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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum photoelektrischen Umformen von Licht in
elektrische Signale, wobei ein Potential in einem Basisgebiet
eines Halbleitertransistors über einen Kondensator derart
gesteuert wird, daß die durch Licht angeregten
Ladungsträger in dem Basisgebiet abgespeichert werden und dabei ein
Ausgangssignal des Halbleitertransistors steuern.
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Fig. 1A ist eine Draufsicht einer photoelektrischen
Wandlervorrichtung, wie sie in EP-A-01 32 076 beschrieben ist;
Fig. 1B ist eine Schnittansicht der Wandlervorrichtung
gemäß einer Linie I-I; und Fig. 1C zeigt das Schaltbild einer
entsprechenden Schaltung.
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Gemäß den Fig. 1A bis 1C sind photoelektrische
Wandlerzellen auf einem n-Typ-Siliciumsubstrat 101 angeordnet. Die
photoelektrischen Wandlerzellen sind elektrisch durch einen
aus SiO&sub2;, Si&sub3; N&sub4; oder Polysilicium bestehenden
Element-Isolationsbereich 102 voneinander isoliert.
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Jede photoelektrische Wandlerzelle besitzt folgenden
Aufbau. Eine p-Typ-Verunreinigung wird zum Ausbilden eines p-
Typ-Bereiches 104 in einem n&supmin;-Typ-Bereich 103 mit einer
geringen Verunreinigungskonzentration, welche durch ein
Epitaxie-Verfahren oder dgl. hergestellt wurde, dotiert. Ein
n&spplus;-Typ-Gebiet 105 ist in dem p-Typ-Gebiet 104 durch
Verunreinigungsdiffusion oder Ionenimplantation ausgebildet. Die
p&supmin;- und n&spplus;-Typ-Gebiete 104 und 105 dienen als Basis und
Emitter eines jeweiligen Bipolartransistors.
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Eine Oxidschicht 106 ist über dem n&supmin;-Typ-Gebiet 103
ausgebildet. Eine Kondensatorelektrode 107 mit einem
festgelegten Bereich ist über dem Oxidfilm 106 ausgebildet. Die
Kondensatorelektrode 107 liegt dem p-Typ-Gebiet 104 gegenüber,
wobei der Oxidfilm 106 dazwischenliegt und dadurch ein
Kondensator Cox geschaffen wird. Durch das Anlegen einer
Impulsspannung an die Kondensatorelektrode 107 wird das
Potential des p-Typ-Gebiets 104 im Schwebezustand gesteuert.
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An der oberen Oberfläche des Substrats 101 wird eine mit
dem n&spplus;-Typ-Gebiet 105 verbundene Emitterelektrode 108, eine
Verdrahtung 109 zum Herausführen des Signals aus der
Emitterelektrode 108 und eine mit der Kondensatorelektrode 107
verbundene Verdrahtung 110 ausgebildet. Nacheinander werden
ein n&spplus;-Typ-Gebiet 111 mit einer hohen
Verunreinigungskonzentration und eine Elektrode 112 zum Anlegen einer
Spannung am Kollektor eines Bipolartransistors an der
unteren Oberfläche des Substrats 101 ausgebildet.
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Nachfolgend wird die prinzipielle Arbeitsweise der
photoelektrischen Wandlervorrichtung beschrieben. Es wird
angenommen, daß das p-Typ-Gebiet 104 als ein Basisgebiet eines
Bipolartransistors im Anfangszustand auf ein negatives
Potential gelegt wird. Licht 113 fällt auf das p-Typ-Gebiet
104 ein und Ladungsträger werden entsprechend dem Betrag
des Lichts im p-Typ-Gebiet 104 gespeichert
(Speicheroperation). Das Basispotential ändert sich mit den
Ladungsträgern. Die Änderung im Basispotential steuert einen an
einem Emitter-Kollektorpfad angelegten Strom, und ein
elektrisches Signal mit einem dem Betrag des einfallenden
Lichts entsprechenden Wert wird von der schwebenden
Emitterelektrode 108 ausgelesen (Leseoperation). Zum Entfernen
der im p-Typ-Gebiet 104 gespeicherten Ladungsträger wird
die Emitterelektrode 108 auf Masse gelegt und ein positiver
Auffrisch-Spannungsimpuls an die Kondensatorelektrode 107
angelegt. Durch das Anlegen dieser positiven Spannung wird
das p-Typ-Gebiet 104 bezüglich dem n&spplus;-Typ-Gebiet 105 in
Vorwärtsrichtung vorgespannt, wodurch die geladenen
Ladungsträger entfernt werden. Nach Abfallen des
Auffrischimpulses kehrt das p-Typ-Gebiet 104 in den
Anfangszustand des negativen Potentials zurück
(Auffrischoperation). Der Zyklus von Speicher-, Lese- und Auffrischoperationen
wird wiederholt.
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Entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren werden die durch
das Auftreffen von Licht erzeugten Ladungsträger im p-Typ-
Basisgebiet 104 gespeichert und der zwischen den Emitter-
und Kollektorelektroden 108 und 112 angelegte Strom durch
die gespeicherten Ladungsträger gesteuert. Deshalb werden
die gespeicherten Ladungsträger durch die
Verstärkungsfunktion einer jeden Zelle verstärkt und die verstärkten
Ladungsträger ausgelesen. Dadurch erhält man ein hohes
Ausgangssignal mit einer hohen Empfindlichkeit und geringem
Rauschen.
