DE4414927A1

DE4414927A1 - Verbesserte Dioden-Adressierstruktur zum Adressieren eines Arrays aus Wandlern

Info

Publication number: DE4414927A1
Application number: DE4414927A
Authority: DE
Inventors: Gene P Weckler; Satoru Tanaka
Original assignee: EG&G Reticon Corp
Current assignee: EG&G Reticon Corp
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1994-11-10
Also published as: FR2705183B1; JPH07147651A; FR2705183A1; JP3638630B2; US5331145A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Festkörper- Bilderzeuger und Displays. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer verbesserten Pixel-Adressierstruktur für einen Festkörper-Bilderzeuger.

Festkörper-Bilderzeuger (Imagers) wurden zum Ermöglichen einer Bildgewinnung konstruiert. Ein Festkörper-Bilderzeuger besteht in typischer Ausführung aus einer Matrix von lichtempfindlichen Pixeln. Jeder Pixelplatz muß einen Mechanismus haben, welcher den auf diesen Platz einfallenden Photonenfluß in ein elektrisches Signal umwandelt, d. h. in eine Stromquelle proportional zum einfallenden Photonenfluß, einen Speicherplatz, in welchem das gesammelte Signal zwischen Ausleseoperationen gespeichert wird, und schließlich einen Schalter, der einen Auslösepfad niedriger Impedanz bildet, wenn das Pixel abgefragt wird, und eine Trennung herbeiführt, wenn das Pixel nicht aufgerufen wird. Jedes der lichtempfindlichen Pixel enthält typischerweise mindestens ein Festkörperelement, wie eine Diode oder einen Transistor. Während des Betriebs wird die Pixelmatrix des Festkörper-Bilderzeugers einfallendem Licht ausgesetzt, und jedes der Pixel erzeugt ein Ausgangssignal, das dem von ihm empfangenen einfallenden Photonenfluß proportional ist. Der Festkörper-Bilderzeuger kann auf diese Weise die Bildgewinnung durch Adressieren jedes der Pixel in der Matrix und durch Bestimmen der Stärke des Signals aus jedem der Pixel gewinnen. Fig. 1 zeigt die Struktur eines typischen bekannten Festkörper-Bilderzeugers 10.

Gemäß Fig. 1, auf die im folgenden Bezug genommen wird, weist der Festkörper-Bilderzeuger 10 eine lichtempfindliche Pixelmatrix 11 auf, die über eine Vielzahl von Spaltenleitungen 17a bis 17n mit einer Horizontal-Abtastschaltung 13 und über eine Vielzahl von Zeilenleitungen 16a bis 16n mit einer Vertikal-Abtastschaltung 14 gekoppelt ist. Die Vertikal- Abtastschaltung 14 und die Horizontal-Abtastschaltung 13 sind mit einer Ausgangsschaltung 15 gekoppelt. Die lichtempfindliche Pixelmatrix 11 weist eine Vielzahl von Pixeln mit jeweils einer Fotodiode und einer Schaltdiode auf, die in entgegengesetzten Richtungen mit einer der Zeilenleitungen 16a . . . 16n bzw. einer der Spaltenleitungen 17a . . . 17n verbunden sind. Die Horizontal- und Vertikal-Abtastschaltungen 13 und 14 bestehen aus Schieberegistern und Transistorschaltern. Um das Lichtsignal von jedem der Pixel in Matrix 11 auszulesen, werden Zeilen- und Spaltenleitungen 16a-16n und 17a-17n nacheinander von den Abtastschaltungen 13 und 14 mit der Ausgangsschaltung 15 verbunden, und der zum Auslesen des Lichtsignals aus jedem Pixel benötigte Impuls wird von der Vertikel-Abtastschaltung 14 angelegt.

Bekanntlich muß ein in einem Photonenfluß- Integrationsmodus arbeitendes Pixel typischerweise drei Grundeigenschaften besitzen. Als erstes muß das Pixel einen zum einfallenden Photonenfluß proportionalen Strom erzeugen. Zweitens muß das Pixel in der Lage sein, den lichterzeugten Strom zu integrieren und die akkumulierte Ladung zwischenzuspeichern. Schließlich ist ein Schalter erforderlich, der in seinem ausgeschalteten Zustand den PN-Übergang des Pixel von anderen Pixeln trennt und in seinem eingeschalteten Zustand eine sehr niedrige Impedanz hat, um ein rasches und vollständiges Auslesen der gespeicherten Ladung zu ermöglichen.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen elektrischen Schaltung die Struktur eines bekannten Pixels 12 der Matrix 11 in Fig. 1, welches die oben beschriebenen Eigenschaften besitzt. Gemäß Fig. 2, auf die im folgenden Bezug genommen wird, weist das Pixel 12 eine Fotodiode 23 und eine Schaltdiode 22 auf, die in entgegengesetzten Richtungen zusammengeschaltet sind. Kondensatoren 24 und 25 stellen parasitäre Kapazitäten der Dioden 22 bzw. 23 dar. Während der Auslesezeit (d. h. einer Impulszeit) legt der Impulsgenerator 21 einen Impuls mit einer Spannung V_O an die Anode der Diode 22 an, um die Diode 22 in Durchlaßrichtung und Diode 23 in Sperrichtung vorzuspannen, so daß der Knoten 26 angenähert auf die V_O-Spannung geladen wird. Der Ladestrom der Diode 23, der proportional zum integrierten Photonenfluß ist, wird an der Ausgangsschaltung 20 gemessen. Wenn der Impuls am Ende der Impulszeit abfällt, werden die Dioden 22 und 23 beide in Sperrichtung vorgespannt, wodurch die V_O-Spannung am Knotenpunkt 26 wieder hergestellt wird. Während der Abtastzeit werden die. Ladungen der von den lichterzeugten Ladungsträgern abgeleiteten Photonenströme in der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht- bzw. Übergangskapazität der Diode 23 und den Kondensatoren 24 und 25 gespeichert. Wenn die photonenerzeugten Ladungsträger akkumuliert werden, fällt die Spannung am Knoten 26 von der ursprünglich aufgeladenen Spannung V_O ab. Der Spannungsabfall am Knotenpunkt 26 ist im wesentlichen direkt proportional zum Integral des während der Abtastzeit einfallenden Lichts. Nachfolgend wird in der folgenden Ausleseperiode ein anderer Impuls der Spannung V_O an die Anode der Diode 22 angelegt, um die Diode 22 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wodurch der Knoten 26 angenähert auf die Spannung V_O wieder aufgeladen wird. Am Ende des Impulses werden beide Dioden 22 und 23 in Sperrichtung vorgespannt, und der oben beschriebene Lichtdetektionsprozeß wiederholt sich.

