DE3345239A1

DE3345239A1 - Festkoerper-bildsensor

Info

Publication number: DE3345239A1
Application number: DE19833345239
Authority: DE
Inventors: Takashi Hamamatsu Shizuoka Mizusaki; Jun-Ichi Sendai Miyagi Nishizawa; Hidetoshi Tokyo Yamada; Atsushi Ina Nagano Yusa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-12-14
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1984-06-14
Also published as: JPH0414543B2; JPS59108457A; DE3345239C2; US4589003A

Description

Festkörper-Bildsensor

Die Erfindung "betrifft einen Festkörper-Bildsensor mit einem Haltleiterkörper, einer an der Hauptfläche des Haibleiterkörpers angebrachten, lichtundurchlässigen Bodenelektrode, einer lichtelektrisch umwandelnden Beschichtung der Bodenelektrode und einer darauf aufgetragenen transparenten Oberflächenelektrode. In dem Halbleiterkörper ist ein Ausgabetransistor vorgesehen, der einen mit der Bodenelektrode verbundenen aktiven Bereich für die Ausgabe von Ladungsträgern hat, die in der photoelektrisch umwandelnden Beschichtung in Abhängigkeit vom Lichteinfall induziert werden.

Die bekannten Festkörper-Bildsensoren lassen sich grob in zwei Klassen unterteilen, je nach der Konstruktion der Signalausgabeeinrichtung, und zwar die MOS-Bildsensoren und die Ladungsübertragungs-Bildsensoren. Inzwischen ist hierfür eine hohe Integrationsdichte bei matrixförmigen Feldanordnungen erreicht worden, so daß in der Praxis Festkörper-Bildsensoren kommerziell hergestellt werden können. Entsprechend der hohen Integrationsdichte dieser Festkörper-Bildsensoren ist jedoch das Öffnungsverhältnis zwischen der Lichteinfallsöffnung und der Fläche für die photoelektrische Wandlung des einfallenden Lichts immer kleiner und damit die Signalaufnahme mit hoher Empfindlichkeit schwierig geworden,

^TTm das Öffnungsverhältnis bei dem Festkörper-Bildsensor ζυ ver-

OHiQlHAL

(ο
- ζ -

bessern, ist ein Festkörper-Bildsensor vorgeschlagen worden, der einen sogenannten geschichteten Aufbau hat, bei dem der photoelektrisch umwandelnde Bereich auf dem Schalter für die Signalausgabe oder dem Signala"sgabeübertrag"ngsbereich vorgesehen ist. Ein Beispiel eines derartigen Festkörper-Bildsensors ist beschrieben in "Technical Report of Japan Television Society", Bd. 3, Nr. 33, Januar 1980, S. 41 bis 46, und ein typisches Beispiel eines solchen Festkörper-Bildsensors ist in Fig. 1 gezeigt.

Der Festkörper-Bildsensor gemäß Fig. 1 weist ein P-leitfähiges Substrat 1 und einen MOS-Transistorschärlter 2 mit N-Kanal signal ausgabe auf, dessen Sourcediffusionsbereich 3 mit einer Bodenelektrode 5 einer lichtleitfähigen Schicht 4 verbunden ist. Licht fällt auf die lichtleitfähige Schicht 4 durch eine transparente Elektrode 6 auf und injiziert Elektronen-Loch-Paare. Die Elektronen werden von der transparenten Elektrode 6 absorbiert, während die Löcher in die Bodenelektrode 5 fließen, um das Potential der Bodenelektrode 5 zu erhöhen, welches ursprünglich auf einen niedrigen Wert von z.B. 0 V eingestellt war. Es kann davon ausgegangen werden, daß die im ursprünglichen Zustand gespeicherten Elektronen aufgrund der in die Bodenelektrode 5 fließenden Löcher verschwinden. Die Ausgabe kann dann dadurch erfolgen, daß der MOS-Transistorschalter 2 aufgesteuert wird, um die abgeflossenen Elektronen im Wege einer Drainelektrode 7, eines Draindiffusionsbereichs 8, eines N-Kanals und eines Sourcebereichs 3 zu ergänzen. Folglich kann aufgrund dernachfließenden Elektronen ein elektrischer Strom als lichtelektrisch umgewandeltes Ausgangssignal abgeleitet werden.

