DE3938302C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ein zweilagiger Festkörper-Bildsensor, bei dem ein
photoleitender Film auf einem Festkörper-Bildsensor
element abgelagert ist, oder ein einen Schichtaufbau
besitzender Festkörper-Bildsensor kann eine weite
Öffnungsfläche seines lichtempfindlichen Teils aufwei
sen, und er besitzt gute Eigenschaften bezüglich einer
hohen Empfindlichkeit und geringer Fahnen (smear).
Aufgrund dieser Merkmale wird ein solcher Festkörper-
Bildsensor als für Kameras für verschiedene Monitor-
Fernsehgerät oder hochauflösende Fernsehgeräte gün
stig angesehen. Derzeit wird als Photoleiterfilm bei
einem solchen Schichtaufbau-Festkörper-Bildsensor ein
amorpher Film, z. B. ein Se-As-Te-Film, ein ZnSe-ZnCdTe-Film
oder ein a-Si:H-Film (amorpher Silizium-Hydrid-Film),
verwendet. Von diesen Materialien wird zunehmend
ein a-Si:H-Film im Hinblick auf seine guten Eigenschaf
ten und seine Formgebbarkeit sowie seine Eigenschaft,
bei niedriger Temperatur geformt werden zu können, be
vorzugt.
Bei einem herkömmlichen Festkörper-Bildsensor, wie er
z. B. in IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE, Vol.
ED-32, Nr. 8, August 1985, S. 1499-1504 beschrieben ist, wird das
von einer transparenten Elektrode (her) einfallende
Licht durch einen Photoleiterfilm photoelektrisch um
gesetzt, wobei Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden. Da
das Potential einer elektrisch an eine Speicherdiode
angekoppelten Pixelelektrode höher ist als das Poten
tial der transparenten Elektrode, verlagern sich Elek
tronen zur Pixelelektrode und Löcher bzw. Elektronen
mangelstellen zur transparenten Elektrode. Die Elek
tronenmangelstellen fließen über die transparente Elek
trode zu einer externen Schaltung ab, während die Elek
tronen in der an die Pixelelektrode angeschlossenen
Speicherdiode aufgespeichert werden und damit das Po
tential dieser Diode herabsetzen. Während einer gege
benen Zeitspanne aufgespeicherte Signalladungen (Elek
tronen) werden auf einem lotrechten bzw. vertikalen
CCD-Kanal aus der Speicherdiode ausgelesen, wenn ein
Signalladungs-Ausleseimpulse an ein Signalladungs-Aus
lesegatter (gate) angelegt wird. Diese, auf den verti
kalen CCD-Kanal übertragenen Ladungen werden über einen
waagerechten bzw. horizontalen CCD-Kanal ausgegeben.
Der beschriebene bisherige Festkörper-Bildsensor ist
mit den im folgenden angegebenen Mängeln behaftet. Da
die Speicherelektrode elektrisch an einen mit freien
Elektroden gefüllten Pixelelektrodendraht angeschlossen
ist, wird die Speicherdiode nicht vollständig verarmt
bzw. entleert (depleted), und die Übertragung von Si
gnalladungen erfolgt daher unvollständig, wodurch kapa
zitive Verzögerung (Nachziehen) herbeigeführt werden
kann. Da außerdem die im Photoleiterfilm photoelek
trisch umgesetzten Ladungen durch das im Film vorhan
dene Anlagerungsniveau eingefangen (trapped) und (erst)
nach einer gewissen Zeitspanne entladen werden, wird
die Restbildcharakteristik des Festkörper-Bildsensors
beeinträchtigt.
Das Restbild kann durch Injizieren von Vorspannungsla
dungen in die Speicherdiode verringert werden; bei z. B.
einer eine Bildaufnahmeröhre verwendenden Fernsehkamera
erfolgt die Injektion von Vorspannungsladungen (bias
charges) mittels des Lichts von einer Lichtquelle. Bei
dieser Methode ist es jedoch ziemlich schwierig, Licht
gleichmäßig auf den Chip aufzustrahlen, so daß das
Restbild nicht sicher verringert (oder unterdrückt)
werden kann. Zudem wird durch die Notwendigkeit für
eine getrennte Lichtquelle der Aufbau des Festkörper-
Bildsensors kompliziert.
Beim bisherigen Festkörper-Bildsensor erfolgt mithin
- wie erwähnt - die Übertragung der Signalladungen von
der Speicherdiode unvollständig, und es tritt eine ka
pazitive Verzögerung (capacitive lag) auf. Die herkömm
liche Methode zur Restbildminderung durch Injektion von
Vorspannungsladungen mittels des Lichts von einer Licht
quelle gewährleistet keine gleichmäßige Injektion der
Vorspannungsladungen und kompliziert den Aufbau des
Bildsensors.
Aus der DE 37 41 963 A1 ist eine CCD-Bildaufnahmevorrichtung
bekannt, mit einem Halbleitersubstrat, einer Anzahl
von im Halbleitersubstrat geformten Anordnungen von
Signalladungs-Speicherdioden, einer Anzahl von Signalladungs-Ausleseteilen,
die im Halbleitersubstrat und
benachbart zu den Anordnungen der Signalladungs-Speicherdioden
ausgebildet sind und mit einer Anzahl von Signalladungs-Übertragungsteilen,
die im Halbleitersubstrat
und benachbart zu den Signalladungs-Ausleseteilen ausgebildet
sind.
Bei dieser bekannten CCD-Bildaufnahmevorrichtung sind
Drainbereiche zur Absorption der in den Fotodetektoren
erzeugten Ladungen, die nicht über die Auslese-Steuertore
abfließen, vorgesehen. Durch diese Drainbereiche wird
eine sogenannte laterale Überlaufstruktur geschaffen,
welche überschüssige Ladungen, die aufgrund einer Überstrahlung
erzeugt sind, abfließen läßt, bevor die Bilddaten
ausgelesen werden.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines
Festkörper-Bildsensors, bei dem Vorspannungsladungen ohne
die Notwendigkeit für eine Lichtquelle gleichmäßig in
eine Signalladungs-Speicherdiode injizierbar sind und
damit eine Restbildcharakteristik verbessert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der eingangs genannte
Festkörper-Bildsensor die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 auf.
Das Hauptmerkmal der Erfindung liegt darin, daß ein
Gatter (gate) und eine Diode zum elektrischen Injizieren
der Vorspannungsladungen in die Speicherdiode verwendet
werden.
Das Gatter und die Diode sind zum elektrischen Injizieren
von Vorspannungsladungen in eine Signalladungs-Speicherdiode
vorgesehen, um die Injektion von Vorspannungsladungen
in die Speicherdiode ohne die Verwendung einer Lichtquelle
sicherzustellen. Auf diese Weise können Vorspannungsladungen
gleichmäßig injiziert und damit ein kapazitives
Restbild zufriedenstellend unterdrückt werden. Da zudem
ein Dunkelstrom nicht von Vorspannungsladungen abhängt,
wenn die einmal injizierten Vorspannungsladungen über das
Signalladungs-Auslesegatter abgeleitet werden, kann eine
Änderung der Vorspannungsladungen vernachlässigt werden.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen des
Erfindungsgegenstandes definiert und beansprucht.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er
findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine beispielhafte Aufsicht zur Darstellung
des Grundaufbaus eines Festkörper-Bildsen
sors,
Fig. 2A eine Aufsicht auf den Festkörper-Bildsensor
gemäß Fig. 1,
Fig. 2B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A,
Fig. 2C einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 2A,
Fig. 3 eine graphische Signalwellenformdarstellung
von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer
Übertragungselektrode,
Fig. 4A bis 4L einen schematischen Schnitt längs
der Linie B-B in Fig. 2A bzw. graphische
Darstellungen von Änderungen in einem Po
tentialzustand,
Fig. 5 eine graphische Signalwellenformdarstellung
von Treiber- bzw. Ansteuerimpulsen zu einer
Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter und einer -Injizierdio
de,
Fig. 6A bis 6E einen schematischen Schnitt längs
der Linie B-B in Fig. 2A bzw. graphische
Darstellungen von Änderungen im Potential
zustand des Bildsensors,
Fig. 7 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwi
schen Vorspannungsladungen und Größen
(values) eines Restbilds für ein Teil- oder
Halbbild (field),
Fig. 8 eine graphische Signalwellenformdarstellung
von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer
Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter und einer -Injizierdio
de,
Fig. 9A bis 9E einen schematischen Schnitt längs
der Linie B-B in Fig. 2A bzw. graphische
Darstellungen von Änderungen im Potential
zustand des Bildsensors,
Fig. 10 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwi
schen Vorspannungsladungen und Größen eines
Restbilds und eines Dunkelstroms für ein
Teilbild (field),
Fig. 11 eine Aufsicht auf einen Festkörper-Bild
sensor gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 12A eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Auf
sicht auf einen Teil des Festkörper-Bild
sensors nach Fig. 11,
Fig. 12B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig.
