DE2542156C3 - Eindimensionaler optoelektronischer Sensor - Google Patents
Eindimensionaler optoelektronischer SensorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen eindimensionalen optoelektronischen Sensor, bei dem auf einem
Substrat aus dotiertem Halbleitermaterial mit Substratanschluß, das wenigstens eine lichtdurchlässige, elektrisch
isolierende Schicht trägt, eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen aufgebracht ist, bei dem
eine Auslesevorrichtung zum Auslesen der im Sensor gespeicherten Information vorhanden ist, bei dem
entlang einer Längsseite der Reihe von lichtempfindlichen Elementen ein Überlaufkanal zum Aufnehmen und
Abführen von zuviel erzeugten Informationsladungsträgern vorhanden ist, bei dem an einem Ende eine
Ausgangsdiode vorgesehen ist und bei dem über dem Zwischenraum zwischen der Reihe von lichtempfindlichen
Elementen und dem Überlaufkanal, von diesen elektrisch isoliert, wenigstens eine streifenförmige
Überlauftransferelektrode mit einem Anschlußkontakt zum Anlegen wenigstens zweier, verschieden grobe
Potentialschwellen für die Minoritätsträger unter dieser Elektrode erzeugenden Spannungen angeordnet ist.
Eindimensionale Sensoren der eingangs genannten Art sind bekannt, Beispielsweise wird ein solcher
eindimensionaler Sensor in der Veröffentlichung »Charge-Coupled Device Scanner Having Simultaneous
Readout, Optical Scan and Data Rate Enhancement« von W.F.Bankowski und J.D. Tartamelle in IBM
Technical Disclosure Bulletin, Vol. 16, Nr. 1, Juni 1973, S. 173 — 174 beschrieben. Allgemein müssen bei Sensoren
Schutzmaßnahmen gegen Überbelichten vorgenommen werden. Zu starke Belichtung eines Sensors führt
nämlich dazu, daß mehr Ladungsträger erzeugt werden, als in den lichtempfindlichen Elementen festgehalten
werden können. Diese zuviel erzeugten Ladungsträger breiten sich im Substrat aus und führen bei den
benachbarten lichtempfindlichen Elementen zur Informationsverfälschung. In der Veröffentlichung »Blooming
Suppression in Charge- Coupled Area Imaging Devices« von C. H. Sequi η in BSTJ, OkL 1972, S.
1923—1926 wird eine Schutzmaßnahme für Sensoren
angegeben. Dort werden durch einen seitlich entlang der Sensoren geführten dotierten Kanal als Überlaufkanal
die zuviel erzeugten Ladungsträger gesammelt und abgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem
zum Schutz gegen Überstrahlen kein dotierter Kanal als
Überlaufkanal notwendig ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Überlaufkanal
durch eine auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebrachte streifenförmige Elektrode, an der während
des Betriebes eine Spannung anliegt, die eine Majoritätsträger-Verarmungsschicht unter dieser streifenförmigen
Elektrode erzeugt, gebildet ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dabei so ausgebildet, daß die Reihe von lichtempfindlichen
Elementen so aufgebaut ist, daß die lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht unter den Stellen, wc sich
die lichtempfindlichen Elemente befinden, eine dünnere Schichtdicke als zwischen den lichtempfindlichen
Elementen aufweist, und daß darauf in Reihenlängsrichtung ein durchgehender Streifen aus lichtdurchlässigem
leitendem Material aufgebracht ist. Vorzugsweise besteht dabei der Streifen aus lichtdurchlässigem
leitendem Material aus Polysilizium.
Der erfindungsgemäße Sensor kann auf homogen dotiertem Substrat hergestellt werden. Es werden dabei
bis auf eine Diode an einem Ende des Überlaufkanals keine zusätzlichen Dotierungen benötigt. Der Sensor
kann vollständig in einer für Sensoren allgemein vorteilhaften Aluminium-Silizium-Gate-Technologie
hergestellt werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Sensors.
Fig.2 zeigt einen Querschnitt längs der Schnittlinie
I-l in der F i g. 1 und unter den Elektroden den örtlichen
Verlauf des Oberflächenpotentials bei verschiedenen Betriebsbedingungen.