Die günstigste Eigenschaft, die dieser Aufbau hat, besteht darin, daß die Bodenelektrode 5 bis fast an die Grenzen zwischen einander benachbarten Bildsensorzellen ausgedehnt werden kann, so daß das Öffnungsverhältnis nahezu 1 betragen kann. Ferner lassen sich folgende Eigenschaften erzielen:

1.) Da sich die Spektralempfindlichkeiten der lichtleitfähigen Filme je nach ihrer Zusammen se tzung voneinander unterscheiden, kann der /Hin s tigs te lichtleitfähige Film entsprechend der gewünschten Eigenschaft des Rildaufnahmewandlers gewählt werden. 2.) Da das Potential der Bodenelektrode das Potential der transparenten Elektrode selbst bei starkem Lichteinfall nicht übersteigt, kann eine sogenannte Uberstrahlung oder Übersteuerung vermieden werden.

3ο) Kurzwellige Anteile des einfallenden Lichts, die mit normalen Lichtdetektoren, beispielsweise Photodioden nicht feststellbar waren, können in einem Oberflächenbereich des lichtleitfähigen Films in der Nähe der transparenten Elektrode wirksam umgewandelt werden, wodurch die lichtelektrische Wandlungsleistung verbessert werden kann.

'Wie schon erwähnt, hat der Festkörper-Bildsensor mit Schichtaufbau beim Vergleich mit anderen bekannten Festkörper-Bildsensoren eine Reihe von Vorteilen, wirft aber auch Probleme bei der Herstellung auf. Wenn aber die Integrationsdichte des Festkörper-Bildsensors verbessert und die Größe jeder einzelnen Bildelementzelle verkleinert werden soll, wird es immer schwieriger, ein schwaches Signal ohne Absenkung des Signal-Rausch-Abstandes festzustellen. Wenn die Bildaufnahme bei schwachem Lichteinfall unter hoher Verschlußgeschwindigkeit erfolgt, ist der Signal-Rausch-Abstand gering und die Bildqualität stark verschlechtert. Diese Schwierigkeiten hat man bisher für unumgänglich gehalten, und zwar sowohl bei den Festkörper-Bildsensoren, bei denen Ladungsträger, die durch lichtelektrische Anwandlung injiziert werden, ergänzt werden, als auch bei den Festkörper-Bildsensoren, bei denen die Ladungsträger direkt übertragen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Festkörper-Bildsensor der Ladungsträger ergänzenden Art zu schaffen, bei dem ein Bildsignal mit hohem Signal-Rausch-Abstand bei großer Empfindlichkeit erhalten und das Öffnungsverhältnis vergrößert werden kann, während eine hohe Integrationsdichte erhalten bleibt.

BAD ORiQINAL

Ein diese Aufgabe lösender Bildsensor ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Mit der Erfindung ist es möglich, verstärkten Strom aufgrund eines Verstärkungsmechanismus des Ausgabetransistors zu erhalten, indem der Ladungsträger im Gatebereich eines SIT, J-FET oder MOS-FET gespeichert wird. Hierbei können die verschiedenen Vorteile, die der Festkörper-Bildsensor mit Schichtaufbau bietet, beispielsweise das große Öffnungsverhältnis, die verbesserte lichtelektrische ^TTmwandlungsleistung aufgrund der Umwandlung von kurzwelligem Licht und die ein Überstrahlen verhindernde Eigenschaft weiterhin genutzt werden. Der Festkörper-Bildsensor kann deshalb vorzugsweise für einen Bildaufnahmewandler benutzt werden, um Abbildungen bei schwachem Licht und/oder geringer Verschlußzeit zu erzielen. Die wirksame Empfindlichkeit des Festkörper-Bildsensors ist außerdem sehr hoch, die Fläche pro Bildzelle ist klein, so daß die Integrationsdichte noch mehr erhöht werden kann, Da die Verstärkungsfunktion nach Wunsch einstellbar ist, lassen sich die Merkmale des Festkörper-Bildsensors ferner wirksam an bestimmte Anwendungsfälle anpassen.

Eine ausgezeichnete Qualität bei der Bildaufnahme ist besonders dann möglich, wenn der Ausgabetransistor von einem SIT gebildet wird, da die Kurve des Gatepotential-Drainstroms entsprechend dem steigenden Gatepotential linear wird. Da außerdem der dynamische Bereich sehr groß ist, kann die Bildaufnahme in einem sehr weiten Bereich von sehr schwachen Licht bis zu starkem Licht erfolgen. Ferner ist eine Ausgabe mit hoher Geschwindigkeit möglich, da der Kanalwiderstand des SIT gering ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

BAD ORIGINAL

- sr-

Fig. 2A und 2B einen Querschnitt bzw. ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Bildsensorsj

Fig. 3A einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispielsj

Fig. 3B einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig.