12A,
Fig. 12C einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig.
12A,
Fig. 13 eine graphische Signalwellenformdarstellung
von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer
Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter und einer -Injizierdio
de beim Festkörper-Bildsensor nach Fig. 11,
Fig. 14A bis 19C schematische Darstellungen der
Struktur bzw. des Aufbaus eines Halbleiter
elements in verschiedenen Stufen der Her
stellung des Festkörper-Bildsensors nach den
Fig. 12A bis 12C,
Fig. 20 ein Zeitsteuerdiagramm von Treiber- oder An
steuerimpulsen zum Ansteuern des Festkörper-
Bildsensors nach Fig. 1 nach einer anderen
Ansteuermethode, bei der das Potential einer
transparenten Elektrode geändert wird,
Fig. 21A bis 21I einen Querschnitt durch einen ent
sprechend dem Zeitsteuerdiagramm nach Fig.
20 angesteuerten Festkörper-Bildsensor bzw.
graphische Darstellungen von Änderungen im
Potentialzustand des Bildsensors,
Fig. 22 eine beispielhafte Aufsicht zur Darstellung
des Grundaufbaus eines Festkörper-Bildsen
sors gemäß einer anderen Ausführungsform,
Fig. 23A eine Aufsicht auf den Festkörper-Bildsensor
nach Fig. 22,
Fig. 23B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig.
23A,
Fig. 23C einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig.
23A,
Fig. 24 eine graphische Signalwellenformdarstellung
von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer
Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla
dungs- Injiziergatter, einem -Ableitgatter und
einer Diode sowie,
Fig. 25A bis 25E einen schematischen Querschnitt
längs der Linie B-B in Fig. 23 bzw. graphi
sche Darstellungen von Änderungen im Poten
tialzustand des Bildsensors.
Bei einem einen Schichtaufbau (stacked) besitzenden
Festkörper-Bildsensor gemäß Fig. 1 sind zahlreiche Si
gnalladungs-Speicherdioden 10 in einer Matrix auf einem
Si-Substrat angeordnet, während Übertragungselektroden
eines vertikalen Ladungsverschiebe- oder CCD-Elements
in (lotrechten) Spalten und neben den Speicherdioden 10
vorgesehen sind. Diese Übertragungselektroden werden
mit Treiber- oder Ansteuerimpulsen ΦV1, ΦV2, ΦV3 und
ΦV4 beaufschlagt; das vertikale CCD-Element (vertikal
CCD) ist von einem Vierphasen-Ansteuertyp. Die Elektro
den 20, an welche die Ansteuerimpulse ΦV1 und ΦV3 ange
legt sind, dienen auch als Signalladungs-Auslesegatter
30.
Der dargestellte Festkörper-Bildsensor weist Ladungs-
Injiziergatter 40 und Ladungs-Injizierdioden 50 auf.
Diese Gatter 40 und Dioden 50 sind auf der von den
Speicherdioden 10 des vertikalen CCD-Elements abgewand
ten Seite angeordnet. An die Gatter 40 werden Ansteuer
impulse ΦB1 und ΦB2 angelegt, während Ansteuerimpulse
ΦD1 und ΦD2 an die Dioden 50 angelegt werden. Aufgrund
dieser Anordnung können Vorspannungsladungen von den
Dioden 50 her über die Gatter 40 und Auslesegatter 30
in die Speicherdioden 10 injiziert werden.
Wie aus der Aufsicht von Fig. 2A hervorgeht, bilden von
den Übertragungselektroden 20 die mit den Ansteuerim
pulsen ΦV1 und ΦV3 beaufschlagten Elektroden 21, 23
eine erste Polysiliziumschicht, während die mit den An
steuerimpulsen ΦV2 und ΦV4 beaufschlagten Elektroden
22, 24 eine zweite Polysiliziumschicht bilden. Die Gat
ter 40 stellen eine dritte Polysiliziumschicht dar.
Mehrere vertikale CCD-Kanäle 60 sind in lotrechter An
ordnung vorgesehen. Eine Elektrode 51 ist mit den Vor
spannungsladungs-Injizierdioden 50 gekoppelt. Die Spei
cherdioden 10 weisen jeweils eine neben der Übertra
gungselektrode 21 befindliche Diode 11 und eine neben
der Übertragungselektrode 23 befindliche Diode 12 auf.
Auf ähnliche Weise umfassen jedes Auslesegatter 30, je
des Vorspannungsladungs-Injiziergatter 40, jede Vor
spannungsladungs-Injizierdiode 50 und jede Vorspan
nungsladungs-Injizierelektrode 70 jeweils ein Signal
ladungs-Auslesegatter 31, ein Vorspannungsladungs-In
jiziergatter 41, eine Vorspannungsladungs-Injizierdiode
51 und eine Vorspannungsladungs-Injizierelektrode 71 in
bezug zur Speicherdiode 11 sowie jeweils ein Signalla
dungs-Auslesegatter 32, ein Vorspannungsladungs -Inji
ziergatter 42, eine -Injizierdiode 52 und eine -Inji
zierelektrode 72 in bezug auf die (bzw. für die) Spei
cherdiode 12.
Gemäß den Fig. 2B und 2C ist der Signalladungstyp-CCD-Kanal
bereich 60 auf einem p-Typ-Substrat 81 ausgebil
det. Die Übertragungselektroden 21 bis 24 sind aufein
anderfolgend auf dem Kanalbereich 60 längs dieses Be
reichs erzeugt. Der Diodenbereich 11 ist neben dem Ka
nalbereich 60 ausgebildet, wobei ein Pixelelektroden
draht 82 mit diesem Diodenbereich 11 gekoppelt ist. Der
Vorspannungsladungs-Injizierdiodenbereich 51 ist an der
einen Seite des Kanalbereichs 60, dem Diodenbereich 11
gegenüberliegend, ausgebildet. Die Vorspannungsladungs-
Injizierelektrode 71 ist mit diesem Diodenbereich 51
gekoppelt. Die Vorspannungsladungs-Injiziergatterelek
troden 41 und 42 sind unter Isolierung auf dem Substrat
81 zwischen dem Diodenbereich 51 und dem Kanalbereich
60 erzeugt. Die Gatter- oder Gateelektrode 41 erstreckt
sich über den Bereich zwischen den Übertragungselektro
den 21 und 24, und die Gatter- oder Gateelektrode 42
verläuft über dem Bereich zwischen den Übertragungs
elektroden 22 und 23. Die Vorspannungsladungs-Injizier
elektroden 71 und 72 verlaufen unter Zwischenfügung von
Isolierschichten über den Übertragungselektroden. Der
Pixelelektrodendraht 82 ist an eine Pixelelektrode 83
angeschlossen.
Auf der gesamten Oberseite des vorstehend beschriebenen
Halbleitergebildes ist ein photoleitender Film bzw.
Photoleiterfilm 84 erzeugt, auf dessen gesamter Ober
fläche eine transparente Elektrode 85 ausgebildet ist.
Die Arbeitsweise dieses Bildsensors ist nachstehend
erläutert.
Fig. 3 veranschaulicht ein Zeitsteuerdiagramm für die
Treiber- oder Ansteuerimpulse ΦV1-ΦV4 zu den Übertra
gungselektroden 20, während Fig. 4 einen schematischen
Querschnitt längs der Linie A-A bzw. B-B in Fig. 2A so
wie eine Änderung im Potentialzustand im Bildsensor
veranschaulicht. Die Ziffern 1 bis 16 nach Fig. 3 ent
sprechen den betreffenden Ziffern gemäß Fig. 4.
