DE2606308C2 - Zweidimensionaler optoelektronischer Halbleitersensor - Google Patents
Zweidimensionaler optoelektronischer HalbleitersensorInfo
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Abstract
Bei XY-adressierten Sensoren ist, wie in der Veroeffentlichung Carnes, J.E. "Charge Coupled Imaging: State of the Art", Essderc 1973, Solid State Devices, 1973, Seiten 83 - 108 beschrieben ist, das Signal-Rauschverhaeltnis (S/N-Verhaeltnis) von dem Verhaeltnis der Elementkapazitaet zur Kapazitaet der Ausleseleitung abhaengig. Da das Signal-Rauschverhaeltnis bei steigender Bildpunkteanzahl immer unguenstiger wird, wird die maximale Bildpunkteanzahl begrenzt. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dadurch, dass die Ladung beispielsweise in MOS-Kondensatoren integriert wird und praktisch verlustlos ueber MOS-Leitungen unter die CCD-Elektroden transportiert wird, ein Ausfall eines Bildpunktes nicht den Ausfall des gesamten Sensors zur Folge hat. Es tritt bei der Anordnung kein Schmiereffekt auf, wie er bei CCD-Sensoren nach dem bildorganisierten Prinzip eine Fehlerquelle darstellt. angunterschied zwischen dem ordentlichen und dem ausserordentl
Description
— daß die MOS-Ausleseanordnung eine MOS-Leitung
(5) ist, die an jedem Ende einen Steueranschluß (52,53) aufweist,
— daß jeweils am Ausgang der MOS-Leiterbahn (51) eine Speicherelektrode (41) angeschlossen
ist,
— daß neben der Speicherelektrode (41) elektrisch
von dieser isoliert eine Gateelektrode (3t) vorgesehen ist und
— daß neben der Gateelektrode (31) elektrisch von dieser isoliert eine der CCD-Elektroden
(21) des CCD-Ausgangsregisters vorgesehen ist.
2. Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektroden (71) zellenförmig
angeordnet sind und daß jeder Sensorelektrode (71) eine Zeilenansteuerungselektrode (61), eine
MOS-Leiterbahn (51), eine Speicherelektrode (41), eine Gateelektrode (31) und eine CCD-Elektrode
(21) zugeordnet ist.
3. Halbleitersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht
(1) aus Silizium besteht.
4. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende
Schicht aus S1O2 besteht.
5. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Elektrode
(21), die MOS-Leiterbahn (51), die dazugehörige Speicherelektrode (41) und die Sensorelektrode
(71) auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet sind und aus Silizium bestehen und daß die Gateelektrode
(31) und die Zeilenansteuerungselektrode (61) in einer zweiten Ebene auf einer elektrisch
isolierenden Schicht (H'), welche auf der Sensorelektrode (71), der MOS-Leiterbahn (51), der Speicherelektrode
(41), der CCD-Elektrode (21) und den nicht von diesen Elektroden bedeckten Bereichen
der elektrisch isolierenden Schicht (11) aufgebracht ist, in einer zweiten Ebene angeordnet sind und aus
Aluminium bestehen.
6. Halbleitersensor nach Anspruch 5,.dadurch gekennzeichnet, daß die weitere elektrisch isolierende
Schicht (11') aus SiO2 besteht.