Fig. 3C ein Ersatzschaltbild des Bildsensors gemäß Fig.

Fig. 3D und 3E Inpulsdiagramme zur Erläuterung der Rückstell zeit des Bildsensors gemäß Fig. 3A;

Fig.AA einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des Bildsensorsj

Fig. 4B einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 4Aj Fig. 4C ein Ersatzschaltbild des Bildsensors gemäß Fig. 4A.

Beim Bildsensor nach Fig, 2A und dem Ersatzschaltbild nach Fig. 2B ist der Ausgabetransistor von einem N-Kanal SIT gebildet} er kann jedoch auch als J-FET, d.h. als Sperrschichttransistor ausgeführt sein. Der Bildsensor weist ein P-leitfähiges Substrat und eine versenkte N -leitfähige Schicht 13 auf, die als Drain des Äusgabetransistors dient. Auf dem Substrat 11 ist eine N~- Epitaxialschicht 14 gewachsen, deren Störstellenkonzentration

12 IS 3

ca. 10 bis 10 ^J Atome/cm^ beträgt. Wenn der Ausgabetransistor von einem Sperrschichttransistor gebildet ist, kann die Epitaxialschicht 14 K-leitend sein. Die in der versenkten N -leitenden Schicht 13 gezeigte gestrichelte Linie stellt eine Grenze zwischen dem Substrat 11 und der Epitaxialschicht 14 dar. Durch Diffusion ist in der Epitaxialschicht 14 ein P⁺-leitender Gatediffusionsbereich 15 und ein N -leitender Sourcediffusionsbereich 16 des Ausgabetransistors 12 sowie ein P -leitender Draindiffusionsbereich 18 eines rückstellenden, P-Kanal-MOS-Transistors 17 ausgebildet. ^TTm die Eigenschaften des Ausgabetransistors 12 zu verbessern, wird vorzugsweise der Gatediffusionsbereich 15 so ausgebildet, daß er den Sourcediffusionsbereich 16 vollständig umgibt.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann sich der P -leitende

JlO

Draindiffusionsbereich 18 bis zum Substrat 11 erstrecken, wie mit gestrichelten Linien 20 angedeutet. Dann kann eine Drainelektroden-Anschlußlei tung 19 für die Zufuhr von Drainspannung zum Drainbereich 18 des Rückstelltransistors 17 wegfallen. In diesem Fall wird der versenkte P -leitfähige Bereich gleichzeitig mit dem versenkten N -leitfähigen Bereich 13 geschaffen, und der P -leitfähige Diffusionsbereich 18 wird tief in einem von der Herstellung des P -leitfähigen Gatebereichs 18 gesonderten Diffusionsschritt ausgebildet. Dann kann die P⁺-leitfähige Drainschicht, die sich bis zum Substrat 11 erstreckt, aufgrund der Auswärtsdiffusion des versenkten P -leitfähigen Bereichs und der Einwärtsdiffusion des P -leitfähigen Drainbereichs 18 geschaffen werden.

Oberhalb des Sourcediffusionsbereichs 16 ist eine Sourceelektroden-Anschlußleitung 21 vorgesehen, die mit dem Sourcebereich 16 in ohmschem Kontakt steht, um den Leitungswiderstand zu verringern. Die Sourceelektroden-Anschlußleitung 21 hat eine große Fläche, die einer lichtundurchlässigen Bodenelektrode 23 unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 22 zwecks Schaffung einer Kapazität gegenüberliegt. Die Sourceelektroden- Anschlußleitung 21 besteht aus polykristallinen Silizium, in welches Störstellen dotiert sind, oder aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram oder Molybdän. Die Drainelektroden-Anschlußleitung 19 des Rückstell transistors 17 und eine Gateelektrode bestehen aus ähnlichem Werkstoff. Die Bodenelektrode 23 ist aus einem lichtundurchlässigen, leitfähigen Werkstoff hergestellt, z.B. aus Aluminium. Auf der Bodenelektrode 23 ist eine lichtelektrisch umwandelnde Beschichtung 25 niedergeschlagen, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem lichtleitfähigen Werkstoff, wie ZnCdTe besteht, aber auch aus einem amorphen Halbleitermaterial, wie Chalcogenid und Siliziumhydrid in amorpher Form bestehen kann. Auf diese Beschichtung 25 ist eine transparente Elektrode 26 aus SnO₂ oder Indiumzinnoxid (ITO) aufgebracht.