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Das durch die Basis bzw. durch die in der Basis aufgrund
der Lichteinstrahlung gespeicherten Ladungsträger erzeugte
Potential Vp ergibt sich durch Q/C, wobei Q die Ladung der
in der Basis gespeicherten Ladungsträger und C die
Kapazität des an die Basis angeschlossenen Kondensators
ist. Wie sich aus der oben angegebenen mathematischen
Beziehung ergibt, verringert sich sowohl Q als auch C mit
Verringerung der Zellengröße, wenn die Wandlervorrichtung
höher integriert wird. Somit wird festgestellt, daß das
durch die Lichteinstrahlung erzeugte Potential Vp im
wesentlichen konstant gehalten wird. Deshalb ist das durch
den Stand der Technik vorgeschlagene Verfahren für eine
zukünftige hochauflösende Anwendung vorteilhaft.
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Die Änderungen im Basispotential Vb während dem Anlegen der
positiven Auffrischspannung an der Kondensatorelektrode 107
ergibt sich wie folgt:
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(Cox + Cbe + Cbc)dVb/dt = -Ib
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wobei Cbe die Kapazität zwischen Basis und Emitter des
Bipolartransistors, Cbc die Kapazität zwischen der Basis und
dem Kollektor und Ib der Basisstrom ist.
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Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Änderungen im
Basispotential Vb während dem Anlegen einer positiven
Auffrischspannung als eine Funktion von der Zeit zeigt.
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Gemäß Fig. 2 variiert das Anfangsbasispotential zum
Zeitpunkt des Anlegens eines Auffrischimpulses entsprechend der
Größe der Speicherspannung Vp. Das negative Potential im
Anfangszustand ändert sich in positiver Richtung aufgrund
der Speicheroperation um die Speicherspannung Vp. Sofern in
diesem Zustand ein positiver Auffrischimpuls an die
Kondensatorelektrode 107 angelegt wird, vergrößert sich das
Anfangsbasispotential um die Speicherspannung Vp.
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Ferner ist aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 klar ersichtlich,
daß sich die Zeit zum Aufrechterhalten des
Anfangsbasispotentials entsprechend der Größe des Anfangsbasispotentials
ändert. Jedoch verringert sich nach Ablauf dieser
Zeitperiode das Basispotential Vb mit einem konstanten Verhältnis
unabhängig vom Anfangsbasispotential. Wenn die
Auffrischzeit t ausreichend lange ist, so kann das Basispotential Vb
auf im wesentlichen 0 V gesteuert werden, unabhängig von
der Größe der Speicherspannung Vp. Deshalb kehrt das
Basispotential Vb zum vorbestimmten negativen Potential des
Anfangszustandes zurück, wenn der Auffrischimpuls abfällt.
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Um jedoch eine Hochgeschwindigkeitsoperation zu erhalten,
wird in der Praxis die Auffrischoperation durch die
Auffrischzeit t = t0 und das Basispotential Vb-Vk begrenzt.
Selbst wenn ein Restpotential vom Basispotential Vb
vorhanden ist, kann das Basispotential Vb auf das vorbestimmte
negative Potential zurückkehren, wenn für den
Auffrischimpuls die Bedingungen gelten, daß die Auffrischzeit t = t0
festgelegt ist und das Basispotential Vb konstant dem
vorbestimmten
Potential Vk entspricht. Deshalb kann das
negative Potential auf den Anfangszustand gesetzt werden.
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In der vorhergehend beschriebenen photoelektrischen
Wandlervorrichtung wird jedoch das Restpotential Vk graduell
verringert und verursacht ein unerwünschtes
Nebenbildphänomen bzw. Nachbildphänomen, wenn die Auffrischoperation
wiederholt wird.
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Entsprechend Fig. 2 sei angenommen, daß das
Anfangsbasispotential einer eine große Menge von Licht erhaltenden Zelle
0,8 V ist und daß das Anfangsbasispotential einer eine
geringe Lichtmenge empfangenden Zelle 0,4 V ist. Nach Ablauf
der Auffrischzeit wird aus dem Basispotential Vb der eine
große Lichtmenge empfangenden Zelle das vorbestimmte
Restpotential Vk. Das Basispotential Vb der eine geringe
Lichtmenge empfangenden Zelle wird jedoch um ein Restpotential
V1 niedriger als das vorbestimmte Restpotential Vk. In
diesem Zustand wird das Basispotential Vb der eine geringe
Lichtmenge empfangenden Zelle niedriger als das negative
Potential des Anfangszustandes, wenn der Auffrischimpuls
ansteigt. Von einem Potential, welches niedriger als das
negative Anfangspotential ist, werden die Speicher- und
Leseoperationen gestartet. Deshalb wird die Restspannung der
Basis graduell verringert, wenn die Auffrischoperation in
einem niedrigen Beleuchtungszustand wiederholt wird. Selbst
wenn man einen hohen Beleuchtungszustand erhält, besitzt
das resultierende Ausgangssignal einen niedrigeren als den
der einfallenden Lichtmenge entsprechenden Wert. Mit
anderen Worten, das Nebenbildphänomen tritt wegen folgender
Gründe auf.
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Beim Wiederholen der Auffrischoperation rekombinieren die
Löcher im Basisgebiet, was zu einem Mangel von Löchern
führt. Wenn der Mangel an Löchern über eine lange
Zeitperiode nicht kompensiert werden kann, d. h. wenn ein niedriger
Beleuchtungszustand über eine lange Zeitperiode
vorherrscht, erscheint üblicherweise das Nebenbildphänomen.