Wenn gemäß Fig. 3 die Spannung ΦV1 des Auslesegatters
31 zwischen Zeitpunkten to und t1 eine Spannung VFS er
reicht, werden Signalladungen aus der Speicherdiode
11 auf einen Kanal unter der Übertragungselektrode 21
ausgelesen (vgl. Fig. 4A bis 4C). Wenn sich die An
steuerimpulse ΦV1-ΦV4 der einzelnen Übertragungselek
troden 20 in einer Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten
t1 und t4 auf die in Fig. 3 gezeigte Weise ändern, wer
den Signalladungen auf einen Kanal unter der Übertra
gungselektrode 23 übertragen (vgl. Fig. 4C bis 4E).
Zwischen Zeitpunkten t4 und t5 werden nach der vorlie
genden Methode Vorspannungsladungen in die Speicher
diode 11 injiziert. Das Injizieren der Vorspannungsla
dungen wird später noch näher erläutert werden.
Wenn die Spannung ΦV3 des Auslesegatters (oder -Gates)
32 zwischen Zeitpunkten t5 und t7 eine Spannung VFS er
reicht, werden Signalladungen aus der Speicherdiode 12
ausgelesen, und die Signalladungen werden zu denen in
der Speicherdiode 11 in einem Kanal unter der Übertra
gungselektrode 23 addiert (vgl. Fig. 4E bis 4G). Wenn
sich die Ansteuerimpulse ΦV1 bis ΦV4 der einzelnen
Übertragungselektroden 20 gemäß Fig. 3 in einer Zeit
spanne zwischen Zeitpunkten t7 und t10 ändern, werden
die Signalladungen auf einen Kanal unter der nächsten
Übertragungselektrode 21 übertragen (vgl. Fig. 4G bis
4J). Zwischen den Zeitpunkten t10 bis t11 werden Vor
spannungsladungen in die Speicherdiode 12 injiziert.
Die vorstehend beschriebene Übertragung der Signalla
dungen entspricht derjenigen beim herkömmlichen Zeilen
sprung-Abtastsystem ( Teilbildspeichermodus).
Im folgenden ist die Art der lnjektion der Vorspannungs
ladungen beschrieben. Obgleich sich diese folgende Be
schreibung auf die Speicherdiode 11 bezieht, kann die
gleiche Methode für das Injizieren von Vorspannungsla
dungen in die Speicherdiode 12 angewandt werden.
Fig. 5 veranschaulicht die Ansteuerimpulse ΦV1, ΦB1 und
ΦD1 zur Übertragungselektrode 21, zum Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter 41 bzw. zur Vorspannungsladungs-
Injizierdiode 51. Fig. 6 veranschaulicht einen schema
tischen Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A so
wie eine Änderung im Potentialzustand im Sensor. Die
Ziffern 1 bis 6 gemäß Fig. 5 bezeichnen Zeitpunkte
(timings) entsprechend denen gemäß Fig. 6. Die Symbole
"ta" und "te" in Fig. 5 entsprechen den Symbolen "t4"
bzw. "t5" in Fig. 3.
Wenn die gleiche, für das Auslesen von Signalladungen
gegebene Spannung VFS in einer Zeitspanne zwischen ta
und tb gemäß Fig. 5 an die Übertragungselektrode 21 an
gelegt wird, wird das Auslesegatter 31 leitend gemacht
bzw. durchgeschaltet (vgl. Fig. 6A und 6B). Wenn zwi
schen den Zeitpunkten tb und tc eine Spannung VON an
das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 angelegt
wird, wird dieses Gatter 41 gemäß Fig. 6C geöffnet.
Wenn sich eine an die Vorspannungsladungs-Injizier
diode 51 anzulegende Spannung in einem Intervall zwi
schen den Zeitpunkten tc und td von VDR auf VINJ än
dert, werden die Vorspannungsladungen in die Speicher
diode 11 über das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41
und das Auslesegatter 31 injiziert (vgl. Fig. 6D). Wenn
sich weiterhin die an die Übertragungselektrode 21 an
zulegende Spannung VFS auf 0 V ändert, wird das Auslese
gatter 31 nichtleitend gemacht bzw. gesperrt, so daß
ein spezifischer Anteil der Vorspannungsladungen in der
Speicherdiode 11 verbleibt.
Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode
51 anzulegende Spannung in einem Intervall zwischen den
Zeitpunkten td und te von VINJ auf VDR ändert, werden
überschüssige Vorspannungsladungen gemäß Fig. 6E in
diese Diode 51 entladen bzw. abgeleitet. Schließlich
wird die Spannung des Vorspannungsladungs-Injiziergat
ters 42 zu 0 V, wodurch dieses Gatter 41 geschlossen
bzw. gesperrt wird. Hierauf ist eine Sequenz der Vor
spannungsladungs-Injiziervorgänge abgeschlossen.
Fig. 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Vor
spannungsladungen und einem Restbild für ein Teilbild,
wobei die gespeicherte Kapazität 6,5 nF und ein Signal
strom 300 nA betragen. Wie aus dieser Darstellung her
vorgeht, wird die Größe des Restbilds unter 0,1% ver
nachlässigbar klein, wenn Vorspannungsladungen von etwa
40 nA, bezogen auf Strom, in die Speicherdiode inji
ziert werden. Bei dieser Ausführungsform können Vor
spannungsladungen von 40 nA, die ausreichen, um ein
Restbild zu reduzieren bzw. zu unterdrücken, injiziert
werden, indem das Potential VINJ der Vorspannungsla
dungs-Injizierdiode zum Zeitpunkt der Ladungsinjektion
um 0,1 V kleiner eingestellt wird als das Potential des
Signalladungs-Ausleseteils.
Wie vorstehend beschrieben, sind bei dieser Ausfüh
rungsform die Gatter 40 und die Dioden 50 vorgesehen,
um Vorspannungsladungen elektrisch in die Signalla
dungs-Speicherdioden 10 zu injizieren, so daß die Vor
spannungsladungen ohne die Notwendigkeit für eine
Lichtquelle in die Speicherdioden 50 injiziert werden
können. Infolgedessen können für die ausreichende Un
terdrückung eines kapazitiven Restbilds genügend große
Vorspannungsladungen gleichmäßig in die Speicherdioden
10 injiziert werden, so daß damit ein Restbild deutlich
vermindert bzw. unterdrückt werden kann. Da der Fest
körper-Bildsensor von einem Schichtaufbautyp ist, ruft
auch die Anordnung der Vorspannungsladungs-Injektions
gatter 40 und der Dioden 50 keine Probleme, wie Verklei
nerung der Fläche eines lichtempfindlichen Teils, her
vor.
Im folgenden ist eine andere Art der Ansteuerung des
Festkörper-Bildsensors gemäß Fig. 1 erläutert.
Mit Ausnahme der vorher anhand der Fig. 5 und 6 be
schriebenen Injektion von Vorspannungsladungen erfolgt
diese Operation auf dieselbe Weise wie bei der oben
beschriebenen Ausführungsform.
Fig. 8 veranschaulicht die Treiber- oder Ansteuerimpul
se ΦV1, ΦB1 und ΦD1 zur Übertragungselektrode 21, zum
Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 bzw. zur Vorspan
nungsladungs-Injizierdiode 51; die Fig. 9A bis 9E ver
anschaulichen einen schematischen Querschnitt längs der
Linie B-B in Fig. 2A sowie eine Änderung im Potential
zustand im Sensor. Ziffern 3 bis 6 in Fig. 8 bezeichnen
Zeitpunkte entsprechend denen nach Fig. 9. Zeitpunkte
ta und te gemäß Fig. 8 entsprechen den Zeitpunkten t4
bzw. t5 gemäß Fig. 3.
Diese Ansteuermethode unterscheidet sich von der vorher
beschriebenen dadurch, daß Vorspannungsladungen, die
vorübergehend in die Signalladungs-Speicherdiode inji
ziert worden sind, über das Auslesegatter 31 zur Vor
spannungsladungs-Injizierdiode 51 abgeleitet werden.
Die Operation zwischen den Zeitpunkten ta und tc ist
dieselbe wie bei der vorher beschriebenen Ausführungs
form. Wenn sich eine an die Vorspannungsladungs-Inji
zierdiode 51 anzulegende Spannung in einem Intervall
zwischen den Zeitpunkten tc und td von VDR auf VINJ än
dert, werden die Vorspannungsladungen gemäß Fig. 9B
über das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 und das
Auslesegatter 31 in die Speicherdiode 11 injiziert.
Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode
51 anzulegende Spannung in einem lntervall zwischen den
Zeitpunkten td und te von VINJ auf VDR ändert, werden
vorübergehend in der Speicherdiode 11 gespeicherte Vor
spannungsladungen gemäß Fig. 9C in diese Diode 51 ent
laden bzw. abgeleitet. Wenn sich die an die Übertra
gungselektrode 21 anzulegende Spannung von VFS auf 0 V
ändert, wird das Auslesegatter 31 gesperrt, wobei ein
spezifischer Anteil der Vorspannungsladungen in der
Speicherdiode 11 verbleibt (vgl. Fig. 9D). Schließlich
erreicht die Spannung des Vorspannungsladungs-Injizier
gatters 41 0 V, wodurch dieses Gatter 41 geschlossen
bzw. gesperrt wird (vgl. Fig. 9E). Hierauf ist eine Se
quenz der Vorspannungsladungs-Injizieroperationen ab
geschlossen.
Bei der beschriebenen Ausführungsform werden die Vor
spannungsladungen durch Herbeiführung einer Spannungs
änderung der Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 von
VINJ auf VDR vor dem Sperren (disabling) des Auslese
gatters 31 abgeleitet. Wahlweise können die Vorspan
nungsladungen abgeleitet werden, indem das Auslesegat
ter 31 vorübergehend gesperrt und sodann wieder frei
gegeben wird.
Fig. 10 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Vor
spannungsladungen und den Größen eines Restbilds sowie
eines Dunkelstroms beim ersten Teilbild bei der be
schriebenen Ausführungsform. Wenn dabei die Größe der
injizierten Vorspannungsladungen einen spezifischen
Pegel oder einen höheren Pegel erreicht, hängt der Dun
kelstrom kaum von den Vorspannungsladungen ab. Wenn die
Menge oder Größe der in die Speicherdiode zu injizie
renden Vorspannungsladungen über einem spezifischen Pe
gel liegt, obgleich sie von einem Pixel zum anderen
variiert, ruft eine derartige Variation keine Änderung
im Dunkelstrom hervor, und sie ist daher vernachlässig
bar. Neben der mit der vorher beschriebenen Ausführungs
form erreichten Wirkung bietet diese Ausführungsform
somit den Vorteil, daß eine Variation bzw. Änderung in
den Vorspannungsladungen vernachlässigbar ist.
Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebenen spe
ziellen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise
brauchen die Vorspannungsladungs-Injiziergatter und
-dioden nicht notwendigerweise den Signalladungs-Spei
cherdioden des CCD-Kanals gegenüberliegend vorgesehen
zu sein, vielmehr können sie auch auf der (gleichen)
Seite der Speicherdioden angeordnet sein, solange es
die Anordnung zuläßt, daß Vorspannungsladungen über die
Signalladungs-Auslesegatter in die Speicherdioden
injiziert werden. Obgleich bei den beschriebenen Aus
führungsformen lediglich Vorspannungsladungs-Injizier
gatter und -dioden vorgesehen sind, können Vorspannungs
ladungs-Entlade- oder -Ableitgatter und -dioden neben
jedem Ladungsübertragungsteil vorgesehen sein, und zwar
zusätzlich zu den Vorspannungsladungs-Injiziergattern
und -dioden, die neben den Signalladungs-Speicherdioden
vorgesehen sind. Wenn Vorspannungsladungs-Ableitdiode
und -gatter die Vorspannungsladungen über das Signal
ladungs-Auslesegatter abzuleiten vermögen, ist ihre An
ordnungsposition nicht eingeschränkt. Darüber hinaus
ist die Erfindung auf allgemeine CCD-Bildsensoren sowie
die oben erläuterten Schichtaufbau-Bildsensoren an
wendbar.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, sind erfin
dungsgemäß Vorspannungsladungs-Injiziergatter und -dioden
sowie Vorspannungsladungs-Ableitgatter und -dioden
so vorgesehen, daß elektrische Injektion und
Ableitung (discharging) von Vorspannungsladungen in
bzw. aus der Speicherdiode sichergestellt sind. Infol
gedessen können Vorspannungsladungen gleichmäßig und
ohne die Notwendigkeit für eine Lichtquelle in die
Signalladungs-Speicherdiode injiziert werden, wodurch
die Restbildcharakteristik verbessert wird.
Im folgenden ist anhand von Fig. 11 eine andere Aus
führungsform beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform sind Speicherdioden 121 in
einer Matrix auf einem Halbleitersubstrat 110 angeord
net, wobei zahlreiche vertikale Register 130 neben den
Dioden 121 in Vertikalrichtung (C-Richtung) ausgebildet
sind. Neben diesen Registern sind in vertikaler Rich
tung zahlreiche Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit
teile 131 vorgesehen. Am einen Ende der Vertikalregi
ster 130 ist ein Horizontalregister 140 vorgesehen, an
dessen einem Ende ein Ladungsdetektor 141 vorgesehen
ist.
Nachstehend ist die Anordnung des Bildsensors gemäß
Fig. 11 anhand der Fig. 12A und 12C im einzelnen erläu
tert. Gemäß Fig. 12B sind der die Speicherdioden bil
dende n-Typ -Bereich 121 und der die Vorspannungsla
dungs-Injizier/Ableitdioden bildende n-Typ-Bereich 122
auf dem p-Typ-Siliziumsubstrat 110 ausgebildet. In Ver
tikalrichtung zwischen den Speicherdioden 121 und den
Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitdioden 122 sind n-
(Typ-)CCD-Kanäle 112 vorgesehen. Über jedem CCD-Kanal
112 liegt ein Auslesegatter 114 zum Auslesen von La
dungen aus der Speicherdiode 121 auf diesem CCD-Kanal
112. Zwischen den Auslesegattern 114 ist ein Übertra
gungsgatter 116 zum Übertragen von Ladungen in Verti
kalrichtung vorgesehen. Weiterhin sind neben den Aus
lesegattern 114 Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit
gatter 118 zum Injizieren und Ableiten von Vorspannungs
ladungen in die bzw. aus den Vorspannungsladungs-Ab
leitdioden (Ladungsdioden) 122 vorgesehen. Jedes Aus
lesegatter 114 liegt über dem CCD-Kanal 112 und er
streckt sich vom einen Ende der Speicherdiode 121 zum
einen Ende der Diode 122. Gemäß Fig. 12B sind ein La
dungsauslesebereich 122 zwischen dem CCD-Kanal 112 und
der Speicherdiode 121 und ein Vorspannungsladungs-In
jizier/Ableitbereich 133 zwischen dem CCD-Kanal 121 und
der Diode 122 ausgebildet. Gemäß Fig. 12C ist zwischen
benachbarten Speicherdioden 121 zum Trennen derselben
ein p-Bereich bzw. eine p-Zone 111 erzeugt. Auf ähn
liche Weise ist ein p-Bereich 111 zum Trennen von n
Reihen von CCD-Kanälen 112 voneinander zwischen diesen
Kanälen vorgesehen (vgl. Fig. 12B).
Eine Pixelelektrode 127 ist unter Zwischenfügung eines
Isolierfilms 119 auf dem Siliziumsubstrat 110 und den
Gattern 114, 116 und 118 angeordnet. Diese Pixelelek
trode 127 ist über Leitungselektroden 124 mit den Spei
cherdioden 121 gekoppelt. Eine an die Vorspannungsla
dungs-Injizier/Ableitdiode 122 angeschlossene Verdrah
tung 125 ist zwischen der Pixelelektrode 127 und dem
Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitgatter 118 ausge
bildet. Ein Photoleiterfilm 128 aus amorphem Silizium
(Si) oder dergleichen ist auf der Pixelelektrode 127
ausgebildet, während eine transparente Elektrode 129
aus ITO oder dergleichen auf dem Film 128 erzeugt ist.
Gemäß Fig. 11 ist ein Horizontalregister 140 horizon
tal bzw. waagerecht am einen Ende der Vertikalregister
130 vorgesehen. Von den Vertikalregistern 130 werden
Ladungen zum Horizontalregister 140 übertragen, wobei
diese Ladungen durch den Ladungsdetektor 141 detektiert
werden.
