DE4413824C2 - Festkörperbildsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperbildsensor, der z. B. in einer Abbildungseinheit eines Faksimi­ legeräts zum Einsatz kommt.

Im allgemeinen wird in einem Festkörperbildsensor eines Faksimilege­ räts, eines Strichcodelesers oder dergleichen ein linearer, ladungsgekop­ pelter Festkörperbildsensor (CCD) verwendet. Bei einem Festkörperbild­ sensor mit dualen Ladungstransport-Kanälen (CCD) sind ein linear ange­ ordnetes Photodiodenarray sowie an beiden Seiten des Photodiodenarrays je ein sogenannter horizontaler Ladungstransport-Kanal, im folgenden als HCCD bezeichnet, vorhanden. Durch eine einzelne Photodiode erzeugte Signalladungen werden periodisch in jeweils einen der beiden HCCDs übertragen, um anschließend seriell zu einem Ausgangsverstärker ge­ schoben zu werden.

Aus der US 5 196 719 A ist ein gattungsgemäßer CCD Festkörperbildsensor mit einer Vielzahl von rechteckigen Photodioden bekannt, die an ihrer einem CCD-Schiebe­ register zugewandten Seite Auslaßbereiche aufweisen, über die in den Photodioden gesammelte Ladungen zu dem CCD-Schiebregister übertra­ gen werden. Die Auslaßbereiche sind dabei ebenfalls rechteckig ausgebil­ det und weisen eine geringere Breite auf als die Flächen der Photodioden.

Um die Übertragung der Ladungen von den Photodioden zu dem CCD-Aus­ leseschieberegister zu verbessern, weisen die Übertragungselektroden trapezförmige Vorsprünge auf, die sich bis über die Auslaßbereiche er­ strecken. Die schmaleren Trapezseiten der Vorsprünge sind dabei den Photodioden zugewandt und überlappen deren Auslaßbereiche.

Aus der US 5 235 196 A ist ein weiterer Festkörperbildsensor bekannt, der eine Photodiodenzeile mit rechteckigen Photodioden aufweist. Der Photo­ diodenzeile ist ein CCD-Ausleseschieberegister zugeordnet. Ein Paar von Übertragungsgates oder ein einzelnes Übertragungsgate ist zwischen der Photodiodenreihe und dem Schieberegister angeordnet. Übertragungsbe­ reiche zwischen den Photodioden und dem Schieberegister besitzen dabei die gleiche Breite wie die Photodioden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiteren Festkörperbild­ sensor bereitzustellen und Insbesondere einen Festkörperbildsensor, der einen erhöhten Ladungsübertragungswirkungsgrad aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Infolge der keilförmig zulaufenden Flächen der Photodioden sowie der An­ passung der Übertragungskanalbreite an die breitere Grundseite des Pho­ todiodenbereichs weist der erfindungsgemäße Festkörperbildsensor ei­ nen gegenüber einem herkömmlichen Festkörperbildsensor erheblich ver­ größerten Ladungsübertragungswirkungsgrad auf.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä­ her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen linearen Festkörperbildsensor nach ei­ nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie B-B' von Fig. 1;

Fig. 3a und 3b Maximum-Potentialverteilungen in entsprechenden Berei­ chen des Festkörperbildsensors nach Fig. 2; und

Fig. 4 eine Computersimulation zur Darstellung der Maximum-Potential­ verteilung gemäß Fig. 3b.

Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält ein linearer Festkörperbildsensor nach der Erfindung ein n-Typ Substrat 21, eine erste p-Typ Schicht 22 oberhalb ei­ nes Oberflächenbereichs des Substrats 21, eine zweite p-Typ Schicht 23 oberhalb eines anderen Oberflächenbereichs des Substrats 21, wobei die zweite p- Typ Schicht 23 dicker als die erste p-Typ Schicht 22 ist, eine Mehrzahl von Photodioden 24 mit n-Bereichen in der ersten Schicht 22 zur Erzeugung von Signalladungen, einen Ladungstransportkanal-Bereich vom n-Typ, im folgenden HCCD Be­ reich 25 genannt, in der zweiten Schicht 23, wobei an jeweils beiden einan­ der gegenüberliegenden Stirnseiten der Photodioden 24 ein derartiger HCCD Bereich 25 vorhanden ist, um die in den Photodioden 24 angesam­ melten Ladungenzu einem nicht dargestellten Ausgangsverstärker ausge­ ben zu können, ein Übertragungsgate 28 zwischen den Photodioden 24 und dem HCCD Bereich 25 zur Übertragung von in den Photodioden 24 angesammelten Ladungen aus den Photodioden 24 zum HCCD Bereich 25, Übertragungskanälen 26, die un­ terhalb des Übertragungsgates 28 und in der ersten Schicht 22 sowie zwi­ schen den Photodioden 24 und dem HCCD Bereich 25 liegen, einen eine Po­ tentialbarriere bildenden p++ Bereich 27, der auf der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche des Bereichs der Photodioden 24 liegt, eine Mehrzahl von Polygates 29 oberhalb des HCCD Bereichs, um sicherzustellen, daß die von den Photodioden 24 übertragenen Ladun­ gen zu dem nicht dargestellten Ausgangsverstärker ausgegeben werden können, eine Isolationsschicht 30 im Bereich zwi­ schen dem Übertragungsgate 28 und den Polygates 29 sowie zwischen die­ sen und dem Halbleitermaterial, um diese gegeneinander zu isolieren, und einen Kanalstoppbereich 31 zur Bildung einer Po­ tentialbarriere, um die Zellen gegeneinander zu isolieren.

Jeder Bereich einer Photodiode 24 ist länglich ausgebildet und weist eine trapezodiale oder keilförmige Form auf, die an einem Ende eine geringere Breite als am anderen Ende besitzt. Dabei sind nebeneinander­ liegende Photodioden 24 so angeordnet, daß ihre Flächen abwechselnd je­ weils um 180° versetzt zueinander positioniert sind. Mit anderen Worten steht eine Endseite eines Bereichs einer Photodioden 24 in Kontakt mit ei­ nem Übertragungskanal 26, wobei es sich um eine solche Endseite han­ delt, die breiter ist als ihre gegenüberliegende Endseite. Die beiden Längs­ seiten erstrecken sich zueinander geneigt in Longitudinalrichtung.

Es steht also lediglich das breitere Ende der Photodiode 24 in Kontakt mit dem Übertragungskanal 26, wie gut in Fig. 1 zu erkennen ist.

Der Übertragungskanal 26 unterhalb des Übertragungsgates 28 sowie zwischen der Photodiode 24 und der ersten Polygateelektrode 29 ist so ausgebildet, daß eine Seite, die mit dem Bereich der Photodiode 24 in Kontakt steht, dieselbe Breite aufweist, wie dieser Photo­ diodenbereich. Die dieser Seite gegenüberliegende Seite steht mit dem HCCD Bereich 25 in Kontakt.

Die jeweiligen HCCD Bereiche 25 sind so angeordnet, daß sie sich an bei­ den Endseiten der Photodioden 24 befinden. Dabei liegt die Photodioden­ zeile im Zentrum. Der HCCD Bereich 25 kann eine rechteckige Form auf­ weisen, wobei eine seiner Seiten parallel zum Photodiodenarray verlaufen kann. Alternativ kann der HCCD Bereich aber auch so ausgebildet sein, daß er einerseits einen Haupt-HCCD-Bereich 25-1 in der zweiten Schicht 23 aufweist, der sich parallel zu den Photodioden 24 ersteckt, und darüber hinaus andererseits noch einen vorspringenden Bereich 25-2 aufweist, der die Form eines sich verbreiternden Keils aufweist, und der sich unter­ halb des Übertragungsgates 28 in Longitudinalrichtung zum Übertra­ gungskanal hin erstreckt, wie in Fig. 1 und 2 zu erkennen ist.

In jedem Fall ist hier nur jede zweite Photodiode über ihre breite Stirnseite und über den Übertragungskanal 26 mit dem HCCD Bereich 25 verbunden. Zwischen den jeweiligen Photodioden 24 liegen Isolations­ bereiche.