Fig. 2B ist ein Ersatzschaltbild des in Fig. 2A gezeigten Fest-

BAD ORIG/NAL

33Λ5239

JU

-ti -

körper-Bildsensors. Ein Kondensator 27 stellt ein lichtelektrisches Wandlerelement dar, welches die transparente Elektrode 26, die lichtleitfähige Beschichtung 25 und die Bodenelektrode 23 aufweist, während ein Transistor 28 den N-Kanal SIT Ausgabetransistor 12 darstellt, der den P -leitfähigen Gatediffusionsbereich 15, den N -leitfähigen Sourcediffusionsbereich 16, den versenkten N -leitfähigen Drainbereich 13 und den N~-Kanalbereich 14 aufweist. Ein Kondensator 29 stellt eine Kapazität C zwischen der mit dem Gatebereich 15 verbundenen Bodenelektrode 23 und der Sourceelektrode 21 dar. Ein Transistor 30 bildet den P-Kanal MOS-Transistor 17 zum Rückstellen des Gatepotentials des Ausgabetransistors 28 auf einen konstanten Wert V , wobei das genannte Gatepotential sich in Abhängigkeit von der Größe des Lichteinfalls ändert. Der Ausgabetransistör 28 hat eine Sourceelektroden-Anschlußleitung 31 und eine Drainelektroden-Anschlußleitimg 32, und der Rückstelltransistör 30 hat eine Gateelektroden-Anschlußleitung 33.

Wenn, wie schon erwähnt, der Drainbereich 18 des Rückstelltransistors 17 bis zum Substrat 11 reicht und an das Substrat Drainspannung angelegt wird, kann die Drainelektroden-Anschlußleitung fehlen. In dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2B ist ein so abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt.

Die Arbeitsweise des Festkörper-Bildsensors gemäß Fig. 2A soll auch unter Hinweis auf das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2B erläutert werden» Das lichtelektrische Wandlungselement mit der lichtleitfähigen Beschichtimg 25 ist so vorgespannt, daß das Potential der transparenten Elektrode 26 höher ist als das der Bodenelektrode 23. Beim Lichteinfall werden Elektronen-Loch-Paare in der lichtleitfähigen Beschichtung 25 erzeugt, deren Elektronen von der transparenten Elektrode 26 absorbiert werden, die das höhere Potential annimmt, während die Löcher von einem in der lichtleitfähigen Beschichtung 25 erzeugten elektrischen Feld beschleunigt werden und zur Bodenelektrode

BAD ORIGINAL

abfließen , wodurch das Potential V an einem Gatepunkt 35 des

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Ausgabe trans is tors 28 steigt. Die Steigung dieser Zunahme des" Gatepotentials V wird von der Größe der zwischen Gate und Source vorgesehenen Kapazität C bestimmt. Ist diese Kapazität C groß, so nimmt das Gatepotential V allmählich zu. Wenn aber

Fs P>

die Kapazität C klein ist, steigt das Gatepotential V abrupt an. Die Größe der Kapazität C kann geeigneterweise so festgelegt werden, daß die gewünschte Ausgabequalität erhalten wird. Die Kapazität C besteht hauptsächlich aus einer Kapazität in der Isolierschicht 22 zwischen der Sourceelektrode 21 und der Gateelektrode, d.h. der Bodenelektrode 23. Deshalb ist ihre Größe im wesentlichen konstant, gleichgültig wie sich das Potential am Gatepunkt 35 verhält. In der Praxis wird jedoch die Kapazität von Verarmungsschichten zwischen dem Gatediffusionsbereich 15 und dem Kanalbereich 14 bzw. dem Sourcediffusionsbereich 16 zur Kapazität der Isolierschicht addiert, und angesichts der Tatsache, daß sich je nach der angelegten Spannung die Verarmungskapazität nichtlinear ändert, kann in diesem Fall die Größe der Kapazität C nicht vollkommen gleichbleibend sein. Im Fall des SIT mit dem Kanalbereich von geringer Störstellenkonzentration kann die Verteilung der Kapazität aufgrund der Verarmungsschicht ignoriert werden. Man kann also davon ausgehen, daß das Potential am Gatepunkt 35 proportional zur Menge der in der lichtleitfähigen Beschichtung 25 erzeugten Elektronen-Loch-Paare steigt. In einem typischen Fall wird das Gatepotential, welches anfangs auf -5 V eingestellt ist, auf -1 V erhöht.

