epitaktischen Schicht bis zu einer Tiefe, die kleiner als die Dicke der epitaktischen Schicht ist. Die Zone, die die Senke eines »JFET«-EIements bildet, wird von einer untiefen Zone vom einen Leifähigkeitstyp und mit einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand umgeben und ist von dieser Zone getrennt. Diese Zone, die im allgemeinen ringförmig gestaltet ist, dient als Torelektrode. Es sei bemerkt, daß unter dem Ausdruck »ringförmig« hier jede Form zu verstehen ist, bei der die Torelektrode die Senkenzone umgibt. Jedes Aufnahmeelement der linearen Reihe oder des Mosaiks ist also durch eine Senke gekennzeichnet, die von einem ringförmigen Tor umgeben ist, welche Elektroden sich beide in derselben epitaktischen Schicht befinden. Alle Bildaufnahmeelemente in einer Reihe weisen eine gemeinsame Quelle auf, die in diesem Falle eine Verbindung mit demjenigen Teil der epitaktischen Schicht bildet, der außerhalb des ringförmigen Tores liegt.

Wenn beim Betrieb ein geeigneter Spannungsimpuls an die Torelektrode und somit über dem pn-Obergang zwischen der Torelektrode und der epitaktischen Schicht angelegt wird, erstreckt sich die Erschöpfungszone dieses pn-Übergangs entweder über die ganze Dicke der epitaktischen Schicht bis zu dem Substrat vom einen Leitfähigkeitstyp oder bis zu dem Erschöpfungsgebiet, das sich von dem Substrat vom einen Leitfähigkeitstyp her in der epitaktischen Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp erstreckt wodurch

ίο ein ringförmiges Erschöpfungsgebiet gebildet wird, das den Kanal zwischen der den Elementen gemeinsamen Quellenzone und jeder der Senkenzonen innerhalb jedes der umgebenden Erschöpfungsgebiete völlig sperrt Wenn die Spannung an der Torelektrode beseitigt wird, werden die Erschöpfungsgebiete, abgesehen von einer langsamen Entladung infolge einer Dunkelstromleckage, während einer Rasterperiode beibehalten. Zum Auslesen oder Abtasten eines Aufnahmeelementes wird ein Spannungsimpuls an die Senke des betreffenden Elements angelegt. Dies kann zu jedem Zeitpunkt eine erforderliche Anzahl Male erfolgen, wobei das Auslesen nicht destruktiv ist. Wenn keine Strahlung einfällt, weist der Kanal des betreffenden Elements eine hohe Impedanz auf und ist das Ausgangssignal über einer Impedanz in Reihe mit diesem Element klein. Strahlung, die auf dieses Bildaufnahmeelement zwischen Abtastungen einfällt, führt das Weglecken der gespeicherten Ladung herbei mit einer Geschwindigkeit die der Intensität der Strahlung proportional ist während der Widerstand des Kanals dementsprechend abnimmt. Wenn eine genügende Strahlung einfällt wird die Tordiode völlig entladen und erscheint der Ausleseimpuls nahezu völlig über der Reihenimpedanz.

Diese Wirkung im Ladungsspeicherungsmodus unterscheidet sich von den bekannten Bauarten darin, daß das Ausgangssignal nicht nur die angehäufte gespeicherte Ladung darstellt, die beim Auslesen auf den Ausgangskreis übertragen wird, sondern auch das viel größere Signal enthält, das durch die von dem Feldeffekttransistorelement hervorgerufene Verstärkung erhalten wird. Auf diese Weise können Verhältnisse zwischen den Ausgangsspannungen mit einfallender Strahlung und ohne einfallende Strahlung auf das Bildaufnahmeelement von mehr als 1000 bei einem Spannungspcgel in der Größenordnung von Volts im Vergleich zu Millivolts bei den bekannten Bauarten erhalten werden.

Aus der obenstehenden kurzen Beschreibung ist

ersichtlich, daß zum Erhalten der Wirkung in dem gewünschten Ladungsspeicherungsmodus jedes Bildaufnahmeelement der Reihe gesonderte zugängliche Verbindungen mit der Torelektrode und der Senkenzone und/oder der Quellenzone aufweisen soll, so daß jedes Bildaufnahmeelement erwünschtenfalls dadurch ausgelesen oder abgetastet werden kann, daß ein Spannungsimpuls an seine Senkenzone oder Quellenzone angelegt wird, wonach ein Spannungsimpuls an die Torelektrode angelegt werden kann, um die Tordioden wieder aufzuladen, was am Ende jedes Rasterzeitinter-

(Mi valls erfolgen wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Farbempfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung nach Wunsch geändert werden. Dies wird dadurch erzielt, daß eine dauernde Vorspannung zwischen dem