Jedes Polygate 29 besteht aus einer ersten Polygateelektrode 29-1, die oberhalb derjenigen Oberfläche liegt, in der sich der hervorsprin­ gende Bereich 25-2 des HCCD Bereichs 25 befindet, sowie aus einer zwei­ ten Polygateelektrode 29-2 oberhalb derjenigen Oberfläche, in welcher sich der Haupt-HCCD-Bereich 25-1 des HCCD Bereichs 25 be­ findet.

Insgesamt sind mehrere erste und zweite Polygateelektroden 29-1, 29-2 zur Bildung erster und zweiter Gates vorhanden, die der Reihe nach ab­ wechselnd nebeneinanderliegend angeordnet sind. Dabei überlappen die ersten Polygateelektroden 29-1 wenigstens teilweise die zweiten Polyga­ teelektroden 29-2, und umgekehrt.

Die Breite des hervorspringenden Bereichs 25-2 des HCCD Bereichs 25 ist schmaler als die Breite der ersten Polygateelektrode 29-1. Dabei erstreckt sich der hervorspringende Bereich 25-2 in denjenigen Bereich des Über­ tragungskanals 26 hinein, in welchem dessen Breite, gesehen in Richtung des Bereichs 24, noch zunimmt.

Der erfindungsgemäße Festkörperbildsensor weist keilartig ausgebildete Photodiodenbereiche auf, wobei die Keillängsseiten schräg zueinander verlaufen. Dies führt zu einer größeren Breite im Bereich 32 als im Bereich 33, so daß sich Ladungen in der Photodiode 24 verstärkt in der Nähe des Übertragungsgates 28 sammeln können.

Wird die niedrigste Spannung von 0 V an das Übertragungsgate 28 und das Polygate 29 angelegt, und liegt die Höchstspannung von 15 V über einen Rücksetzdrainanschluß RD an dem HCCD Bereich 25 an, so ergibt sich beim Bildwandler nach Fig. 2 die Potentialverteilung gemäß Fig. 3a.

Da eine hohe Potentialbarriere durch den Kanalstoppbereich 31 einerseits und den Übertragungskanal 26 andererseits erhalten wird, sammeln sich durch auf die Photodiode 24 auftreffendes Licht erzeugte Ladungen inner­ halb der Photodiode 24, ohne daß sie zum HCCD Bereich 25 gelangen, da die vorhandene Potentialbarriere sie daran hindert.

Wird dagegen eine Spannung im Bereich von 12 V bis 15 V an das Übertra­ gungsgate 28 und das Polygate 29 gelegt, und verbleibt nach wie vor die höchste Spannung von 15 V am HCCD 25 über den Rücksetzdrainan­ schluß RD, so wird ein PN Übergang in Sperrichtung vorgespannt, der durch den p-Typ Übertragungskanal 26 und den n-Typ HCCD Bereich 25 gebildet wird. Dies führt dann zu einem völlig entleerten Zustand des Be­ reichs der Photodiode 24.

Mit anderen Worten führt die höchste und über den Rücksetzdrainan­ schluß RD angelegte Spannung zu dem in Sperrichtung vorgespannten Zustand und damit zur völligen Entleerung des Ladung sammelnden Be­ reichs der Photodiode 24.

Wie anhand der Fig. 3b ebenfalls zu erkennen ist, verbleiben die Ladun­ gen im tiefen Bereich des HCCD Bereichs gesammelt, der das maximale Po­ tential empfängt, oder an dem die Abschnürspannung (pinch off voltage) anliegt.

Die in der Sammelbetriebsart bei maximaler Spannung in der Photodiode 24 gespeicherten Ladungen lassen sich in der Übertragungsbetriebsart bei der maximalen Spannung zum HCCD Bereich 25 übertragen, wobei die maximale Spannung hier diejenige ist, die am HCCD Bereich anliegt. Je weiter und je höher die Breite bzw. die Konzentration dieser Bereiche sind, je höher Ist der Pegel der maximalen Spannung, wenn sowohl der Photodio­ denbereich als auch der HCCD Bereich 25 vom n-Typ sind.