Diese bekannte Pixelstruktur ist jedoch nicht ohne Nachteile. Ein Nachteil dieser Pixelstruktur besteht darin, daß die Schaltdiode typischerweise eine nicht-lineare Vorspanncharakteristik in Durchlaßrichtung während ihres Betriebs in Durchlaßrichtung erfährt. Dies geht auf die Tatsache zurück, daß die Spannung an der Schaltdiode sich Null nähert, wenn die Spannung am Knoten 26 während der Impulszeit der Spannung V_O des Impulses nahekommt. Dies führt zu einer sehr niedrigen Vorspannung in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung an der Schaltdiode. Die sehr niedrige Schaltdioden-Vorspannung in Durchlaßrichtung bewirkt typischerweise, daß die Schaltdiode in ihrem nicht-linearen Vorspannbereich in Vorwärtsrichtung mit sehr hoher Impedanz arbeitet. Als eine Folge davon übersteigt die durch die hohe nicht-lineare Vorspannimpedanz in der Vorwärtsrichtung der Schaltdiode und durch die akkumulierte parasitäre Kapazität am Knoten 26 gebildete Zeitkonstante typischerweise die Breite des an die Schaltdiode angelegten Impulses und verhindert dadurch eine vollständige Aufladung des Knotens 26 während der Impulszeit. Dies wiederum führt typischerweise dazu, daß das einfallende Licht nicht genau gemessen wird. Wenn die Breite des Impulses soweit ausgedehnt wird, daß sie der Zeitkonstanten angepaßt ist, reduziert sich die Pixel-Ausleserate bis zu einem Punkt, wo die Matrix für viele Anwendungen unbrauchbar wird.

Eine andere bekannte Ausführungsform benutzt einen Dünnschicht-Transistor (TFT) als Schalter zum Auslesen und Trennen des Pixels. Der zur Herstellung eines TFT erforderliche Prozeß ist wesentlich komplizierter und beeinträchtigt dadurch die Ausbeute.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Pixelstruktur für einen Festkörper-Bilderzeuger derart zu verbessern, daß einfallendes Licht genauer erfaßt und gemessen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die Gegenstände der Ansprüche 1, 8 bzw. 15 vorgesehen.

Die Erfindung erreicht die folgenden Vorteile: Die Schaltdiode der Pixelstruktur hat sehr hohen Widerstand in Sperrichtung und sehr geringen Widerstand in Durchlaßrichtung. Schalter und Fotodiode können gleichzeitig hergestellt werden. Die Schaltdiode der Pixelstruktur arbeitet während der Impulszeit zuverlässig im linearen Bereich der Durchlaßkennlinie. Neben der erhöhten Lichtempfindlichkeit bzw. Genauigkeit wird auch die Geschwindigkeit hinsichtlich der Auslesezeit der lichtempfindlichen Diode gegenüber bekannten Ausführungen erhöht, bei denen eine Schaltdiode zum Auslesen der in den lichtempfindlichen Dioden gespeicherten Ladung verwendet wird.

Die Erfindung erreicht diese Vorteile durch besondere Dioden-Schalt- und -Vorspanntechniken. Mit zwei Dioden wird eine Ausschaltoperation durchgeführt, um eine dritte fotoempfindliche Diode auszulesen, welche die photonengenerierten Ladungsträger in ihrem am verarmten Übergang gebildeten Kondensator integriert und speichert. Die Schaltdioden sind so angeordnet, daß während ihrer Einschaltzeit der äquivalente Schaltwiderstand linear und während der Auslesezeit der lichtempfindlichen Diode konstant bleibt, und zwar unabhängig von der Anzahl der photonen generierten Ladungsträger, die in dem am verarmten Übergang gebildeten Kondensator der fotoempfindlichen Diode gespeichert sind.