• ' Substrat und der gemeinsamen Quellenzone angelegt wird, so daß ein Erschöpfungsgebiet erhalten wird, daß sich von dem Substrat her in der epitaktischen Schicht erstreckt. Die Tiefe des erwähnten Erschöpfungsgebie-

tes bestimmt die Lage oder die Tiefe des Kanals von der Oberfläche her, auf die die Strahlung einfällt. Bekanntlich dringen Strahlungsquanten verschiedener Wellenlänge bis zu verschiedenen Tiefen in das Halbleitermaterial ein; rotes Licht dringt z. B. tiefer als blaues Licht ein. Dadurch, daß die Vorspannung am Substrat und somit die Ausdehnung der Erschöpfungsschicht zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht geändert werden, kann die Tiefe des strahlungsempfindlichen Teiles der epitaktischen Schicht gesteuert werden, wodurch die Vorrichtung erwünschtenfalls für blaues Licht oder rotes Licht empfindlicher gemacht werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann jede Reihe oder Spalte photoempfindlicher Feldeffekttransistoren gleichzeitig abgetastet oder ausgelesen und dann gleichzeitig wieder aufgeladen werden, indem alle Quellen oder Senken mit einer Verzögerungsleitung gekoppelt werden und ein Spannungsimpuls an die verbleibenden Elektroden der Quellen oder Senken angelegt wird. Die Wiederaufladung der Transistoren wird dadurch erreicht, daß ein Hilfsanordnung, z. B. ein MOS-Transistor, mit jeder der Torelektroden der Feldeffekttransistoren gekoppelt wird.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer Bildaufnahmevorrichtung mit einer linearen Reihe von Elementen nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 1 längs der Linie 2-2 der F i g. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 1 längs der Linie 3-3 der F i g. 1,

Fig.4 teilweise ein Schaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 1,

Fig.5 verschiedene Spannungsimpulse, die zu der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 gehören,

F i g. 6 eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen Ausführungsform einer Bildaufnahmevorrichtung nach ·»" der Erfindung mit einer linearen Reihe von Elementen, die gleichzeitig ausgelesen werden können,

F i g. 7 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 6 längs der Linie 7-7 der F i g. 6,

F i g. 8 teilweise ein Schaltbild der Vorrichtung nach « Fig. 6,

F i g. 9 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweidimensionalen Bildaufnahmevorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 10 teilweise ein Schaltbild der Vorrichtung nach v> Fig.9.

Die F i g. 1, 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung zur Anwendung in Form einer linearen Reihe, mit deren Hilfe eine Strahlungslinie abgebildet werden kann.

Bekanntlich sind derartige Vorrichtungen als optische Lesevorrichtungen und ähnliche Detektionsvorrichtungen zur Umwandlung eines einfallenden Lichtmusters in ein elektrisches Signal geeignet Bei dieser Ausführungsform und den anderen zu beschreibenden Ausführungs- ^n formen weisen die »]FET«-Elemente einen n-leitenden Kanai auf. Es ist aber einleuchtend, daß dieser Fall nur beispielsweise gegeben ist und daß die angestrebten Zwecke der Erfindung auch mit Transistoren mit einem p-leitenden Kanal erzielt werden können, indem einfach alle Leitfähigkeitstypen und die Potentiale umgekehrt werden, wie bekannt ist Auch ist es einleuchtend, daß die Zeichnungen nicht immer maßstäblich sind und daß die unterschiedlichen Abstände und Geometrien nicht notwendigerweise richtig sind. Der Fachmann kann aber die Abstände und Geometrien, die zum Erreichen der beschriebenen Wirkung erforderlich sind, leicht ermitteln. Insbesondere ist die Dicke der Schichten in den F i g. 2,3 und 7 der Deutlichkeit halber übertrieben groß dargestellt.