Als nächstes soll der Signalausgabe ν or gang erläutert werden. Beim Lesen eines Signals ist die Drainelektroden-Anschlußleitung 32 wahlweise auf eine höhere Spannung vorgespannt, z.B. auf +12 V, und die Sourceelektroden-Anschlußleitung 31 wahlweise über einen Belastungswiderstand 34 an die Erdspannung von 0 V gelegt. Dann fließt Strom durch den Belastungswiderstand Jh- in den Ausgabetransistor 28, und die am Belastungswiderstand 3^ anstehende Spannung wird als Ausgangsspannung ausgegeben. Der

BAD ORfGINAL

-V-

Drainstrom I, wird von der Spannung V am Gatepunkt 35 bestimmt, und die Drainspannung V_d läßt sich durch folgende Gleichung ansdrücken:

worin η = ein Koeffizient (<1),

ρ = ein Spannungsverstärkungsfaktor (»1), r = ein Eeihenwiderstand von der Source bis zu einem speziellen Gate.

In der japanischen Zeitschrift "Semiconductor Study", Bd. 15, S. 159, ist für den SIT beschrieben, daß bei starkem Drainstrom die Gatespannung in Hmkehrrichtung tiefer wird, und daß die Zunahme des Drainstroms allmählich zur Gatespannung proportional wird ο Das bedeutet, daß bei großem Drainstrom I, folgende Gleichung gilt:

¹Cl - (1+μ)Γ ' ^Vd

um eine lineare Ausgabe zu ermöglichen, kann der lineare Bereich benutzt werden, in welchem der Drainstrom I, groß ist, oder es kann der nichtlineare Bereich für die Gatespannung V herangezogen werden und anschließend das nichtlineare Ausgabesignal in ein lineares Signal umgewandelt werden.

Wenn der Ausgabetransistor 28 aus einem Sperrschichttransistor J-PET besteht, kann bei ungesättigtem Zustand für ^V^^<^p-^Vp-(0„ ist das Sperrschichtdiffusionspotential) der Drainstrom I durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:

BAD ORIGINAL

k -ε -(φ -V )

/ 8-

I..S G {] - J _}ν

d ο^{1 ν} g-N_D'd² ' <

worin G = ein Koeffizient und d = ein Gateabstand, ο

Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß der Drainstrom I_d im Verhältnis steht zur Wurzel aus der Gatespanmmg V_g. Dieser Zustand ist durchaus von Vorteil, wenn die Bildaufnahme in einem großen Dynamik - Bereich erfolgt, weil die Ausgabecharakteristik im Verhältnis zur Wurzel komprimiert ist.

Bei der zweiten Ausführungsform nach Fig. 3A, 3B besteht ein Ausgabetransistor 40 aus einem N-Kanal J-FET bzw. Sperrschichttransistor. Auf einem N-Substrat 41 ist ein versenkter P -leitender Diffusionsbereich 42 gebildet, der als Bodengate-Diffusionsbereich des Ausgabetransistors 40 dient. Auf dem Bodengate-Diffusionsbereich 42 ist eine N-leitende Epitaxialschicht 43 niedergeschlagen. Darauf folgt ein P⁺-leitender Diffusionsbereich^45 zur Verbindung eines P⁺-leitenden Oberflächengate-Diffusionibereichs 44 mit dem Bodengate-Diffusionsbereich 42 und ein Isolierbereich bzw. ein P⁺-leitender Diffusionsbereich 46 zum gegenseitigen Isolieren von Bildzellen. Jn der Epitaxialschicht 43 sind ferner Source- und Drain-Diffusionsbereiche 47 bzw. 47' der N Leitfähigkeit für den Ausgabetransistör 40 gebildet und eine Sourceelektroden-Anschlußleitung 48 und eine Drainelektroden-Anschlußleitung 48· ist.jeweils aus polykristallinem Silizium vorgesehen, in welches Verunreinigungen dotiert sind. Diese Anschlußleitungen können,aus„einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän und-Wolfram-bestehen. Auf den Oberflächengate-Diffusionsbereich 44..ist. eine Isolierschicht 49 aufgetragen, auf der ferner-eine Elektrodenschicht 50.vorgesehen ist. Die Elektrodenschi cht^O kann" aus^ Poly si Ii zium bestehen, und auf diese Schicht ist eine Isolierschichti51 ^fgetragen,; auf der eine Bodenelektrodenschi'oht_;53 aus lichtundurchlässigem Metall, wie Aluminium

— COPY
BAD ORiGINAL

57.. 82.9.