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In einer herkömmlichen photoelektrischen Wandlervorrichtung
tritt ferner folgendes unerwünschte Überstrahlungsphänomen
auf, wenn die Zellen in einer Matrixform angeordnet sind.
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Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm eines
Flächensensors, der herkömmliche photoelektrische
Wandlervorrichtungen verwendet. Gemäß Fig. 3 sind herkömmliche
photoelektrische Wandlerzellen 120 einer 3·3-Matrix in einem
Flächensensor angeordnet. Emitterelektroden 108 der Zellen
120 sind in Spalteneinheiten mit entsprechenden vertikalen
Leitungen verbunden. Kondensatorelektroden 107 sind in
Reiheneinheiten mit horizontalen Leitungen verbunden. Eine
positive Spannung einer vertikalen Abtasteinheit 121 wird zum
Durchführen eines Lesezugriffs oder einer
Auffrischoperation in den Reiheneinheiten an die photoelektrischen
Wandlerzellen 120 angelegt.
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Wenn eine gegebene photoelektrische Wandlerzelle eine
große Lichtmenge empfängt und das Potential des
Basisgebiets 104 höher ist als das des entsprechenden
Emittergebiets 105, so wird das Potential der mit dieser
Emitterelektrode 108 verbundenen vertikalen Leitung angehoben,
obwohl kein Lesezugriff durchgeführt wird. Bei anderen
photoelektrischen Wandlerzellen werden die Emitterelektroden
105, die mit der gleichen vertikalen Leitung verbunden
sind, einem Lesezugriff unterworfen, wobei ein
Leseausgangssignal an die entsprechende vertikale Leitung
ausgegeben wird, obwohl die entsprechende Zelle kein Licht
empfängt. Mit anderen Worten, es tritt das
Überstrahlungsphänomen in vertikaler Richtung auf.
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EP-A-0 132 076 enthält auch in ihren Fig. 18 und 19 eine
Anordnung, in der ein weiteres p-Typ-Gebiet in Kontakt mit
einem n-Typ-Gebiet 103 ausgebildet ist und vom p-Typ-Gebiet
104 derart beabstandet ist, daß ein weiterer
Bipolartransistor geschaffen wird. In der Anordnung von Fig. 18
der EP-A-0 132 076 ist dieses p-Typ-Gebiet unter dem n-Typ-
Gebiet 103 ausgebildet und in Betrieb erhält das weitere p-
Typ-Gebiet eine genügend große Vorspannung, so daß das n-
Typ-Gebiet durchstoßen wird und Löcher in das
p-Typ-Basisgebiet 104 injiziert werden. Dies bringt die Basis auf Null
oder ein leichtes Positivpotential, bevor die
Auffrischoperation ausgeführt wird.
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Die Fig. 20 der EP-A-0 132 076 zeigt eine Anordnung, in der
eine pn-Übergangsdiode ausgebildet ist, die von den Basis-
und Emittergebieten des Transistors durch ein
Isolatorgebiet getrennt ist, und eine Metalleinlage einen ohmschen
Kontakt mit dem n-Gebiet der Diode und der p-Typ-Basis des
Transistors herstellt. Ein negatives Klemmpotential wird
von einem Leiter über die Diode der Basis des Transistors
zugeführt, so daß die Basis des Transistors nicht unter
dieses Klemmpotential fallen kann.
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Erfindungsgemäß wird eine photoelektrische
Wandlervorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen. Die verbleibenden
Ansprüche beziehen sich auf Operationsverfahren einer solchen
Vorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1A eine schematische Draufsicht einer
photoelektrischen Wandlervorrichtung, wie sie in der EP-A-0 132 076
beschrieben ist, wobei Fig. 1B eine Schnittansicht der
Vorrichtung nach Fig. 1A entlang der Linie I-I ist und
Fig. 1C ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der
Vorrichtung nach Fig. 1A darstellt;
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Fig. 2 ein Diagramm, das die Änderungen im
Basispotential während einer Auffrischoperation als eine Funktion
von der Zeit darstellt;
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Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer Bildaufnahmevorrichtung,
welche eine photoelektrische Wandlervorrichtung
verwendet, wie sie in der EP-A-0 132 076 verwendet ist;
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Fig. 4A eine schematische Draufsicht, die eine
erfindungsgemäße photoelektrische Wandlervorrichtung zeigt,
Fig. 4B eine Schnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 4A
entlang der Linie A-A, Fig. 4C eine Schnittansicht der
Vorrichtung nach Fig. 4A entlang der Linie B-B, und Fig.
4D ein äquivalentes Schaltdiagramm der Vorrichtung nach
Fig. 4A;
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Fig. 5A ein Schaltdiagramm einer
Bildaufnahmevorrichtung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
verwendet, und Fig. 5B ein Zeitdiagramm zum Erklären der
Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung nach Fig. 5A;
und
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Fig. 6A ein Schaltdiagramm einer weiteren
Bildaufnahmevorrichtung bei Verwendung des Ausführungsbeispiels der
Erfindung, und Fig. 6B ein Zeitdiagramm zum Erklären der
Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung nach Fig. 6A.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 4A ist eine Draufsicht einer photoelektrischen
Wandlervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung, Fig. 4B ist eine Schnittansicht der Vorrichtung
entlang der Linie AA, Fig. 4C ist eine Schnittansicht der
Vorrichtung entlang der Linie B-B, und Fig. 4D ist ein
äquivalentes Schaltdiagramm der Vorrichtung.