Die erste Ausführungsform enthält eine übliche p-leitende Scheibe (oder Substrat) 1, die aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, z. B. Silicium, mit einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand, ζ B. 0,1 Ω ■ cm, besteht. Auf dem Substrat ist eine η-leitende epitaktische Schicht 2 mit einem höheren spezifischen Widerstand, z. B. 10 Ω · cm, und mit einer Dicke von z. B. 10 μπι angewachsen. Durch übliche Diffusionstechniken oder durch ionenimplantation wird eine ringförmige p-leitende Oberflächenzone 3 in der epitaktischen Schicht 2 angebracht. Die Zone 3 erstreckt sich in der epitaktischen Schicht 2 bis zu einer Tiefe, die kleiner als die Dicke der epitaktischen Schicht ist und bildet eine Torelektrode eines »]FET«-Elements, Die Tiefe kann z. B. 0,5 μπι betragen, während die Akzeptorkonzentration durchschnittlich etwa 10'⁹ Boratome/cm³ betragen kann. Dann werden, wieder durch übliche Diffusions- oder Ionenimplantationstechniken eine kreisförmige η-leitende Zone 4, die innerhalb der ringförmigen Torelektrode 3 liegt und die eine Senkenzone eines »JFET«-Elements bildet, und zwei η-leitende Quellenkontaktgebiete 5 mit einer großer Oberfläche, die sich längs der oberen Fläche der Scheibe erstrecken, angebracht. Es sei bemerkt, daß eine Anzahl dieser Feldeffekttransistoren 6 mit kreisförmiger Struktur in demselben Halbleiterkörper gebildet werden. Diese »JFET«-Elemente 6 enthalten je ein einziges Bildaufnahmeelement und sie bilden zusammen die lineare Reihe in der gewünschten Anzahl. Das Quellen- und das Senkengebiet 4 bzw. 5 bestehen aus η+-leitendem Material und können die gleiche Donatorkonzentration und die gleiche Tiefe aufweisen. Als Verunreinigung kann z. B. Phosphor Anwendung finden Wenn die beschriebene Struktur durch Diffusior hergestellt wird, wird auf der Oberfläche der Scheibe eine maskierende Siliciumoxydschicht 7 angebracht. Ir der Schicht 7 können die üblichen Fenster durch übliche Photoreservierungstechniken zur Defination der Größe der Quellen-, Senken- und Torgebiete und dei anzubringenden Kontakte angebracht werden. Wie ir der Zeichnung angegeben ist, ist jedes Tor 3 mit einei gesonderten Metallschicht kontaktiert, die auf übliche Weise durch Ablagerung von Metall angebracht ist und sich über die Oxydschicht 7 erstreckt. Diese Kontakte sind mit 8 bezeichnet. Auf ähnliche Weise wird jedes Senkengebiet 4 gesondert mit einer Metallisierung S kontaktiert. Um den Widerstand in dem Quellengebiei zu verringern, sind auf den η-leitenden Quellengebieter 5 zwischen den Senken- und Tormetallisierunger Metallschichten 10 angebracht Mit einem odei mehreren der Quellenkontakte 10 kann eine Leitung verbunden werden, die für die ganze Reihe vor Elementen 6 eine gemeinsame Quellenverbinduni bildet, wobei aber jedes gesonderte Bildaufnahmeele ment 6 ein eigenes Tor und eine eigene Senkenverbindung besitzt Wie in F i g. 2 dargestellt ist, kann aucl noch eine Verbindung 12 mit dem Substrat 1 hergestellt werden.

Fig.2 zeigt eine im allgemeinen ringförmig« Geometrie eines Feldeffekttransistors, bei der dei Strom, wenn möglich, von dem Quellengebiet 5 zu den

Senkengebiet 4 über einen ringförmigen Kanal 11 fließt, der sich unterhalb des ringförmigen Tores 3 und zwischen diesem Tor und dem Substrat 1 erstreckt. Der Kanal 11 kann dadurch gesperrt werden, daß ein Erschöpfungsgebiet gebildet wird, das sich von dem Torgebiet 3 zu dem Substrat erstreckt, was dadurch erreicht werden kann, daß eine negative Spannung an das p-leitende Tor 3 angelegt wird. Es ist einleuchtend, daß, wenn auch an das p-leitende Substrat 1 eine negative Spannung angelegt wird, sich auch ein Erschöpfungsgebiet von der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat her in der epitaktischen Schicht erstrecken wird. Der Kanal jedes Feldeffekttransistors kann also entweder durch das Anlegen einer Spannung lediglich an das Tor 3, oder durch das Anlegen gesonderter Spannungen an das p-leitende Tor 3 und an das p-leitende Substrat 1 gesperrt werden. F i g. 2 zeigt die letztere Möglichkeit. Die gestrichelten Linien 13 geben die Ausdehnung der Erschöpfungsschicht an, die dadurch erhalten werden kann, daß eine Spannung in der Sperrichtung über dem pn-Übergang zwischen der epitaktischen Schicht 2 und dem Substrat 1 angelegt wird. Die gestrichelten Linien 14 geben die Erschöpfungsschicht an, die sich von dem p-leitenden Tor 3 her erstreckt, wenn an dieses Tor eine negative Spannung angelegt wird, um den pn-Obergang zwischen dem Tor und der epitaktischen Schicht 2 in der Sperrichtung vorzuspannen. Da die η-leitende epitaktische Schicht 2 einen erheblich höheren spezifischen Widerstand als das p-leitende Tor 3 und das Substrat 1 aufweist, werden sich die Erschöpfungsschichten größtenteils in der epitaktischen Schicht 2 erstrecken. Es sei bemerkt, daß die überlappenden Erschöpfungsgebiete den Kanal 11 sperren. Wenn eine Spannung zwischen der Quelle 5 und der Senke 4 angelegt wird, fließt praktisch kein Strom in einem mit diesen Elektroden verbundenen Ausgangskreis. Wenn aber, wie in F i g. 1 mit Pfeilen L angegeben ist, Strahlung auf die Oberfläche der Vorrichtung einfällt, die eine genügende Energie aufweist, um in der η-leitenden epitaktischen Schicht bis in das Erschöpfungsgebiet oder bis zu einem Abstand einer Diffusionslänge von diesem Gebiet einzudringen, werden Elektron-Loch-Paare gebildet, wobei die Elektronen zu dem Diodenübergang der Torelektrode gezogen werden, wodurch das erwähnte Tor teilweise entladen wird. Das Ausmaß der Entladung ist von der Strahlung abhängig.

