DE3931383C2

DE3931383C2 - Festkörper-Bildwandler

Info

Publication number: DE3931383C2
Application number: DE3931383A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Hamasaki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: GB2222909A; US5068736A; GB2222909B; HK97295A; JP2727584B2; GB8920925D0; JPH0282649A; DE3931383A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Bildwandler ist z. B. ein CCD-Bildwandler. Bei derartigen Bildwandlern werden durch Anlegen eines kurzen Spannungspulses unerwünschte Restladungen aus den Bildpunktspeichern in das Substrat ausge schwemmt.

Ein Bildwandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird nun anhand von Fig. 5 näher beschrieben. Derartige Bildwandler sind im übrigen beispielsweise aus WO 88/02186 A1 oder aus DE 36 00 253 A1 bekannt. Probleme, die beim Ausschwemmen von Ladungen in das Substrat bei einem solchen bekannten Bildwandler auftreten, werden anhand des Fig. 6 und 7 erläutert.

Beim Bildwandler gemäß Fig. 5 handelt es sich um einen solchen, bei dem ein Sourcefolger durch MOS-Transistoren gebildet ist. Auf einem Substrat 51 von N-Typ-Silizium ist ein P-Typ-Quellbereich 5 aufgebracht. An das Substrat 51 wird eine Substratspan nung V-sub gelegt. Auf der Oberfläche des Quellbereichs 52 sind ein Kanalsperrbereich 53, ein Source/Drain-Bereich 54, der mit Massespannung Vss versorgt wird, ein Source/Drain-Bereich 55, von dem eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen wird, und ein Source/Drain-Bereich 56 aufgebracht, dem eine Versorgungsspan nung Vdd zugeführt wird. Gateelektroden 57 und 58 sind auf Kanal bereichen 59 und 60 zwischen den benachbarten Source/Drain- Bereichen 54 und 55 bzw. 55 und 56 aufgebracht. Die Source/ Drain-Bereiche 54 und 55 und die Gateelektrode 57, die mit einer konstanten Spannung VGG versorgt wird, bilden zusammen einen Ladetransistor, während die Source/Drain-Bereiche 55 und 56 und die Gateelektrode 58, der eine Eingangsspannung Vin zugeführt wird, einen Treiber-MOS-Transistor darstellen. Der Quellbereich 52 weist eine Übergangstiefe von etwa 10 µm und eine Oberflächen Verunreinigungskonzentration von etwa 1 × 10¹⁵ bis 1 × 10¹⁶ cm^-2 auf.

In dem derart aufgebauten Bildwandler bestehen parasitäre Kapa zitäten zwischen den Source/Drain-Bereichen 55 und 56 und dem Quellbereich 52 sowie zwischen letzterem und dem Substrat 51. In den tieferen Bereichen des Quellbereichs existieren Löcher h, wie in Fig. 6 dargestellt. Der Bereich, in dem Löcher h vorhan den sind, weist einen verhältnismäßig großen Widerstand auf, da die Verunreinigungskonzentration und die Lochbeweglichkeit nied rig sind.

Fig. 7 stellt ein Äquivalenzschaltbild des Festkörper-Bildwand lers dar. Die Löcher h führen zu Widerständen r11-r16 im Quell bereich 52. Zwischen dem Substrat und dem Quellbereich liegen parasitäre Kapazitäten C11-C15, und zwischen dem Quellbereich und jeder Elektrode liegen parasitäre Kapazitäten C24-C25.

Wenn ein Puls zum Ausschwemmen unerwünschter Ladungen an das Substrat angelegt wird, wird das Signal aufgrund der genannten Kapazitäten und Widerstände verwaschen. Ist die durch die Kapa zitäten und Widerstände definierte Zeitperiode größer als die horizontale Austastlücke, beeinflußt der angelegte Puls die Ausgangsschaltung, was die Verstärkung des MOS-Treibertransistors verändert und damit zu Pegelschwankungen führt, die das erzeugte Bild negativ beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Bild wandler der beschriebenen Art so weiterzubilden, daß mit kurzen Spannungspulsen Restladungen wirksam in das Substrat ausge schwemmt werden können.

Der erfindungsgemäße Bildwandler ist durch die Merkmale von An spruch 1 gegeben. Er zeichnet sich durch zusätzliche Verunreini gungsgebiete und eine besondere Wahl der Übergangstiefe aus. Vorzugsweise werden die Verunreinigungskonzentration und die Über gangstiefe so gewählt, daß die gesamte betroffene Schicht eine Verarmungsschicht ist. Die Verunreinigungskonzentration und die Übergangstiefe können sich von den entsprechenden Werten für den Quellbereich unterscheiden. Die optimale Wahl von Verunreini gungskonzentration und Übergangstiefe hängt insbesondere von der Verunreinigungskonzentration des Substrates, der Substratspan nung sowie von Höhe und Dauer des genannten Pulses ab.