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Gemäß den Fig. 4A bis 4C ist eine n&supmin;-Typ-Epitaxieschicht 2
auf einem n-Typ-Siliciumsubstrat 1 ausgebildet.
Photoelektrische Wandlerelemente sind angeordnet, wobei sie durch
ein Element-Isolationsgebiet 3 voneinander elektrisch
isoliert sind. Zu beachten ist hierbei, daß das
Element-Isolationsgebiet 3 ein SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Polysilicium oder n&spplus;-Typ-
Diffusionsgebiet enthält.
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Auf der n&supmin;-Typ-Epitaxieschicht 2 ist ein p-Typ-Basisgebiet
4 eines Bipolartransistors durch Diffusion von
Verunreinigungen oder Ionenimplantation ausgebildet. Ein
n&spplus;-Typ-Emittergebiet 5 und ein n-Typ-Gebiet 6 mit der gleichen
Verunreinigungskonzentration wie das p-Typ-Basisgebiet 4 werden
im p-Typ-Basisgebiet 4 durch Verunreinigungsdiffusion oder
Ionenimplantation ausgebildet. Das n-Typ-Gebiet 6 und das
n-Typ-Basisgebiet 4 stellen eine Diodenstruktur dar.
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Ein Oxidfilm 7 ist auf der n&supmin;-Typ-Epitaxieschicht 2 und
eine aus Polysilicium oder dgl. hergestellte
Kondensatorelektrode 8 auf der Oxidschicht 7 ausgebildet, um das
p-Typ-Basisgebiet 4 mit einem Impuls zu versorgen.
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Eine mit dem n&spplus;-Typ-Emittergebiet 5 verbundene
Emitterelektrode 9 und eine mit dem n-Typ-Gebiet 6 verbundene
Elektrode 10 sind über der auf dem Substrat 1 befindlichen
Oxidschicht 8 ausgebildet. Ein n&spplus;-Typ-Gebiet 11 und eine
Kollektorelektrode 12 sind nacheinander an der unteren
Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet. Eine Schutzschicht
13 ist zum Schutz der jeweiligen photoelektrischen
Wandlerzellen ausgebildet.
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Zum Ausbilden der durch das Steuerelektrodengebiet und das
Halbleitergebiet hergestellten Diodenstruktur wird eine
passende Spannung an das Halbleitergebiet angelegt und
damit Ladungsträger in die Steuerelektrode injiziert. Aus
diesem Grund kann das Potential des Steuerelektrodengebiets
zu Beginn einer Auffrischoperation genügend hoch gehalten
werden. Folglich kann das Potential des Steuerelektrodengebiets
zum Ende einer Auffrischoperation auf einem
gewünschten Wert gehalten werden und damit im Gegensatz zu
herkömmlichen Strukturen das Nebenbildphänomen verhindert werden.
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Selbst wenn die photoelektrische Wandlerzelle starker
Strahlung ausgesetzt ist, können die übermäßig vorhandenen
Ladungsträger durch die Diodenstruktur eliminiert werden.
Somit kann das Überstrahlungsphänomen verhindert werden.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise der photoelektrischen
Wandlervorrichtung mit der vorhergehend beschriebenen
Struktur erläutert.
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Während der Speicheroperation wird das p-Typ-Basisgebiet 4
auf einem negativen Potential des Anfangszustands gehalten,
das Emittergebiet 5 wird in den Schwebezustand auf
Nullpotential gelegt, die Kondensatorelektrode 8 wird auf
Nullpotential gelegt und das n-Typ-Gebiet 6 wird auf Null oder
auf ein negatives Potential mit sehr kleiner Signalgröße
gelegt. Danach wird die Kollektorelektrode 12 auf
positivem Potential gehalten. In diesem Zustand fällt auf
jedes photoelektrische Wandlerelement Licht ein, wobei
Ladungsträger (in diesem Fall Löcher) entsprechend der
einfallenden Lichtmenge im p-Typ-Basisgebiet 4 gespeichert
werden.
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Wird das Potential des p-Typ-Basisgebiets 4 aufgrund
starken Lichts erhöht, so wird an die durch das
p-Typ-Basisgebiet 4 und das n-Typ-Gebiet 6 ausgebildete Diode in
Vorwärtsrichtung eine Vorspannung angelegt. Die im
p-Typ-Basisgebiet übermäßig abgespeicherten Löcher werden außen
über die Elektrode 10 eliminiert. Deshalb ändert sich das
Potential des n&spplus;-Typ-Emittergebiets nicht und es tritt kein
Überstrahlungsphänomen auf.
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Während der Leseoperation werden das n&spplus;-Typ-Emittergebiet 5
und das n-Typ-Gebiet 6 im Schwebezustand gehalten. Ein
positiver Lesespannungsimpuls wird an die
Kondensatorelektrode 8 angelegt. Wie vorstehend beschrieben, wird ein
elektrisches Signal entsprechend der einfallenden
Lichtmenge an der Emitterelektrode 9 ausgelesen.