Bei der Erfindung kommt es auf die Anpassung der Breite zwischen dem Bereich der Photodiode 24 und dem Übertragungskanalbereich 26 an. Wie in Fig. 3b gezeigt, wird in der Übertragungsbetriebsart eine immer stei­ gende Potentialverteilung erhalten, die im Übergangsbereich zwischen der Photodiode 24 und dem Übertragungskanal 26 kein Minimum aufweist, und zwar deswegen, weil die Breite durch die maximale Spannung um Be­ reich 32 der Photodiode 24 weiter bzw. höher ist als im Bereich 33. Der Pe­ gel der Spannung nimmt darüber hinaus mehr und mehr zu, und zwar aus­ gehend vom hervorspringenden Bereich 25-2 in Richtung zum Haupt- HCCD-Bereich 25-1.

Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Festkörperbildsen­ sor keine Potentialbarriere wie im herkömmlichen Fall im Bereich 32 zwi­ schen der Photodiode 24 und dem Übertragungskanal 26 während der Übertragungsbetriebsart erhalten, sondern es bildet sich vielmehr bei der Erfindung eine kontinuierlich abgestufte Potentialverteilung aus.

Bei dem erfindungsgemäßen Festkörperbildsensor lassen sich somit in der Übertragungsbetriebsart sämtliche In der Photodiode 24 angesammel­ ten Ladungen zum HCCD Bereich 25 übertragen.

Die Verhältnisse sind anhand der in Fig. 4 dargestellten Computersimu­ lation gut zu erkennen, die die Maximum-Potentialverteilung gemäß Fig. 3b zeigt. Erfolgt die Übertragung von Ladungen aus der Photodiode 24 zum Übertragungskanal 26, so nimmt dabei das Potential ständig in Richtung zum Übertragungskanal 26 zu.

Aufgrund dieser Potentialverteilung zwischen dem Bereich der Photodiode 24 und dem HCCD Bereich 25 wird einer verbesserte Übertragungscharak­ teristik der des Festkörperbildsensors erhalten. Diese verbesserte Über­ tragungscharakteristik bleibt auch dann bestehen, wenn Signale mit hö­ herer Frequenz an die ersten und zweiten Polygateelektroden angelegt werden.

Wie bereits eingangs erwähnt, liegt der horizontale ladungsgekoppelte Be­ reich 25 (HCCD Bereich) bei der Erfindung näher am Photodiodenbereich 24 als beim Stand der Technik. Bei der Erfindung erstreckt sich der HCCD Bereich 25 bis unterhalb des Übertragungsgates 28, soweit die hervor­ springenden Bereiche 25-2 des HCCD Bereichs 25 betroffen sind. Diese Bereiche 25-2 laufen dabei praktisch in die Über­ tragungskanäle 26 hinein.

Claims (3)

1. Festkörperbildsensor mit einer aus mehreren Photodioden gebilde­ ten Photodiodenzeile und mit zwei auf unterschiedlichen Seiten und paral­ lel zu der Photodiodenzeile angeordneten Ladungstransport-Kanälen (CCD), wobei zwischen der Photodiodenzeile und den Ladungstransport- Kanälen Übertragungskanäle (26) mit einem Übertragungsgate (28) vorge­ sehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Photodioden (24) in Richtung der Photodiodenzeile als alternierend keilförmig zulaufende Flächen ausgebildet sind und daß die keilförmigen Flächen an der breiteren Grundseite jeweils mit einem Über­ tragungskanal (26) in Kontakt stehen, der an der Übergangsstelle zur Pho­ todiode (24) die gleiche Breite wie diese aufweist.

2. Festkörperbildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Übertragungskanal (26) in Ladungstransportrichtung ver­ breitert und an seiner breitesten Stelle in den Ladungstransport-Kanal übergeht.

3. Festkörperbildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen einer Photodiodenzeile und einem Ladungs­ transport-Kanal angeordneten Übertragungskanäle (26) unter einem ge­ meinsamen Übertragungsgate (28) vorgesehen sind.