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Die
vorliegende Erfindung betrifft Bildabfühlvorrichtungen und im Besonderen
eine Pixelzelle mit verringertem Dunkelstrom.
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Die
Technologie der integrierten Schaltkreise hat verschiedene Gebiete,
einschließlich
der Computer, Steuerungssysteme, Telekommunikation und Bildgebung
revolutioniert. Auf dem Gebiet der Bildgebung haben sich aktive
Pixel-CMOS-Bildsensoren als weniger kostenintensiv in der Herstellung
als CCD-Bildgebungsvorrichtungen herausgestellt. Ferner erbringen
CMOS-Vorrichtungen für
gewisse Anwendungen eine höhere
Leistung. Die Pixelelemente in einer MOS-Vorrichtung können schmäler ausgebildet
werden und stellen daher eine höhere
Auflösung bereit
als CCD-Bildsensoren.
Außerdem
kann die notwendige Signalverarbeitungslogik neben der Bildgebungsschaltung
eingebaut sein, was es einem einzigen integrierten Chip ermöglicht,
eine vollständige, eigenständige Bildgebungsvorrichtung
zu bilden.
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Wie
im
US-Patent Nr. 5.625.210 von
Lee et al. (dem "210-Patent") dargelegt, bezieht
sich ein aktiver Pixelsensor auf einen elektronischen Bildsensor mit
aktiven Vorrichtungen, wie etwa Transistoren, die sich innerhalb
jedes Pixels befinden. Herkömmliche aktive
Pixelsensoren verwenden üblicherweise
Photodioden als Bildabfühlelemente.
Die beliebtesten aktiven Pixelsensorstrukturen bestehen aus drei
Transistoren und einer Photodiode mit n+/p–-Topf, welche eine mit dem
herkömmlichen
CMOS-Herstellungsverfahren kompatible Struktur ist. Es wird für den aktiven
Pixelsensor gewünscht,
dass dieser eine hohe Empfindlichkeit in Kombination mit einem niedrigen Dunkelstrom
(also dem Strom, der von dem Sensor in einer dunklen Umgebung ausgegeben
wird) aufweist. Übermäßiger Dunkelstrom
verringert den Dynamikbereich des CMOS-Bildsensors, da keine ausreichende
Fähigkeit
vorhanden ist, die zwischen hellen und dunklen Zuständen unterscheidet.
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In
der Gestaltung von aktiven Pixelsensoren ist es bekannt, dass in
derselben Sensorgröße eine Tiefsperrschicht-Photodiode
eine höhere
Empfindlichkeit als eine Flachsperrschicht (wie etwa in einem typischen
n+/p–-Topf)
aufweisen wird. Die Erzeugung solcher Vorrichtungen erfordert jedoch üblicherweise Modifikationen
des herkömmlichen
CMOS-Herstellungsverfahrens und außerdem kann sie die den Dun kelstrom
aufgrund größerer effektiver
Sperrschicht-Bereiche erhöhen
(wenn aus einer dreidimensionalen Perspektive betrachtet).
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Die
beiden derzeit erhältlichen
Alternativen sind daher entweder die Verwendung des herkömmlichen
Dreitransistors plus n+/p–-Topf-Photodiodenstruktur,
die durch das herkömmliche
CMOS-Herstellungsverfahren erzeugt werden kann, oder der Verzicht
auf den herkömmlichen
CMOS-Herstellungsvorgang zugunsten von Gestaltungsformen, die auf die
Verbesserung der Empfindlichkeits- und der Dunkelstrommerkmale abzielen.
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Eine
Gestaltungsform eines aktiven Pixelsensors, der nicht unter Verwendung
des herkömmlichen
CMOS-Herstellungsverfahrens hergestellt wird, ist die gepinnte Photodiode,
wie sie im 210-Patent dargelegt ist. Die gepinnte Photodiode hat
in letzter Zeit aufgrund ihrer Fähigkeit,
eine gute Farbreaktion auf Blaulicht zu haben, sowie aufgrund ihrer
Vorteile bezüglich
der Dunkelstromdichte an Beliebtheit gewonnen. Die Verringerung
des Dunkelstroms wird durch Pinnen des Diodenoberflächenpotentials
auf den p-Topf oder P-Substrat (GND) durch einen p+-Bereich erzielt.
Eine Verbesserung des 210-Patents ist im
US-Patent Nr. 5.880.495 erläutert, welches
an den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist.
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Nichtsdestotrotz
weist die gepinnte Photodiodenkonfiguration immer noch gewisse Nachteile auf.