Um eine niedrige Konstante am Widerstand aufrechtzuerhalten, werden die beiden in Reihe geschalteten Schaltdioden gleichzeitig mit komplementären Impulsen angesteuert, die an die beiden Anschlüssen der Seriendioden angelegt werden, um sie während der Ausleseperiode in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Die dritte Diode ist ein fotoempfindlicher Wandler, der mit dem Serienknoten der Schaltdioden derart gekoppelt ist, daß sich der fotoempfindliche Wandler stets in einem Zustand der Vorspannung in Sperrichtung befindet, und zwar unabhängig davon, ob er in einem Auslese- oder Integriermodus arbeitet. Der verbleibende Anschluß des Wandlers ist mit einer Ausgangsschaltung verbunden, welche die photonengenerierten Ladungsträger und dunkle Ladungsträger detektiert, wenn die Schaltdioden während der Ausleseperiode in einem Vorspannzustand in Durchlaßrichtung gepulst werden. Während des Integriermodus wird der Impuls dann entfernt, die Schaltdioden werden in der Sperrichtung vorgespannt und der lichtempfindliche Wandler akkumuliert die photonengenerierten Ladungsträger und die Dunkelträger.

Die neue Pixelstruktur des Festkörper-Bilderzeugers weist einen lichtempfindlichen Wandler, eine Schaltanordnung und eine Klemmschaltung auf. Der lichtempfindliche Wandler hat einen mit einem Knoten gekoppelten ersten Anschluß und einen mit einer Ausgangsschaltung gekoppelten zweiten Anschluß. Der lichtempfindliche Wandler erzeugt zu dem einfallenden Photonenfluß des lichtempfindlichen Wandlers proportionale Ladungsträger und speichert letztere. Die Schaltanordnung weist einen mit dem Knoten gekoppelten ersten Anschluß und einen mit einer Impulsquelle gekoppelten zweiten Anschluß auf. Die Impulsquelle legt periodisch eine erste Spannung an den zweiten Anschluß der Schaltanordnung zu deren Vorspannung in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung und zum Vorspannen des lichtempfindlichen Wandlers in Rückwärts- bzw. Sperrichtung an, so daß der Knoten in Richtung der ersten Spannung geladen wird. Der zu den im Wandler gespeicherten, photonenerzeugten Ladungsträgern proportionale Ladestrom wird an der Ausgangsschaltung gemessen. Die Klemmschaltung ist mit dem Knoten gekoppelt, um den Knoten auf einer zweiten Spannung plus dem Schwellenspannungsabfall der Klemmschaltung zu klemmen bzw. festzuhalten, wenn die Impulsquelle eine erste Spannung an den zweiten Anschluß der Schaltanordnung anlegt. Während der Zeit des Anstehens der ersten Spannung am zweiten Anschluß der Schaltanordnung ist der Knoten unterhalb der ersten Spannung geklemmt bzw. festgehalten, ohne die erste Spannung erreichen zu können. Dann kann die Schaltanordnung in einem im wesentlichen linearen Bereich in Vorwärtsrichtung bei minimalem Widerstand arbeiten. Die Klemmschaltung weist eine Klemmdiode und eine zweite Impulsquelle auf. Die zweite Impulsquelle kann entweder eine konstante zweite Spannung oder einen zweiten Spannungsimpuls erzeugen.

Ein Vorteil der Ansteuerung der Klemmdiode mit einem Impuls besteht darin, daß die Impulsflanke koinzident und nahezu amplitudengleich gemacht werden kann, wodurch unerwünschte Schaltübergänge der ersten Ordnung beseitigt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Festkörper- Bilderzeugers mit einer Matrix aus lichtempfindlichen Pixeln;

Fig. 2 ein Blockschaltbild, das schematisch eines der lichtempfindlichen Pixel bekannter Ausführung gemäß Fig. 1 darstellt;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild, das die Anordnung eines lichtempfindlichen Pixels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Schaltung der lichtempfindlichen Pixelstruktur gemäß Fig. 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer anderen Schaltung der lichtempfindlichen Pixelstruktur gemäß Fig. 3 nach ein anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode mit Darstellung des linearen Bereichs in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung, des nicht-linearen Bereichs in Durchlaßrichtung und des Sperrichtungsbereichs der Diode;

Fig. 7 und 8 Blockschaltbilder von Schaltungen der lichtempfindlichen Pixelstruktur gemäß Fig. 3 gemäß alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild die Struktur eines lichtempfindlichen Pixels 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in Fig. 3 gezeigt, weist das Pixel 30 eine Schaltanordnung 33, eine lichtempfindliche Schaltung 34 und eine Klemmschaltung 35 auf. Die lichtempfindliche Schaltung 34 dient im Pixel 30 zum Erzeugen eines zum einfallenden Photonenfluß proportionalen Stroms. Schaltanordnung 33 und Klemmschaltung 35 dienen im Pixel 30 zum Herstellen eines Auslesepfades mit niedriger Impedanz, wenn das Pixel 30 abgefragt wird, und zum Herstellen einer Trennung bzw. Isolation, wenn Pixel 30 nicht abgefragt wird. Klemmschaltung 35 gewährleistet auch, daß der Pfad niedriger Impedanz einen minimalen Widerstand und die Unterbrechung einen maximalen Widerstand hat. Fig. 4-5 und 7-8 zeigen andere Ausführungsbeispiele des Pixels 30 gemäß Fig. 3, die weiter unten beschrieben werden.