Das besondere Merkmal des Festkörper-Bildsensors mit
dem beschriebenen Aufbau liegt darin, daß Injektion und
Ableitung von Vorspannungsladungen durch die gleiche
Diode 122 und das gleiche Gatter 118 erfolgen. Weiter
hin sind neben beiden Seiten jedes Vorspannungsladungs-
Injizier/Ableitteils 131 (2n-1) Reihen von Ladungs
übertragungsteilen und 2n Reihen von Ladungsübertra
gungsteilen (n = eine positive ganze Zahl) vorgesehen.
Mit anderen Worten: eine (lotrechte) Spalte des Vorspan
nungsladungs-Injizier/Ableitteils 131 ist für zwei be
nachbarte (waagerechte) Reihen bzw. Zeilen der Ladungs-
Übertragungsteile vorgesehen. Ebenso sind in Vertikal
richtung (C-Richtung) (2n-1) Reihen bzw. Zeilen und
2n Reihen bzw. Zeilen (n = eine positive ganze Zahl)
von Speicherdioden angeordnet. Mit dieser Anordnung
wird die horizontale Fläche verkleinert.
Injektion und Ableitung von Vorspannungsladungen im be
schriebenen Festkörper-Bildsensor können auf dieselbe
Weise wie bei den vorher anhand der Fig. 5, 6A bis 6E,
8 und 9A bis 9E erläuterten Ausführungsformen erfolgen.
In diesem Fall entsprechen die Vorspannungsladungs-In
jizierdiode 51, das -Injiziergatter 41, das Signalla
dungs-Auslesegatter 31, das auch als Übertragungselek
trode dient, und die Speicherdiode 11 (vgl. Fig. 6A und
9A) jeweils der Vorspannungsladungs-Injizierdiode 122,
dem -Injiziergatter 118, dem Signalladungs-Auslesegat
ter 114, das auch als Übertragungselektrode dient, bzw.
der Speicherdiode 121 gemäß Fig. 12B.
Wenn bei der in den Fig. 9A bis 9E dargestellten Ope
ration in einem Fall, in welchem das bedarfsweise an
die Diode 122 anzulegende Potential gleich VINJ ist
(entsprechend dem Zustand gemäß Fig. 9B), das Potential
ΦTE der transparenten Elektrode 129 gemäß Fig. 13 auf
einen höheren Wert als VINJ eingestellt oder gesteuert
wird, wird im Photoleiterfilm 128 ein Potential er
zeugt, das von der Speicherdiode 122 zur transparenten
Elektrode 129 abnimmt, so daß eine gute Injektion bzw.
Wanneninjektion (well injection) von Vorspannungsla
dungen in den Photoleiterfilm 128 gewährleistet wird.
Infolgedessen können ein kapazitives Bild und ein Pho
toleiter-Restbild sicher ausgeschaltet werden.
Im folgenden ist anhand der Fig. 14A bis 19C ein Ver
fahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors gemäß
den Fig. 1 und 2A bis 2C beschrieben.
Zunächst wird ein Fremdatom desselben Leitfähigkeits
typs wie dem eines p-Siliziumsubstrats 110 unter Ver
wendung einer vorbestimmten Maske durch Ioneninjektion
in das Substrat 110 eingeführt, um dabei im Substrat
110 eine p⁺-Zone (Inversionsschutzzone oder -bereich)
111 zu erzeugen. Weiterhin wird im Substrat 110 unter
Verwendung einer gegebenen Maske durch Ioneninjektion
oder PSG-Diffusion ein bandförmiger CCD-Kanal (n-Zone)
112 erzeugt.
Hierauf wird auf dem Substrat 110 über einen Gateoxid
film 113 ein polykristalliner Siliziumfilm 114 erzeugt
und zu einem vorbestimmten Muster geformt, um ein
erstes Transfergatter 114 gemäß den Fig. 15A bis 15C zu
erzeugen. Dabei wird im polykristallinen Silziumfilm
114 eine Öffnung C ausgebildet.
Danach wird auf dem Substrat 110 über einen Gateoxid
film 115 ein polykristalliner Siliziumfilm 116 erzeugt
und zu einem vorbestimmten Muster geformt, um ein zwei
tes Übertragungsgatter 116 gemäß den Fig. 16A bis 16C
zu bilden.
Hierauf wird auf dem Substrat 110 über einen Gateoxid
film 117 ein polykristalliner Silziumfilm 118 erzeugt
und zu einem vorbestimmten Muster geformt, um ein Vor
spannungsladungs-Injizier/Ableitgatter 118 gemäß den
Fig. 17A bis 17C zu bilden.
Anschließend wird nach einem CVD-Verfahren eine Isolier
schicht 119 auf das Halbleitergebilde gemäß den Fig.
17A bis 17C aufgebracht bzw. aufgedampft, wonach im
Speicherdiodenbereich und im Vorspannungsladungs-Inji
zier/Ableitdiodenbereich ein Kontaktloch 120 ausgebil
det wird (vgl. Fig. 18A bis 18C). Über dieses Kontakt
loch 120 wird durch Ioneninjektion oder PSG-Diffusion
eine als Speicherdiode dienende n-Zone 122 erzeugt.
Sodann wird auf der Seitenwand des Kontaktlochs 120 ein
Isolierfilm 123 ausgebildet, wonach im Kontaktloch 120 ein
polykristalliner Siliziumfilm oder eine andere Leiter
schicht geformt wird, um damit eine Zuleitungs- bzw.
Leiterelektrode 124 und eine Drahtleitung 125 für die
Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitdiode herzustellen
(vgl. Fig. 19A bis 19C) .
Der Isolierfilm 123 wird wie folgt ausgebildet: Bei
spielsweise wird auf dem Substrat 110 über das Kontakt
loch 120 ein thermisch oxidierter Film bzw. thermischer
Oxidfilm erzeugt, auf welchem ein Siliziumnitridfilm
abgelagert wird, worauf diese beiden Filme durch re
aktives Ionenätzen zurückgeätzt werden, so daß sie auf
der Seitenwand des Kontaktlochs 120 zurückbleiben.
Danach wird in der Leiterelektrode 124 ein Kontaktloch
126 ausgebildet, durch das hindurch eine Pixelelektro
de 127 auf der Leiterelektrode 124 erzeugt wird (vgl.
Fig. 12A bis 12C). Auf der Pixelelektrode 127 wird
ein Photoleiterfilm 128 aus amorphem Silizium oder der
gleichen abgelagert, und eine transparente Elektrode
129 aus ITO oder dergleichen wird auf den Photoleiterfilm
128 aufgebracht.
Beim oben beschriebenen Gebilde können das Signal-Aus
lesegatter 114 und die Leiterelektrode 124 oder das Vor
spannungsladungs-Injizier/Ableitgatter 118 und seine
Drahtleitung 125 durch Selbstjustierung ohne Berücksich
tigung ihrer Mißausrichtung oder Konversionsdifferenz
geformt werden. Auf diese Weise können die Flächen der
Speicherdiode 121 und der Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit
diode 122 verkleinert werden. Weiterhin kann
durch die Anordnung der Dioden 121 und 122 ein Rest
bild sicher unterdrückt werden. Da außerdem die vor
übergehend injizierten Vorspannungsladungen über das
Auslesegatter 114 zur Vorspannungsladungs-Injizier/Ab
leitdiode 122 entladen bzw. abgeleitet werden, hängt
die Größe des Dunkelstroms nicht von der Größe der Vor
spannungsladungen über einem spezifischen Mengenanteil
ab, wodurch eine gleichmäßige Injektion von Vorspan
nungsladungen gewährleistet wird.
Bei der beschriebenen Ausführungsform können die Spei
cherdiode 121 und die genannte Diode 122 durch Fremd
atomdiffusion aus der Zuleit- oder Leiterelektrode 124
und der Drahtleitung 125 geformt werden.
Die Speicherdioden brauchen nicht in einer Matrixform
angeordnet zu sein, sondern können auch in einer Reihe
bzw. Zeile angeordnet sein. In diesem Fall brauchen die
Vertikalregister nicht vom Horizontalregister getrennt
zu sein, und es braucht nur ein einziger Ladungsüber
tragungsteil längs der Reihe der Speicherdioden vorge
sehen zu werden.