F i g. 3 zeigt sechs Impulsdiagramme über die Zeit t.
In der Flg.! ist in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel
eines in einer Aluminium-Silizium-Gate-Technologie hergestellten Sensors dargestellt. Die Reihe von
lichtempfindlichen Elementen befindet sich im langgestrichelt umrahmten Bereich 1. Der Überlaufkanal
befindet sich unter der streifenförmig ausgebildeten Elektrode 2. Die lichtdurchlässige elektrisch isolierende
Schicht weist Stellen 11 bis 14 auf, in denen die
Schichtdicke dieser elektrisch isolierenden Schicht kleiner ist als außerhalb. Darüber ist ein Streifen IO aus
Polysilizium geführt, Die Ausleseanordnung besteht aus einem parallel einlesbaren Daten-Schieberegister. Dieses
Daten-Schieberegister besteht aus einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung für Zwei-Phasen-Betrieb,
Die eigentliche Übertragungsvorrichtung befindet sich im langgestrichelt umrahmten Bereich 3. Sie
ist dadurch gebildet, daß über dem Übertragungskanal zunächst die Elektroden 32 und 34, die aus Polysilizium to
bestehen, auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht sind. Über den Zwischenräumen dieser
Elektroden sind Aluminiumelektroden 31 und 33 auf dickerer elektrisch isolierender Schicht aufgebracht. Die
jeweiligen Elektroden 31, 32, 33 und 34 sind durch entsprechende elektrische «Leitungen 311, 321, 331 und
341 elektrisch leitend miteinander verbunden. Dabei bestehen die Leitungen 321 und 341 aus Polysilizium,
während die übrigen Leitungen aus Aluminium bestehen. Die gesamte Anordnung in der Fig. 1 ist auf
gemeinsam dotiertem Substrat, das eine zusammenhängende elektrisch isolierende Schicht trägt, die wenigstens
im Bereich der lichtempfindlichen Elemente lichtdurchlässig ist, aufgebracht. Die elektrisch isolierende
Schicht weist innerhalb des durch die durchgezogene Linie 6 umrahmten Bereiches eine dünnere Schichtdicke
auf als außerhalb. Dieser Bereich enthält auch die Stellen 11 bis 14 des Sensors, die dessen lichtempfindliche
Elemente bilden. Die Elektroden 32 des Daten-Schieberegisters sind aus Platzgründen bis fasi an diese
Stellen herangeführt. Die Zwischenräume zwischen den Stellen 11 bis 14 und den Elektroden 32 des
Daten-Schieberegisters sind durch die zweite Transferelektrode 9 überdeckt, die von dem Polysiliiiumstreifen
10 und der Elektrode 32 durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist. Der Zwischenraum
zwischen der Elektrode 2, unter der sich der Überlaufkanal befindet, und dem Streifen 10 des
Sensors ist durch die Transferelektrode 7 überdeckt, die von den Elektroden ebenfalls durch eine elektrisch
isolierende Schicht getrennt ist. Die beiden Transferelektroden 7 und 9 sind im Ausführungsbeispiel aus
Aluminium hergestellt. An einem Ende der Elektrode 2 befindet sich die Diode 8, die dadurch gebildet ist, daß
das überragende Stück 81 des Überlaufkanals entgegengesetzt zum Substrat dotiert ist. Die gesamte Anordnung
kann auch so hergestellt werden, daß wenigstens außerhalb des Sensorbereiches 1 nur der durch die
durchgezogene Linie 6 umrahmte Bereich dotiertes Halbleitermaterial enthält. Auf unterschiedliche
Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht kann dann wenigstens außerhalb des Sensorbereiches verzichtet
werden.