Fig. 4 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Pixelstruktur 40 eines Festkörper-Bilderzeugers als ein Ausführungsbeispiel des Pixels 30 gemäß Fig. 3. In Fig. 4 weist das Pixel 40 eine Schaltdiode 41 und eine lichtempfindliche Diode 42 auf. Die Kathoden der Dioden 41 und 42 sind am Knoten 47 zusammengeschaltet. Die Anode der Schaltdiode 41 ist mit einem Impulsgenerator 51 gekoppelt und nimmt während einer Impulszeit T_S einen Impuls der Spannung V_O auf. Die Anode der lichtempfindlichen Diode 42 ist mit einer Ausgangsschaltung 50 verbunden. Die Ausgangsschaltung 50 nimmt die gespeicherten photonengenerierten Ladungsträger von der lichtempfindlichen Diode 42 während einer Impulszeit T_S auf, während der Impulsgenerator 51 einen Impuls der Spannung V_O an die Schaltdiode 41 anlegt. Die Impulszeit T_S und die Abtastzeit T_l bilden zusammen eine Zykluszeit T_P, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Der aus den photonengenerierten Ladungsträgern zusammengesetzte und von der Ausgangsschaltung 50 aufgenommene Photostrom ist proportional zu dem auf die Diode 42 einfallenden Photonenfluß. Die Diode 41 hat einen parasitären Kondensator 43, die Diode 42 hat einen parasitären Kondensator 44 und die Diode 48 hat einen parasitären Kondensator 45.

Das Pixel 40 weist auch eine Klemmdiode 48 und eine Spannungsversorgung 46 auf. Die Klemmdiode 48 ist anodenseitig mit dem Knoten 47 und kathodenseitig mit dem positiven Anschluß der Spannungsversorgung 46 gekoppelt. Der negative Anschluß der Spannungsversorgung 46 ist mit Erde gekoppelt. Die Spannungsversorgung 46 erzeugt eine V_C-Spannung. Die Funktion der Klemmdiode 48 und der Spannungsversorgung 46 besteht darin, die Spannung am Knoten 47 auf der V_C-Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmdiode 48 festzuklemmen bzw. festzuhalten, damit die an der Schaltdiode 41 anstehende Vorspannung in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung während der Impulszeit T_S ausreichend groß ist. Dies stellt sicher, daß die Diode 41 bei niedriger Impedanz in ihrem linearen Bereich in Durchlaßrichtung arbeitet. Dies wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 6 genauer beschrieben.

Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die V_O-Spannung etwa +5 Volt, und die V_C-Spannung beträgt etwa +4 Volt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die V_O- und V_C-Spannungen andere Spannungswerte haben. Die Spannungsdifferenz zwischen der V_O- Spannung und V_C-Spannung muß jedoch größer als die Schwellenspannung der Schaltdiode 41 plus der Schwellenspannung der Klemmdiode 48 sein.

Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Die Kurve 90 stellt die Beziehung zwischen dem Stromfluß durch eine Diode und der Spannung an der Diode dar. Wie aus Fig. 6 zu erkennen ist, arbeitet die Diode in einem Sperrspannungsbereich, wenn die Spannung an der Diode kleiner als 0 Volt ist. Wenn die Spannung an der Diode größer als die Schwellenspannung V_T der Diode aber kleiner als eine V₁-Spannung ist, beginnt die Diode zu leiten und arbeitet in einem nicht-linearen Bereich 91 in Durchlaßrichtung. In diesem Bereich 91 steht der durch die Diode fließende Strom in einer nicht-linearen Beziehung zur Spannung an der Diode. Wenn die Spannung an der Diode über die Spannung V₁ ansteigt, beginnt die Diode in einem im wesentlichen linearen Strom-Spannungsverhältnis zu arbeiten. Dies wird als linearer Durchlaßbereich 92 der Diode bezeichnet. Wie aus der Kurve 90 zu erkennen ist, hat die Diode eine sehr niedrige Impedanz, wenn sie sich im linearen Durchlaßbereich 92 befindet. Die Spannung an der Schaltdiode 41 muß daher über der Spannung V₁ gehalten werden, damit die Schaltdiode 41 der Fig. 4 in ihrem linearen Durchlaßbereich bei einer sehr niedrigen Impedanz gehalten werden kann. Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben worden ist, klemmen die Klemmdiode 48 und die Spannungsquelle 46 die Spannung am Knoten 47 auf die Spannung V_C plus der Schwellenspannung der Klemmdiode 48. Durch Einstellen des Spannungspegels der Spannung V_C kann sichergestellt werden, daß die Spannung an der Schaltdiode 41 über der Spannung V₁ liegt, so daß die Schaltdiode 41 während der Impulszeit T_S stets in ihrem linearen Durchlaßbereich arbeitet. Die Arbeitsweise des Pixels 40 der Fig. 4 wird weiter unten mit Bezug auf die Klemmdiode 48 und die Spannungsquelle 46 genauer beschrieben.