So gibt es etwa in einer gepinnten Photodiode vier Transistoren,
daher ist der Füllfaktor
für denselben
Bereich geringer, was zu einer geringeren Empfindlichkeit führt. Außerdem benötigt das
Herstellungsverfahren für
eine solche Konfiguration aufgrund des Transistors mit vergrabenem
Kanal eine erhebliche Modifikation der herkömmlichen CMOS-Herstellungspreise.
Die gepinnte Photodiodenkonfiguration kann aufgrund des nicht vollständigen Ladungstransfers
von der Diode zum Floating-Knoten eine Bildverzögerung hervorrufen, wenn das
Sperrschicht-Profil nicht perfekt für den Ladungstransfer optimiert
ist.
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Ein
anderer mit dem herkömmlichen CMOS-Vorgang
kompatibler Ansatz ist die Verwendung eines Wasserstoff-Vergütungsverfahrens,
um den Dunkelstrom durch Pas sivieren von ungebundenen Zuständen des
Siliziums zu reduzieren. Das
US-Patent
Nr. 6.271.054 offenbart beispielsweise die Verwendung eines
solchen Verfahrens im Zusammenhang mit einer CCD-Vorrichtung. Das
in CCD-Verfahren nachfolgende Thermoverfahren kann aufgrund der
schwachen thermischen Stabilität der
Silizium-Wasserstoffstruktur
die Wirkung der Wasserstoffpassivierung leicht zerstören.
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In
einem anderen mit der CMOS-Verarbeitung kompatiblen Ansatz wird,
wie in der Europäischen
Patentanmeldung
EP-A-1.102.322 offenbart, ein
CMOS-Bildsensor mit einer p+/n-Topf/p-Sub-Struktur ausgebildet.
Der p+-Floating-Bereich passiviert die Siliziumoberfläche, um
die Dunkelströme
zu verringern. Ein geeignetes p-Typ-Dotiermittel, das zur Erzeugung eines
p+-Bereichs wird, soll aus Bor sein.
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine CMOS-Bildgebungsanordnung
mit einer pn-Photodiode nach Anspruch 1 bereit. In einem weiteren
Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verringerung
des Dunkelstroms in einer CMOS-Bildgebungsanordnung bereit, wie
in Anspruch 6 dargelegt.
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Die
zuvor erwähnten
Aspekte und viele der zugehörigen
Vorteile dieser Erfindung werden leichter ersichtlich, da diese
in Bezug auf die folgende, detaillierte Beschreibung, sofern sie
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen gelesen wird, besser verständlich sind, in denen:
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1 ein
p-Substrat mit einer ersten Maske ist, um die Bildung eines Pixelsensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu beginnen.
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2 die
Bildung eines n-Topfs in dem p-Substrat darstellt.
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3 die
Bildung eines p-Topfs in dem p-Substrat zeigt.
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4 das
Hinzufügen
der Feldoxidbereiche und einer Polyschicht darstellt.
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5 die
Bildung eines Gates aus der Polyschicht und die Passivierung des
Siliziumsubstrats abbildet.
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6 die
Bildung der n+-Bereiche auf jeder Seite des Gates darstellt.
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7 ein
Teilschaltdiagramm zur Veranschaulichung der Verbindungen einer
fertigen aktiven Pixelsensorvorrichtung mit einer Dreitransistorstruktur
zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein aktiver Pixelsensor, der durch den
herkömmlichen
CMOS-Herstellungsvorgang ausgebildet werden kann, während er
ebenfalls die gewünschten
Charakteristika der hohen Empfindlichkeit zusammen mit einem niedrigen Dunkelstrom
aufweist. Die Verwendung einer Thermodiffusion oder eines Implantationsverfahrens
zur Passivierung der Siliziumoberfläche verringert den Dunkelstrom.
Die Bezeichnung Oberfläche,
wie sie hierin verwendet wird, bezeichnet die oberste Oberfläche eines
Wafer. In der folgenden Beschreibung wird eine Ausführungsform
eines aktiven Pixelsensors beschrieben. Es versteht sich jedoch,
dass die Aspekte der Erfindung auf eine große Anzahl an Pixelstrukturen
angewendet werden können.
Wie ersichtlich wird, ist der wichtige Aspekt der vorliegenden Erfindung
die Passivierung unter Verwendung der Thermodiffusion oder Ionenimplantation
der Siliziumoberfläche
der Photodiode mit Stickstoff. Daher sollten die spezifischen Strukturen,
Schritte oder die Reihenfolge der Schritte, die unten dargestellt
sind, nicht als einschränkend
aufgefasst werden.