7. Verfahren zum Betrieb eines Halbleitei'sensors
nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Ruhezustand an der Sensorelektrode
(71) ein Potential anliegt, welches unter dieser Elektrode eine Potentialmulde zur Aufnahme von
Ladungen erzeugt, daß an die Zeilenansteuerungselektrode (61) ein Potential angelegt wird, das unterhalb
dieser Elektrode einen Potentialberg, der ein Abfließen von unterhalb der Sensorclcktrode (71)
befindlichen Ladungen verhindert, erzeugt, daß an die Enden der MOS-Leiterbahn (51) Potentiale angelegt
werden, die unterhalb der Leiterbahn (51) ein Potentialgefälle hervorrufen, daß an die Gateelektrode
(31) ein Potential angelegt wird, das neben der Speicherelektrode (41) einen Potentialberg erzeugt,
daß beim Auslesen an die Zeilenansteuerungselektrode (61) ein Potential angelegt wird, das den unter
dieser Elektrode im Ruhezustand befindlichen Potentialberg abbaut, so daß unter der Sensorelektrode
(71) befindliche Ladungen über das Potentialgefälle unterhalb der MOS-Leiterbahn (51) zur Speicherelektrode
(41) hin abfließen können und dort gesammelt werden, daß zum Verschieben der Ladung
unter die CCD-Elektrode (21) an die Elektrode (32) und an die Elektrode (21) Potentiale angelegt
werden, die den Potentialberg unterhalb der Elektrode (31) abb?uen und zur CCD-Elektrode (21) hin
ein Potentialgefälle (10) bewirken, über das die unterhalb der Speicherelektrode (41) befindliche Ladung
unter die CCD-Elektrode (21) abfließen kann.
Die Erfindung bezieht sich auf einen zweidimensionalen
optoelektronischen Halbleitersensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Veröffentlichung Carnes, J. E. »Charge coupled imaging: state of the art«, ESSDERC 1973, Solid State Devices, 1973, Seiten 83—108, vergleiche insbesondere Fig. 8, ist ein xy-adressierter Sensor der eingangs genannten Art bekannt. Bei derarten Sensoren ist das Signal-Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis) von dem Verhältnis der Elementkapazität zur Kapazität der Ausleseleitung abhängig. Da das Signal-Rauschverhältnis bei steigender Büdpunkteanzah! immer ungünstiger wird, wird die maximale Bildpunkteanzahl begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine.i zweidimensionalen optoelektronischen Halbleitersensor zu schaffen, bei dem unter Vermeidung der oben angegebenen Nachteile beim Stand der Technik das Verhältnis zwischen möglicher Bildpunkteanzahl pro Spalte und dem Signalstörabstand verbessert ist.
Aus der Veröffentlichung Carnes, J. E. »Charge coupled imaging: state of the art«, ESSDERC 1973, Solid State Devices, 1973, Seiten 83—108, vergleiche insbesondere Fig. 8, ist ein xy-adressierter Sensor der eingangs genannten Art bekannt. Bei derarten Sensoren ist das Signal-Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis) von dem Verhältnis der Elementkapazität zur Kapazität der Ausleseleitung abhängig. Da das Signal-Rauschverhältnis bei steigender Büdpunkteanzah! immer ungünstiger wird, wird die maximale Bildpunkteanzahl begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine.i zweidimensionalen optoelektronischen Halbleitersensor zu schaffen, bei dem unter Vermeidung der oben angegebenen Nachteile beim Stand der Technik das Verhältnis zwischen möglicher Bildpunkteanzahl pro Spalte und dem Signalstörabstand verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen wie eingangs bereits erwähnten optoelektronischen Halbleitersensor gelöst,
der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß dadurch, daß die Ladung beispielsweise
in MOS-Kondensatoren integriert wird und praktisch verlustlos über MOS-Leitungen unter die CCD-Elektroden
transportiert wird, ein Ausfall eines Bildpunktes nicht den Ausfall des gesamten Sensors zur
Folge hat.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt I-I durch einen erfindungsgemäßen optoelektronischen
Halbleitersensor und den Verlauf des Oberflächenpotentials in den verschiedenen Detriebszuständen.
Die Fig. 2 zeigt das Layout einer erfindungsgemäßen Schaltung nach der F i g. 1.