Im folgenden wird erneut auf Fig. 4 Bezug genommen. Während des Betriebs und während jeder Impulszeit T_S liefert der Impulsgenerator 51 einen Impuls der Spannung V_O an die Anode der Schaltdiode 41, um die Schaltdiode 41 in Durchlaßrichtung und die lichtempfindliche Diode 42 in Sperrichtung vorzuspannen und den Knoten 47 auf die Spannung V_O aufzuladen. Der Impulsgenerator 51 liefert wiederholt und periodisch Impulse mit der V_O-Spannung an die Schaltdiode 41. Während der Impulszeit T_S ist die Spannung am Knotenpunkt 47 anfangs sehr niedrig (d. h. angenähert Null), was bewirkt, daß die Spannung an der Schaltdiode 41 sehr hoch ist und deutlich über der Spannung V₁ liegt und die Diode 41 in ihrem linearen Durchlaßbereich bei niedriger Impedanz arbeiten läßt. In dieser Situation fließt ein sehr hoher Strom durch die Schaltdiode 41, der die parasitären Kondensatoren 43-45 am Knoten 47 rasch lädt. Wenn der Knoten 47 aufgeladen wird, steigt die Spannung am Knoten 47 entsprechend. Wenn die Spannung am Knoten 47 sich der V_C-Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmdiode 48 nähert, beginnt die Klemmdiode 48 zu leiten und klemmt die Spannung am Knoten 47 fest und verhindert einen weiteren Spannungsanstieg.

Durch die Klemmdiode 48 und die Spannungsquelle 46 wird die Schaltdiode 41 in ihrem linearen Durchlaßbereich mit niedrigem Durchlaßwiderstand gehalten, und der Knoten 47 kann während der Impulszeit T_S auf einen ausreichenden Pegel und rasch von der Spannung V_O aufgeladen werden. Dies gewährleistet, daß während der nachfolgenden Abtastzeit T_l an der Übergangskapazität in Sperrichtung der Diode 42 und den Kondensatoren 43-45 im wesentlichen genügend Ladung am Knoten 47 gespeichert ist, damit die lichtempfindliche Diode 42 das einfallende Licht abtasten und die photonenerzeugten Ladungsträger an ihrer Übergangskapazität in Sperrichtung und an den Kondensatoren 43-45 speichern kann.

Der Ladestrom spannt während der Impulszeit T_S die Übergangs- bzw. Sperrschichtkapazität der lichtempfindlichen Diode 42 vor, verarmt diesen Übergang und lädt gleichzeitig Streukapazitäten 43-45, wodurch während der Abtastzeit T_l die Stufen für den Photonen-Integriermodus eingestellt werden. Während der Abtastzeit T_l werden photonengenerierte Ladungsträger in der verarmten Übergangskapazität der lichtempfindlichen Diode 42 und den Streukapazitäten 43 bis 45 gespeichert. Wenn die zudem auf Pixel 40 einfallenden zum Photonenfluß proportionalen Ladungsträger gespeichert werden, fällt Knoten 47 auf Null. Daher ist während der Impulszeit T_S der Ladestrom durch die lichtempfindliche Diode 42 proportional zum Photonenfluß. Dementsprechend ist durch Messen des Ladestromes in den Ausgangsschaltungen 50 ein Pixel proportional zu dem auf die Diode 42 einfallenden Photonenfluß am Ausgang zu sehen.

Am Ende der Impulszelt T_S unterbricht der Impulsgenerator 51 das Anlegen des Impulses an die Schaltdiode 41, und die Spannung an der Anode der Schaltdiode 41 geht ebenso wie die Anode der lichtempfindlichen Diode 42 auf Null. Dies führt dazu, daß beide Dioden 41-42 in Sperrichtung vorgespannt werden, wodurch die am Knoten 47 gespeicherte Spannung an der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschichtkapazität der Diode 42 und den parasitären Kondensatoren 43-45 gespeichert wird. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Durchbruchsspannung V_B der Dioden 41 und 42 größer als die Spannung V_O. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schaltdiode 41 im wesentlichen ein für die im Knoten 47 gespeicherte Ladung offener Kreis.

Wenn der Impulsgenerator 51 das Anlegen des Impulses unterbricht, geht das Pixel 40 in seinen Abtastbetrieb bzw. -modus. Während der Abtastzeit T_l (d. h. wenn sich das Pixel 40 im Abtastbetrieb befindet), fällt die Spannung am Knotenpunkt 47 im wesentlichen aufgrund des Photostroms ab, der aus durch die lichtempfindliche Diode 42 fließenden photonen-generierten Ladungsträgern besteht. Der Photostrom durch die Diode 42 ist proportional zu dem auf die lichtempfindliche Diode 42 einfallenden Lichtfluß. Zu diesem Zeitpunkt ist die Klemmdiode 48 in Sperrichtung vorgespannt und zieht keinen Strom vom Knoten 47, während die Spannung am Knoten 47 abfällt. Daher beeinträchtigt die Klemmdiode 48 den Betrieb des Pixels 40 während der Abtastzeit T_l nicht.

Bei einem alternativen-Ausführungsbeispiel sind die Schaltdiode 41 und die lichtempfindliche Diode 42 jeweils anodenseitig mit dem Knoten 47 gekoppelt. Die Kathode der Schaltdiode 41 ist mit dem Impulsgenerator 51 und die Kathode der lichtempfindlichen Diode 42 mit der Ausgangsschaltung 50 gekoppelt. Der Impulsgenerator 51 legt einen Impuls der Spannung -V_O an die Kathode der Schaltdiode 41, und zwar während der Impulszeit T_S. Die Klemmdiode 48 ist kathodenseitig mit dem Knoten 47 und anodenseitig mit der Spannungsquelle 46 gekoppelt. Die Spannungsquelle 46 liefert eine Spannung -V_C an die Anode der Klemmdiode 48.

Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel legt der Impulsgenerator 51 einen Impuls einer Spannung -V_O während der Impulszeit T_S an die Schaltdiode 41 an. Die Klemmdiode 48 und die Spannungsquelle 46 klemmen den Knoten 47 auf die Spannung -V_C plus der Schwellenspannung der Klemmdiode 48, wodurch die gleiche Funktion erreicht wird. Während der Abtastzeit T_l speichert der Photostrom die photonengenerierten Ladungsträger in der verarmten Sperrschichtkapazität der lichtempfindlichen Diode 42 und den Kapazitäten 43-45, während die Klemmdiode 48 ausgeschaltet bleibt.

Fig. 5 zeigt in Form eines schematischen elektrischen Schaltbildes eine Pixelstruktur 60 eines Festkörper- Bilderzeugers, der ein anderes Ausführungsbeispiel des Pixels 30 gemäß Fig. 3 darstellt. In Fig. 5 stimmt die Struktur bzw. Anordnung des Pixels 60 mit derjenigen des Pixels 40 der Ausführungsform gemäß Fig. 4 überein, mit der Ausnahme, daß die Spannungsquelle 46 in Fig. 4 bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 durch einen Impulsgenerator 66 ersetzt ist. Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen. Die Diode 61 ist die Schaltdiode des Pixels 60, und die Diode 62 ist die lichtempfindliche Diode des Pixels 60. Diode 65 ist die Klemmdiode. Impulsgenerator 71 legt den Impuls der Spannung V_O an, und Ausgangsschaltung 70 nimmt den Photostrom aus der lichtempfindlichen Diode 62 auf. Die Kapazitäten 63, 64 und 68 sind parasitäre Kapazitäten der Dioden 61, 62 bzw. 65 am Knoten 67. Die Klemmdiode 65 ist mit dem Knoten 67 und dem Impulsgenerator 66 gekoppelt. Der Impulsgenerator 66 legt einen Impuls der Spannung V_C an die Klemmdiode 65, indem er während der Impulszeit T_S von einer höheren Spannung V_D auf die Spannung V_C abfällt. Während der Abtastzeit T_l unterbricht der Impulsgenerator 66 das Anlegen des Impulses der Spannung V_C, indem er von der Spannung V_C auf die Spannung V_D zurückgeht. Wie oben gesagt, ist die Spannung V_D höher als die Spannung V_C. Dadurch wird gewährleistet, daß die Klemmdiode 65 während der Abtastzeit T_l nicht durchgeschaltet ist, wodurch sonst Strom vom Knoten 67 gezogen und die Genauigkeit der von der Ausgangsschaltung 70 während der Auslesezeit, d. h. Impulszeit T_S, detektierten photonengenerierten Ladungsträger beeinträchtigt werden könnte. Daher entsteht durch die Konfiguration gemäß Fig. 4 ein Pixel 60 mit stabilerem und zuverlässigerem Betrieb. Außerdem kann die Konfiguration des Pixels 60 effektiv zum Beseitigen unerwünschter Schaltübergänge verwendet werden, welche sich während der Impulszeit T_S aus der Impulsspannung V_O ergeben. Durch Erzeugen einer komplementären Impulsspannung V_C während der Zeit T_S subtrahieren sich die Impulsübergänge von der Impulsspannung V_O.

Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die V_D-Spannung etwa +8 Volt, und die V_C-Spannung etwa +4 Volt. Die V_O-Spannung beträgt etwa +5 Volt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die V_D, V_C und V_O-Spannungen andere Werte annehmen. Jedoch muß die Spannung V_D höher als die Spannung V_C sein, und die Spannung V_C muß niedriger sein als die Spannung V_O minus der Schwellenspannung der Schaltdiode 61 und der Klemmdiode 65.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der PN- Übergang der Dioden 61, 62 und 65 in der Pixel-Schaltung umgeschaltet werden. In diesem Fall legt der Impulsgenerator 71 den Impuls der Spannung - V_O an die Diode 61 und der Impulsgenerator 66 den Impuls der Spannung V_C - von der Spannung -V_D an die Klemmdiode 65 an.

Fig. 7 stellt eine Pixelstruktur 100 eines Festkörper- Bilderzeugers nach einem anderen Ausführungsbeispiel des Pixels 30 der Fig. 3 dar. Wie in Fig. 7 zu sehen ist, ist die Struktur des Pixels 100 die gleiche wie diejenige des Pixels 60 der Fig. 5, mit der Ausnahme, daß in Fig. 5 die Diode 61 die Schaltdiode für Pixel 60 ist, während in Pixel 100 der Fig. 7 ein Transistor 105 als Schaltdiode verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor 105 ein Dünnschichttransistor.

Fig. 8 zeigt eine andere Pixelstruktur 120 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Pixels 30 der Fig. 3. Wie aus Fig. 8 zu erkennen ist, dient ein lichtempfindlicher Kondensator 123 als lichtempfindliche Diode.