Beim Betrieb wird jede der Tordioden vorgespannt, um den zugehörigen Feldeffekttransistor zu sperren. Dies erfolgt gerade nach einer Abtastung. Anschließend wird die Vorspannungsquelle entfernt Mit Ausnahme der üblichen Dunkelstromleckage bleibt der Kanal während der ganzen Rasterperiode gesperrt, d. h. während der Periode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen, es sei denn, daß einfallende Strahlung freie Ladungsträger erzeugt, die, wenn sie über den in der Sperrichtung vorgespannten Obergang gezogen werden, eine Entladung dieses Torübergangs oder Diode herbeiführen werden, wodurch die Dicke des Erschöpfungsgebietes ihrerseits abnehmen wird. Das Ausmaß der Abnahme ist selbstverständlich von der Anzahl durch Strahlung erzeugter freier Ladungsträger abhängig. In der Periode zwischen zwei Abtastungen wird also das Bildaufnahmeelement die von der einfallenden Strahlung erzeugten freien Ladungsträger während dieser ganzen Periode integrieren, was der gewünschten Wirkung in dem Ladungsspeicherungsmodus entspricht Um den Zustand der gespeicherten Ladung auszulesen, werden die Quelle und die Senke jedes Feldeffekttransistors dadurch eingeschaltet, daß ein Spannungsimpuls an die Quelle oder Senke zu jedem gewünschten Zeitpunkt während der Rasterperiode angelegt wird, während der Strom im Ausgangskreis von der Größe des Kanals abhängig ist. Auch sei noch bemerkt, daß der Ausgangsstrom nicht nur die gespeicherte Ladung oder vielmehr die Änderung der gespeicherten Ladung während der ganzen Rasterpe-

riode darstellt, sondern daß diese Änderung auch multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des Feldeffekttransistors in dem Ausgangssignal zum Vorschein kommt. Da außerdem das Auslesen die Ladungsbedingung nicht ändert, wird nicht-destruktives Auslesen erhalten, während der Ladungszustand mehrere Male ausgelesen werden kann, ohne daß, beim Fehlen weiterer neuer Strahlung, der Ladungszustand geändert wird.

F i g. 4 zeigt ein Schaltbild für die Vorrichtung nach Fig. 1. Die Bildaufnahmeelemente 6 sind mit den üblichen »JFET«-Zeichen bezeichnet. Es sei bemerkt, daß das Substrat 1, das mit der Verbindung 20 bezeichnet ist, allen Bildaufnahmeelementen gemeinsam ist. Auf ähnliche Weise ist die Quelle 5 gemeinsam und mit der Verbindung 21 angegeben. Die Senkenverbindungen der gesonderten Elemente sind mit 22—24 angegeben während die Torverbindungen mit den einzelnen Elementen mit 25—27 bezeichnet sind. Das Ausgangssignal wird einem Belastungswiderstand 28 über eine Verbindung 29 entnommen. Das Ausgangssignal ist mit V₀ bezeichnet.

Der Kreis, mit dessen Hilfe die Torelektroden aufgeladen werden können, ist schematisch mit einem Drehschalter 30 angegeben, mit dessen Hilfe ein negativer Impuls Vg (siehe Fig.5) nacheinander an jedes der Tore angelegt werden kann. Das Auslesen erfolgt mit Hilfe eines zweiten schematisch dargestellten Drehschalters 31, der einen positiven Impuls Vb nacheinander an jede der Senkenverbindungen anlegt.

Die Drehschalter sind nur symbolisch dargestellt und können bekanntlich durch Register oder entsprechende Schaltungen ersetzt werden, wie in den bereits erwähnten Veröffentlichungen beschrieben ist. Die auf jedes der Elemente einfallende Strahlung ist symbolisch

■»5 mit den Pfeilen U für das erste Element und L₂ für das zweite Element angedeutet, während auf das dritte Element keine Strahlung einfällt.

Aus den drei in F i g. 5 gezeigten Spannungsformen geht die Wirkung hervor. Der obere Teil der F i g. 5

so zeigt die Abtastimpulse Vk die nacheinander an die Senke jedes der Bildaufnahmeelemente angelegt werden; der mittlere Teil dieser Figur zeigt die Impulse zum Wiederaufladen, die nacheinander an jedes der Tore der Bildaufnahmeelemente gerade nach dem Abtastimpuls angelegt werden; der untere Teil der Figur zeigt das Ausgangssignal, das für die verschiedenen angegebenen Bestrahlungen entnommen wird. Der hohe Strahlungspegel L\ des ersten Elements wird eine erhebliche Entsperrung des Kanals und somit ein

so verhältnismäßig großes Ausgangssignal über dem Belastungswiderstand 28 herbeiführen. Die geringere Strahlung L₂ des zweiten Bildaufnahmeelements wird ihrerseits eine geringere Entsperrung des Kanals und somit ein kleineres Ausgangssignal herbeiführen. Beim Fehlen von Strahlung auf dem dritten Bildaufnahmeelement und unter der Annahme, daß höchstens eine unbedeutende Leckage auftritt, wird das Ausgangssignal nur die dargestellten durch das Schalten herbeige-

führten Spitzen aufweisen. Nach jeder Abtastung wird das Tor wieder zu einem Pegel aufgeladen, bei dem der Kanal wieder gesperrt wird, und während der ganzen Rasterperiode bleibt die Tordiode in diesem Zustand, es sei denn, daß sie infolge von Absorption von Strahlung entladen wird. Die Vorrichtung wird daher in einem reinen Ladungsspeicherungsmodus betrieben.

