DE3345239C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor mit einem Halbleiterkörper, einer an der Hauptfläche des Halbleiterkör­ pers 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 um­ wandelnden Beschichtung in Abhängigkeit vom Lichteinfall indu­ ziert werden.

Die bekannten Festkörper-Bildsensoren lassen sich grob in zwei Klassen unterteilen, je nach der Konstruktion der Signalausgabe­ einrichtung, und zwar die MOS-Bildsensoren und die Ladungsüber­ tragungs-Bildsensoren. Inzwischen ist hierfür eine hohe Integra­ tionsdichte bei matrixförmigen Feldanordnungen erreicht worden, so daß in der Praxis Festkörper-Bildsensoren kommerziell hergestellt werden können. Entsprechend der hohen Integrations­ dichte dieser Festkörper-Bildsensoren ist jedoch das Öffnungs­ verhältnis zwischen der Lichteinfallsöffnung und der Fläche für die photoelektrische Wandlung des einfallenden Lichts immer klei­ ner und damit die Signalaufnahme mit hoher Empfindlichkeit schwie­ rig geworden.

Um das Öffnungsverhältnis bei dem Festkörper-Bildsensor zu ver­ bessern, ist ein Festkörper-Bildsensor vorgeschlagen worden, der einen sogenannten geschichteten Aufbau hat, bei dem der photo­ elektrisch umwandelnde Bereich auf dem Schalter für die Signal­ ausgabe oder dem Signalausgabeübertragungsbereich 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 Bei­ spiel eines solchen Festkörper-Bildsensors ist in Fig. 1 gezeigt.

Der Festkörper-Bildsensor gemäß Fig. 1 weist ein P-leitfähiges Substrat 1 und einen MOS-Transistorschalter 2 mit N-Kanalsignal­ ausgabe auf, dessen Sourcediffusionsbereich 3 mit einer Boden­ elektrode 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 Elek­ tronen werden von der transparenten Elektrode 6 absorbiert, wäh­ rend die Löcher in die Bodenelektorde 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 aus­ gegangen 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 Elek­ tronen im Wege einer Drainelektrode 7, eines Draindiffusionsbe­ reichs 8, eines N-Kanals und eines Sourcebereichs 3 zu ergänzen. Folglich kann aufgrund der nachfließenden Elektronen ein elektri­ scher Strom als lichtelektrisch umgewandeltes Ausgabessignal ab­ geleitet werden.

Die günstigste Eigenschaft, die dieser Aufbau hat, besteht darin, daß die Bodenelektrode 5 bis fast an die Grenzen zwischen einan­ der 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 Zusammensetzung voneinander unterscheiden, kann der günstigste lichtleitfähige Film entsprechend der ge­ wünschten Eigenschaft des Bildaufnahmewandlers gewählt werden.
• 2. Da das Potential der Bodenelektrode das Potential der trans­ parenten Elektrode selbst bei starkem Lichteinfall nicht über­ steigt, kann eine sogenannte Überstrahlung oder Übersteuerung vermieden werden.
• 3. Kurzwellige Anteile des einfallenden Lichts, die mit nor­ malen Lichtdetektoren, beispielsweise Photodioden nicht fest­ stellbar waren, können in einem Oberflächenbereich des licht­ leitfähigen Films in der Nähe der transparenten Elektrode wirk­ sam umgewandelt werden, wodurch die lichtelektrische Wandlungs­ leistung verbessert werden kann.

Wie schon erwähnt, hat der Festkörper-Bildsensor mit Schichtauf­ bau beim Vergleich mit anderen bekannten Festkörper-Bildsensoren eine Reihe von Vorteilen, wirft aber auch Probleme bei der Her­ stellung auf. Wenn aber die Integrationsdichte des Festkörper- Bildsensors verbessert und die Größe jeder einzelnen Bildele­ mentzelle 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 La­ dungsträger, die durch lichtelektrische Umwandlung 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 Bildsig­ nal mit hohem Signal-Rausch-Abstand bei großer Empfindlichkeit erhalten und das Öffnungsverhältnis vergrößert werden kann, während eine hohe Integrationsdichte erhalten bleibt. Ein diese Aufgabe lösender Bildsensor ist mit seinen Ausgestal­ tungen 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, bei­ spielsweise das große Öffnungsverhältnis, die verbesserte licht­ elektrische Umwandlungsleistung aufgrund der Umwandlung von kurz­ welligem Licht und die ein Überstrahlen verhindernde Eigenschaft weiterhin genutzt werden. Der Festkörper-Bildsensor kann deshalb vorzugsweise für einen Bildaufnahmewandler benutzt werden, um Ab­ bildungen 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 dyna­ mische Bereich sehr groß ist, kann die Bildaufnahme in einem sehr weiten Bereich von sehr schwachem Licht bis zu starkem Licht er­ folgen. Ferner ist eine Ausgabe mit hoher Geschwindigkeit mög­ lich, da der Kanalwiderstand des SIT gering ist.