In der F i g. 1 ist das halbleitende Substrat, auf dem
der erfindungsgemäße optoelektronische Halbleitersensor aufgebaut ist, mit 1 bezeichnet. Vorzugsweise
besteht dieses Substrat aus Silizium. Auf dem Substrat 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht 11, die Vorzugs-
weise aus S1O2 besteht, aufgebracht Mit dem Bezugszeichen 2 ist der CCD-Verschiebekanal, der sich senkrecht
zur Zeichenebene erstreckt, bezeichnet Eine in der F i g. 1 dargestellte Elektrode dieses Kanals 2 ist mit
21 bezeichnet Die Elektrode 21 weist eine;} Anschluß 22 auf. Von der Elektrode 21 isoliert ist neben dieser die
Gateelektrode 31 angeordnet, die einen Anschluß 32 aufweist Von der Gateelektrode 31 isoliert ist neben
dieser die Speicherelektrode 41 vorgesehen. Diese ist unmittelbar mit der MOS-Leiterbahn 51 verbunder. Die
Länge der ,ViOS-Leitung 51 ist durch das Bezugszeichen
54 angegeben. Die MOS-Leitung 51 weist jeweils an einem Ende einen Anschluß 52 bzw. 53 zum Anlegen
von Potentialen auf. Von der MOS-Leitung 5 elektrisch isoliert ist neben dieser die Zeilenansteuerungselektrode
61 angeordnet Schließlich ist neben dieser elektrisch isoliert in aus der Figur ersichtlichen Weise die Sensorelektrode
71 angeordnet Vorzugsweise handelt es sich bei der Elektrode 21 und bei der MOS-Leiterbahn 51
um Elektroden der ersten Ebene, die vorzugsweise aus Silizium bestehen. Dasselbe gilt für die Elektrode 7t. Bei
den Elektroden 31 und 61 handelt es sich dann um Elektroden der zweiten Ebene, die vorzugsweise aus Aluminium
bestehen.
Im folgenden soll nun die Funktion des erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleitersensors näher erläutert
werden. In der älteren Patentanmeldung DE-OS 25 23 683 ist die Funktion einer MOS-Leitung erläutert
Dabei wird mit Hilfe dieser MOS-Leitung durch Anlegen von unterschiedlichen Potentialen an die jeweiligen
Enden der MOS-Leitung in einer unterhalb der MOS-Leitung befindlichen Verarmungszone ein Driftfeld erzeugt,
das ein in der Verarmungszone eintretendes Ladungspaket nahezu verlustlos transportiert. Dabei wird
das Ladungspaket entlang der Halbleiteroberfläche transportiert. Wird das Ladungspaket am Ende der
MOS-Leitung unter einer Speicherelektrode gesammelt, so läßt sich die Ladung nahezu verlustlos von einem
Ort zu einem anderen übertragen. In der Figur ist eine solche Speicherelektrode am Ende der MOS-Leitung
54 mit 41 bezeichnet. Für den Ladungstransport ist wesentlich, daß die Leitungskapazität keinen Einfluß auf
die übertragene Ladung hat. Infolge der unvermeidlichen Diffusion und der selbstinduzierenden Drift strebt
das transportierte Ladungspaket auseinander und entspricht der zeitliche Verlauf des Stromes an der Speicherelektrode
41 nicht mehr dem Stromimpuls am Leitungseingang 52. Die Zeitkonstante, die für den Transport
maßgeblich ist, kann nach dir Formel Γ= L2I\ί · ΔΦ abgeschätzt werden. In dieser Formel
bedeuten dabei:
L die Weglänge, die das Ladungspaket zurücklegen muß, ΔΦ den Unterschied des Oberflächenpotentials
zwischen den Punkten 52 und 53, zwischen denen das Ladungspaket transportiert wird und μ die Beweglichkeit
der Ladungsträger. Als Abschätzung gilt dabei, daß das Maximum des Ladungspakets nach der Zeit Γ nach
Durchlaufen der Länge 54 (F i g. 1) die Speicherelektrode 41 erreicht. Als weitere grobe Abschätzung gilt, daß
das Ladungspaket eine zeitliche Ausdehnung derselben Größenordnung raufweist. Sollen auch die Ladungsreste
erfaßt werden, so ergibt sich dann eine Laufzeit von etwa 1,5 T.