In der F i g. 2 ist ein Querschnitt durch die in F i g. 1
dargestellte Anordnung längs der Schnittlinie I —I dargestelllt. Auf einem Substrat 20 aus dotiertem
Halbleitermaterial, beispielsweise p-dotiertes Silizium, mit einem Substratanschluß 201, ist eine lichtdurchlässige
elektrisch isolierende Schicht 26, beispielsweise aus Siliziumdioxid, aufgebracht. Diese elektrisch isolierende eo
Schicht ist innerhalb der Begrenzungslinien 6 in F i g. 1 dünner als außerhalb. Auf diese elektrisch isolierende
Schicht ist ein die Sensorelektrode bildender Streifen 10 aus lichtdurchlässigem leitendem Material, eine Elektrode
32 des Daten-Schieberegisters und die Elektrode 2, unter der sich der Überlaufkanal befindet, aufgebracht.
Auf diese Elektroden ist eine zweite lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht 27, beispielsweise ebenfalls
aus Siliziumdioxid, aufgebracht, die über dem
Zwischenraum zwischen der Elektrode 2 und dem Streifen 10, die Transferelektrode 7 und über dem
Zwischenraum zwischen dem Streifen 10 und der Elektrode 32 die zweite Transferelektrode 9 trägt. In der
Fig.2 ist im Substrat jeweils der Verlauf des Oberfläehenpotentials 0 bei verschiedenen Betriebsbedingungen
gezeichnet. Die Kurve 28 gibt den Verlauf des Oberflächenpotentials 0 während der Belichtung,
die Kurve 29 den Verlauf des Oberfläehenpotentials 0 während des Auslesens des Sensors an. Zunächst wird
während des Betriebes an die Elektrode 2 eine feste Gleichspannung angelegt, die darunter eine andauernde
Potentialmulde für die Informationsladungsträger erzeugt. Während der Belichtung wird durch Anlegen
einer entsprechenden Spannung an den Streifen 10 unter der Stelle 12 in F i g. 1 eine Potentialmulde für die
Informationsladungsträger erzeugt, in der die durch Licht erzeugten Ladungsträger gespeichert werden. An
die Elektrode 7 wird während dieser Zeit eine betragsmäßig kleinere Spannung aL an den Streifen 10
und die Elektrode 2 angelegt. Dadurch ist unter der Elektrode 7 eine kleine Potentialschwelle für die
Informationsladungsträger vorhanden, über die zuviel erzeugten Ladungsträger in die Potentialmulde unter
der Elektrode 2 fließen können. Weiter wird während dieser Zeit an die zweite Transferelektrode 9 die
Spannung 0 Volt oder eine negative Spannung bei p-dotiertem Substrat bzw. eine positive Spannung bei
η-dotiertem Substrat angelegt, so daß darunter eine auch für die zuviel erzeugten Ladungsträger unüberwindliche
Potentialschwelle erzeugt wird. Es können somit keine Informationsladungsträger unter die Elektroden
32 des Daten-Schieberegisters gelangen, während zuviel erzeugte Ladungen über die niedrigere
Potentialschwelle unter der Elektrode 7 in die Potentialmulde unter der Elektrode 2 abfließen und von
dort über die in Sperrichtung vorgespannte Diode 8 in F i g. 1 abgeführt werden können. Die Kurve 29 gibt den
örtlichen Verlauf des Oberfläehenpotentials während des Auslesens an. Beim Auslesen des Sensors wird die
Spannung an dem Streifen 10 verringert, beispielsweise nahe oder auf 0 Volt gebracht. Gleichzeitig wird an die
Transferelektrode 7 die Spannung 0 Volt oder eine negative Spannung bei p-dotiertem Substrat bzw. eine
positive Spannung bei η-dotiertem Substrat angelegt. Dadurch wird erreicht, daß unter der Transferelektrode
7 eine Potentialschwelle für die Informationsladungsträger vorhanden ist, die das Abfließen der unter dem
Streifen 10 gespeicherten Ladungsträger in den Überlaufkanal unte- der Elektrode 2 verhindern. An die
zweite Transferelektrode 9 wird gleichzeitig eine Spannung angelegt, dij so gewählt wird, daß keine
Potfitialschwelle darunter vorhanden ist und somit die
gespeicherten Ladungen unter die Elektrode 32 des Daten-Schieberegisters fließen können. Da:; Auslesen
hat dabei in einem solchen Zeitintervall zu erfolgen, in dem gerade unter den Elektroden 32 Potentialmulden
für die Informationsladungsträgsr vorhanden sind.
