DE2642194C2

DE2642194C2 - Optoelektronischer Sensor nach dem Ladungsinjektions-Prinzip und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE2642194C2
Application number: DE19762642194
Authority: DE
Inventors: Heiner Dr. 8013 Haar Herbst; Rudolf Dipl.-Ing. 8000 München Koch; Hans-Jörg Dr. 8011 Zorneding Pfleiderer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1976-09-20
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2642194A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor nach dem Ladungsinjektion- Prinzip, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial erste Isolierschichtkondensatoren matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind, deren Gate-Elektroden spaltenweise durch je eine Spaltenleitung miteinander verbunden sind, bei dem unmittelbar neben jedem ersten Isolierschichtkondensator je ein zweiter isolierschichtkondensator angeordnet ist, wobei die Gate-Elektroden letzerer zeilenweise durch je eine Zeilenleitung miteinander verbunden sind, und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Sensoren der eingangs genannten Art sind bekannt und werden beispielsweise in der Veröffentlichung »Ch.Tge-Injection Imaging: Operating Techniques and Performances Characteristics« in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-Il, Nr.;, Febr. 1976, S. 121-',27, ausführlich beschrieben. Solche CID-Sensoren sind für Fernsehzwecke anwendbar. Zur Verringerung des Bildflimmerns wird beim Fernsehen das sog. Zeilensprungverfahren angewandt, d. h. es werden abwechselnd Halbbilder geschrieben, wobei für jedes Halbbild entweder nur die eine Hälfte der Zeilenanzahl oder die andere Hälfte verwendet werden. Daher werden bei einem fernsehkompatiblen CID-Sensor abwechselnd die eine Hälfte und dann die andere Hälfte der Zeilen ausgelesen.

Aus IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-20, Nr. 6, Juni 1973, S. 535-541, ist ein Sensor für das Zeilensprungverfahren bekannt, der nach dem CCD-Prinzip arbeitet. Dieser bekannte Sensor weist innerhalb eines mit »Resolution cell« bezeichneten Sensor-Elementes drei Isolierschichtkondensatoren auf.

Aus 1975 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, S. 28 u. 29, ist ein CID-Sensor bekannt, der aus Polysilizium bzw. Aluminium bestehende Streifen aufweist.

Aus US-PS 38 90 500 ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Strahlung und zum Abgeben eines elektrischen Ausgangssignals bekannt, die einen ähnlichen Aufbau besitzt, wie er auch bei Sensoren der zuvor erwähnten Art vorliegt.

Den bekannten Vorrichtungen bzw. Anordnungen haftet der Nachteil an, daß deren Flächenbedarf verhältnismäßig groß ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optoelektronischen Sensor nach dem Ladungsinjektions-Prinzip der eingangs genannten Bauart, der zur Durchführung des Zeilensprungverfahrens geeignet ist, dahingehend zu verbessern, daß er einen verhältnismäßig geringen Flächenbedarf aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeweils ein dritter Isolierschichtkondensator unmittelbar neben dem ersten Isolierschichtkondensator so angeordnet ist, daß er dem zweiten Isolierschichtkondensator gegenüberliegt, wobei die Gate-Elektroden dieser dritten Isolierschichtkondensatoren zeilenweise durch je eine von zweiten Zeilenlei-

tungen miteinander verbunden sind.

Vorteilhafterweise ist ein solcher Sensor so aufgebaut, daß auf der Oberfläche des Substrats ganzflächig eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, daß zeilenweise die Gate-Elektroden der zweiten Isolierschichtkondensatoren mitsamt Zeilenleitung und die Gate-Elektroden der dritten Isolierschichtkondensatoren mitsamt zweiter Zeilenleitung jeweils als zwei mit Abstand nebeneinander verlaufende erste und zweite Streifen aus elektrisch leitendem Material, die auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht sind, ausgebildet sind, und daß darauf spaltenweise die Gate-Elektroden der ersten Isolierschichtkondensatoien mitsamt Spaltenleitung als quer über die ersten und zweiten Streifen verlaufende dritte Streifen aus elektrisch leitendem Material aufgebracht sind, die einen Abstand zueinander aufweisen und die von den ersten und zweiten Streifen elektrisch isoliert sind.

Bevorzugterweise bestehen die ersten und zweiten Streifen aus leitendem Polysilizium. Bevorzugterweise bestehen dabei die dritten Streifen aes Aluminium.

Vorteilhafterweise ist jeder dritte Streifen bereichsweise abwechselnd schmäler und breiter, wobei jeweils ein breiterer Bereich den Zwischenraum zwischen einem ersten und einem zweiten Streifen überdeckt.