Für ein Fernsehbild ist beispielsweise eine Zeilenfrequenz von 16 kHz vorgeschrieben, was einer Zeit von
64 μς entspricht. Mit einer Beweglichkeit von
μ = 500 cmVVs und einem Potentialunterschied von ΛΦ = 10 V zwischen den Punkten 52 und 53 kann eine
Länge der MOS-Leitung L = ^ΤΔΦ von ungefähr
5 mm abgeschätzt werden. Nach dem obigen Modell ist dann die Ladung in einem Zeitraum von 64 us nahezu
vollständig von dem Anfang 52 der MOS-Leitung in die Speicherelektrode 43 übertragen. Die Laufzeit auf der
Leitung kann ausgeglichen werden, indem die Zeilen um die halbe Laufzeit früher angesteuert werden. Die Länge
54 der MOS-Leitung legt den nutzbaren Frequenzbereich fest Für den Aufbau einer Fernsehkamera wird
daher vorgeschlagen, die Sensoren 7 einer Zeile mittels vieler parallel verlaufender Leitungen 5 auszulesen und
die Ladung in Speicherelektroden 4 zu sammeln, von denen aus die Ladung weiter über die Gateelektroden
31 an Elektroden 21 des CCDs 2 gegeben werden.
In der F i g. 1 ist der Verlauf des Oberflächenpotentiais
im Ruhezustand mit 8 bezeichnet und durch eine durchgehende Linie dargestellt. Dabei befindet sich unterhalb
der Sensorelektrode 71 eine Potentialmulde, in der Ladungsträger angesammelt werden können. Unterhalb
der Zeilenansteuerungselektrode 61 befindet sich ein Potentialberg, der zunächst ein Abfließen von
unterhalb der Sensorelektrode 71 befindlichen Ladungsträger verhindert. Durch Anlegen von unterschiedlichen
Potentialen an die Anschlüsse 52 und 53 der Elektrode 51 der MOS-Leitung 5 wird unterhalb der
MOS-Leitung 5 ein Driftfeld erzeugt, das dem in der F i g. 1 dargestellten Oberflächenpotential entspricht.
Unterhalb der Speicherelektrode 41 herrscht das dem Punkt 53 entsprechende Oberflächenpotential. Unterhalb
der Gateelektrode 31 befindet sich im Ruhezustand ein Potentialwall 10. Unterhalb der CCD-Elektrode 21
befindet sich beispielsweise schon eine Potentialmulde zum späteren Aufnehmen der transportierten Ladung.
Beim Auslesen und Sammeln der Ladung wird durch Anlegen eines Potentials an die Zeilenansteuerelektrode
61 der dort bislang herrschende Potentialwall abgebaut, so daß die in der bislang unterhalb der Sensorelektrode
71 bestehenden Potentialmulde befindliche Ladung an das Driftfeld der MOS-Leitung 5 gelangt und
unter die Speicherelektrode 41 verschoben wird. Der zum Auslesen und Sammeln der Ladung unter der Elektrode
41 maßgebliche Potentialverlauf ist in der F i g. 1 mit 9 bezeichnet und durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
Zur wei'eren Verschiebung der dann dort befindlichen Lidung unter die Elektrode 21 des CCDs 2
wird an die Gateelektrode 31 ein solches Potential angelegt, daß der bislang darunter bestehende Potentialwall
verschwindet, so daß zwischen der Speicherelektrode 41 und der CCD-Elektrode 21 ein Potentialgefälle, das
durch eine strichpunktierte Linie 10 dargestellt ist, aufgebaut wird, über das die unterhalb der Speicherelektrode
41 befindliche Ladung unter die Elektrode 21 gelangen kann.
In der F i g. 2, in der auch der in der F i g. 1 dargestell-
-■■"> te Schnitt I-I eingetragen ist, ist das Layout einer erfindungsgemäßen
optoelektronischen Halbleiteranordnung in einer ZweiJagen-Technologie, beispielsweise in
der Aluminium-Silizium-Gate-Technologie, dargestellt. Dabei bedeuten Flächen, die nicht schraffiert sind, AIuminiumelektroden
bzw. Leiterbahnen, Flächen, die rechts-schraffiert sind, Siliziumelektroden bzw. Leiterbahnen,
Flächen, die durch eine strichlierte Linie umrandet sind, ein Dünnoxid, und Flächen mit Kreisen Κ,οη-taktlöcher
zwischen Silizium- und Aluminium-Belegungen. Einzelheiten der F i g. 2, die bereits im Zusammenhang
mit der F i g. 1 beschrieben wurden, sind entsprechend bezeichnet.