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

Fig. 2A und 2B einen Querschnitt bzw. ein Erstzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Bildsensors;

Fig. 3A einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3B einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungs­ form des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3A,

Fig. 3C ein Ersatzschaltbild des Bildsensors gemäß Fig. 3A;

Fig. 3D und 3E Impulsdiagramme zur Erläuterung der Rückstellzeit des Bildsensors gemäß Fig. 3A;

Fig. 4A einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des Bildsensors;

Fig. 4B einen Querschnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 4A;

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 aus­ geführt sein. Der Bildsensor weist ein P-leitfähiges Substrat 11 und eine versenkte N⁺-leitfähige Schicht 13 auf, die als Drain des Ausgabetransistors dient. Auf dem Substrat 11 ist eine N^-- Epitaxialschicht 14 gewachsen, deren Störstellenkonzentration ca. 10¹² bis 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt. Wenn der Ausgabetransistor von einem Sperrschichttransistor gebildet ist, kann die Epitaxial­ schicht 14 N-leitend sein. Die in der versenkten N⁺-leitenden Schicht 13 gezeigte gestrichelte Linie stellt eine Grenze zwi­ schen dem Substrat 11 und der Epitaxialschicht 14 dar. Durch Diffusion ist in der Epitaxialschicht 14 ein P⁺-leitender Gate­ diffusionsbereich 15 und ein N⁺-leitender Sourcediffusionsbe­ reich 16 des Ausgabetransistors 12 sowie ein P⁺-leitender Draindiffusionsbereich 18 eines rückstellenden, P-Kanal- MOS-Transistors 17 ausgebildet. Um die Eigenschaften des Ausgabe­ transistors 12 zu verbessern, wird vorzugsweise der Gatediffu­ sionsbereich 15 so ausgebildet, daß er den Sourcediffusionsbe­ reich 16 vollständig umgibt.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann sich der P⁺-leitende Draindiffusionsbereich 18 bis zum Substrat 11 erstrecken, wie mit gestrichelten Linien 20 angedeutet. Dann kann eine Drainelek­ troden-Anschlußleitung 19 für die Zufuhr von Drainspannung zum Drainbereich 18 des Rückstelltransistors 17 wegfallen. In die­ sem 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 der P⁺-leitfähigen Drainbereichs 18 ge­ schaffen werden.

Oberhalb des Sourcediffusionsbereichs 16 ist eine Sourceelek­ troden-Anschlußleitung 21 vorgesehen, die mit dem Sourcebereich 16 in ohmschem Kontakt steht, um den Leitungswiderstand zu ver­ ringern. 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 Stör­ stellen dotiert sind, oder aus einem Metall mit hohem Schmelz­ punkt, wie Wolfram oder Molybdän. Die Drainelektroden-Anschluß­ leitung 19 des Rückstelltransistors 17 und eine Gateelektrode 24 bestehen aus ähnlichem Werkstoff. Die Bodenelektrode 23 ist aus einem lichtundurchlässigen, leitfähigen Werkstoff hergestellt, z. B. aus Aluminium. Auf der Bodenelektrode 23 ist eine licht­ elektrisch umwandelnde Beschichtung 25 niedergeschlagen, die beim vorliegenden Auführungsbeispiel aus einem lichtleitfähigen Werk­ stoff, wie ZnCdTe besteht, aber auch aus einem amorphen Halb­ leitermaterial, wie Chalcogenid und Siliziumhydrid in amorpher Form bestehen kann. Auf diese Beschichtung 25 ist eine transpa­ rente Elektrode 26 aus SnO₂ oder Indiumzinnoxid (ITO) aufgebracht.