Nachstehend ist anhand von Fig. 20 ein Verfahren zum
Injizieren von Vorspannungsladungen durch Änderung des
Potentials der transparenten Elektrode im Festkörper-
Bildsensor gemäß den Fig. 1 und 2 beschrieben. Obgleich
sich die folgende Beschreibung auf die Injektion von
Vorspannungsladungen in den Photoleiterfilm 84 über die
Speicherdiode 11 bezieht, ist die gleiche Methode für
die Injektion von Vorspannungsladungen in den Photo
leiterfilm 84 über die Speicherdiode 12 anwendbar.
Fig. 20 veranschaulicht die Treiber- oder Ansteuerim
pulse ΦV1, ΦB1, ΦD1 und ΦTE zur Übertragungselektrode
21, zum Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41, zur Vor
spannungsladungs-Injizierdiode 51 bzw. zur transparen
ten Elektrode 85. Die Fig. 21A bis 21I veranschaulichen
einen schematischen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A
sowie eine Änderung des Potentialzustands im Bild
sensor. Ziffern 1 bis 6 in Fig. 20 stehen für Zeitpunk
te entsprechend denen nach den Fig. 21B bis 21I. Symbo
le "ta" und "te" gemäß Fig. 20 entsprechen "t4" bzw.
"t5" nach Fig. 3.
Wenn die gleiche, für das Auslesen von Signalladungen
gegebene Spannung VFS gemäß Fig. 20 in einem Intervall
zwischen Zeitpunkten ta und tb an die Übertragungs
elektrode 21 angelegt wird, wird das Auslesegatter 31
gemäß Fig. 21B durchgeschaltet bzw. geöffnet. Wenn zwi
schen Zeitpunkten tb und tc eine Spannung VON an das
Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 angelegt wird,
wird letzteres gemäß Fig. 21C geöffnet. Wenn sich die
an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 anzulegende
Spannung in einem Intervall zwischen Zeitpunkten tc und
td von VDR auf VINJ ändert, werden die Vorspannungsla
dungen über das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41
und das Auslesegatter 31 in die Speicherdiode 11 inji
ziert (vgl. Fig. 21D).
Wenn sich die an die transparente Elektrode 85 anzu
legende Spannung während eines Intervalls zwischen td
und te von V0 auf Vf ändert, werden die Vorspannungsla
dungen über die Speicherdiode 11 in den Photoleiter
film 84 injiziert (vgl. Fig. 21E). Ein Teil der in den
Photoleiterfilm 84 injizierten Vorspannungsladungen
füllt das Fangstellenniveau aus, das eine Ursache für ein
Photoleiter-Restbilds ist. Wenn sich die an die trans
parente Elektrode 25 anzulegende Spannung zwischen den
Zeitpunkten te und tf von Vf auf V0 ändert, wird der
überschüssige Anteil der Signalladungen, welcher das
Fangstelleniveau nicht auffüllt, zur Seite der Spei
cherdiode 11 abgeleitet (vgl. Fig. 21F).
Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode
51 anzulegende Spannung während eines Intervalls zwi
schen tf und tg von VINJ auf VDR ändert, werden die Vor
spannungsladungen im Ansteuerimpuls 11 gemäß Fig. 21G
ebenfalls zu dieser Diode 51 abgeleitet. Wenn sich die
an die Übertragungselektrode 21 anzulegende Spannung
von VFS auf 0 ändert, wird das Auslesegatter gemäß Fig. 21H
geschlossen bzw. gesperrt (rendered OFF). Schließ
lich wird die Spannung des Vorspannungsladungs-Inji
ziergatters 41 zu 0 V, wodurch dieses Gatter 41 ge
schlossen wird (vgl. Fig. 21I). Hierauf ist eine Se
quenz der Vorspannungsladungs-Injizieroperationen ab
geschlossen.
Da bei der beschriebenen Ausführungsform das Gatter 40
und die Diode 50 vorgesehen sind, um Vorspannungsla
dungen elektrisch in die Signalladungs-Speicherdiode 10
zu injizieren bzw. aus ihr abzuleiten, können die Si
gnalladungen ohne Notwendigkeit für eine Lichtquelle in
die Speicherdiode 50 injiziert werden. Infolgedessen
können für die zufriedenstellende Unterdrückung einer
kapazitiven Verzögerung ausreichend große Vorspannungs
ladungen gleichmäßig in die Speicherdiode 50 injiziert
werden, so daß auf diese Weise ein Restbild wirksam und
deutlich reduziert bzw. unterdrückt werden kann.
Da weiterhin Vorspannungsladungen durch Änderung der an
die transparente Elektrode 85 anzulegenden Spannung
über die Speicherdiode 50 elektrisch in den Photolei
terfilm 84 injiziert werden, ist es möglich, eine aus
reichende Menge der Vorspannungsladungen zu injizieren
und damit eine Photoleiter-Verzögerung zu vermindern
bzw. zu unterdrücken. Zusätzlich zu Signalladungen wird
außerdem eine Überschußmenge oder -größe der injizier
ten Vorspannungsladungen über die Speicherdiode 50 zur
Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 abgeleitet, so daß
der Dynamikbereich nicht eingeschränkt wird.
Bei der oben beschriebenen Operation braucht die an die
transparente Elektrode anzulegende Spannung nur in der
Weise geändert zu werden, daß die Vorspannungsladungen
in den Photoleiterfilm injiziert oder aus ihm abgelei
tet werden können, während das Potential der Speicher
diode durch das Potential der Vorspannungsladungs-Inji
zierdiode bestimmt wird. Weiterhin kann die an die
transparente Elektrode anzulegende Spannung in der
Weise geändert werden, daß das von der transparenten
Elektrode zur Speicherdiode verlaufende oder reichende
Magnetfeld vergrößert wird, um den Wirkungsgrad der Ab
leitung der Überschußmenge an Vorspannungsladungen zu
verbessern, solange die an die transparente Elektrode
angelegte Spannung auf den zum Zeitpunkt der Speiche
rung von Signalladungen vorgesehenen Pegel zurückge
führt wird, während das Potential der Speicherdiode
durch das Potential der Vorspannungsladungs-Injizier
diode bestimmt wird.
Bei der beschriebenen Ausführungsform können aufgrund
der Anordnung von Gatter und Diode für Injektion und
Ableitung von Vorspannungsladungen die letzteren in die
Speicherdiode injiziert bzw. aus ihr abgeleitet werden.
Es ist damit möglich, die Vorspannungsladungen ohne die
Notwendigkeit für eine Lichtquelle gleichmäßig in die
Signalladungs-Speicherdiode zu injizieren, wodurch die
Restbildcharakteristik verbessert wird. Darüber hinaus
können die Vorspannungsladungen elektrisch in den Pho
toleiterfilm injiziert und aus ihm abgeleitet werden,
so daß eine für die Reduzierung oder Unterdrückung der
Photoleiter-Verzögerung ausreichend große Menge an Vor
spannungsladungen injiziert und der Überschußanteil der
Vorspannungsladungen abgeleitet werden kann, wodurch
eine Einschränkung des Dynamikbereichs vermieden wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 22 sind
zahlreiche Signalladungs-Speicherdioden 10 in einer
Matrix auf einem Si-Substrat angeordnet, wobei Übertra
gungselektroden eines vertikalen CCD-Elements in Spal
ten und neben den Speicherdioden 10 vorgesehen sind.
Diese Übertragungselektroden werden mit Treiber- oder
Ansteuerimpulsen ΦV1, ΦV2, ΦV3 und ΦV4 beaufschlagt,
wobei das vertikale CCD-Element von einem Vierphasen-Ansteuertyp
ist. Die Elektroden 20, an welchen die An
steuerimpulse ΦV1 und ΦV3 anliegen, dienen auch als
Signalladungs-Auslesegatter 30.
Dieser Festkörper-Bildsensor umfaßt Ladungsinjizier-
Gatter 40 und -dioden 50, Vorspannungsladungs-Ableit
gatter 240 und -dioden 50′. Die Vorspannungsladungs-Ab
leitgatter 240 und -dioden 50′ sind auf der gegenüber
liegenden Seite von den Speicherdioden 10 des vertika
len CCD-Elements vorgesehen, und die Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter 40 und -dioden 50 sind den Spei
cherdioden 10 benachbart angeordnet. Treiber- bzw. An
steuerimpulse ΦB1 und ΦB2 werden an die Gatter 40, An
steuerimpulse ΦC1 und ΦC2 an die Gatter 240 und An
steuerimpulse ΦD1 und ΦD2 an die Dioden 50 angelegt.
