DE3686807T2 - Anordnung und verfahren zum photoelektrischen umformen von licht in elektrische signale. - Google Patents

Anordnung und verfahren zum photoelektrischen umformen von licht in elektrische signale.

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DE3686807T2 DE8686308863T DE3686807T DE3686807T2 DE 3686807 T2 DE3686807 T2 DE 3686807T2 DE 8686308863 T DE8686308863 T DE 8686308863T DE 3686807 T DE3686807 T DE 3686807T DE 3686807 T2 DE3686807 T2 DE 3686807T2
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Änderungen im Basispotential Vb während dem Anlegen der positiven Auffrischspannung an der Kondensatorelektrode 107 ergibt sich wie folgt:
  • (Cox + Cbe + Cbc)dVb/dt = -Ib
  • wobei Cbe die Kapazität zwischen Basis und Emitter des Bipolartransistors, Cbc die Kapazität zwischen der Basis und dem Kollektor und Ib der Basisstrom ist.
  • Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Änderungen im Basispotential Vb während dem Anlegen einer positiven Auffrischspannung als eine Funktion von der Zeit zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer herkömmlichen photoelektrischen Wandlervorrichtung tritt ferner folgendes unerwünschte Überstrahlungsphänomen auf, wenn die Zellen in einer Matrixform angeordnet sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß wird eine photoelektrische Wandlervorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen. Die verbleibenden Ansprüche beziehen sich auf Operationsverfahren einer solchen Vorrichtung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 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;
  • Fig. 2 ein Diagramm, das die Änderungen im Basispotential während einer Auffrischoperation als eine Funktion von der Zeit darstellt;
  • Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer Bildaufnahmevorrichtung, welche eine photoelektrische Wandlervorrichtung verwendet, wie sie in der EP-A-0 132 076 verwendet ist;
  • 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;
  • 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
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird die Arbeitsweise der photoelektrischen Wandlervorrichtung mit der vorhergehend beschriebenen Struktur erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem zweidimensionalen Aufbau der photoelektrischen Wandlerzellen mit der vorhergehend genannten Struktur und Arbeitsweise wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
  • Fig. 5A ist ein Schaltdiagramm einer Bildaufnahmevorrichtung mit einem zweidimensionalen Aufbau der photoelektrischen Wandlervorrichtungen und Fig. 5B ist ein Zeitdiagramm zum Erklären ihrer Arbeitsweise.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung mit der vorhergehend beschriebenen Anordnung wird anhand von Fig. 5B beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wenn die Lese-, Löcherinjektions- und Auffrischoperationen der photoelektrischen Wandlerzellen 20 der ersten Reihe abgeschlossen sind, wird zum Zeitpunkt t5 die Speicheroperation gestartet.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 6A ist ein Schaltdiagramm einer Bildaufnahmevorrichtung, welche das vorhergehende Ausführungsbeispiel verwendet, und Fig. 6B ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern ihrer Arbeitsweise.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Arbeitsweise der Bildaufnahmevorrichtung mit der vorhergehend beschriebenen Anordnung wird anhand von Fig. 6B beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Da der Spitzenwert durch das Halbleitergebiet einfach erkannt werden kann, ist auf einfache Weise eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer lichtmessenden Funktion geschaffen.

Claims (3)

1. Photoelektrische Wandlervorrichtung mit einem Bipolartransistor bestehend aus einem Basisgebiet (4), einem im Basisgebiet ausgebildeten Emittergebiet (5) und einem Kollektorgebiet (1, 2, 11), wobei das Basisgebiet (4) kapazitiv mit einer Steuerelektrode (8) gekoppelt ist und die Vorrichtung dazu fähig ist, die Ladungsträger entsprechend einem einfallenden Licht im Basisgebiet zu speichern, ein Signal gemäß der durch die gespeicherten Ladungsträger erzeugten Speicherspannung aus dem Emittergebiet auszulesen und das Basisgebiet durch Neutralisation der in ihr gespeicherten Ladungsträger aufzufrischen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bipolartransistor ein weiteres Gebiet (6) besitzt, das vom Emittergebiet (5) beabstandet im Basisgebiet (4) ausgebildet ist, wobei das weitere Gebiet (6) vom gleichen Leitungstyp wie das Emittergebiet (5) ist, jedoch eine geringere Verunreinigungskonzentration besitzt, so daß es mit dem Basisgebiet eine Diode ausbildet.
2. Verfahren zum Betreiben einer photoelektrischen Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, in der kurz vor dem Auffrischen der Basis über das weitere Gebiet (6) Ladungsträger in die Basis injiziert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die Ladungsträgerinjektion durch Anlegen einer rückwärtigen Vorspannung an das weitere Gebiet (6) über eine mit dieser in Kontakt befindlichen Elektrode (10) ausgeführt wird, um das weitere Gebiet (6) in seiner Übergangszone vom Basisgebiet zur Elektrode ausreichend zu verarmen, wobei Ladungsträger von der Elektrode in das Basisgebiet gelangen, indem sie durch das weitere Gebiet hindurchtreten.
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