Die F i g. 6 und 7 zeigen eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, bei der die gesonderten Elemente gleichzeitig statt nacheinander, wie in der Vorrichtung nach den F i g. 1 bis 3, ausgelesen und wiederaufgeladen werden können. Die »JFET«-EIemente weisen eine gleiche Geometrie wie in der vorangehenden Ausführungsform auf und enthalten eine Senkenzone 4, eine gemeinsame Quellenzone 5 und gesonderte ringförmige Tore 3, die einen ringförmigen Kanal 11 definieren. Der Unterschied besteht darin, daß die Torelektrode 3 statt über eine unmittelbare Verbindung über einen Hilfstransistor 40 aufgeladen wird, der durch einen Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode gebildet wird und der nachstehend als MOS-Transistor bezeichnet wird und dessen Quellenzone durch das Torgebiet 3 eines »JFET«-Elements gebildet wird. Die Senke des MOS-Transistors besteht aus einem kleinen p-leitenden Gebiet 41, das neben und außerhalb der ringförmigen Torelektrode 3 des Feldeffekttransistors liegt. Der Kanal des MOS-Transistors liegt in einem Oberflächengebiet 43 der epitaktischen Schicht zwischen der Quellenzone 3 und der Senkenzone 41. Die Torelektrode des MOS-Transistors ist eine langgestreckte streifenförmige Metallisierung

42 auf der Oxydschicht 7 und liegt oberhalb aller Kanäle

43 zwischen jeder gesonderten Senkenzone 42 und der entsprechenden Quellenzone 3. Die Torelektrode 42 jedes der MOS-Transistoren ist ferner durch öffnungen in der Oxydschicht 7 mit jeder der Senkenzone 41 der MOS-Transistoren verbunden.

F i g. 8 zeigt schematisch ein Schaltbild zur Erläuterung der Wirkung der Vorrichtung nach den F i g. 6 und 7. Die Bildaufnahmeelemente, die durch die »JFET«- Elemente gebildet werden, sind wieder mit 6 bezeichnet. Bei dieser Vorrichtung wird beim Auslesen ein negativer Spannungsimpuls V_s an alle gemeinsamen Quellen über eine Verbindung 45 mit dem Gebiet 5 angelegt. Das Ausgangssignal wird der Senke jedes Feldeffekttransistors 6 gesondert über eine Verbindung 9 un einen Belastungswiderstand 46 entnommen und einer Verzögerungsleitung 47 zugeführt. Dem Ausgang der Verzögerungsleitung 47 kann das Videosignal V₀ entnommen werden. Die Tore 3 der Feldeffekttransistoren 6 werden gleichzeitig über die MOS-Transistoren 40 aufgeladen, deren Quellenzonen durch die Tore 3 der Feldeffekttransistoren 6 gebildet werden. Die Torelektroden und die Senkenzonen 41 der MOS-Transistoren sind alle über eine Verbindung 42 mit einer Torspannungsquelle verbunden, die negative Impulse Vb erzeugt

Beim Betrieb wird am Ende des Rasterzeitintervalls ein Spannungsimpuls an alle Quellenzonen 5 der die Bildaufnahmeelemente bildenden Feldeffekttransistoren 6 angelegt, wodurch diese Transistoren leitend werden, und zwar in einem Maß, das von der Entsperrung ihrer Kanäle infolge einfallender Strahlung abhängig ist Die auf diese Weise erhaltenen Signale werden der Verzögerungsleitung 47 zugeführt, in der jedes Signal bekanntlich um eine verschiedene Zeitdauer verzögert wird, wodurch die Signale, während sie gleichzeitig der Verzögerungsleitung zugeführt werden, in der richtigen Reihenordnung am Ausgang erscheinen und ein übliches Videosignal V₀ bilden. Das Auslesen oder Abtasten aller Elemente 6 erfolgt also gleichzeitig. Sofort nach dem Abtastimpuls Vj wird den Torelektroden 42 und den Senkenzonen 41 der MOS-Transistoren 40 der Impuls Vg zugeführt, um die Tore 3 der »JFET«-Elemente wieder aufzuladen. Die Polarität ist derartig, daß alle MOS-Transistoren gleichzeitig leitend werden, wodurch die Quelle 3 jedes MOS-Transistors

ίο ein negatives Potential annimmt. Wenn der Spannungsimpuls Vg endet, schaltet der MOS-Transistor aus, während die Quelle 3, die nun das Tor 3 jedes Feldeffekttransistors 6 ist, im geladenen Zustand bleibt, wodurch die Kanäle der Feldeffekttransistoren 6 wieder gesperrt werden.