Ein vorstehend angegebener optoelektronischer Sensor wird mit Hilfe der ersten Isolierschichtkondensatoren zeilenweise ausgelesen und unter Verwendung des Zeilensprungverfahrens so betrieben, daß die zweiten Isolierschichtkondensatoren für das eine Halbbild und die dritten Isolierschichtkondensatoren für das andere Halbbild benutzt werden, daß zur Aufnahme jeweils eines der Halbbilder unter den Gate-Elektroden der zugehörigen Isolierschichtkondensatoren Verarmungsrandschichten erzeugt werden, in denen durch Licht erzeugte Minoritätsladungsträger gesammelt und gespeichert werden, während unter den Gate-Elektroden der zum anderen Halbbild gehörenden Isolierschichtkondensatoren eine Akkumulationsschicht ar der Substratoberflaehe erzeugt wird.

Ein wesentlicher Vorteil eines vorstehend angegebenen optoelektronischen Sensors ist sein geringer Platzbedarf.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Sensoranordnung;

F^r i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch uas in F i g. 1 dargestellte Layout längs der Schnittlinie A-A.

In der Fig.] ist das Substrat, von dem nur die Oberfläche zu sehen ist. mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Auf dieser Oberfläche befindet sich eine hier der Einfachheit halber nicht gezeichnete licntdurchlässige elektrisch isolierende Schicht, die erstere ganzflächig bedeckt. Auf dieser elektrisch isolierenden Schicht sind nebeneinander durchgehende Streifen 2 bis 7 aus leitendem Polysilizium aufgebracht, die in der F i g. 1 senkrecht verlaufen und die zueinander Abstände aufweisen. Die Streifen mit ungeradzahligen Bezugsziffern bilden jeweils eine Zeile von zweiten Isolierschichtkondensatoren mitsamt der Zeilenleitung. Diese Wahl ist willkürlich. Es könnten auch die mit geradzahligen Beziigszilfern versehenen Streifen als diese gewählt werden.

Die mit den geradzahligen Bezugsziffern versehenen Streifen bilden jeweils eine Zeile von dritten Isolier Schichtkondensatoren mitsamt der zweiten Zeilenleitung. Der Abstand zwischen den Streifen 3 und 4 und den Streifen 5 und 6 ist größer als die übrigen Abstände zwischen den Streifen. Sämtliche dieser Streifen sind mit einer zusätzlichen lichtdurchlässigen elektrisch isoüerenden Schicht bedeckt, die ebanfalls nicht eingezeichne« ist. Auf dieser Oberfläche sind nun quer zu diesen Streifen dritte Streifen 8 bis 11 aus Aluminium aufgebracht. Jeder dieser dritten Streifen bildet eine Spalte vom ersten Isolierschichtkondensatoren mitsamt

ίο der Spaltenleitung. Diebreiteren Bereiche 81,82,91,92, 101 und 102 der dritten Streifen 8 bis 11. die den Zwischenraum zwischen den Streifen 3 und 4 bzw. 5 und 6 überdecken, bilden jeweils eine Gate-Elektrode eines der ersten Isolierschichtkondensatoren. Im Zwischenraum zwischen den Streifen 2 und 3, 4 und 5 und 6 und 7 bzw. im Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten dritten Streifen weist das Substrat an der Oberfläche durchgehende kanalartige Bereiche auf. die entgegengesetzt dazu dotiert sind, und die längs der jeweiligen Streifen verlaufen. Diese Bereiche sind in der Fig. I punktiert gekennzeichnet und dienen als Channel-Stop zur Isolierung der einzelnen Sensorelemente voneinander. Jeweils ein Streifenbereich der senkrecht verlaufenden Streifen, der zwischen zvei waagerecht verlaufenden umdotierten Bereichen liegt, bildet die Gate-Elektrode eines zweiten oder eines dritten Isolierschichtkondensators.

Anhand der F i g. 2 sei die Betriebsweise näher erläutert. In der F i £. 2 ist die elektrisch isolierende Schicht mit 20 und die zusätzliche elektrisch isolierende Schicht über den Polysiliziumstreifen mit 21 bezeichnet. Die im Querschnitt sichtbaren entgegengesetzt zum Substrat dotierten Bereiche an der Substratoberflächt.· sind mit den Bezugszeichen 30 versehen. Es sei

ij p-dotiertes Silizium als Substrat angenommen. Die elektrisch isolierende Schicht 20 besteht dann vorzugsweise aus Siliziumdioxid. Dasselbe gilt für die zusätzliche elektrisch isolierende Schicht 21. Zur Aufnahme des einen Halbbildes wird an die Streifen, die mit

<"' ungcradzahligen Bezugsziffern versehen sind, eine gegenüber Substratpotential positive Spannung angelegt, wodurch darunter eine Verarmungsrandschicht im Substrat erzeugt w>rd. An sämtliche dritten Streifen wird eine geringere positive Spannung angelegt.