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Während der Löcherinjektionsoperation wird die
Kondensatorelektrode 8 auf Nullpotential gelegt und das
n&spplus;-Typ-Emittergebiet 5 im Schwebezustand gehalten. Ein passendes
positives Potential wird an das n-Typ-Gebiet 6 der Diode
angelegt,
wodurch an die Diode eine rückwärtige Vorspannung
angelegt wird, so daß sich eine Verarmungsschicht bis zur
Elektrode 10 hin ausweitet. Die ausgeweitete
Verarmungsschicht verursacht einen Durchbruch und damit werden die
Löcher über das n-Typ-Gebiet 6 in das p-Typ-Basisgebiet
injiziert. Das Potential des p-Typ-Basisgebiets 4 wird
erhöht.
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Während der Auffrischoperation werden das
n&spplus;-Typ-Emittergebiet 5 und das n-Typ-Gebiet 6 auf Masse gelegt. In diesem
Zustand werden die im p-Typ-Basisgebiet 4 gespeicherten
Löcher durch das n&spplus;-Typ-Emittergebiet 5 und das n-Typ-Gebiet
6 eliminiert, wenn ein positiver Auffrischspannungsimpuls
an die Kondensatorelektrode 8 angelegt wird. Es wird darauf
hingewiesen, daß aufgrund des durch die
Löcherinjektionsoperation genügend hohen Potentials des p-Typ-Basisgebiets
4 das Anfangsbasispotential aufgrund des Anlegens eines
Auffrischimpulses genügend höher als das Restpotential Vk
ist, obwohl sich diese Zelle als Ganzes im Dunkelzustand
befindet (Fig. 2). Nach dem Verstreichen der Auffrischzeit
t0 kann das Potential des p-Typ-Basisgebiets 4 unabhängig
von der Lichtmenge auf einem vorbestimmten Potential Vk
gehalten werden. In diesem Zustand wird das
p-Typ-Basisgebiet 4 auf einem vorbestimmten negativen Anfangspotential
gehalten, wenn der positive Auffrischspannungsimpuls
abfällt.
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Beim Durchführen der Löcherinjektionsoperation verursacht
die Wiederholung der Auffrischoperation keinen Mangel von
Löchern im p-Typ-Basisgebiet 4. Deshalb kann das im
schwachen Beleuchtungszustand auftretende Nebenbildphänomen
vollständig verhindert werden.
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Eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem zweidimensionalen
Aufbau der photoelektrischen Wandlerzellen mit der
vorhergehend genannten Struktur und Arbeitsweise wird nachfolgend
anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 5A ist ein Schaltdiagramm einer
Bildaufnahmevorrichtung mit einem zweidimensionalen Aufbau der
photoelektrischen Wandlervorrichtungen und Fig. 5B ist ein Zeitdiagramm
zum Erklären ihrer Arbeitsweise.
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Gemäß Fig. 5A sind photoelektrische Wandlerzellen 20 in
einer 3·3-Matrix angeordnet. Kondensatorelektroden 8 der
Zellen 20 sind entsprechend mit den horizontalen Leitungen 21,
21' und 21'' in Reiheneinheiten verbunden. Jede horizontale
Leitung ist über Transistoren 23, 23' und 23'' mit einem
Anschluß 24 verbunden. Ein positiver Lesespannungsimpuls Φr
wird an den Anschluß 24 angelegt. Ferner ist jede
horizontale Leitung über die Transistoren 25, 25' und 25'' mit
einem Anschluß 26 verbunden. Ein positiver
Auffrischspannungsimpuls Φf wird an den Anschluß 26 angelegt.
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Impulssignale Φr1 bis Φr3 eines vertikalen Schieberegisters
22 werden entsprechend an die Gateelektroden der
Transistoren 23, 23' und 23'' zugeführt. Impulssignale Φf1 bis Φf3
des vertikalen Schieberegisters 22 werden entsprechend den
Gateelektroden der Transistoren 25, 25' und 25'' zugeführt.
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Elektroden 10 der photoelektrischen Wandlerzellen 20
werden gemeinsam mit den horizontalen Leitungen 27, 27' und
27'' verbunden. Impulssignale Φ1 bis Φ3 des vertikalen
Schieberegisters 28 werden entsprechend den horizontalen
Leitungen zugeführt.
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Die Emitterelektroden 9 der photoelektrischen Wandlerzellen
20 werden in Spalteneinheiten gemeinsam mit den vertikalen
Leitungen 29, 29' und 29'' verbunden. Die vertikalen
Leitungen werden über Transistoren 33, 33' und 33''
entsprechend mit einer Ausgabeleitung 34 verbunden, um die seriell
ausgelesenen Signale der photoelektrischen Wandlerzellen
auszugeben.
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Die Gateelektroden der Transistoren 30, 30' und 30'' sind
gemeinsam mit einem Anschluß 31 verbunden, und ein
Impulssignal
Φrs wird an den Anschluß angelegt. Impulssignale Φh1
bis Φh3 eines horizontalen Schieberegisters 32 werden
entsprechend an die Gateelektroden der Transistoren 33, 33'
und 33'' angelegt.
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Die Ausgabeleitung 34 wird durch einen Auffrischtransistor
36 auf Masse gelegt und mit der Gateelektrode eines
Signalverstärkungstransistors 35 verbunden. Ein verstärktes
Signal des Transistors 35 erscheint am Anschluß 38.
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Die Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung mit der
vorhergehend beschriebenen Anordnung wird anhand von Fig. 5B
beschrieben.