Fig.9 und t0 zeigen eine Weise, in der die lineare Reihe nach den Fig.6 bis 8 erweitert und eine zweidimensionale Reihe oder ein zweidimensionales Mosaik erhalten werden kann. Entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Wie oben werden die durch »JFET«-Elemente gebildeten Bildaufnahmeelemente mit 6 bezeichnet und enthalten je eine gesonderte Senkenzone 4 und ein Tor 3. Ferner weisen alle Feldeffekttransistoren 6 einer Spalte eine gemeinsame Quelle 5, 5' auf. Die Spalten von Feldeffekttransistoren 6 sind durch p-leitende diffundierte Gebiete 49 gegeneinander isoliert, die sich in Form von Linien durch das Mosaik zwischen der Oberfläche und dem p-leitenden Substrat 1 erstrecken.

Derartige Gebiete sind als solche in der Halbleitertechnik unter der Bezeichnung »Isolierzonen« bekannt. Alle Senkenzonen 4 einer Reihe von »JFET«-Elementen 6 sind miteinander durch eine streifenförmige Metallschicht verbunden, die mit 50, 51 bezeichnet ist. Gleich wie in der Vorrichtung nach den F i g. 6 bis 8, ist das Tor 3 jedes Feldeffekttransistors 6 über einen integrierten MOS-Transistor 40 mit Ladungsleitungen, die zugleich die isolierten Torelektroden der MOS-Transistoren bilden, verbunden. Jede Reihe von MOS-Transistoren

*o weist eine gemeinsame Torverbindung auf, die mit 52, 53 bezeichnet ist. Alle Substratleitungen (1 in F i g. 2) der Feldeffekttransistoren sind mit einer Spannungsquelle 54, 55 verbunden, deren positive Klemme, für jede Spalte von Feldeffekttransistoren, mit der Quellenzone

«5 eines einen p-leitenden Kanal enthaltenden »JFET«- Elements 56, 57 verbunden, das in einem anderen Halbleiterkörper angebracht oder mit den anderen Elementen in demselben Körper integriert sein kann. Die Senke dieses Hilfsfeldeffekttransistors 56, 57 ist über einen Belastungswiderstand 58, 59 mit einer Verzögerungsleitung 60 und mit den Quellen 5, 5' der die Bildaufnahmeelemente bildenden Feldeffekttransistoren 6 einer Spalte verbunden. Zum Wiederaufladen wird über den symbolischen Drehschalter 62 nacheinander an jede Reihe durch die Feldeffekttransistoren 6 gebildeter Bildaufnahmeelemente ein negativer Impuls Vc angelegt Die Ausgangssignale werden wieder den Quellen 5,5' entnommen und der Verzögerungsleitung 60 zugeführt, aus der sie als das übliche Videosignal V₀ zum Vorschein kommen. Die Hilfsfeldeffekttransistoren 56,57 dienen dazu, die Quellenzonen 5 der abgetasteten Bildaufnahmeelemente während der Abtastung gegen das Substrat 1 zu isolieren. Daher sind die Hilfsfeldeffekttransistoren 56, 57 während der ganzen Rasterpe- node normal leitend und werden danach durch das Anlegen desselben positiven Impulses Vd an die Torelektroden über Leitungen 64, 65 gesperrt Um zu sichern, daß die Quelle auf angemessene Weise beim

Auslesen isoliert ist, sind die festen Kontakte des Schalters 63 derart eingerichtet, daß die Zeit des Anlegens des Impulses Va an die Hilfsfeldeffekttransistoren 56,57 die Zeit des Anlegens der Spannungen an die Senken der Feldeffekttransistoren 6 völlig überlappt. Selbstverständlich können auch einzelne Spannungsquellen vorgesehen werden, wobei der den Hilfsfeldeffekttransistoren 56, 57 zugeführte Impuls länger als der zum Abtasten der Feldeffekttransistoren 6 angelegte Impuls ist.

Zum Erhalten des beschriebenen zweidimensionalen Ladungsspeichermodus ist es also notwendig, daß die Tor- und Senkenleitungen 50—53 sich zueinander parallel erstrecken und sich zwischen den Spalten erstreckende p-leitende Isolierzonen 49 der Fig.9 schneiden. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, daß nur eine einzige Metallisierungsschicht bei der Herstellung der Vorrichtung benötigt wird.

Zur Illustrierung der Impulszeitreihenfolge zum Aufladen und Auslesen (siehe F i g. 5) weisen, für ein Rasterzeitintervall von etwa 2 msec, ein für das Auslesen kennzeichnender Impuls z. B. eine Breite von etwa 2 μ5βΰ und ein für das Aufladen kennzeichnender Impuls z. B. eine Breite von 1 μβεΰ auf.