In der F i g. 3 ist in sechs Impulsdiagrammen über die
Zeit f ein Impulsfahrplan für den Betrieb des Sensors dargestellt. Es ist dabei ein p-dotierter. Substrat
vorausgesetzt. Im Diagramm I sind die Taktimpulse für die Elektroden 31 und 33 und im Diagramm II die
Taktimpulse für dip Elektroden 32 und 34 dargestellt. Die Taktimpulse des Diagramms II sind gegenüber
denen des Diagramms I um eine Impulsbreite phasenverschoben. Im Diagramm III sind zeitlich
zugeordnet die Spannungen an dem die Sensorelektrode bildenden Streifen 10 dargestellt. Die beiden
Diagramme IV und V zeigen die Spannungen am Transfergate 7 und am zweiten Transfergate 9.
Diagramm Vl gibt die Spannung an der Elektrode 2 an. Zum Zeitpunkt 71 seien die Ladungen der Sensoren
parallel in das Daten-Schieberegister transportiert worden. Besitzt der Fotosensor N Elemente, so wird mit
A/-Takten T die Information seriell ausgelesen. Nach
Beginn des Taktes N+ 1 können dann wieder Ladungen ausgelesen werden. Das Auslesen geschieht dabei in
dem Zeitintervall, in dem an den Elektroden 32 ein Taktimpuls anliegt. In diesem Zeitintervall wird an den
die Sensorelektrodc bildenden Streifen 10 die Spannunj
0 Volt, an das Transfergate 7 eine negative Spannunj und an das zweite Transfergate 9 eine positiv«
Spannung angelegt, die jedoch kleiner ist als di< Taktspannting an der Elektrode 32. Ist das Ausleset
beendet, werden an die Sensorelektrode und an di< Transferelektrode 7 positive Spannungen angelegt
wobei die Spannung an der Sensorelektrode größer al: die an der Transferelektrode 7 gewählt wird. An di<
zweite Transferelektrode 9 wird eine kleine negativ« Spannung angelegt. Sämtliche angegebenen Spannun
gen beziehen sich auf ein Bezugspotential, auf welche: der .Substratanschluß 201 gelegt ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor, bei dem auf einem Substrat aus dotiertem Halbleitermaterial
mit Substratanschluß, das wenigstens eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht
trägt, eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen aufgebracht ist, bei dem eine Auslesevorrichtung
zum Auslesen der im Sensor gespeicherten Information vorhanden ist, bei dem entlang einer Längsseite
der Reihe von lichtempfindlichen Elementen ein Überlaufkanal zum Aufnehmen und Abführen von
zuviel erzeugten Informationsladungsträgern vorhanden ist, bei dem an einem Ende eine Ausgangs- is
diode vorgesehen ist und bei dem über dem Zwischenraum zwischen der Rejhe von lichtempfindlichen
Elementen und dem Überlaufkanal, von diesen elektrisch isoliert, wenigstens eine streifenförmige
Überlauftransferelektrode mit einem An-Schlußkontakt zum Anlegen wenigstens zweier,
verschieden große Potentialschwellen für die Minoritätsträger jnter dieser Elektrode erzeugenden
Spannungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Überlaufkanal durch eine auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebrachte
streifenförmige Elektrode (2), an der während des Betriebes eine Spannung anliegt, die eine Majoritätsträger-Verarmungsschicht
unter dieser streifenförmigen Elektrode erzeugt, gebildet ist.
2. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reihe von lichtempfindlichen elementen so aufgebaut ist, daß die lichtdurchlässige elektrisch isolierende
Schicht unter den Stellen \l\ bis 14), wo sich die lichtempfindlichen Elemente befinden, eine
dünnere Schichtdicke als zwischen den lichtempfindlichen Elementen aufweist, und daß darauf in
Reihenlängsrichtung ein durchgehender Streifen (10) aus lichtdurchlässigem leitendem Material
aufgebracht ist.
3. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Streifen aus lichtdurchlässigem leitendem Material aus Polysilizium besteht.
Priority Applications (1)
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Families Citing this family (3)
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1975
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