Als Ergebnis werden die Vorspannungsladungen von den
Dioden 50 über die Gatter 40 injiziert, während die
gespeicherten Vorspannungsladungen von den Speicher
dioden 10 zu den Dioden 50 über die Auslesegatter 30,
das vertikale CCD-Element und die Gatter 240 abgelei
tet werden.
Wie aus der Aufsicht des Festkörper-Bildsensors gemäß
Fig. 23A hervorgeht, bilden von den Übertragungselek
troden 20 diejenigen Elektroden 21, 23, an denen die
Ansteuerimpulse ΦV1 und ΦV3 anliegen, eine erste Poly
siliziumschicht, während die mit den Ansteuerimpulse
ΦV2 und ΦV4 beaufschlagten Elektroden 22, 24 eine zwei
te Polysiliziumschicht bilden. Die Gatter 40 bilden
eine dritte Polysiliziumschicht. Zahlreiche vertikale
CCD-Kanäle 60 sind lotrecht bzw. vertikal vorgesehen.
An die Dioden 50′ ist eine Elektrode 51 angeschlossen.
Die Speicherdioden 10 umfassen jeweils eine Diode 11
neben der Übertragungselektrode 21 und eine Diode 12
neben der Übertragungselektrode 23. Auf ähnliche Weise
umfassen jedes Auslesegatter 30, jedes Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter 40, jedes Vorspannungsladungs- Ab
leitgatter 240, jede Diode 50 und jede Vorspannungsla
dungs-Injizierelektrode 70 jeweils ein Signalladungs-
Auslesegatter 31, ein Vorspannungsladungs-Injiziergat
ter 41, ein Vorspannungsladungs-Ableitgatter 241, eine
Diode 51 und eine Vorspannungsladungs-Injizierelektro
de 71 in bezug auf die bzw. für die Speicherdiode 11
sowie jeweils ein Signalladungs-Auslesegatter 32, ein
Vorspannungsladungs-Injiziergatter 42, ein -Ableitgat
ter 242, eine Diode 52 und eine Vorspannungsladungs-In
jizierelektrode 72 in bezug auf die bzw. für die Spei
cherdiode 12.
Gemäß den Fig. 23B und 23C ist der n-(Typ-)CCD-Kanal
bereich 60 auf einem p-Substrat 81 ausgebildet. Die
Übertragungselektroden 21 bis 24 sind sequentiell bzw.
aufeinanderfolgend auf dem Kanalbereich 60 längs die
ses Bereichs geformt. Der Diodenbereich 11 ist neben
dem Kanalbereich 60 ausgebildet, wobei eine Pixelelek
trodendrahtleitung 82 an diesen Diodenbereich 11 ange
koppelt ist. Der Diodenbereich 51 ist auf der einen,
vom Diodenbereich 11 abgewandten Seite des Kanalbe
reichs 60 geformt. Die Vorspannungsladungs-Injizier
elektrode 71 ist an diesen Diodenbereich 51 angeschlos
sen. Die Vorspannungsladungs-Injiziergatterelektroden
oder -gateelektroden 41 und 42 sowie die -Ableitgatter
241 und 242 sind unter Isolierung auf dem Substrat 81
zwischen dem Diodenbereich 51 und dem Kanalbereich 60
sowie zwischen dem Diodenbereich 51 und der Speicher
diode 11 ausgebildet. Die Gateelektrode 41 erstreckt
sich über den Bereich zwischen den Übertragungselektro
den 21 und 24, während sich die Gatter- bzw. Gateelek
trode 42 über dem Bereich zwischen den Übertragungs
elektroden 22 und 23 erstreckt. Die Vorspannungsla
dungs-Injizierelektroden 71 und 72 erstrecken sich über
Isolierschichten oberhalb der Übertragungselektroden.
Die Pixelelektrodendrahtleitung 82 ist an eine Pixel
elektrode 83 angeschlossen.
Auf der gesamten Oberfläche des beschriebenen Halblei
tergebildes ist ein Photoleiterfilm 84 geformt, auf
dessen gesamter Oberseite eine transparente Elektrode
85 ausgebildet ist.
Die Arbeitsweise des Bildsensors gemäß Fig. 22 bis 23C
ist nachstehend in Verbindung mit den Zeitsteuerdiagram
men gemäß Fig. 3 sowie anhand der Fig. 4A bis 4L
beschrieben.
Wenn gemäß Fig. 3 die Spannung ΦV1 des Auslesegatters
31 zwischen Zeitpunkten to und t1 zu einer Spannung VFS
wird, werden Signalladungen aus der Speicherdiode 11
auf einen Kanal unter der Übertragungselektrode 21 aus
gelesen (vgl. Fig. 4A bis 4C). Wenn sich die Ansteuer
impulse ΦV1 bis ΦV4 der einzelnen Übertragungselektro
den 20 gemäß Fig. 4 während eines Intervalls zwischen
Zeitpunkten t1 und t4 ändern, werden die Signalladungen
auf einen Kanal unter der Übertragungselektrode 23
übertragen (vgl. Fig. 4C bis 4E). Zwischen Zeitpunkten
t4 und t5 werden Vorspannungsladungen nach der vorlie
genden Methode in die Speicherdiode 11 injiziert und
aus ihr abgeleitet. Das Injizieren und Ableiten der Vor
spannungsladungen wird später noch näher erläutert
werden.
Wenn die Spannung ΦV3 des Auslesegatters 32 zwischen
Zeitpunkten t5 und t7 zu einer Spannung VFS wird, wer
den Signalladungen aus der Speicherdiode 12 ausgelesen
und mit den (Ladungen) in der Speicherdiode 11 in einem
Kanal unter der Übertragungselektrode 23 addiert (vgl.
Fig. 4E bis 4G). Wenn sich die Ansteuerimpulse ΦV1 bis
ΦV4 der einzelnen Übertragungselektroden 20 gemäß Fig. 3
in einem Intervall zwischen Zeitpunkten t7 und t10
ändern, werden Signalladungen auf einen Kanal unter der
nächsten Übertragungselektrode 21 übertragen (vgl. Fig. 4G
bis 4J). Zwischen Zeitpunkten t10 bis t11 werden Vor
spannungsladungen in die Speicherdiode 12 injiziert.
Die oben beschriebene Übertragung der Signalladungen
ist die gleiche wie beim herkömmlichen Zeilensprung- Ab
tastsystem (Teilbildspeichermodus).
Im folgenden ist die Injektion von Vorspannungsladungen
beschrieben. Obgleich sich diese Beschreibung auf die
Speicherdiode 11 bezieht, ist die gleiche Methode auch
für die Injektion von Vorspannungsladungen in die Spei
cherdiode 12 anwendbar.
Fig. 24 veranschaulicht die Treiber- oder Ansteuerimpul
se ΦV1, ΦB1, ΦC1 und ΦD1 zur Übertragungselektrode 21,
zum Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 und zum -Ab
leitergatter 41 bzw. zur Diode 51. Die Fig. 25A bis 25E
veranschaulichen einen schematischen Querschnitt längs
der Linie B-B in Fig. 2A sowie Änderungen im Potenti
alzustand im Sensor. Die Ziffern 1 bis 6 in Fig. 24
stehen für Zeitpunkte entsprechend denen nach den Fig. 6B
bis 6E. Die Symbole "ta" und "tf" in Fig. 24 ent
sprechen den Symbolen (Zeitpunkten) t4 bzw. t5 gemäß
Fig. 3.