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Die Speicheroperation wird bis zum Zeitpunkt t1
durchgeführt. Löcher entsprechend der einfallenden Lichtmenge
werden im p-Typ-Basisgebiet 4 der photoelektrischen
Wandlerzelle 20 abgespeichert. Es wird darauf hingewiesen, daß
auch bei starkem Lichteinfall auf einige der
photoelektrischen Wandlerzellen 20 die übermäßig entstandenen Löcher
durch die entsprechenden Elektroden 10 an die
Horizontalleitungen 27, 27' und 27'' abgeleitet werden, wodurch die
vertikalen Leitungen 29, 29' und 29'' auf Nullpotential im
Schwebezustand gehalten werden.
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Zum Zeitpunkt t1 steigt das Impulssignal Φr1 an und der
Transistor 23 wird eingeschaltet. Nachfolgend steigt der
Impuls Φr an und führt der horizontalen Leitung 21 eine
positive Lesespannung zu. Die photoelektrische Wandlerzelle
20 der ersten Reihe wird gelesen. Während dieser
Leseoperation erscheinen die Lesesignale der Zellen der ersten Reihe
an den vertikalen Leitungen 29, 29' und 29''. Ist die
Leseoperation abgeschlossen, wird der Transistor 36
entsprechend dem Impulssignal Φ1rs abgeschaltet, so daß die
Restladung in der Ausgabeleitung 34 aufgefrischt wird.
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Zum Zeitpunkt t2 steigt das Impulssignal Φh1 an und
schaltet den Transistor 33 ein. Das Signal, das von der
photoelektrischen
Wandlerzelle der ersten Reihe und der ersten
Spalte erzeugt wurde und an der vertikalen Leitung 29
anliegt, wird in den Transistor 35 über den Transistor 33 und
die Ausgabeleitung 34 eingegeben. Das verstärkte Signal
erscheint am Anschluß 38. Nach Abschluß dieser
Ausgabeoperation steigt das Impulssignal Φ1rs und frischt die
Ausgabeleitung 34 auf. Anschließend steigen die Impulssignale Φh2
und Φh3 nacheinander an und geben die Signale der
photoelektrischen Wandlerzelle der ersten Reihe und der zweiten
Spalte und der Zelle von der ersten Reihe und der dritten
Spalte an den Ausgabeanschluß 38 aus. Jedesmal wenn ein
Ausgangssignal an der Ausgabeleitung 34 anliegt, wird diese
aufgefrischt.
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Wenn die Ausgabeoperation abgeschlossen ist, steigt das
Impulssignal Φ1 des vertikalen Schieberegisters 28 zum
Zeitpunkt t3 an. Die positive Spannung wird an die Elektroden
10 der photoelektrischen Wandlerzellen 20 der ersten Reihe
angelegt. Danach erfolgt, wie vorhergehend beschrieben, die
Löcherinjektion.
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Darauffolgend steigen zum Zeitpunkt t4 die Impulssignale
Φf1 und Φrs zum Einschalten der Transistoren 25, 30, 30'
und 30'' an und die entsprechenden vertikalen Leitungen
werden auf Masse gelegt. Danach steigt das Impulssignal Φf
an und legt dabei den positiven Auffrischspannungsimpuls an
die horizontale Leitung 21 an. Wie vorhergehend
beschrieben, wird die Auffrischoperation durchgeführt.
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Wenn die Lese-, Löcherinjektions- und Auffrischoperationen
der photoelektrischen Wandlerzellen 20 der ersten Reihe
abgeschlossen sind, wird zum Zeitpunkt t5 die
Speicheroperation gestartet.
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Die gleiche Operation wie für die Zellen der ersten Reihe
wird für die Zellen der zweiten Reihe zum Zeitpunkt t5 und
für die Zellen der dritten Reihe zum Zeitpunkt t6
gestartet. Im einzelnen werden die photoelektrischen
Wandlerzellen
20 der zweiten Reihe ausgewählt und einer Lese-,
Löcherinjektions- und einer Auffrischoperation unterworfen,
wenn man den Impulssignalen Φr2, Φ2 und Φf2 nacheinander
erlaubt, daß sie ansteigen. Zum Zeitpunkt t6, nach der
Speicheroperation der Zellen der zweiten Reihe zum
Zeitpunkt t6, steigen die Impulssignale Φr3, Φ3 und Φf3
nacheinander an und die photoelektrischen Wandlerzellen 20 der
dritten Reihe werden damit ausgewählt. Nach dem Beginn der
Speicheroperation der Zellen der dritten Reihe werden die
Zellen der ersten Reihe ausgewählt und in der gleichen
Weise wie vorhergehend beschrieben, werden die Operationen
nacheinander ausgeführt.
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Alle der einfallenden Lichtmenge entsprechenden Lesesignale
der photoelektrischen Wandlerzellen 20 erscheinen
nacheinander am Anschluß 38. Aufgrund der vorbestimmten
Speicherzeit der Zellen 20 einer jeden Reihe ist die
Bildaufnahmevorrichtung für Fernseh-Videokameras und dgl. anwendbar.
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Fig. 6A ist ein Schaltdiagramm einer
Bildaufnahmevorrichtung, welche das vorhergehende Ausführungsbeispiel
verwendet, und Fig. 6B ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern ihrer
Arbeitsweise.
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Gemäß Fig. 6A sind drei photoelektrische Wandlerzellen 20
eindimensional angeordnet und ihre Kollektorelektroden 12
gemeinsam miteinander verbunden. Eine positive Spannung
wird an die Kollektorelektroden 12 angelegt.