Fig. 2B ist ein Ersatzschaltbild des in Fig. 2A gezeigten Fest­ körper-Bildsensors. Ein Kondensator 27 stellt ein lichtelek­ trisches Wandlerelement dar, welches die transparente Elektrode 26, die lichtleitfähige Beschichtung 25 und die Bodenelektrode 23 aufweist, während ein Transistor 28 den N-Kanal SIT Ausgabe­ transistor 12 darstellt, der den P⁺-leitfähigen Gatediffusions­ bereich 15, den N⁺-leitfähigen Sourcediffusionsbereich 16, den versenkten N⁺-leitfähigen Drainbereich 13 und den N^--Kanalbe­ reich 14 aufweist. Ein Kondensator 29 stellt eine Kapazität C _g zwischen der mit dem Gatebereich 15 verbundenden 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 _s, wobei das genannte Gatepotential sich in Abhängigkeit von der Größe des Lichteinfalls ändert. Der Ausgabetransistor 28 hat eine Source­ elektroden-Anschlußleitung 31 und eine Drainelektroden-Anschluß­ leitung 32, und der Rückstelltransistor 30 hat eine Gateelek­ troden-Anschlußleitung 33.

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

Die Arbeitsweise des Festkörper-Bildsensors gemäß Fig. 2A soll auch unter Hinweis auf das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2B er­ läutert werden. Das lichtelektrische Wandlungselement mit der lichtleitfähigen Beschichtung 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 wer­ den, die das höhere Potential annimmt, während die Löcher von einem in der lichtleitfähigen Beschichtung 25 erzeugten elek­ trischen Feld beschleunigt werden und zur Bodenelektrode 23 abfließen, wodurch das Potential V _g an einem Gatepunkt 35 des Ausgabetransistors 28 steigt. Die Steigung dieser Zunahme des Gatepotentials V _g wird von der Größe der zwischen Gate und Source vorgesehenen Kapazität C _g bestimmt. Ist diese Kapazität C _g groß, so nimmt das Gatepotential V _g allmählich zu. Wenn aber die Kapazität C _g klein ist, steigt das Gatepotential V _g abrupt an. Die Größe der Kapazität C _g kann geeigneterweise so festge­ legt werden, daß die gewünschte Ausgabequalität erhalten wird. Die Kapazität C _g 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 Po­ tential am Gatepunkt 35 verhält. In der Praxis wird jedoch die Kapazität von Verarmungsschichten zwischen dem Gatediffusions­ bereich 15 und dem Kanalbereich 14 bzw. dem Sourcediffusions­ bereich 16 zur Kapazität der Isolierschicht addiert, und ange­ sichts der Tatsache, daß sich je nach der angelegten Spannung die Verarmungskapazität nichtlinear ändert, kann in diesem Fall die Größe der Kapazität C _g nicht vollkommen gleichbleibend sein. Im Fall des SIT mit dem Kanalbereich von geringer Störstellen­ konzentration kann die Verteilung der Kapazität aufgrund der Verarmungsschicht ignoriert werden. Mann kann also davon aus­ gehen, 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 Gatepoten­ tial, welches anfangs auf -5 V eingestellt ist, auf -1 V er­ höht.

Als nächstes soll der Signalausgabevorgang 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 ge­ legt. Dann fließt Strom durch den Belastungswiderstand 34 in den Ausgangstransistor 28, und die am Belastungswiderstand 34 anstehende Spannung wird als Ausgangsspannung ausgegeben. Der Drainstrom I _d wird von der Spannung V _g am Gatepunkt 35 bestimmt, und die Drainspannung V _d läßt sich durch folgende Gleichung aus­ drücken:

worin

η = ein Koeffizient (<1),
μ = ein Spannungsverstärkungsfaktor (<<1),
r _s = ein Reihenwiderstand 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 Umkehrrichtung tiefer wird, und daß die Zu­ nahme des Drainstroms allmählich zur Gatespannung proportional wird. Das bedeutet, daß bei großem Drainstrom I _d folgende Glei­ chung gilt:

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

Wenn der Ausgabetransistor 28 aus einem Sperrschichttransistor J-FET besteht, kann bei ungesättigtem Zustand für V _d<ϕ _d -V _g (ϕ _B ist das Sperrschichtdiffusionspotential) der Drainstrom I _d durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:

worin

G _O = ein Koeffizient und
d = ein Gateabstand.

Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß der Drainstrom I _d im Verhältnis steht zur Wurzel aus der Gatespannung 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. Sperrschicht­ transistor. Auf einem N-Substrat 41 ist ein versenkter P⁺-leitender Diffusionsbereich 42 gebildet, der als Bodengate-Diffusions­ bereich des Ausgabetransistors 40 dient. Auf dem Bodengate-Dif­ fusionsbereich 42 ist eine N-leitende Epitaxialschicht 43 nieder­ geschlagen. Darauf folgt ein P⁺-leitender Diffusionsbereich 45 zur Verbindung eines P⁺-leitenden Oberflächengate-Diffusionsbe­ reichs 44 mit dem Bogengate-Diffusionsbereich 42 und ein Isolier­ bereich bzw. ein P⁺-leitender Diffusionsbereich 46 zum gegensei­ tigen Isolieren von Bildzellen. In der Epitaxialschicht 43 sind ferner Source- und Drain-Diffusionsbereiche 47 bzw. 47′ der N⁺- Leitfähigkeit für den Ausgabetransistor 40 gebildet und eine Sourceelektroden-Anschlußleitung 48 und eine Drainelektroden- Anschlußleitung 48′ ist jeweils aus polykristallinem Silizium vorgesehen, in welches Verunreinigungen dotiert sind. Diese An­ schlußleitungen können aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän und Wolfram bestehen. Auf den Oberflächengate-Dif­ fusionsbereich 44 ist eine Isolierschicht 49 aufgetragen, auf der ferner eine Elektrodenschicht 50 vorgesehen ist. Die Elektroden­ schicht 50 kann aus Polysilizium bestehen, und auf diese Schicht ist eine Isolierschicht 51 aufgetragen, auf der eine Bodenelek­ trodenschicht 53 aus lichtundurchlässigem Metall, wie Aluminium vorgesehen ist. Die Bodenelektrodenschicht 53 ist so gestaltet, daß sie alle aktiven Bereiche des Ausgabetransistors 40 über­ deckt und und in ohmschen Kontakt steht mit dem Oberflächengate- Diffusionsbereich 44. Auf der Bodenelektrodenschicht 53 ist eine lichtelektrisch umwandelnde Beschichtung 52 in Form eines Licht­ leiters vorgesehen, auf den eine transparente Elektrode 54 auf­ getragen ist.

Um 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-leit­ fähiges Substrat 41′ vorgesehen und ohmscher Kontakt zwischen dem 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. 3A gezeigten Festkörper-Bildsensors soll unter Hinweis auf das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3C er­ läutert werden. Im wesentlichen ähnelt die Arbeitsweise dem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels, mit Ausnahme des Rückstellvorganges, so daß hier nur die unterschiedlichen Punkte erläutert werden solllen. Die Kapazität an einem bezugspotentialfreien schwebenden Gate­ punkt 56 wird gebildet von einer Kapazität der Rückstellelektrode 50, Isolierschicht 51 und Gateelektrode 53, der Kapazität der Rückstellelektrode 50, Isolierschicht 49 und des Gatediffusions­ bereichs 44 und einer Kapazität zwischen dem Sourcediffusions­ bereich 47 und den Gatediffusionsbereichen 42, 45. Die beiden zuerst genannten Kapazitäten werden mit einer Kapazität C _R und die zuletzt genannte Kapazität mit C _g bezeichnet. Im Ersatz­ schaltbild ist die lichtleitfähige Beschichtung mit dem Bezugs­ zeichen 57 gekennzeichnet, der Ausgabetransistor mit 58, die Sourceelektroden-Anschlußleitung mit 61, die Drainelektroden- Anschlußleitung mit 62, die Rückstellelektroden-Anschlußleitung mit 63, ϕ _R bedeutet den Rückstellimpuls, der an die Rückstell­ elektroden-Anschlußleitung 63 angelegt wird, während V _g das Gatepotential wiedergibt.

Beim Einfall von Licht sammeln sich allmählich Löcher in der Gateelektrode 53, und das Gatepotential V _g steigt, wie mit 65 in Fig. 3E kenntlich gemacht. Wenn an der Drainelektrode und der Sourceelektrode Vorspannung anliegt, fließt Drainstrom in Über­ einstimmung mit dem Gatepotential V _g, und an einem in die Source­ elektroden-Anschlußleitung 61 eingeschalteten Belastungswider­ stand 64 wird eine Ausgangsspannung erzeugt.