Wenn die Spannung VON zwischen den Zeitpunkten ta und tb ge
mäß Fig. 24 an das Vorspannungsladungs-Injiziergatter
241 angelegt wird, wird dieses Gatter 241 gemäß Fig. 25A
geöffnet. Sodann wird eine Vorspannungsladungs-In
jizierspannung VINJ an die Diode 51 angelegt, wobei
diese Diode als Vorspannungsladungs-Injizierdiode wirkt
und die Vorspannungsladungen über das Vorspannungsla
dungs-Injiziergatter 241 in die Speicherdiode 11 inji
ziert. Wenn die an das Gatter 241 angelegte Spannung
zwischen den Zeitpunkten tb und tf von VON auf VOFF
variiert, schließt das Gatter 241 (vgl. Fig. 25B), wor
auf die Injektionsoperation für die Vorspannungsla
dungen abgeschlossen ist. In dieser Zeitspanne ändert
sich die an der Diode 51 anliegende Spannung von VINJ
auf VDR, so daß die Diode 51 als Vorspannungsladungs-
Ableitdiode wirksam wird. Wenn zwischen den Zeitpunkten
tc und td die gleiche Spannung VFS wie in der Signal
ladungs-Ausleseoperation an die Übertragungselektrode
21 angelegt wird, wird das Signalladungs-Auslesegatter
31 eingeschaltet bzw. durchgeschaltet, so daß die Vor
spannungsladungen von der Speicherdiode aus dem verti
kalen CCD-Element abgeleitet werden. Wenn in diesem
Zustand die Spannung VON an das Vorspannungsladungs-
Gatter 241 angelegt wird, wird dieses gemäß Fig. 25D
geöffnet, so daß die Vorspannungsladungen vom verti
kalen CCD-Element zur Diode 51 abgeleitet werden.
Wenn sich die an der Übertragungselektrode 21 anlie
gende Spannung zwischen den Zeitpunkten td und te von
VFS auf 0 V ändert, wird das Signalladungs-Auslesegat
ter 31 abgeschaltet bzw. gesperrt. In einer letzten Pe
riode zwischen den Zeitpunkten te und tf wird die am
Vorspannungsladungs-Ableitgatter 241 anliegende Span
nung von VON auf 0 (V) geändert, so daß sich die an der
Diode 51 anliegende Spannung von VRD auf VINJ ändert
und damit das Vorspannungsladungs-Ableitgatter 241 ge
schlossen wird. Als Ergebnis wird die Diode 51 als Vor
spannungsladungs-Injizierdiode wirksam, wobei eine Se
quenz der Vorspannungsladungs-Injektions- und -Ableit
operationen abgeschlossen ist.
Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 22 und 25E wird
die Diode 50 gemeinsam sowohl für Ladungsinjektion als
auch -ableitung benutzt; wenn jeweilige getrennte Dio
den für Ladungsinjektion und -Ableitung vorgesehen
sind, werden die Vorspannungsladung-Injizierdiode mit
der Spannung VINJ und die Vorspannungsladungs-Ableit
diode mit der Spannung VDR beaufschlagt, während die
anderen Schaltungselemente ähnlich wie bei der oben
beschriebenen Ausführungsform betrieben werden.
Claims (13)
1. Festkörper-Bildsensor, mit:
- - einem Halbleitersubstrat (81),
- - einer Anzahl von im Halbleitersubstrat (81) geformten Anordnungen von Signalladungs-Speicherdioden (10),
- - einer Anzahl von der Signalladungs-Speicherdioden (30), die im Halbleitersubstrat (81) und benachbart zu den Anordnungen der Signalladungs-Speicherdioden (10) ausgebildet sind und mit
- - einer Anzahl von Signalladungs-Übertragungsteilen (20), die im Halbleitersubstrat (81) und benachbart zu den Signalladungs-Ausleseteilen (30) ausgebildet sind,
gekennzeichnet durch eine Anzahl
von zu den Signalladungs-Übertragungsteilen (20)
benachbart vorgesehenen Vorspannungsladungs-Injiziereinrichtungen
(41, 51) zum Injizieren von
Vorspannungsladungen in die Signalladungs-Speicherdioden
(10) über die Signalladungs-Ausleseteile (30).
2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Signalladungs-Ausleseteile (30)
und jeder der Signalladungs-Übertragungsteile jeweils
durch eine Auslese-Gatterelektrode (31) und eine Übertragungselektrode
(21) gebildet ist, die materialeinheitlich
miteinander geformt sind.
3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorspannungsladungs- Injizier
einrichtung eine Anzahl von Gattern (41) und Dioden (51)
umfaßt, die den Signalladungs-Übertragungsteilen
benachbart auf einer den Signalladungs-Speicherdioden
(10) gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind.
4. Festkörper-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsladungs-
Injiziereinrichtung (41, 51) eine Funktion zum Entladen
der in die Signalladungs-Speicherdioden (10) injizierten
Signalladungen über den Signalladungs-Ausleseteil (30)
hat.
5. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signalladungs-Speicherdioden (10) in
einer Matrixform angeordnet sind, daß die Signalladungs-
Übertragungsteile (20) eine Anzahl von in einer Spalte
längs der Spaltenanordnung der Speicherdioden angeordneten
Signalladungs-Übertragungsanordnungen umfassen,
daß die Vorspannungsladung-Injiziereinrichtungen eine
Anzahl von Gattern (41) und Dioden (51) in Zuordnung zu
den Signalladungs-Speicherdioden aufweisen und daß,
nachdem die Signalladungen aus den Signalladungs-Speicherdioden
(10) ausgelesen sind, die Vorspannungsladungen
in die Signalladungs-Speicherdioden für jede zweite
Reihe der Signalladungs-Speicherdioden (10) injiziert
werden.
6. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannungsladungs-Injiziereinrichtung
eine Anzahl von Gattern (118) und Dioden (122)
umfaßt, die gemeinsam für diejenigen der Speicherdioden
(112) vorgesehen sind, die horizontal nebeneinander
vorgesehen sind, nur Vorspannungsladungen in die
Speicherdioden (121) zu injizieren und die Vorspannungsladungen
aus den Speicherdioden zu entladen.
7. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladungsübertragungsteile eine Anzahl
von im Halbleitersubstrat (111) ausgebildeten Kanalbereichen
(112) aufweisen und die Speicherdioden (121)
zwischen den einander benachbarten Kanalbereichen (112)
angeordnet sind.
8. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Speicherdioden (121) in einer
Matrixform auf dem Halbleitersubstrat (111) angeordnet
sind, daß die Ladungsübertragungsteile (116) eine Anzahl
von vertikalen Registern umfassen, die vertikal
den Speicherdioden benachbart angeordnet sind, und daß
die Vorspannungsladungs-Injizierdioden (122) zu den
vertikalen Registern vertikal benachbart ausgebildet
sind.
9. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signalladungs-Speicherdioden (121),
Signalladungs-Ausleseteile (114) eine Anzahl von mit den
Signalladungs-Speicherdioden (121) gekoppelten Pixelelektroden
(127) und die Vorspannungsladungs-Injiziereinrichtungen
(118, 122) einen Festkörper-Bildsensorelementchip
bilden, und daß der Festkörper-Bildsensor
einen auf dem Festkörper-Bildsensorelementchip abgelagerten
Photoleiterfilm (128), eine auf dem Photoleiterfilm
(128) erzeugte transparente Elektrode (129) und
eine Einrichtung zum Ändern einer an die transparente
Elektrode anzulegenden Spannung nach Maßgabe der
Injektion und Entladung der Vorspannungsladungen aufweist.
1. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsänderungseinrichtung Mittel
zum Ändern der an die transparente Elektrode (129) anzulegenden
Spannung von einer während einer Signalladungs-
Speicherperiode erreichten Spannung, um die Vorspannungsladungen
von den Signalladungs-Speicherdioden
in den Photoleiterfilm (128) zu injizieren, und zum
Zurückführen der an die transparente Elektrode (129)
angelegten Spannung auf die während der Signalladungs-
Speicherperiode erreichte Spannung, um eine Überschußmenge
der im Photoleiterfilm (128) gespeicherten Vorspannungsladungen
zu den Signalladungs-Speicherdioden
zu entladen, aufweist.
11. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannungsladungs-Injiziereinrichtungen
den Signalladungs-Speicherdioden (10)
benachbart angeordnet sind und jeweils einen ersten
Satz aus einem Gatter (40) und einer Diode (50) zum
Injizieren der Vorspannungsladungen in die Speicherdioden
und einen zweiten Satz aus einem Gatter (241)
und einer Diode (50) zum Entladen der in die Speicherdioden
injizierten Vorspannungsladungen zu den Signalladungs-
Ausleseteilen aufweisen.
12. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannungsladungs-Injiziereinrichtungen
eine Anzahl von zu den Signalladungs-Speicherdioden
benachbart angeordneten Ladungsinjiziergattern
(40) und Dioden (50) und eine Anzahl von zu den Signalladungs-
Ausleseteilen benachbart angeordneten Vorspannungsladungs-
Ableitgattern (241) und Dioden (50) zum
Entladen der in die Speicherdioden injizierten Vorspannungsladungen
aufweisen.
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