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In
der unten stehenden Beschreibung ist das bevorzugte Dotiermittel
für das
n-Typ-Implantat Phosphor,
während
das bevorzugte Dotiermittel für ein
p-Typ-Implantat Bor ist, obwohl andere bekannte Dotiermittel ebenfalls
verwendet werden können. Das
herkömmliche
CMOS-Herstellungsverfahren kann mit einem p-Typ-Halbleitersubstrat,
wie in 1 veranschaulicht, beginnen. Wie in 1 zu
sehen, ist ein p-Typ-Halbleitersubstrat 101 anfänglich mit
einer Photolithographiemaske 201 bedeckt. Die Photolithographiemaske 201 lässt einen
Abschnitt des p-Substrats 101 frei, so dass dieses ein
erstes n-Typ-Ionenimplantat aufnehmen kann, wie in Bezug auf 2 dargestellt.
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Wie
in 2 veranschaulicht, wird ein erstes Typ-Ionenimplantat
durchgeführt,
um einen tiefen n-Topf 103 zu implantieren. Der n-Topf 103 ist
relativ tief im Substrat ausgebildet, um die Empfindlichkeit der
Photodiode zu erhöhen.
Die Erhöhung
der Empfindlichkeit wird erzielt, da das tiefe Implantat aufgrund
einer Erhöhung
des Sammelpfades für
Sofortphotoerzeugungsträger
zu wesentlichen Erhöhungen der
Photoreaktion führt.
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Wie
in 3 gezeigt, wird eine Photolithographiemaske 202 auf
einem Abschnitt des p-Substrats abgeschieden. Danach wird ein p-Typ-Ionenimplantat
durchgeführt,
um einen tiefen, an den n-Topf 103 angrenzenden p-Topf 105 auszubilden.
Wie unten näher
beschrieben wird, wird ein p-Topf teilweise zur Ausbildung eines
Resettransistors sowie eines Puffertransistors 151 und
eines Zeilenauswahltransistors 153 verwendet.
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Wie
in 4 abgebildet, werden Feldoxidbereiche 113 im
Substrat 101 unter Verwendung jedes geeigneten herkömmlichen
Halbleiterverarbeitungsverfahrens, wie etwa LOCOS, ausgebildet.
Die Feldoxidbereiche 113 definieren einen aktiven Bereich,
in dem die Photodiode ausgebildet ist. Ein Isolationsoxid 115 wird
ebenfalls auf der Oberseite des Substrats 101 zwischen
den Feldoxidbereichen 113 ausgebildet. Das Isolationsoxid 115 wird
auch als ein Gate-Oxid bezeichnet und wird vorzugsweise aus Siliziumdioxid
ausgebildet. Das Verfahren, welches zur Ausbildung der Siliziumdioxid-Isolationsoxidschicht 115 verwendet
wird, kann ein beliebiges der bekannten Verfahren, einschließlich der
thermischen Oxidation von Silizium, sein. Wie in 4 dargestellt,
wird eine Schicht aus Polysilizium 117 über dem Gate-Oxid 115 abgeschieden.
Das Polysilizium kann unter Verwendung jedes beliebigen herkömmlichen Verfahrens,
wie etwa Tiefdruck-CVD-Verfahren (LPCVD), abgeschieden werden.
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Wie
in 5 abgebildet, wird die Polysiliziumschicht 117 unter
Verwendung herkömmlicher Photolithographie-
und Maskierungsverfahren strukturiert und geätzt, um ein Steuer-Gate 121 auszubilden.
Wie unten beschrieben, wird dieses Gate 121 das Gate für den Resettransistor
sein.
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Unter
weitere Bezugnahme auf 5, wird ein Dotierungsschritt
durchgeführt.
Dieser Dotierungsschritt in einer Ausführungsform ist eine Ionenimplantation
von Stickstoff (N2). Durch Implantieren des
Stickstoffs in das Siliziumsubstrat 101 (und besonders
des n-Topfs 103) können
die ungebundenen Zustände
des Silizium passivert werden. Es gilt hierbei anzumerken, dass
der Ionenimplantierungsvorgang durchgeführt werden kann, nachdem das
Gate 121 ausgebildet wurde oder, als Alternative dazu, kann
die Ionenimplantation durchgeführt
werden bevor das Gate-Oxid (Isolationsoxid 115) ausgebildet wird.
In einer Ausführungsform
wird das Implantat bei einer Leistung von 5-20 keV und bis zu einer
Dosierung von 1 × E14
bis 1 × E16/cm2 und bis zu einer Tiefe von 100-500 Ångstrom
durchgeführt.