Unter Hinweis auf Fig. 3D und 3E soll der Rückstellvorgang er­ läutert werden. In einem Zeitpunkt t₁ wird ein Rückstellimpuls ϕ _R auf eine Amplitude V _R angehoben, die folgende Bedingungen er­ füllt:

Dann wird das Gatepotential V _g an V _BE gegenüber dem Sourcepoten­ tial von 0 V geklemmt. In einem Zeitpunkt t₂ fällt der Rückstell­ impuls ϕ _R , und das Gatepotential wird auf einen negativen Wert zurückgestellt.

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

Beim Einfall von Licht steigt allmählich das Gatepotential auf­ grund der allmählichen Ansammlung von Löchern im Gatebereich, wie mit 65 in Fig. 3E gezeigt. Nach der Ausgabe wird das Gatepotential erneut auf den gegebenen konstanten Wert zurückgestellt. Über­ schüssige, im Gatebereich gespeicherte Löcher fliegen aufgrund der Gate-Source-Verbindung an der steigenden Kante des Rückstell­ impulses ϕ _R weg.

Bei der dritten Ausführungsform des Bildsensors, wie sie in den Fig. 4A bis 4C dargestellt ist, besteht der Ausgabetransistor 70 aus einem N-Kanal MOS-FET.

Der Bildsensor weist ein P-leitfähiges Substrat 71 auf, in wel­ chem ein P₊-leitfähiger Kanalsperr-Diffusionsbereich 72 und eine selektive Oxidationsbeschichtung 73 ausgebildet ist (üblicherweise als LOCOS-Konstruktion bezeichnet). Darauf ist eine Gate-Oxid­ schicht 74 gewachsen. Ein Rückstelltransistor 76 hat Gateelek­ troden 75 und 77 in Form von Polysilizium mit dotierten Stör­ stellen oder aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän oder Wolfram. Der Ausgabetransistor 70 hat auch eine Sourceelek­ trode 78 und eine Drainelektrode 79, und auf dem Rückstelltran­ sistor 76 ist eine Drainelektrode 86 gebildet. Der Rückstell­ transistor 76 weist ferner einen N⁺-leitenden Sourcediffusions­ bereich 80 und einen N⁺-leitenden Draindiffusionsbereich 81 so­ wie einen N⁺-leitenden Sourcediffusionsbereich 82 und einen N⁺- leitenden Draindiffusionsbereich 83 auf.

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

Die Arbeitsweise dieses Festkörper-Bildsensors soll unter Hin­ weis auf das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4C erläutert werden.

Beim Einfall von Licht werden in der lichtleitfähigen Beschich­ tung 84 injizierte Löcher im Gatebereich des Ausgabetransistors 91 gespeichert, und das Gatepotential steigt allmählich ent­ sprechend einer Steigung, die von einer Kapazität C _d zwischen der Gateelektrode 75 und dem Substrat 71 und einer Kapazität C _g zwischen der Gateelektrode 75 und der Sourceelektrode 78 auf dem Wege über die Isolierschicht 87 bestimmt ist. Bei der Ausgabe wird die Drainelektroden-Anschlußleitung 92 wahlweise vorgespannt und an den Drain eine hohe Spannung angelegt. Gleichzeitig wird eine Sourceelektroden-Anschlußleitung 93 ausgewählt und die Source über einen Belastungswiderstand 94 an Erdpotential (0 V) gelegt. Wenn die Kapazitäten C _g und C _d so bestimmt sind, daß die Drainspannung V _d und die Gatespannung V _E sich in einem Bereich ändern, der den Betrieb des Ausgabetransistors in ungesättigtem Zustand ermöglicht, kann der Drainstrom I _d durch folgende Glei­ chung ausgedrückt werden:

I _d = β {(V _g - V_T) · V _d - ½V _d²}

Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß der Drainstrom I _d proportional ist zum Gatepotenital V _g. Deshalb wird über den Belastungswiderstand 94 eine Ausgangsspannung erzeugt, die zu der Menge des Lichteinfalls während der Ausgabeperiode propor­ tional ist.