■>^r> wodurch u.iter den breiteren Bereichen letzterer eine geringere Verarmungsrandschicht erzeugt wird. An die restlichen Polysiliziumstreifen wird eine gegenüber Substratpotential negative Spannung angelegt, wodurch unter diesen eine Akkumulationsschicht an der Substra-

5't toberfläche erzeugt wird. Die gestrichelte Kurve 40 in Fig. 2 gibt qualitativ den örtlichen Verlauf des Oberflächenpotentials unter dem Streifen 3 und dem Streifen 91 wieder. Die Akkumulationsschicht unter dem Streifen 4 ist durch Kreuze gekennzeichnet. Durch einfallendes Licht erzeugte MinoritätsUidungstriiger. hier Elektronen, sammeln sich in der Potentialmulde unter dem Streifen 3. Zum Auslesen der Information werden diese Minoritätsladungsträger zeilenweise unter die breiten Bereiche der dritten Streifen verschoben,

w) und die Information kann nach bekannten Verfahren ausgelesen werden. Zur Bildaufnahme des anderen Halbbildes wird sinngemäß dasselbe Verfahren verwendet. Die Verarmungsrandschicht wird jetzt lediglich unter den Polysiliziumelektroden, die mit geradzahligen

h5 Bezugsziffern versehen sind, erzeugt, während unter den anderen Polysiliziumelektroden die Akkumulationsschicht erzeugt wird.

Da bei derartigen Sensoren die minimale Element-

größe im allgemeinen durch den Platzbedarf der Ansteuerung vorgegeben wird, bringt eine parallele Anordnung von Schieberegistern oder Decodierern für jeweils die Zeilen eines Halbbildes auf zwei Seiten des Sensorfeldes erhebliche Vorteile. Vor allem ist diese Anordnung für die Zeilenansteuerung beim Zeilensprungverfahren besonders günstig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optoelektronischer Sensor nach dem Ladungsinjektions-Prinzip, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial erste Isolierschichtkondensatoren matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind, deren Gate-Elektroden spaltenweise durch je eine Spaltenleitung miteinander verbunden sind, bei dem unmittelbar neben jedem ersten Isolierschichtkondensator je ein zweiter Isolierschichtkondensator angeordnet ist, wobei die Gate-Elektroden letzterer zeilenweise durch je eine Zeilenleitung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein dritter Isolierschichtkondensator (2, 4, 6) unmittelbar neben dem ersten Isolierschichtkondensator (81 ... 102) so angeordnet ist, daß er dem zweiten Isolierschichtkondersator (3, 5, 7) gegenüberliegt, wobei die Gate-Elektroden dieser dritten Isolierschichtkondensatoren (2, 4, 6) zeilenweise durch je eine von zweiten Zeilenleitungen miteinander verbunden sind.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Substrats (1) ganzflächig eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht (20) aufgebracht ist, daß zeilenweise die Gate-Elektroden der zweiten Isoüerschichtkondensatoren mitsamt Zeilenleitung und die Gate-Elektroden der dritten Isolierschichtkondensatoren mitsamt zweiter Zeilenleitung jeweils als zwei mit Abstand nebeneinander verlaufende erste und zweite Streifen (3, 5, 7 und 2, 4,6) aus elektrisch leitendem Material, die auf der elektrisch isolierenden Schicht (20) aufgebracht sind, ausgebildet sind, und daß darauf spaltenweise die Gate-Elektroden der ersten Isolierschichtkondensatoren mitsamt. Spaltenle'tung als quer über die ersten und zweiten Streifen (3,5,7 und 2,4,6) verlaufende dritte Streifen (8 ... 11) aus elektrisch leitendem Material aufgebracht sind, die einen Abstand zueinander aufweisen und die von den ersten und zweiten Streifen elektrisch isoliert sind.

3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Streifen (3,5,7 und 2,4,6) aus leitendem Polysilizium bestehen.

4. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Streifen (8... 11) aus Aluminium bestehen.

5. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dritte Streifen (8 ... 11) bereichsweise abwechselnd schmäler und breiler ist, wobei jeweils ein breiterer Bereich (81, 82; 91, 92; 101, 102) den Zwischenraum zwischen einem ersten und einem zweiten Streifen (3 bzw. 5 und 4 bzw. 6) überdeckt.

6. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sensor mit Hilfe der ersten Isolierschichtkondensatoren zeilenweise ausgelesen und das Zeilensprungverfahren verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Isolierschichtkondensatoren (3, 5, 7) für das eine Halbbild und die dritten Isolierschichtkondensatoren (2, 4, 6) für das andere Halbbild benutzt werden, daß zur Aufnahme jeweils eines der Halbbilder unter den Gate-Elektroden der zugehörigen Isolierschichtkondensatoren Verarmungsrandschichten erzeugfwerden, in denen

durch Licht erzeugte Minoritätsiadungsträger gesammelt und gespeichert werden, während unter den Gate-Elektroden der zum anderen Halbbild gehörenden Isolierschichtkondensatorer. eine Akkumulationsschicht an der Substratoberfläche erzeugt wird.