Wie oben erwähnt wurde, soll, nachdem der Impuls zum Aufladen angelegt worden ist, das Tor eines »JFET«-Elements isoliert werden, um zu verhindern, daß die Ladung an der Torelektrode auf andere Weise als durch Rekombination infolge einfallender Strahlung wegleckt. Wie aus den bereits erwähnten Veröffentlichungen hervorgeht, gibt es viele bekannte Wege, auf denen dies erzielt werden kann. So kann z. B. eine Diode in Reihe mit jeder Torleitung angeordnet werden. Auch kann ein Kondensator mit jeder Torleitung in Reihe geschaltet werden. Im letzteren Falle muß jedoch ein Aufladespannungsimpuls die entgegengesetzte Polarität aufweisen, so daß das Tor des »JFET«-Elements in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und somit den Reihenkondensator auflädt. Das Tor des »JFET«-Elements wird dann aufgeladen, wenn der Impuls beseitigt ist

Eines der Merkmale der Erfindung besteht darin, daß der Spannungsimpuls zum Wideraufladen der Bildaufnahmeelemente zu einem anderen Zeitpunkt als der Abtastimpuls auftritt. Dies bedeutet, daß Schaltübergangserscheinungen, die während der Wiederaufladung auftreten, das Signal-Rausch-Verhältnis beim Auslesen nicht herabsetzen werden. Außerdem sind die beim Auslesen auftretenden Schaltübergangserscheinungen am Anfang des Impulses maximal. Durch Verlängerung der Zeitdauer des Ausleseimpulses kann das durch die Schaltübergangserscheinungen herbeigeführte Rauschen von dem Signal getrennt werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert wird. Dies ergibt sich aus dem Merkmal der Erfindung, daß das Auslesen nicht destruktiv ist Außerdem ist die Größe des Schaltüberganges mit der Größe der Senke-Substrat-Kapazität korreliert, die bei der Bauart nach der Erfindung durch die kleine Senke innerhalb des ringförmigen Tores möglichst klein gehalten wird.

Ein weiterer Vorteil ist der, daß die Anfangsamplitude des Spannungsimpulses zum Wiederaufladen des Tores zur Steuerung des Ausmaßes der Sperrung der Feldeffekttransistoren eingestellt werden kann. Dieses Prinzip kann z. B. dadurch angewandt werden, daß das Tor übersteuert wird, wenn eine Vorspannung an das Substrat angelegt wird, um das Erschöpfungsgebiet 13 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht zu erhalten, damit ein Schwellwert eingestellt wird, unterhalb dessen das »JFET«-Element nicht leitend werden wird. Auf diese Weise kann ein Schwellwert gewählt werden, um den Leckstrom über dem Übergang während der Periode auszugleichen, in der Ladung gespeichert ist, damit gesichert wird, daß die Vorrichtungen beim Fehlen einfallender Strahlung nach

ίο wie vor gesperrt sind.

Auch ist es vorteilhaft, die Vorrichtung derart zu betreiben, daß das Substrat nicht vorgespannt oder mit der Quelle verbunden wird. Wenn ein Spannungsimpuls an der Torelektrode gewählt wird, der einen derartigen Amplitudenwert aufweist, daß das Erschöpfungsgebiet 14 das Substrat i erreichen kann, tritt »punch-through« (Durchschlag) auf, wodurch die Menge in der Diode gespeicherter Ladung beschränkt wird. Alle Bildaufnahmeelemente bildenden Feldeffekttransistoren, sogar mit verschiedenen »punch-throughw-Spannungen, können daher völlig gesperrt werden, indem ein Spannungsimpuls an die Tore angelegt wird, der genügend groß ist, um den Transistor mit der höchsten »punch-through«- Spannung zu sperren. Unter diesen Bedingungen ist das Ausgangssignal, unter der Sättigung, von der Größe des Wiederaufladeimpulses sowie von der »punchthrough«-Spannung unabhängig.

Wie oben bereits erwähnt wurde, weisen alle beschriebenen Vorrichtungen das Merkmal auf, daß die Tiefe des empfindlichen Kanalteiles der epitaktischen Schicht 2 von einer zwischen dem Substrat 1 und der epitaktischen Schicht 2 angelegten Spannung geregelt werden kann, die bewirkt, daß sich ein Erschöpfungsgebiet 13 in der Schicht bis zu dem Erschöpfungsgebiet 14 erstreckt, das sich von der Torelektrode 3 nach unten erstreckt, wie in F i g. 2 dargestellt ist. Durch Änderung der zwischen dem Substrat 1 und der epitaktischen Schicht 2, angelegte Spannung, wie schematisch mit der veränderbaren Batterie 70 in F i g. 4 angegeben ist, kann die Tiefe des Kanals 11 geändert werden. Durch Änderung dieser Tiefe kann das Bildaufnahmeelement für rote oder blaue Teile des Spektrums empfindlicher gemacht werden, weil diese Strahlungen bis zu verschiedenen Tiefen eindringen. Dadurch, daß z. B. das Erschöpfungsgebiet 13 nach oben näher zu der Oberfläche verschoben wird, wird die Rotempfindlichkeit verringert. Die Rotempfindlichkeit wird hingegen dadurch vergrößert, daß die Ausdehnung des Erschöpfungsgebietes 13 herabgesetzt wird.

In den beschriebenen Ausführungsformen wurde als Halbleitermaterial Silicium verwendet, aber selbstverständlich können statt dessen auch andere bekannte Halbleitermaterialien verwendet werden. Auch können andere aktive Elemente oder Schaltkreise statt der Hilfs-MOS-Transistoren 40 und der Hilfs-»]FET«-EIemente 56,57 in den Ausführungsformen nach den F i g. 9 und 10 Anwendung finden. Ferner leuchtet es ein, daß wie bei der bekannten Silicium-Vidikonröhre, das Strahlungsbild durch ein Elektronenbild, ein Röntgenbild oder im allgemeinen durch jedes Energiebild ersetzt werden kann, das imstande ist, in dem Halbieiterbildaufnahmeelement Loch-Elektron-Paare zu erzeugen.