Claims

1. Pixelstruktur für einen Festkörper-Bilderzeuger mit

(A) einer lichtempfindlichen Wandlerschaltung (34), die über einen ersten Anschluß mit einem Knoten und über einen zweiten Anschluß mit einer Ausgangsschaltung gekoppelt ist, einen Strom als Funktion eines auf die lichtempfindliche Wandlerschaltung einfallenden Photonenflusses erzeugt und die photonengenerierten Ladungsträger speichert, und mit
(B) einer Schaltdiodenanordnung (33), die über einen ersten Anschluß mit dem Knoten und über einen zweiten Anschluß mit einer Impulsquelle gekoppelt ist, wobei die Impulsquelle eine erste Spannung periodisch an den zweiten Anschluß der Schaltdiodenanordnung anlegt, um letztere in Durchlaßrichtung und die lichtempfindliche Wandlerschaltung in Sperrichtung derart vorzuspannen, daß der Knoten in Richtung einer ersten Spannung aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet,

daß mit dem Knoten (47; 67; 110; 128) eine eine Klemmdiode (48; 65; 106; 125) enthaltende Klemmschaltung (35) gekoppelt ist, welche den Knoten auf eine zweite Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmdiode klemmt bzw. festlegt, wenn die Impulsquelle (31; 51; 71; 101; 121) die erste Spannung an den zweiten Anschluß der Schaltdiodenanordnung (33; 41; 61; 105; 124) anlegt, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist.

2. Pixelstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung (35; 48; 65; 106; 125) den Knoten auf die zweite Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmdiode klemmt bzw. festlegt, so daß die Schaltdiodenanordnung (33; 41; 61; 105; 124) in einem Durchlaßvorspannungsbereich mit minimiertem Widerstand arbeitet, wenn die erste Spannung am zweiten Anschluß der Schaltdiodenanordnung ansteht.

3. Pixelstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Wandlerschaltung (34) eine lichtempfindliche Diode (42; 62; 108) und die Schaltdiodenanordnung (33) eine Schaltdiode (41; 61) enthält und daß die Klemmschaltung so angeordnet ist, daß

(i) die Klemmdiode (48) über einen ersten Anschluß mit der zweiten Spannungsquelle (46) und über einen zweiten Anschluß mit dem Knoten (47) gekoppelt ist, und
(ii) daß die mit dem ersten Anschluß der Klemmdiode (48) gekoppelte zweite Spannungsquelle (46) die zweite Spannung an den ersten Anschluß der Klemmdiode (48) anlegt.

4. Pixelstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Wandlerschaltung (34) eine lichtempfindliche Diode (62) und die Schaltdiodenanordnung (33) eine Schaltdiode (61) aufweist und daß die Klemmschaltung so angeordnet ist, daß

(i) die Klemmdiode (65) über einen ersten Anschluß mit der zweiten Spannungsquelle und über einen zweiten Anschluß mit dem Knoten (67) gekoppelt ist; und
(ii) daß eine Klemmimpulsquelle (66) mit dem ersten Anschluß der Klemmdiode zum selektiven Anlegen der zweiten Spannung über die Klemmdiode an den Knoten gekoppelt ist, wobei die Klemmimpulsquelle die zweite Spannung an den ersten Anschluß der Klemmdiode liefert, wenn die Impulsquelle die erste Spannung an den zweiten Anschluß der Schaltdiode anlegt und die Klemmimpulsquelle eine dritte Spannung an den ersten Anschluß der Klemmdiode anlegt, wenn die Impulsquelle die erste Spannung nicht an den zweiten Anschluß der Schaltdiode anlegt, wobei die dritte Spannung höher ist als die erste und zweite Spannung.

5. Pixelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung etwa 5 Volt und die zweite Spannung etwa 4 Volt betragen.

6. Pixelstruktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Spannung etwa 8 Volt beträgt.

7. Pixelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung größer als die zweite Spannung plus einer Schwellenspannung der Schaltdiode und einer Schwellenspannung der Klemmdiode ist.

8. Festkörper-Bilderzeuger mit

(A) wenigstens einer Zeilenleitung (16a . . . 16n);
(B) wenigstens einer Spaltenleitung (17a . . . 17n);
(C) wenigstens einem an der Schnittstelle der Zeilen- und Spaltenleitung angeordneten lichtempfindlichen Pixel, das aufweist:
(i) eine lichtempfindliche Wandlerschaltung (34), die über einen ersten Anschluß mit einem Knoten (47; 67; 110; 128) und über einen zweiten Anschluß mit der Spaltenleitung gekoppelt ist, und die die photonengenerierten Ladungsträger speichert und einen Strom als Funktion eines auf die lichtempfindliche Wandlerschaltung einfallenden Photonenflusses auf der Spaltenleitung erzeugt, an die die lichtempfindliche Wandlerschaltung angekoppelt ist, und
(ii) eine Schaltdiodenanordnung (33), die über einen ersten Anschluß mit dem Knoten und über einen zweiten Anschluß mit der Zeilenleitung gekoppelt ist, wobei der zweite Anschluß der Schaltdiodenanordnung periodisch eine erste Spannung von der mit der Schaltdiodenanordnung gekoppelten Zeilenleitung aufnimmt, um die Schaltdiodenanordnung in Durchlaßrichtung und die lichtempfindliche Wandlerschaltung in Sperrichtung derart vorzuspannen, daß der Knoten in ,Richtung der ersten Spannung aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet,

daß das lichtempfindliche Pixel außerdem eine eine Klemmdiode (48; 65; 106; 125) enthaltende Klemmschaltung (35) aufweist, die mit′ dem Knoten (47; 67; 110; 128) gekoppelt ist, und letzteren auf eine zweite Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmdiode klemmt bzw. festlegt, wenn die erste Spannung am zweiten Anschluß der Schaltdiodenanordnung (33) ansteht, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist; und
daß der Bilderzeuger eine mit der Zeilenleitung und der Spaltenleitung gekoppelte Schaltungsanordnung zum periodischen Anlegen einer ersten Spannung an die Zeilenleitung und zum Aufnehmen des Stroms von dem lichtempfindlichen Pixel über die Spaltenleitung aufweist.

9. Bilderzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung den Knoten auf die zweite Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmdiode klemmt bzw. festlegt, so daß die Schaltdiodenanordnung (33; 41; 61; 105; 124) in einem Durchlaßvorspannungsbereich mit minimiertem Widerstand arbeitet, wenn die erste Spannung am zweiten Anschluß der Schaltdiodenanordnung ansteht.

10. Bilderzeuger nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Wandlerschaltung (34) eine lichtempfindliche Diode (42; 62; 108) und die Schaltdiodenanordnung (33) eine Schaltdiode (42; 62; 108) enthält und daß die Klemmschaltung so angeordnet ist,

(i) daß die Klemmdiode (48) über einen ersten Anschluß mit der zweiten Spannungsquelle (46) und über einen zweiten Anschluß mit dem Knoten (47) gekoppelt ist; und
(ii) daß die mit dem ersten Anschluß der Klemmdiode (48) gekoppelte zweite Spannungsquelle (46) die zweite Spannung an den ersten Anschluß der Klemmdiode (48) anlegt.

11. Bilderzeuger nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Wandlerschaltung (34) eine lichtempfindliche Diode (62) und die Schaltdiodenanordnung (33) eine Schaltdiode (61) aufweist und daß die Klemmschaltung so angeordnet ist, daß

12. Bilderzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung etwa 5 Volt und die zweite Spannung etwa 4 Volt betragen.

13. Bilderzeuger nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Spannung etwa 8 Volt beträgt.

14. Bilderzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung größer als die zweite Spannung plus einer Schwellenspannung der Schaltdiode und einer Schwellenspannung der Klemmdiode ist.

15. Pixelstruktur für einen Festkörper-Bilderzeuger mit

(A) einer lichtempfindlichen Schaltung (34), die über einen ersten Anschluß mit einem Knoten und über einen zweiten Anschluß mit einer Ausgangsschaltung gekoppelt ist, einen Strom als Funktion eines auf die lichtempfindliche Schaltung einfallenden Photonenflusses erzeugt und die photonengenerierten Ladungsträger speichert, und mit
(B) einer Schaltanordnung (33), die über einen ersten Anschluß mit dem Knoten und über einen zweiten Anschluß mit einer Impulsquelle gekoppelt ist, wobei die Impulsquelle eine erste Spannung periodisch an den zweiten Anschluß der Schaltanordnung anlegt, um letztere in Durchlaßrichtung und die lichtempfindliche Schaltung in Sperrichtung derart vorzuspannen, daß der Knoten in Richtung einer ersten Spannung aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet,

daß mit dem Knoten (47; 67; 110; 128) eine Klemmschaltung (35) gekoppelt ist, welche den Knoten auf eine zweite Spannung plus der Schwellenspannung der Klemmschaltung klemmt bzw. festlegt, wenn die Impulsquelle (31; 51; 71; 101; 121) die erste Spannung an den zweiten Anschluß der Schaltanordnung (33; 41; 61; 105; 124) anlegt, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist.

16. Pixelstruktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung (35) den Knoten auf die zweite Spannung klemmt bzw. festlegt, so daß die Schaltanordnung (33; 41; 61; 105) in einem vorgespannten, im wesentlichen linearen Bereich in Durchlaßrichtung mit minimiertem Widerstand arbeitet, wenn die erste Spannung am zweiten Anschluß der Schaltanordnung ansteht.

17. Pixelstruktur nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung so angeordnet ist, daß

(i) eine einen ersten Anschluß aufweisende Klemmdiode (48) über einen zweiten Anschluß mit dem Knoten (47) gekoppelt ist, und
(ii) daß eine mit dem ersten Anschluß der Klemmdiode (48) gekoppelte Spannungsquelle (46) eine dritte Spannung, die gleich der zweiten Spannung minus einer Schwellenspannung der Klemmdiode ist, an den ersten Anschluß der Klemmdiode (48) anlegt.

18. Pixelstruktur nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung außerdem aufweist:

(i) eine Klemmdiode (65), die einen ersten Anschluß aufweist und über einen zweiten Anschluß mit dem Knoten (67) gekoppelt ist; und
(ii) eine Klemmimpulsquelle (66), die mit dem ersten Anschluß der Klemmdiode (65) zum selektiven Anlegen der zweiten Spannung über die Klemmdiode an den Knoten gekoppelt ist, wobei die Klemmimpulsquelle die zweite Spannung minus einer Schwellenspannung der Klemmdiode an den ersten Anschluß der Klemmdiode liefert, wenn die Impulsquelle die erste Spannung an den zweiten Anschluß der Schaltdiode anlegt und die Klemmimpulsquelle eine dritte Spannung an den ersten Anschluß der Klemmdiode anlegt, wenn die Impulsquelle die erste Spannung nicht an den zweiten Anschluß der Schaltanordnung anlegt, wobei die dritte Spannung höher ist als die erste und zweite Spannung.