C ..' 33A5239

vorgesehen ist. Die Bodenelektrodenschicht 53 ist so gestaltet, daß sie alle aktiven Bereiche des Ausgabetransistors 40 überdeckt und in ohmschem Kontakt steht mit dem Oberflächengate-Diffusionsbereich 44. Auf der Bodenelektrodenschicht 53 ist eine lichtelektrisch umwandelnde Beschichtung 52 in Form eines Lichtleiters vorgesehen, auf den eine transparente Elektrode 54 aufgetragen ist.

^m einander benachbarte Zellen wirksam mittels des P -leitenden Isolierdiffusionsbereichs 46 voneinander zu trennen, sollte das Potential dieses Bereichs schwimmend sein. Hierzu wird die in Fig. 3B gezeigte Abwandlung bevorzugt. Das heißt, daß ein P-leitfähiges Substrat 41' vorgesehen und ohmscher Kontakt zwischen den Isolierbereich 46 und dem Substrat 41' hergestellt wird. Um den Gatediffusionsbereich 42 gegenüber dem Substrat 41 zu isolieren, wird zwischen dem Substrat 41' und dem Gatediffusionsbereich 42 ein N -leitender Diffusionsbereich 55 gebildet, der vor der Schaf fung des Gatediffusionsbereichs 42 hergestellt wird.

Die Arbeitsweise des in Fig. 3^ gezeigten Festkörper-rBildsensors soll unter Hinweis auf das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3C erläutert werden. Im wesentlichen ähnelt die Arbeitsweise dem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels, mit Ausnahme des Rücksteilνorganges, so daß hier nur die unterschiedlichen Punkte

-> ■■ χ. x. j -i-. TN* v i4_--o. (bezuqspotentialfreien) _ , erläutert werden sollen. Die Kapazität an efnemvscnweDenaen Gate punkt 56 wird gebildet von einer Kapazität der Rückstellelektrode 50, Isolierschicht 51 ^1Jnd Gateelektrode 53_t der Kapazität der Rückstellelektrode 5O₃ Isolierschicht 49 und des Gatediffusionsbereichs 44 und einer Kapazität zwischen dem Sourcediffusionsbereich 47 und den Gatediffusionsbereichen 42, 45. Die beiden zuerst genannten Kapazitäten werden mit einer Kapazität C_n und

ti

die zuletzt genannte Kapazität mit C bezeichnet. Im Ersatzschaltbild ist die lichtleitfähige Beschichtung mit dem Bezugszeichen 57 gekennzeichnet, der Ausgabe transistor mit 58, die Sourceelektroden-Anschlußleitung mit 61, die Drainelektroden-Anschluüleit"np; mit 62, die Rückstellelektroderi-Ärjschluölei

BAD

mit 63, 0_R bedeutet den Rückstellimpuls, der an die Rückstellelektroden-Anschlußleitung 63 angelegt wird, während V das Gatepotential wiedergibt.

Beim Einfall von Licht sammeln sich allmählich Löcher in der Gateelektrode 53, und das Gatepotential V steigt, wie mit 65

in Fig. 3E kenntlich gemacht. Wenn an der Drainelektrode und der Sourceelektrode Vorspannung anliegt, fließt Drainstrom in Übereinstimmung mit dem Gatepotential V , und an einem in die Sourceelektroden-Anschlußleitung 61 eingeschalteten Belastungswiderstand 64 wird eine Ausgangsspannung erzeugt.

I^Tnter Hinweis auf Fig. 3D ¹^d 3E soll der Rückstellvorgang erläutert werden. In einem Zeitpunkt t, wird ein Rückstellimpuls 0_R auf eine Amplitude V_R angehoben, die folgende Bedingung erfüllt:

V_r

C ^VR ^VBE

Dann wird das Gatepotential V an V_D„ gegenüber dem Sourcepoten-

g üh.

tial von 0 V geklemmt. In einem Zeitpunkt t₂ fällt der Rückstell, impuls 0_R, und das Gatepotential wird auf einen negativen Wert zurückgestellt.

^VBE

Auf diese Weise wird die Bildzelle in solchen Zustand zurückgestellt,' daß eine Ansammlung von Signalladung möglich ist.