Am erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandler führt das Anlegen von Spannungspulsen zum Ausschwemmen unerwünschter Ladungen in das Substrat nicht mehr dazu, daß das Ausgangssignal verfälscht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Fig. 1-4 veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. 5-7 zum Stand der Technik wurden bereits beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Teilquerschnitt durch einen Fest körper-Bildwandler mit besonders ausgebildeten Verun reinigungsbereichen;

Fig. 2 ein Schaltbild für im Schnitt gemäß Fig. 1 erkennbare Transistoren;

Fig. 3 ein Diagramm für den Potentialverlauf im Bildwandler gemäß Fig. 1;

Fig. 4 ein Äquivalenzschaltbild für die Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 1 jedoch für einen herkömmlichen Bildwandler;

Fig. 6 einen Potentialverlauf entsprechend dem von Fig. 3, jedoch für den herkömmlichen Bildwandler gemäß Fig. 5; und

Fig. 7 ein Äquivalenzschaltbild entsprechend dem von Fig. 4, jedoch für den herkömmlichen Bildwandler gemäß Fig. 5.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft einen CCD-Bild wandler mit longitudinalem Drain-Überlauf. Überflüssige elektri sche Ladungen in longitudinaler Richtung werden durch Anlegen eines Spannungspulses an das Substrat während der horizontalen Austastlücke beseitigt. Der CCD-Bildwandler gemäß Fig. 1 weist eine besondere Quellbereichsstruktur in seiner Ausgangsschaltung auf.

Bei der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellten Ausgangsschaltung ist ein P-Typ-Quellbereich 2 auf einem Substrat 1 von N-Typ- Silizium ausgebildet. An letzteres wird eine Pulsspannung von z. B. 30 V angelegt, um in einem nicht dargestellten Bildteil vorhandene nutzlose Ladungen auszuschwemmen. Der P-Typ-Quell bereich 2 dient zum Ausbilden von N-MOS-Transistoren auf seiner Oberfläche. Seine Verunreinigungskonzentration und seine Über gangstiefe sind so gewählt, daß die durch seine Widerstände und parasitären Kapazitäten festgelegte Zeitkonstante kleiner ist als diejenige Zeitspanne, die zwischen dem Anlegen des genannten Spannungspulses und dem Ablauf einer Austastlücke verstreicht. Die Übergangstiefe x1 ist geringer als bei einem herkömmlichen Bauteil, nämlich nur etwa 5 µm statt 10 µm, und die Verunreini gungskonzentration an der Oberfläche des Quellbereichs liegt unterhalb von 10¹⁵ cm^-2.

Auf der Oberfläche des Quellbereichs 2, der die genannte geringe Übergangstiefe x1 und die geringe Verunreinigungskonzentration aufweist, wird ein Kanalsperrbereich 3 so ausgebildet, daß er eine Fläche auf dem Quellbereich 2 einschließt. Er wird auf vor gegebenem Potential gehalten. Im eingeschlossenen Bereich sind ein Source/Drain-Bereich 4, der mit einer Spannung Vss von etwa 2 V versorgt wird, ein Source/Drain-Bereich 5 und ein Source/ Drain-Bereich 6 ausgebildet, dem eine Spannung Vdd von ca. 15 V zugeführt wird. Der genannte Source/Drain-Bereich 5 stellt den Anschluß zur Folgeschaltung der nächsten Stufe her, um eine Aus gangsspannung Vout auszugeben. Zwischen den Source/Drain-Berei chen 4 und 5 besteht ein Kanalbereich 7, über dem, über einer nicht dargestellten Isolierschicht, eine Gateelektrode 8 aufge bracht ist, der eine Spannung VGG zugeführt wird. Der N-MOS- Transistor, der den Kanalbereich 7 enthält, wirkt als aktive Last. Über einem Kanalbereich 9 zwischen den Source/Drain-Berei chen 5 und 6 ist über einer nicht dargestellten Isolierschicht eine Gateelektrode 10 angebracht, die das Ausgangssignal Vin von der vorhergehenden Stufe erhält. Der N-MOS-Transistor, der den Kanalbereich 9 aufweist, wirkt als Treibertransistor. Wegen der oben angegebenen geringen Verunreinigungskonzentration und der geringen Übergangstiefe x1 bildet die direkt unter dem Trei bertransistor liegende Schicht eine Verarmungsschicht, die verhindert, daß im Ausgangssignal nachteilige Effekte der oben ge nannten Art auftreten können.