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Da
die Ionenimplantation des Stickstoffverfahrens die Strukturen beschädigen kann,
wird in einer Ausführungsform
nach der Ionenimplantation ein herkömmlicher Vergütungsvorgang
zur Behebung des Schadens durchgeführt. Das Endergebnis ist, dass
das Stickstoffimplantat eine stickstoffpassiverte Oberfläche des
Substrats 101 bereitstellt. Es versteht sich, dass die
ausgebildete Photodiode eine Photodiode vom n-Topf/p-Sub-Typ ist, aber es können auch andere
Typen von Photodioden verwendet werden. Die wichtige Überlegung
ist, dass die Oberfläche
der Photodiode passivert wird (welches Dotiermaterial sich auch
immer auf der Oberfläche
befindet).
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In
einer anderen Ausführungsform
wird der Dotierschritt durch Thermodiffusion des Stickstoffs ins
Substrat durchgeführt.
Das Ziel und das Ergebnis sind gleich wie bei der Ionenimplantation:
die Passivierung der ungebundenen Zustände des Siliziums mit Stickstoff.
In einer Ausführungsform
wird die Thermodiffusion bei 850-950 Grad C für etwa 20 Minuten oder länger durchgeführt. Ferner
wird die Thermodiffusion nach der Strukturierung des Polysilizium-Gates 121 optimal
angewendet und geätzt,
da es schwierig ist, den Stickstoff durch das Polysilizium- und
das Gate-Oxid zur gewünschten
Photodiodenoberfläche
zu verteilen, um die ungebundenen Zustände des Siliziums zu passivieren.
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In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass
durch Ersetzen des Isolationsoxids 115, welches üblicherweise
aus thermischem Siliziumoxid (SiO2) mit
einem Siliziumoxynitrid (SiOxNy)
ausgebildet wird, ein ähnlicher
Passivierungseffekt festgestellt wurde. In 4 wird daher
anstelle der Ausbildung eines Isolationsoxids 115 eine
Siliziumoxynitridschicht zwischen dem Feldoxid 113 ausgebildet.
Die Ausbildung der Siliziumoxynitridschicht ist auf dem Fachgebiet
bekannt und kann unter Verwendung herkömmlicher chemischer Dampfabscheidungsverfahren
durchgeführt
werden. Die Verwendung des Siliziumoxynitrids, in Bezug auf Siliziumdioxid,
stellt weniger Grenzflächen-Störstellen
bereit und ersetzt schwache Bindungen nahe der Si-SiO2-Grenzfläche mit
stärkeren
Si-N-Bindungen.
Daher kann der Dunkelstrom unter Verwendung des Siliziumoxynitrids
als Gate-Dielektrikum reduziert werden. Als weitere Alternative
dazu weist ein N2O-Nitrieroxid ähnliche Vorteile wie das Siliziumoxynitrid
auf.
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In
der Beschreibung wird, wie in 6 dargestellt,
weiters eine Photolithographiemaske 203 abgeschieden. Die
Maske 203 wird unter Verwendung herkömmlicher Lithographieverfahren
ausgebildet. Danach wird eine hohe Konzentrationsdotierung verwendet,
um n+-Bereiche unter Verwendung der Maske 203 als Implementierungsmaske
auszubilden. Die Implementierung der hohen Konzentrationsdotierung
wird unter Verwendung bekannter Verfahren nach Stand der Technik
und herkömmlichen
Dotiermitteln durchgeführt.
Dies bildet einen n+-Bereich 123 und einen n+-Bereich 125 aus.
Hierbei ist anzumerken, dass der n+-Bereich 123 an der
Grenze zwischen dem n-Topf 103 und dem p-Topf 105 ausgebildet
wird. Wie unten näher
beschrieben wird, werden die n+-Bereiche 123 und 125 als
Source und Drain des Resettransistors verwendet.
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Wie
in 7 ersichtlich, ist der n+-Bereich 123 mit
der Ausgangsschaltung verbunden. Die Ausgangsschaltung umfasst zusätzlich zu
einem Zeilenauswahltransistor 153 einen Puffertransistor 151.
Der n+-Bereich 123 ist mit dem Gate des Puffertransistors 151 gekoppelt,
während
der Drain des Puffertransistors 151 mit einer Festspannung,
wie etwa VDD, gekoppelt ist. Die Source des Transistors 151 ist
mit dem Drain des Zeilenauswahltransistors 153 gekoppelt,
während
die Source des Transistors 153 den Ausgang der Verarbeitungsschaltung
bereitstellt. Das Gate des Zeilenauswahltransistors 153 empfängt ein
Zeilenauswahlsignal RS.