Beim Einfall von Licht steigt allmählich das Gatepotential aufgrund der allmählichen Ansammlung von Löchern im Gatebereich, wie mit 65 in Fig. 3E ge zeigt .,.,Nach der Ausgabe wird das Gatepotential

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erneut auf den gegebenen konstanten Wert zurückgestellt. Überschüssige, im Gatebereich gespeicherte Löcher fliegen aufgrund der Gate-Source-Verbindung an der steigenden Kante des Rückstellimpulses 0r. weg.
π

Bei der dritten Ausführungsform des Bildsensors, wie sie in den Fig. 4A bis 4C dargestellt ist, besteht der Ausgabetransistor aus einem N-Kanal MOS-FET.

Der Bildsensor weist ein P-leitfähiges Substrat 71 auf, in welchem ein P -leitfähiger Kanalsperr-Diffusionsbereich 72 und eine sälektive Oxidationsbeschichtung 73 ausgebildet ist (üblicherweise als LOCOS-Konstruktion bezeichnet)» Darauf ist eine Gate-Oxidschicht 74 gewachsen. Ein Rückstelltransistor 76 hat Gateelektroden 75 "nd 77 in Form von PolySilizium mit dotierten Störstellen oder aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdä: oder Wolfram. Der Ausgabetransistor 70 hat auch eine Sourceelektrode 78 und eine Drainelektrode 79, und auf dem Rückstell transistor 76 ist eine Drainelektrode 86 gebildet. Der Rückstelltransistor 76 weist ferner einen N -leitenden Sourcediffusionsbereich 80 und einen N -leitenden Draindiffusionsbereich 81 sowie einen K -leitenden Sourcediffusionsbereich 82 und einen K leitenden Draindiffusionsbereich 83 auf.

Oberhalb der Gateelektrode 75 ist unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 87 eine lichtundurchlässige Bodenelektrode 88 ausgebildet auf der nacheinander eine lichtleitfähige Beschichtung 84 und eine transparente Elektrode 85 vorgesehen sind.

Die Arbeitsweise dieses Festkörper-Bild sensors soll unter Hinweis auf das Ersatzschaltbild gemäß Fig» 4C erläutert werden.

Beim Einfall von Licht werden in der lichtleitfähigen Beschichtung 84 injizierte Löcher im Gatebereich des Ausgabetransistors 91 gespeichert, und das Gatepotential steigt allmählich entsprechend einer Steigung, die von einer Kapazität C, zwischen

COPY

BAD

der Gateelektrode 75 ¹¹^d dem Substrat 71 und einer Kapazität C zwischen der Gateelektrode 75 "nd der Sourceelektrode 78 auf dem Wege über die Isolierschicht 87 bestimmt ist. Bei der wird die Drainelektroden-Anschlußleitung 92 wahlweise vorgespannt und an den Drain eine hohe Spannung angelegt. Gleichzeitig wird eine Sourceelektroden-Anschluföleitung 93 ausgewählt und die Source über einen Belastungswiderstand 9^ an Erdpotential (0 V) gelegt. Wenn die Kapazitäten C und C, so bestimmt sind, daß die Drainspannung V, und die Gatespannung V sich in einem Bereich ändern, der den Betrieb des Ausgabetransistors in ungesättigtem Zustand ermöglicht, kann der Drainstrom I, durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

= Pf(v_g-v_T, . v_d . iv

Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß der Drainstrom I, proportional ist zum Gatepotential V_r. Deshalb wird über den Belastungswiderstand 9^ eine Ausgangsspannung erzeugt, die zu der Menge des Lichteinfalls während der Ausgabeperiode proportional ist.

Das anfängliche Gatepotential V wird auf einen Wert eingestellt, der Vm entspricht oder geringfügig höher liegt als V-, so daß bei KuIl Lichteinfall auch der Drainstrom Null oder nur sehr gering ist. Das bedeutet, daß nach der Ausgabe mit Hilfe des Bückstell transistors 95 die Gateelektroden-Anschlußlei tu.ng 90 in einem geeigneten Zeitpunkt gewählt wird, um das Gate zu erregen und das Gatepotential auf den vorgenannten Einsteilwert V gebracht wird. Die Drainelektroden-anschlußleitung 92 kann

auch fehlen, wenn der Drain des Rückstelltransistors 95 mit einer Sourceelektroden-Anschlutfleitunr 97 einer benachbarter Zelle verbunden ist, wie durch eine gestrichelte Linie 98 angedeutet.

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In diesem Pall wird der Rückstell transistor 95 in einem früheren Zeitpunkt oder nach dem AusgabeVorgang der benachbarten Zelle angesteuert. *

Wenn nur die Rückstellp-ateelektrode zum Zurückstellen des Gatepotentials vorgesehen ist, wie in Fig. 3A gezeigt, entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau, und die Integrationsdichte läßt sich noch weiter erhöhen, weil der Rückstellpatebereich in Überlagerung über dem Ausgabe transistor ausgebildet werden kann.