Nach der F i g. 2 ergibt sich, bei der Annahme, daß die
Elektroden 71 und 61 und die MOS-Leiterbahn 51 jeweils 5 μηι breit sind und bei einer Justiertoleranz von
2 μιη auf jeder Seite eine Spaltenbreite von 19 μιη. Die
Zeilenbreite beträgt, bei einer Breite der Leitung 62 von 5 μιη, bei einer Breite der Elektrode 61 von 5 μιη und bei 5
einer Justiertoleranz von 2 μπι auf jeder Seite, 14μηι.
Damit wird ein Bildpunktverhältnis von etwa 4 :3 erreicht. Mit einer Gesamtlänge von 4,2 mm für die MOS-Leitung
5 sind demnach gerade die halbe Zeilenzahl eines Fernsehbildes mit ca. 300 Zeilen möglich. Die letzten
Endes gewünschte Auflösung von 600 Zeilen ist mit Leiterbahnbreiten von 2,5 μιη möglich.
Eine längere MOS-Leitung kann dann zugelassen werden, wenn die geraden Zeilen der Sensoren unier
einer rechts verlaufenden Leiterbahn und die ungeraden Zeilen unter einer iinks von einer Spaite verlaufenden
Leiterbahn ausgelesen werden. Da in diesem Fall die doppelte Zeit zur Verfügung steht, könnte eine \IT- längere
Leitung zugelassen werden.
Die Anordnung nach der F i g. 2 ist deshalb besonders vorteilhaft, da parallel zur Sensoreleklrodenbahn ein an
sich bekannter Überlaufkanal geführt werden kann, der Überschußladungen aufnehmen kann. Auf diese Weise
kann ein störendes »Blooming« weitgehend unterdrückt werden. Dabei wird unter »Blooming« ein Abfließen
von überschüssiger Ladung an benachbarte Bildpunkte verstanden.
Vorteilhafterweise tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung kein Schmiereffekt auf, wie er bei CCD-Sensoren
nach dem bildorganisierten Prinzip eine Fehlerquelle darstellt.
Die oben erwähnten Störeffekte sind in dem Buch »Charge Transfer Devices«, Carlo H. Sequin und Michael
F. Tompsett, Bell Telephone Laburatories Murray Hill, New Jersey, Academic Press. Inc. New York. San
Francisco, London 1975 näher beschrieben.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
40
45
55
60
Claims (1)
1. Zweidimensionaler optoelektronischer Halbleitersensor, bei dem auf einer halbleitenden Schicht
eine elektrisch isolierende Schicht mit darauf befindlichen Elektroden aufgebracht ist und bei dem neben
jeder Sensorelektrode elektrisch von dieser isoliert eine Zeilenansteuerungselektrode, über welche die
Signalladung in eine vertikale MOS-Ausleseanordnung und von dieser zu einem CCD-Ausgangsregister
übertragen wird, vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet,
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE2606308A DE2606308C2 (de) | 1976-02-17 | 1976-02-17 | Zweidimensionaler optoelektronischer Halbleitersensor |
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DE2606308C2 true DE2606308C2 (de) | 1985-05-23 |
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ID=5970091
Family Applications (1)
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Cited By (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS5937629B2 (ja) | 1975-01-30 | 1984-09-11 | ソニー株式会社 | 固体撮像体 |
DE2523683C2 (de) | 1975-05-28 | 1985-03-07 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Integrierte Schaltung mit einer Leitung zum Transport von Ladungen zwischen Speicherelementen eines Halbleiterspeichers und einer Schreib-Lese-Schaltung |
-
1976
- 1976-02-17 DE DE2606308A patent/DE2606308C2/de not_active Expired
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