Das anfängliche Gatepotential V _g wird auf einen Wert eingestellt, der V _T entspricht oder geringfügig höher liegt als V _T, so daß bei Null Lichteinfall auch der Drainstrom Null oder nur sehr ge­ ring ist. Das bedeutet, daß nach der Ausgabe mit Hilfe des Rückstelltransistors 95 die Gateelektroden-Anschlußleitung 96 in einem geeigneten Zeitpunkt gewählt wird, um das Gate zu er­ regen und das Gatepotential auf den vorgenannten Einstellwert V _s gebracht wird. Die Drainelektroden-Anschlußleitung 92 kann auch fehlen, wenn der Drain des Rückstelltransistors 95 mit einer Sourceelektroden-Anschlußleitung 97 einer benachbarten Zelle verbunden ist, wie durch eine gestrichelte Linie 98 angedeutet. In diesem Fall wird der Rückstelltransistor 95 in einem früheren Zeitpunkt oder nach dem Ausgabevorgang der benachbarten Zelle an­ gesteuert.

Wenn nur die Rückstellgateelektrode zum Zurückstellen des Gate­ potentials vorgesehen ist, wie in Fig. 3A gezeigt, entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau, und die Integrationsdichte läßt sich noch weiter erhöhen, weil der Rückstellgatebereich in Über­ lagerung über dem Ausgabetransistor ausgebildet werden kann.

Claims (16)

1. Festkörper-Bildsensor mit einem Halbleiterkörper, der eine Hauptfläche hat, einer lichtundurchlässigen Bodenelektrode (23; 53; 88), die auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers vorgese­ hen ist, einer lichtelektrisch umwandelnden Beschichtung (25; 52; 84) auf der Bodenelektrode (23; 53; 88), einer transparen­ ten Oberflächenelektrode (26; 54; 85) auf der lichtelektrisch umwandelnden Beschichtung, und einem Ausgabetransistor (12; 40; 70), der in dem Halbleiterkörper vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Gatebereich (15; 42; 75) des Ausgabetransistors (12; 40; 70) in ohmschem Kontakt mit der Bodenelektrode (23; 53; 88) steht, und
• - durch eine Einrichtung (17; 50; 76) im Halbleiterkörper, das Potential des Gatebereichs zurückstellbar ist, und daß
• - die Sourceelektrode (21; 78) von der Bodenelektrode durch eine isolierende Schicht (22; 73) getrennt ist.

. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangstransistor (12; 40) einen SIT aufweist.

3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung einen MOS-FET aufweist, der einen mit der Bodenelektrode (88) verbundenen Sourcebereich (80; 82) sowie einen Drainbereich (81; 83) und einen Gatebereich (91) hat.

4. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein Substrat (71) der eine Leitfähig­ keit und eine Epitaxialschicht der anderen Leitfähigkeit auf­ weist, die auf dem Substrat aufgebracht ist, und daß sich der Drainbereich des Rückstell-MOS-FET bis zu dem Substrat er­ streckt (Fig. 4A).

5. Festkörper-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sourceelektrode unter der Bodenelektrode (23) er­ streckt.

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 (76) einen mit der Bodenelektrode verbundenen Rückstellgatebereich und eine oberhalb des Rück­ stellgatebereichs unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht vorgesehene Rückstellgateelektrode (75) 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 Rückstell­ einrichtung von einem Oberflächenbereich gebildet ist.

9. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein Substrat (41) der einen Leitfähig­ keit und eine darauf niedergeschlagene Epitaxialschicht (43) der anderen Leitfähigkeit aufweist, und daß der versenkte Gate­ bereich des Ausgabetransistors (40) an der Grenze zwischen dem Substrat und der Epitaxialschicht angeordnet ist.

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

11. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgabetransis­ tor (70) einen MOS-FET-Transistor aufweist, der eine mit der Bo­ denelektrode (88) verbundene Gateelektrode (75), einen Sourcebe­ reich (80) und einen Drainbereich (81) aufweist.

12. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellein­ richtung 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 verbun­ den ist.

15. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrisch umwandelnde Beschichtung (25; 52; 84) aus einem lichtleitfähi­ gen Werkstoff besteht.

16. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrisch umwandelnde Beschichtung (25; 52; 84) aus amorphen Halbleiter­ material besteht.