Unterhalb der Source/Drain-Bereiche 4, 5 und 6 sind zweite Quell bereiche 11, 12 bzw. 13 vom P⁺-Typ ausgebildet. Der zweite Quell bereich 11 unter dem Source/Drain-Bereich 4 dient dazu, die wei ter unten anhand der Fig. 4 erläuterten Widerstände r1 und r2 zu erniedrigen. Dagegen dienen die anderen beiden zweiten Quell bereiche 12 und 13 dazu, die Durchschlagsspannung zwischen den Source/Drain-Bereichen 5 bzw. 6 und dem Substrat 1 zu erhöhen. Dies ist erforderlich, da die Übergangstiefe x1 und die Verun reinigungskonzentration im Quellbereich 2 vom P-Typ geringer sind als bei einem herkömmlichen Festkörper-Bildwandler. Besteht aufgrund der verwendeten Spannungen und Materialien keine Durch schlagsgefahr, können die weiteren zweiten Quellbereiche 12 und 13 entfallen.

Fig. 2 zeigt die Verdrahtung einer Ausgangsschaltung, der das Signal von einer Fotodiode PD über einen Transistor zugeführt wird, an den ein Gatepotential PG gelegt wird. Das Ausgangssig nal des CCD wird über zwei Sourcefolgerstufen ausgegeben, von denen jede aus einer Reihenschaltung einer aktiven Last AL und einem Treiber-MOS-Transistor DT besteht, die gemäß Fig. 1 aus gebildet sind.

Der Potentialverlauf in der Ausgangsschaltung mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Wird dies mit dem Poten tialverlauf gemäß Fig. 6 für den herkömmlichen Bildwandler ver glichen, fällt auf, daß die Potentialspitze P₀ niedriger ist, was durch die geringere Verunreinigungskonzentration des P-Typ- Quellbereichs 2 und dessen geringere Übergangstiefe x1 bedingt ist. Daher treten keine Löcher mehr an der Spitze des Potential bereichs auf, d. h. der P-Typ-Quellbereich 2 ist eine Verarmungs schicht.

Fig. 4 zeigt das Äquivalenzschaltbild für eine Stufe eines Sourcefolgers der Ausgangsschaltung. Da der Quellbereich 2 teil weise verarmt ist, sind die parasitären Kapazitäten zwischen den Source/Drain-Bereichen 5 und 6 und dem Quellbereich 2 sowie die parasitären Kapazitäten zwischen dem Quellbereich 2 und dem Siliziumsubstrat 1 kombiniert. Sie bilden einzelne Kapazitäten C3 und C5. Die Widerstände r13-r16 sind eliminiert. Infolge dessen ist die eingangs erwähnte Zeitkonstante, die durch die Widerstands- und Kapazitätswerte gegeben ist, herabgesetzt, wo durch die Ansprechzeit für Ausschwemmpulse verringert ist. Ist die Zeitkonstante geringer als die Zeitspanne, die zwischen dem Anlegen des genannten Spannungspulses und dem Ablauf einer Aus tastlücke verstreicht, wird es möglich, Schwankungen in der Ver stärkung und damit im Ausgangspegel des Treiber-MOS-Transistors zu unterdrücken.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Quellbereich 2 im Kanalbereich 9 und unter den Source/Drain-Bereichen 5 und 6 des MOS-Transistors der Ausgangsschaltung völlig verarmt. Dies führt zu den genannten Widerstands- und Kapazitätsänderungen.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Ausgangsschaltung vom Sourcefolgertyp erläutert. Darauf kommt es jedoch nicht an. Auch können die P- und N-Bereiche vertauscht sein. Wichtig ist allein das Herabsetzen von Widerstands- und Kapazitätswerten durch die beschriebenen Maßnahmen.

Claims

1. Festkörper-Bildwandler, umfassend eine Halbleiteranordnung mit
einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
einem auf dem Halbleitersubstrat (1) vorgesehenen Halbleiterbereich (2) des anderen, zweiten Leitfähigkeitstyps und
einer Ausgangschaltung mit einem Verstärkungstransistor für den Bildwandler, dessen Kanalbereich (9) im Halbleiterbereich (2) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Halbleiterbereich (2) an der Oberfläche eine Verunreinigungs konzentration von unterhalb 10¹⁵ cm^-2 und eine Schichtdicke (x1) von etwa 5 µm aufweist, und
unterhalb von flachen Drain/Source-Bereichen (5, 6), die den ersten Leitfähigkeitstyp haben und im Halbleiterbereich (2) von dessen Oberfläche aus eingebracht sind, hochdotierte Wannenbereiche (12, 13) des zweiten Leitfähig keitstyps vorgesehen sind, die zwischen der Unterseite der Drain/Source-Berei che (5, 6) und dem Halbleiterbereich (2) gelegen sind.

2. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) vom N-Typ und der Halbleiterbereich (2) vom P-Typ ist.

3. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Ausgangsschaltung einen Sourcefolger aufweist.