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Wie
in 7 ebenfalls dargestellt, ist der n+-Bereich 125 mit
einer Festspannung, wie etwa der Versorgungsspannung VDD, verbunden.
Das Resetgate 121 wird periodisch durch ein Resetsignal
aktiviert. Wenn das Resetsignal „ein" ist, wird der unter dem Resetgate 121 verlaufende
Kanal leitend gemacht und der Strom ist in der Lage durch den Transistor
zu fließen,
um einen Reset der Photodiode durchzuführen.
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Wie
abgebildet, stellt die vorliegende Erfindung eine aktive Pixelphotodiodenstruktur
bereit, die mithilfe des herkömmlichen
CMOS-Verfahrens ausgebildet wird. Außerdem wird die Vorrichtung
von 7 mit nur drei Transistoren ausgebildet, im Vergleich
zu den für
die zuvor beschriebenen gepinnten Photodioden benötigten vier
Transistoren. Daher kann die vorliegende Erfindung für einen
vorgegebenen Herstellungsbereich mehr an Bereichsfläche dem
optischen Ablesen widmen als die Verarbeitungsschaltung. Außerdem verhindert
dies die Bildverzögerung,
die manchmal aufgrund eines nicht vollständigen Ladungstransfers von
der Diode zum Floating-Knoten
zu gepinnten Photodioden führen kann
und zwar in Fällen,
in denen das Sperrschicht-Profil nicht perfekt für den Ladungstransfer optimiert
ist.
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Die
beschriebene Struktur der vorliegenden Erfindung ist für eine Tiefsperschicht-Photodiode vorgesehen,
wie in der n-Topf/p-Sub-Sperrschicht zu sehen (wie zwischen dem
n-Topf 103 und dem p-Substrat 101 zu sehen), wodurch
eine hohe Empfindlichkeit der Vorrichtung bereitgestellt wird. Außerdem wird
der Dunkelstrom dadurch verringert, dass ein Stickstoffdotiermitte
die Siliziumoberfläche
passiviert.
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Die
Ausbildung des aktiven Pixelsensors, wie in 2 und 3 dargestellt,
weist im Allgemeinen die Ausbildung des n-Topfs 103 vor
dem p-Topf 105 auf, aber diese Vorgänge könnten auch in umgekehrter Reihenfolge
durchgeführt
werden. Während die
Ausbildung der Feldoxidbereiche 113 in 4 im Allgemeinen
als nach der Ausbildung des n-Topfs 103 und des p-Topfs 105 dargestellt
wurde, könnten der
n-Topf und/oder der p-Topf außerdem
nach der Ausbildung der Feldoxidbereiche 113 ausgebildet werden.
Es ist ebenfalls verständlich,
dass an der Stelle, an der die Vorrichtung im Allgemeinen unter Verwendung
unterschiedlicher Typen von p- oder n-Typ- Materialien dargestellt wurde, die Materialtypen
auch vertauscht werden könnten,
um ähnliche Resultate
zu erzielen. Beispielsweise könnten
anstelle der ausgebildeten n-Topf/p-Sub-Photodiode
alternative Materialtypen zur Ausbildung einer p-Topf/n-Sub-Photodiode verwendet
werden. Daher können
die Passivierungsverfahren auch mit Photodioden verwendet werden,
die n+/p-Topf, n+/p-Sub, n-Topf/p-Sub, p+/n-Topf, p-Topf/n-Sub,
etc. sind. Daher wird die Bezeichnung PN-Photodiode definiert, um
alle Typen an Photodioden zu umfassen.
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Außerdem könnte die
oben beschriebene Photodiode ebenfalls in anderen Anwendungen verwendet
werden. Die Photodiode könnte
beispielsweise anstelle eines aktiven Pixelsensors in einem passiven
Pixelsensor implementiert werden. Statt in einem aktiven Dreitransistor-Pixelsensor
implementiert zu werden, könnten
andere Typen aktiver Pixelsensoren verwendet werden, wie etwa ein
Zweitransistor, ein Viertransistor oder eine Implementierung im logarithmischen
Maßstab.
Wie zuvor erwähnt,
sind einige Beispiele von Ansätzen
zur allgemeinen Gestaltung nach Stand der Technik zu diesen anderen Typen
in den
US-Patenten 5.587.596 ,
5.926.214 und
5.933.190 dargestellt.