Kondensatorelektroden 8 sind über eine Leitung 40 gemeinsam mit einem
Anschluß 41 verbunden. Zum Durchführen von Lese- und
Auffrischoperationen wird ein Impulssignal Φr an den Anschluß
41 angelegt. Emitterelektroden 9 sind mit den vertikalen
Leitungen 44, 44' und 44'' verbunden. Elektroden 10 der
Dioden sind gemeinsam mit einer horizontalen Leitung 42
verbunden. Die horizontale Leitung 42 ist mit einer
Steuerschaltung 43 verbunden und wird mit einem Impulssignal Φi
beschaltet oder auf Masse gelegt.
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Die vertikalen Leitungen 44, 44' und 44'' sind über
Transistoren 45, 45' und 45'' auf Masse gelegt. Die
Gateelektroden der Transistoren 45, 45' und 45'' sind über eine
Leitung 46 gemeinsam mit einem Anschluß 47 verbunden. Ein
Signal Φrs wird an den Anschluß 47 angelegt.
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Jede der vertikalen Leitungen 44, 44' und 44'' ist mit
einer entsprechenden Hauptelektrode der Transistoren 48, 48'
und 48'' verbunden. Die Gateelektroden der Transistoren 48,
48' und 48'' sind gemeinsam über eine Leitung 49 mit einem
Anschluß 50 verbunden. Ein Signal Φt wird am Anschluß 50
angelegt. Die andere Hauptelektrode der jeweiligen
Transistoren 48, 48' und 48'' wird über einen entsprechenden
Ladungsspeicherkondensator 51, 51' und 51'' auf Masse gelegt
und ist über einen entsprechenden Transistor 53, 53' und
53'' mit einer Ausgabeleitung 54 verbunden.
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Die Gateelektroden des Transistors 53, 53' und 53'' sind
mit parallelen Ausgängen eines Schieberegisters 52
entsprechend verbunden. Die Signale Φh1 bis Φh3 erscheinen an den
parallelen Ausgängen.
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Die Ausgabeleitung 54 wird über einen Auffrischtransistor
55 auf Masse gelegt und mit der Gateelektrode eines als
Ausgangsverstärker dienenden Transistors 57 verbunden. Die
Gateelektrode des Transistors 55 ist mit dem Anschluß 56
verbunden. Ein Signal Φ1rs wird an den Anschluß 56
angelegt. Ein Ausgabeanschluß 58 des Transistors 57 wird über
einen Kondensator und einen Verstärker 59 mit einem
Ausgabeanschluß 60 verbunden.
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Der Ausgabeabschluß der Steuerschaltung 43 ist mit dem
Verstärkungssteueranschluß des Verstärkers 59 derart
verschaltet, daß entsprechend einem Signal der horizontalen Leitung
42 eine Verstärkung des Verstärkers 59 gesteuert wird.
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Die Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung mit der
vorhergehend beschriebenen Anordnung wird anhand von Fig. 6B
beschrieben.
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Zum Einschalten der Transistoren 45, 45', 45'' und 55
werden die Impulssignale Φrs und Φ1rs auf high gelegt. Die
Emitterelektroden 8 der photoelektrischen Wandlerzellen 20
und die Ausgabeleitung 54 werden auf Masse gelegt, womit
die Restladung der Ausgabeleitung 54 entfernt wird.
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Zum Zeitpunkt t1 steigt zum Einschalten der Transistoren
48, 48' und 48'' das Impulssignal Φt an. Die
Ladungsspeicherkondensatoren 51, 51' und 51'' werden zum Entfernen der
Restladung auf Masse gelegt.
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Zum Zeitpunkt t2 steigt das Signal Φt und anschließend das
Impulssignal Φi der Steuerschaltung 43 an. Bis zum
Zeitpunkt t3 wird an die horizontale Leitung 42 eine positive
Spannung angelegt. Löcher werden in die p-Typ-Basisgebiete
4 der photoelektrischen Wandlerzellen 20 injiziert
(Löcherinjektionsoperation).
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Zum Zeitpunkt t3 fällt zum Erden der Horizontalleitung 42
das Impulssignal Φ1. Zum Anlegen einer positiven
Auffrischspannung an die Kondensatorelektrode 8 einer jeden
photoelektrischen Wandlerzelle 20 steigt das Impulssignal Φr an.
Eine Auffrischoperation, wie vorhergehend beschrieben, wird
durchgeführt, da jede Elektrode 8 auf Massepotential
gehalten wird. Steigt zum Zeitpunkt t4 das Signal Φr an, so wird
das p-Typ-Basisgebiet 4 einer jeden photoelektrischen
Wandlerzelle 20 auf das negative Anfangspotential gelegt.
Nach Abschluß der Auffrischoperation steigen zum Abschalten
der Transistoren 45, 45', 45'' und 55 die Signale Φrs und
Φ1rs an.
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In diesem Zustand werden die Löcher der vom einfallenden
Licht angeregten Elektronen-Lochpaare als optische
Informationen in den p-Typ-Basisgebieten der photoelektrischen
Wandlerzellen 20 abgespeichert. Das Basispotential einer
jeden photoelektrischen Wandlerzelle wird durch die
Speicherspannungskomponente entsprechend der Lichtmenge vom
negativen Anfangspotential erhöht (Speicheroperation).