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Claims

Ansprüche

IJ Festkörper-Bildsensor mit einem Halbleiterkörper, der ine Hauptfläche hat, einer lichtundurchlässigen Bodenelektrode (23; 53; 88), die auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers vorgesehen ist, einer lichtelektrisch umwandelnden Beschichtung (25» 52| 84) auf der Bodenelektrode, einer transparenten Oberflächenelektrode (26; 54; 85) auf der lichtelektrisch umwandelnden Beschichtung,

gekennzeichnet durch einen Ausgabetransistor (12j 40; 70), der in dem Halbleiterkörper vorgesehen ist und einen Gatebereich (15f 42} 75) in ohmschem Kontakt mit der Bodenelektrode hat, sowie eine Einrichtung (17; 50; 76), in dem Halbleiterkörper, die das Potential des Gatebereichs (15; 42; 75) des Ausgabetransistors (12;40j 70) zurückstellt.

2ο Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgäbetransistor (12; 40) einen SIT aufweist, dessen Gatebereich (15; 42) mit der Bodenelektrode (23; 53) verbunden ist, und der einen Sourcebereich (16; 47) und einen Drainbereich (18; 47') hat.

3· Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstellein-^v richtung einen MOS-FET aufweist, der einen mit der Bodenelektrode (88) verbundenen Sourcebereich (78) sowie einen Drainbereich (79) und einen Gatebereich (75) hat.

4. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkörper ein Substrat (71) der einen Leitfähigkeit und eine Epitaxial, schicht der anderen Leitfähigkeit aufweist, die auf dem Substrat niedergeschlagen ist, und daß sich der Drainbereich des Rückstell-MOS-FET bis zu dem Substrat erstreckt (Fig. 4ä).

5» Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß mit dem Sourcebereich des SIT (12) eine Sourceelektrode verbunden ist, die sich unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht (22) unter die Bodenelektrode (23) erstreckt.

6. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgabetransistor (40) einen J-FET aufweist, der einen mit der Bodenelektrode (53) verbundenen Gatebereich, einen Sourcebereich und einen Drainbereich hat.

7. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstelleinrichtung einen mit der Bodenelektrode verbundenen Rückstellgatebereich und eine oberhalb des Ruckstellgatebereichs unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht vorgesehene Ruckstellgateelektrode aufweist.

8. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß der Gatebereich des J-FET-Ausgabetransistors (40) von einem versenkten Bereich und der Rückstellgatebereich der Rückstelleinrichtung von einem Oberflächenbereich gebildet ist.

9. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkörper ein Substrat (41) der einen Leitfähigkeit und eine da-

rauf niedergeschlagene Epitaxial schicht (43) der anderen Leitfähigkeit aufweist, und daß der versenkte Gatebereich des Ausgabetransistors (40) an der Grenze zwischen dem Substrat und der Epitaxialschicht angeordnet ist.

ΙΟ- Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem versenkten Gatebereich und dem Substrat (41) ein versenkter Bereich der einen Leitfähigkeit vorgesehen ist.

11. Pestkörper-Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgabetransis» tor (70) einen MOS-FET-Transistor aufweist, der eine mit der Bodenelektrode (88) verbundene Gateelektrode (75)> einen Sourcebereich (80) und einen Drainbereich (81) aufweist.

12. FestkÖrper-Bildsensor nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstelleinrichtung einen MOS-FET (76) aufweist, dessen Sourcebereich mit der Gateelektrode (75) des Ausgabetransistors (70) verbunden ist, sowie einen Drainbereich und eine Gateelektrode (77).

13«, FestkÖrper-Bildsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Gateelektrode (75) des Ausgabetransistors (70) eine große Fläche hat, die unter die Bodenelektrode (88) reicht.

14. FestkÖrper-Bildsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Drainbereich des MOS-FET-Rückstelltransistors (76) mit dem Sourcebereich des MOS-FET-Ausgabetransistors (70) einer benachbarten Zelle verbunden ist.

15· FestkÖrper-Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die lichtelektrisch

umwandelnde Beschichtung (25} 52j 84) aus einen lichtleitfähigen Werkstoff besteht.

16. Pestkörper-Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die lichtelektrisch umwandelnde Beschichtung (25; 52} 84) aus amorphem Halbleitermaterial besteht.

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