Ferner dürfte es einleuchten, daß sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern daß für den Fachmann viele Abänderungen möglich sind.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bildaufnahmevorrichtung für Betrieb im Ladungsspeicherungsmodus, mit einem Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht von einem Leitfähigkeitstyp, die eine Anzahl strahlungsempfindlicher Elemente enthält, die je durch einen Feldeffekttransistor gebildet werden, dessen Torelektrode durch einen pn-Obergang vom Kanalgebiet getrennt wird und wobei jeder Transistor ein Quellengebiet und ein Senkengebiet von einem Leitfähigkeitstyp und ein dazwischenliegendes Kanalgebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (30, F i g. 4) vorhanden sind, mit deren Hilfe die Tordioden bis zu einer Spannung aufgeladen werden können, bei der die Kanalgebiete (11) gesperrt werden und womit die ToreJektroden .auf einem elektrisch schwebenden Potential gehalten werden können, wodurch in einem Zeitintervall die Tordioden in Abwesenheit einfallender Strahlung aufgeladen bleiben, und daß Mittel (28, 29, 31,

F i g. 4) vorhanden sind, um am Ende des Zeitintervalls den Ladungszustand der Tordioden, der ein Maß für die Menge der während des ganzen Zeitintervalls in der Nähe der Tordioden absorbierten Strahlung (4) durch Messung des Widerstandes in den Kanalgebieten (11) ist, zu messen.

2. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2, F i g. 2) durch eine epitaktische Schicht von einem Leitfähigkeitstyp gebildet wird, die auf einem Halbleitersubstrat (1) vom entgegengesetzten Leifähigkeitstyp angeordnet ist

3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Feldeffekttransistoren (6, Fi g. 1) in Form einer linearen Reihe angebracht sind und daß Mittel (8) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Torelektrode (3) jedes Feldeffekttransistors gesondert anschließbar ist, während weiter Mittel (9) vorhanden sind, mit deren Hilfe das *o Quellen- oder Senkengebiet jedes Feldeffekttransistors gesondert anschließbar ist.

4. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (70, Fig.4) vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine Spannung in der Sperrichtung über dem pn-übergang zwischen dem Substrat (1) und der epitaktischen Schicht (2) anlegbar ist.

5. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Spannungsquelle (70) zum Anlegen einer veränderlichen Spannung über dem pn-Übergang enthalten.

6. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (30, Fig.4) vorgesehen sind, mit deren Hilfe ein Spannungsimpuls nacheinander an die Torelektroden der Feldeffekttransistoren (6) anlegbar ist.

7. Bildaufnahmevorrichtung, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (31, Fig.4) w> vorgesehen sind, mit deren Hilfe ein Spannungsimpuls nacheinander an die Quellen- oder Senkengebiete (4, 5) der Feldeffekttransistoren anlegbar ist, wobei der Spannungsimpuls an der Torelektrode eines Feldeffekttransistors sofort dem Spannungs- ""· impuls an dem Quellen- oder Senkengebiet dieses Transistors folgt.

8. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (40,42, F i g. 8) vorgesehen sind, mit deren Hilfe gleichzeitig ein Spannungsimpuls an die Torelektrode (3) jeder Reihe von Feldeffekttransistoren anlegbar ist, wodurch alle Tordioden einer Reihe gleichzeitig aufladbar sind

9. Bildaufnahmevorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, mit deren Hilfe gleichzeitig ein Spannungsimpuls an die erwähnten Torelektrode!« anlegbar ist, einen Feldeffektransistor (40) mit isolierter Torelektrode (42) aufweisen, dessen Quellengebiet die Torelektrode (3) des Feldeffekttransistors (6) bildet und dessen Senkengebiet (41) lateral von diesem Quellengebiet getrennt ist, während die isolierte Torelektrode (42) dieses Feldeffekttransistors sich über die Oberfläche des Körpers zwischen seinem Quellen- und seinem Senkengebiet erstreckt

10. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß jeder Feldeffekttransistor (6, F i g. 8) einen zugehörigen Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode besitzt, wobei die Torelektroden (42) der Feldeffekttransistoren mit isolierter Torelektrode miteinander verbunden sind.

11. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Feldeffekttransistoren (6, Fig.9 und 10) in Reihen und Spalten angeordnet sind und daß weiterhin in dem Körper Mittel (49) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Spalten von Feldeffekttransistoren gegeneinander isoliert sind, ferner alle Feldeffekttransistoren einer Reihe miteinander verbundene Torelektroden und miteinander verbundene Quellen- oder Senkengebiete aufweisen.

12. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierungsmittel eine langgestreckte Isolierzone (49) aufweisen, die sich über die ganze Dicke der Schicht erstreckt und vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist.