DE2606292C3

DE2606292C3 - Optische Halbleiter-Bildabtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2606292C3
Application number: DE2606292A
Authority: DE
Inventors: Susumu Katano Hashimoto; Hirokuni Nakatani; Toru Takamura
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-02-20
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE2606292A1; JPS5196220A; US4045817A; JPS5619786B2; FR2301983B1; FR2301983A1; CA1080345A; DE2606292B2; GB1492708A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einer Anzahl von MOS-Feldeffcktlransistcrer!, mit einer Anzahl fotoempfindücher Elemente, die jeweils mit den Stromleiterelektroden eines zugeordneten MOS-Feldeffekttransistors in Reihe zwischen eine Ausgangsleitung und einen ersten Anschluß einer Stromversorgung geschaltet sind, mit einer Anzahl weiterer MOS-Halbleiterelemente, die jeweils mit einer Steuerelektrode an die Steuerelektrode eines zugeordneten MOS-Feldeffekttransistors und einer zweiten Elektrode an eine zweite Ausgangsleitung angeschlossen sind, mit einer ersten Last, die die erste Ausgangsleitung mit dem zweiten Anschluß der Stromversorgung verbindet, mit einer zweiten Last, die die zweite Ausgangsleitung mit dem zweiten Anschluß der Stromversorgung verbindet, und mit einem Differenzverstärker, mit dessen Eingängen die beiden Ausgangsleitungen verbunden sind.

Eine solche Bildabtastvorrichtung ist bekannt (IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1973, Seiten 128, 129). Bei der bekannten Bildabtastvorrichtung sind die Steuerelektroden der MOS-Feldeffekttransistoren (nachstehend mit MOST bezeichnet) an einen Abtastimpulsgenerator angeschlossen, der an diese Steuerelektroden der Reihe nach Abtastimpulse anlegt Die zusätzlichen MOS-Halbleiterelemente sind bei der bekannten Bildabtastvorrichtung ebenfalls MOST, deren eine Stromleitelektrode mit der zweiten Ausgangsleitung und deren andere Stromleitelektrode jeweils an einem Verbindungspunkt zwischen einem fotoempfindlichen Element und einem der ersten MOST angeschlossen sind. Die Anzahl dieser ersten MOST ist um 1 kleiner als die Anzahl der fotoempfindlichen Elemente und die der zusätzlichen MOST. Ein lichtempfindliches Element liegt nur in Reihe mit den Stromleitelektroden eines der zusätzlichen MOST, ohne mit einem der ersten MOST verbunden zu sein. Außerdem ist die Steuerelektrode eines anderen zusätzlichen MOST nicht mit einer Steuerelektrode eines zugeordneten ersten MOST, sondern direkt mit einem gesonderten Ausgang des Abtastimpulsgenerators verbunden.

Die bekannte Bildabtastvorrichtung wurde dazu entwickelt, Probleme zu beseitigen, die bei früheren eindimensionalen oder zweidimensionalen optischen Serienauslese-Bildabtastvorrichtungen mit integrierter MOS-Schaltung durch ungewollte Störspitzen auftraten. Diese Störspitzen ergaben sich infolge der Einstreuung eines Signalauslese-Abtastimpulses auf eine Video-Ausgangsleitung über die Gate-Drain-Kapazität eines schaltenden MOST beim Anlegen des Abtastimpulses an die Gate-Elektrode dieses MOST. Insbesondere bei geringer optischer Eingabe an die optische Bildabtastvorrichtung war das Signal in die Störung eingelagert, so daß die Störung auf irgendeine Weise unterdrückt werden mußte.

Die bekannte Bildabtastvorrichtung ermöglicht es, die genannten Störungen zu beseitigen. Dabei bringt die bekannte Vorrichtung jedoch neue Probleme mit sich, die im einzelnen später anhand einer Schaltung erläutert werden und insbesondere zu einem relativ hohen Schaltungsaufwand führen, der unter anderem keine optimale Packungsdichte einer Schaltung in integrierter Form erlaubt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einem großen Störabstand gemäß der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß ein einfacherer Schaltungsaufbau verbunden mit einer höheren Packungsdichte erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß tr.it den

Merkmalen des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthaltea

Die erfindungsgemäße Bildabtastvorrichtung geht davon aus, daß die Spitzenstörung in einer Gate-Drain-Kapazität des MOST erzeugt wird. 3ei der erfindungsgemäßen Bildabtastvorrichtung können die die Störung aufnehmenden MOS-Kondensatoren so ausgebildet werden, daß sie dieselbe Kapazität wie die Gate-Drain-Kapazität der schaltenden MOST haben. Dies führt zum Ergebnis, daß die MOS-Kondensatoren irgendwo auf dem Substrat angeordnet werden können. Es besteht daher im Gegensatz zu der später noch näher erläuterten bekannten Vorrichtung keine Einschränkung hinsichtlich der Lage der Elemente, so daß der von "5 ihnen eingenommene Oberflächenbereich reduziert werden kann. Infolge der erfindungsgemäßen Verwendung von MOS-Kondensatoren entfällt auch die bei der bekannten Vorrichtung erforderliche Vei bindung zwischen der einen Stromleitelektrode (Source-Elektrode) der zusätzlichen MOST und der Anode der als fotoempfindliche Elemente dienenden Fotodioden. Dadurch wird die Anzahl erforderlicher Verbindungen reduziert Pro Bildelement sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur noch zwei Verbindungen anstelle von drei Verbindungen bei der bekannten Vorrichtung erforderlich, wodurch eine hohe Packungsdicht e ermöglicht wird. Schließlich erfordert die erfindungsgemäße Bildabtastvorrichtung nur ein fotoempfindliches Element etwa in Form einer Fotodiode, pro Stufe. Gegenüber der bekannten Vorrichtung werden damit die Löschdiode einer ersten Stufe, ein zusätzlicher Lösch-MOST einer letzten Stufe und die Löschimpulserzeugung für diesen zusätzlichen Lösch-MOST eingespart. Infolge der hohen Packungsdichte kann eine eindimensionale oder zweidimensionale optische Bildabtastvorrichtung mit hohem Auflösungsvermögen, großer Bit-Anzahl und hoher Dichte geschaffen werden.

Die bekannte Bildabtastvorrichtung und ein Ausftihrungsbeispiel der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild der bekannten optischen Halbleiter-Bildabtastvorrichtung,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Halbleiter-Büdabtastvorrichtung und

Fig.3 eine Teil-Schnittansicht des Aufbaus der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen kennzeichnenden Schaltungsaufbau der bekannten optischen Bildabtastvorrichtung unier Verwendung eines Differenzverstärkers zeigt. Die Bildabtastvorrichtung enthält Fotodioden PDi ... PD_n, eine Lösch- oder Entstör-Fotodiode CD, die optisch abgeschirmt und normalerweise in einem IDunkelzustand ist, Signalauslese-Schalt-MOST SA/, ... SM_n und Störauslese- oder Lösch-Schalt-MOST NM₀ ... NM_n. Eine Signalleitung 1 und eine Störungsleitung 2 sind an die Drain-Elektroden der Signalauslese-Schalt-MOST SMi... SM_n bzw. die Drain-Elektroden der Störauslese-Schalt-MOST NM₀ ... NM_n angeschlossen. Die Signalleitung 1 und die Störungsleitung 2 sind auch an die Eingangsanschlüsse eines Differenzverstärkers 3 mit einem Ausgangsanschluß 4 und ferner über Lastwiderstände RL\ bzw. RLi an eine Stromversorgung B angeschlossen. Wenn ein erster Abtastimpuls SPi von einem Abtastimpulsgenerator 5 gleichzeitig an die Gate-Elektroden des Störauslese-Schalt-MOST NM₀ und des Signalauslese-Schalt-MOST SMt angelegt wird.

leiten die MOST NM₀ und SMi. An der Signalleitung 1 erscheint die Summe aus einem in der Fotodiode PDi gespeicherten optischen Signal und aus einer Spitzenstörung, die auf eine Gate-Drain-Kapazität des MOST SM: zurückzuführen ist Da sich die Entstörfotodiode CD in dem Dunkelzustand befindet erscheint an der Störungsleitung 2 nur auf eine Gate-Drain-Kapazität des Störauslese-Schalt-MOST NM₀ zurückzuführende Spitzenstörung auf. Der Störauslese-Schalt-MOST NM₀ und der Signalauslese-Schalt-MOST SMi sind ganz identisch aufgebaut so daß die auf der Signalleitung 1 und der Störungsleitung 2 auftretende Spitzenstörung im wesentlichen gleich sind. Dementsprechend wird nur die optische Signalkomponente erzeugt wenn die auf der Signalleitung 1 und der Störungsleitung 2 erscheinenden Ausgangssignale mittels des Differenzverstärkers 3 verstärkt werden. Wenn dann ein zweiter Abtastimpuls SP₂ zugleich an die Gate-Elektroden des Störauslese-Schalt-MOST NMi und den Signalauslese-Schalt-MOST SM₂ angelegt wird, leiten der Störauslese-Schalt-MOST NM₁ und der Signalauslese-Schalt-MOST SM2. An der Signalleitung 1 erscheint die Summe aus einem in der Fotodiode PDi gespeicherten, optischen Signal und aus einer Spitzenstörung, die auf eine Gate-Drain-Kapazität des Signalauslese-Schait-MOST SM2 zurückzuführen ist. Da in diesem Fall das in der Fotodiode PDi gespeicherte Signal gerade ausgelesen worden ist, erscheint auf der Störungsleitung 2 nur die auf eine Gate-Diain-Kapazität des Störauslese-Schalt-MOST NMi zurückzuführende Spitzenstörung. Wenn die Ausgangssignale auf der Signalleilung 1 und der Störungsleitung 2 in Differenzform verstärkt werden, wird nur eine optische Signalkomponente erzeugt. Auf die gleiche Weise werden zum Auslesen der in den Fotodioden PDj ... PD_n gespeicherten optischen Signale die auf der Signalleitung 1 und der .Störungsleitung 2 erscheinenden Ausgangssignale aufeinanderfolgend in Differenzform verstärkt. Bei der optischen Bildabtastvorrichtung dieser Art ist es notwendig, den Störauslese-Schalt-MOST NM_n in der Endstufe an die Fotodiode PD_n anzuschließen und einen Lösch- bzw. Schlußimpuls CP an die Gate-Elektrode des Störauslese-Schalt-MOST NM_n anzulegen, um die Fotodiode PD_n in der Endstufe in dem gleichen Zustand wie die anderen Fotodioden zu halten. Bei der bekannten optischen Bildabtastvorrichtung dieser Anordnung ergeben sich Schwierigkeiten dadurch, daß die Source-Elektroden der Störauslese-Schalt-MOST NM₀ ... NM_n jeweils an die Anoden der Fotodioden CD, PD^ ... PD_n angeschlossen werden müssen und daher Einschränkungen hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Störungsauslese-Schalt-MOST NM₀ .. . NM_n bestehen, daß ferner der Abschlußimpuls CP notwendig ist oder die Fotodiode CD und der Endstufen-Störauslese-Schalt-MOST NM_n erforderlich sind, die auf einer Substratfläche unnötigen Raum einnehmen, daß trotz des optischen Abschirmens der EntstörfotoJiode CD in der Anfangsstufe in dieser ein nicht optisches, auf thermische Erregung oder dergleichen zurückzuführendes Signal gespeichert wird, wobei der Differenzverstärker 3 bei der Verstärkung dieses nicht optischen Signals in Differenzform ein unerwünschtes Signal desselben als Störung erzeugt, und daß, obgleich durch den Löschimpuls CPzum Löschen der Endstufen-Fotodiode PD_n auf der Störungsleitung 2 eine auf die Gate-Drain-Kapazität des Endstufen-Störungsauslese-Schalt-MOST NM_n zurückzuführende Spitzenstömng erscheint, zu diesem Zeitpunkt keine derartige SDitzen-

störung auf der Signalleitung 1 auftritt, so daß daher bei dem Verstärken der Ausgangssignale auf der Signalleitung und der Störungsleitung in Differenzform nur die Spitzenstörung an dem Ausgangsanschiuß 4 des Differenzverstärkers 3 auftritt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Nach F i g. 2 sind fotoempfindliche Elemente PDi ... PD_n jeweils an Source Elektroden von Schalt-MOST M_x ...M_n angeschlossen, während eine erste Ausgangslei- ₎₀ tung 1 mit den Drain-Elektroden der Schalt-MOST M_x ...M_n verbunden ist. Gate-Elektroden von MOS-Kondensatoren Q ... C_n sind mit den Gate-Elektroden jeweiliger Schalt-MOST M₁... M_n, verbunden, während Drain-Elektroden der MOS-Kondensatoren C_x ... C_n, an eine zweite Ausgangsleitung 2 angeschlossen sind. Die erste Ausgangsleitung 1 und die zweite Ausgangsleitung 2 sind außerdem an Eingangsanschlüsse eines Differenzverstärkers 3 angeschlossen und ferner über Lastwiderstände RL_x bzw. Rhi mit einer Stromversorgung B verbunden. Die fotoempfindlichen Elemente PDi ... PD_n können durch Fotodioden oder Fototransistoren gebildet sein.

Wenn von einem Abtastimpulsgenerator 5 aufeinanderfolgend Abtastimpulse 5Pi... SP_n an die Gate-Elektroden der Schalt-MOST M\ ... M_n angelegt werden, werden die Schalt-MOST M_x... M_n aufeinanderfolgend leitend, so daß während einer Speicherperiode in den fotoempfindlichen Elementen PDi... PD_n gespeicherte, den optischen Signalen entsprechende Ladungen von einer an einen Lastwiderstand RL\ angeschlossenen Stromversorgung B zugeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt tritt an der an den Lastwiderstand RL_x angeschlossenen 1. Ausgangsleitung 1 über die MOST Mi... M_n die Summe aus dem optischen Signal und einer ^₅ Spitzenstörung auf, während an der an den anderen Anschluß des Lastwiderstands RLa angeschlossenen zweiten Ausgangsleitung 2, über die MOS-Kondensatoren C_x... C_n nur die Spitzenstörung erscheint. Wenn die MOS-Kondensatoren Ci ... C_n in der gleichen Gestal- ₄„ tung wie der Gate-Drain-Aufbau der Schalt-MOST M_x ...M_n aufgebaut sind, sind die Spitzenstörkomponente auf der ersten Ausgangsleitung und die Spitzenstörkomponente auf der zweiten Ausgangsleitung identisch. Wenn das Ausgangssignal auf der ersten Ausgangsleitung 1 und das Ausgangssignal auf der zweiten Ausgangsleitung 2 mittels eines Differenzverstärkers 3 verstärkt werden, erscheint daher an einem Ausgangsanschluß 4 des Differenzverstärkers 3 eine Signalkomponente, die von der Störkomponente befreit ist.

Nach F i g. 3 ist zwischen einem n-leitenden monokristallinen Halbleitersubstrat 6 und einer ρ+ -Diffusionsschicht 7 eine Fotodiode ausgebildet, während mit der p + -Diffusionsschicht 7 als Source-Zone, einer p⁺-Diffusionsschicht 8 als Drain-Zone und einer Elektrode 9 als Gate-Elektrode ein schaltender MOST gebildet ist. Zwischen einer p+-Diffusionsschicht 11 und einer Gate-Elektrode 12 ist ein MOS-Kondensator gebildet. Die Gate-Elektrode 9 des schaltenden MOST und die Gate-Elektrode 12 des MOS-Kondensators sind miteinander verbunden. Eine Drain-Elektrode 15 des schaltenden MOST und eine Drain-Elektrode 16 des MOST-Kondensators sind mittels einer loslierschicht 14 isoliert und an die erste Ausgangsleitung 1 bzw. die zweite Ausgangsleitung 2 angeschlossen. Ein gleichartiger Aufbau kann verwendet werden, wenn an Stelle des η-leitenden monokristallinen Halbleitersubstrats ein p-leitendes monokristallines bzw. Einkristall-Halbleitersubstrat verwendet wird.

Wie die Fig.3 zeigt, kann bei der optischen Bildabtastvorrichtung nach vorgenanntem Aufbau des Signal-Stör-Verhältnis dadurch beträchtlich erhöht werden, daß die MOS-Kondensatoren in derselben Gestaltung wie die Gate-Source-Gebilde der schaltenden MOST aufgebaut sind, wobei die MOS-Kondensatoren beliebig irgendwo auf dem Einkristallsubstrai angeordnet werden können. Auf diese Weise bestehl hinsichtlich der Anordnungsposition keine Einschränkung und der eingenommene Flächenbereich ist dabe klein, was eine hohe Packungsdichte zuläßt Die Erfindung kann insbesondere bei einer zweidimensiona len optischen Bildabtastvorrichtung mit hoher Pak· kungsdichte sehr wirksam angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einer Anzahl von MOS-Feldeffekttransistoren, mit einer Anzahl fotoempfindlicher Elemente, die jeweils mit den Stromleiterelektroden eines zugeordneten MOS-Feldeffekttransistors in Reihe zwischen eine Ausgangsleitung und einen ersten Anschluß einer Stromversorgung geschaltet sind, «° mit einer Anzahl weiterer MOS-Halbleiterelemente, die jeweils mit einer Steuerelektrode an die Steuerelektrode eines zugeordneten MOS-Feldeffekttransistors und einer zweiten Elektrode an eine zweite Ausgangsleitung angeschlossen sind, mit ¹S einer ersten Last, die die erste Ausgangsleitung mit dem zweiten Anschluß der Stromversorgung verbindet, mit einer zweiten Last, die die zweite Ausgangsleitung mit dem zweiten Anschluß der Stromversorgung verbindet, und mit einem Diffe- *> renzverstärker, mit dessen Eingängen die beiden Ausgangsleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren MOS-Halbleiterelemente MOS-Kondensatoren (Q, C₂, C_n) sind und daß jeweils gleich viele MOS-Feldef- *5 fekttransistoren (Mu M₂, M_n), MOS-Kondensatoren und fotoempfindliche Elemente (PDi, PD₂, PD_n) vorhanden sind.

2. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Kondensatoren (C)in 3< > der gleichen Gestaltung aufgebaut sind, wie die ersten Stromleitelektroden (15) und die Steuerelektroden (9) der MOS-Feldeffekttransistoren (M).

3. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerelektroden (9) ein Abtastimpulsgenerator (5) angeschlossen ist.

4. Bildabtastvorrichtung nacii einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoempfindlichen Elemente (PD) Fotodioden sind.

5. Bildabtastvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Stromleitelektroden Drain-Elektroden (15) und die zweiten Stromleitelektroden Source-Elektroden (7) sind.

6. Bildabtastvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Feldeffekttransistoren (M), die fotoempfindlichen Elemente (PD) und die MOS-Kondensatoren (C) auf ein und demselben Halbleitersubstrat (6) 5<> ausgebildet sind.

7. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoempfindlichen Elemente (PD) in Source-Zonen (7) der MOD-FeIdeffekttransistoren (M) ausgebildet sind.

8. Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein MOS-Feldeffekttransinor (M_u M₂, M_n) ein fotoempfindliches Element (PD_U PD₂, PD_n) und ein MOS-Kondensator (Q, C₂, C_n) ein Bildelement bilden.