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Wird die Speicheroperation für eine gewünschte Zeitperiode
durchgeführt, so wird die horizontale Leitung 42 durch die
Steuerschaltung 43 in einen schwebenden Zustand gesetzt.
Zum Einschalten der Transistoren 48, 48' und 48'' wird das
Signal Φt auf high gesetzt, wobei die vertikale Leitungen
44, 44' und 44'' mit den Ladungsspeicherkondensatoren 51,
51' und 51'' verbunden werden.
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Zum Zeitpunkt t5 steigt zum Versorgen der
Kondensatorelektroden 8 der photoelektrischen Wandlerzellen 20 mit der
positiven Lesespannung das Signal Φr an. Die vorhergehend
beschriebene Leseoperation wird durchgeführt und somit die
Lesesignale entsprechend den optischen Informationen der
photoelektrischen Wandlerzellen 20 dementsprechend in den
Ladungsspeicherkondensatoren 51, 51' und 51''
abgespeichert. Gleichzeitig werden entsprechend den optischen
Informationen der photoelektrischen Wandlerzellen 20 die
Lesesignale über die entsprechenden Dioden an die Elektroden
10 ausgegeben. Da jedoch die Elektroden 10 im
Schwebezustand gemeinsam mit der horizontalen Leitung 42 verbunden
sind, erscheint das Lesesignal der photoelektrischen
Wandlerzelle mit der größten einfallenden Lichtmenge als
Spitzenspannung auf der horizontalen Leitung 42. Die
Steuerschaltung 43 stellt anhand dieser Spitzenspannung die
Verstärkung des Verstärkers 59 ein, womit der Bereich der
Lesesignale gesteuert wird. Der Verstärker 59 dient als
automatischer Begrenzer.
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Da die Verstärkung des Verstärkers 59 gesteuert wird,
fallen die Signale Φr und Φt
ab, und der Impuls des Signals
Φ1rs wird an den Anschluß 56 angelegt. Die Transistoren 48,
48' und 48'' werden abgeschaltet und die Ausgabeleitung 54
aufgefrischt.
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Vom Zeitpunkt t6 wird nacheinander das Schieberegister 52
gestartet. Die in den Speicherkondensatoren 51, 51' und
51'' gespeicherten Lesesignale werden nacheinander
ausgegeben. Das ausgegebene Impulssignal Φhi des ersten
Ausgabeanschlusses des Schieberegisters 52 steigt zum Einschalten
des Transistors 53 an. Das im Ladungsspeicherkondensator 51
abgespeicherte Lesesignal wird auf die Ausgabeleitung 54
ausgelesen. Das ausgelesene Signal ist über den Transistor
57 das Eingangssignal des verstärkungsgesteuerten
Verstärkers 59 und das Ausgangssignal des Anschlusses 60. Wenn das
Signal Φh1 fällt, steigt das Signal Φ1rs und legt die
Ausgabeleitung 54 über den Transistor 55 auf Masse, wodurch
die Restladung entfernt wird.
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Auf die gleiche Weise, wie vorher beschrieben, steigen die
vom Schieberegister 52 nacheinander ausgegebenen Signale
Φh2 und Φh3 an, und lesen dadurch die Lesesignale der
Ladungsspeicherkondensatoren 51, 51' und 51'' auf die
Ausgabeleitung 54 aus. Jedesmal wenn ein Signal ausgelesen wird,
steigt zum Auffrischen der Ausgabeleitung 54 das
Impulssignal Φ1rs an. Auf diese Weise werden die Lesesignale der
photoelektrischen Wandlerzellen 20 seriell vom
verstärkungsgesteuerten Verstärker 59 ausgegeben. Auf die gleiche
vorhergehend beschriebene Weise werden die Auffrisch-,
Speicher- und Leseoperationen wiederholt. Jedesmal wenn
eine Leseoperation durchgeführt wird, wird ein Spitzenwert
erkannt und die Verstärkung des Verstärkers 59 eingestellt.
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Im einzelnen besitzt das Basisgebiet der photoelektrischen
Wandlervorrichtung gemäß dem vorhergehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel ein Halbleitergebiet vom gleichen
Leitungstyp wie das Emittergebiet des Halbleitertransistors,
wobei es eine geringere als die zum Herstellen einer
Diodenstruktur notwendige Verunreinigungskonzentration
aufweist. Deshalb wird eine passende Spannung an das
Halbleitergebiet angelegt und die Ladungsträger können genau in
das Basisgebiet injiziert werden. Aus diesem Grund kann das
Potential des Basisgebiets zu Beginn des Auffrischvorgangs
genügend hoch sein. Am Ende des Auffrischvorgangs kann das
Potential des Basisgebiets auf einem gewünschten
vorbestimmten Wert aufrechterhalten werden. D. h., daß im
Gegensatz zur herkömmlichen Vorrichtung das Nebenbildphänomen
verhindert werden kann.
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Selbst wenn starkes Licht auf die photoelektrische
Wandlervorrichtung einfällt, können zusätzlich die übermäßigen
Ladungsträger durch die Diodenstruktur eliminiert werden.
Dadurch kann auch das Überstrahlungsphänomen verhindert
werden.
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Da der Spitzenwert durch das Halbleitergebiet einfach
erkannt werden kann, ist auf einfache Weise eine
Bildaufnahmevorrichtung mit einer lichtmessenden Funktion geschaffen.