NL7906225A - Vaste-stof beeldopname-inrichting. - Google Patents

Description

793384/Timmers

Aanvraagster: Hitachi, Ltd», te Tokyo, Japan»

Korte aanduiding: Vaste-stof beeldopname-inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een vaste-stof beeld-5 opname-inrichting, in het bijzonder voor gebruik in een televisie camera, enz», en meer in het bijzonder op een vaste-stof beeldopname-inrichting met een aantal beeldelementen binnen een gedeelte van een oppervlak van een halfgeleiderlichaam. De uitvinding verschaft een vaste-stof beeldopname-inrichting met beeldelementen voor het uii-10 lezen van in fotodioden opgeslagen fotogegevens»

De stand der techniek wordt gedocumenteerd door fig. 1 die een principeschema is van een bekende vaste-stof oppervlakte-opnemer» De opnemer bevat een fotogevoelig gedeelte bestaande uit een groot aantal in de vorm van een matrix opgestelde fotodioden 1, vertikaal 15 schakelende veldeffecttransistors met geïsoleerde stuuringang (hierna MOSFETs genaamd) 2 en horizontaal schakelende MOSFETs 3 voor de uitlezing van in de fotodioden 1 opgeslagen optische informatie, en een schuifregister 4 van een vertikale aftastketen en een schuif-register 5 van een horizontale aftastketen ter verkrijging van in de 20 juiste volgorde optredende schakelingen» De figuur toont verder een vertikale aftastïijn 6, een vertikale uitgangssignaallijn 7» een horizontale aftastïijn 8, een horizontale uitgangssignaallijn 9» een uitgangsklem 10, een belastingsweerstand 11t en een spanningsbron 12 voor videosignaaluitvoer, De vertikaal en horizontaal schakelende 25 MOSFETs krijgen vanaf de uitgangen van de respektievelijke trappen van de schuif registers aftastpulsen op hun stuuringangen gedrukt»

Sij deze vaste-stof beeldopname-inrichting zijn de op te nemen ladingen in de fotodiode 1, waarop door middel van fotonen intens licht valt, dat een voorafbepaalde hoeveelheid te boven gaat, 30 groter dan de verzadigingshoeveelheid en overstromen de vertikale signaaluitgangslijn 7» waardoor de uitlezing van de andere fotodioden 1, die met dezelfde vertikale uitgangssignaallijn 7 zijn verbonden, wordt beïnvloed. Dit veroorzaakt beeldvertroebeling ("blooming'*)» waarbij witte streeplijnen op een beeldscherm verschijnen, zodat de 35 beeldkwaliteit sterk afneemt» 790 62 25 — 2 - V j*

-V

~ ....... ‘ ' ' 4 ..........~

Als maatregel tegen dit nadeel is een MOSFET, waarvan de bronaansluiting met de fotodiode 1 verbonden is, opgenomen voor de afname van overmaatladingen en zijn een besturingslijn ten behoeve van een instelspanning en een absorptielijn ten behoeve van overmaat-5 ladingen respektievelijk met de stuuringang en de uitgang van de EET verbonden. Bij eenzelfde oppervlak van de vaste-stof beeldopname-inrichting, geeft de toevoeging van dergelijke elementen en draden echter een verkleining van het gebied met de fotodioden, hetgeen resulteert in een verlaagde gevoeligheid. Vooral de besturingslijnen 10 van de stuuringangen en de absorptielijnen voor de overmaatlading nemen een groot oppervlak in en verminderen in hoge mate de gevoeligheid.

Bij een vaste-stof beeldopname-inrichting met een overloop-uitgang, welke als verbetering is ontwikkeld, is de fotodiode 1 voor-15 zien van een MOSFET, die gescheiden is van de schakelende MOSFETs en de overmaatladingen worden via deze MOSFET met een voorafbepaalde ingestelde gelijkspanning, die aan de uitgang daarvan wordt aangelegd, doorgelaten. Bij deze inrichting is eveneens een absorptielijn voor overmaatladingen vereist, zodat het oppervlak van de fotodiode af-20 neemt, waardoor het nuttige effekt van de invallende fotonen en de verzadigingsladingen afnemen*

De uitvinding verschaft een vaste-stof beeldopname-inrichting met middelen ter voorkoming van het vertroebelingseffekt, zonder dat het oppervlak van een fotoelektrisch element zoals een fotodiode 25 afneemt.

De uitvinding verschaft verder middelen ter voorkoming van het vertroebelingseffekt in een vaste-stof beeldopname-inrichting, welke middelen de opname van een absorptielijn voor overmaatladingen of enige andere extra besturingslijn overbodig maakt.

50 In haar geheel verschaft de uitvinding een praktische vaste-stof beeldopname-inrichting met een hoge beeldkwaliteit, hoge resolutie en hoge integratiedichtheid, welke is uitgevoerd met middelen voor het onderdrukken van het vertroebelingseffekt tengevolge van de inval van intensief licht.

55 In de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de 790 62 25 * - 3 - uitvinding wordt een absorptielijn voor overmaatladingen eveneens gebruikt als vertikale aftastlijn, waardoor verslechtering van de beeldkwaliteit en de nadelige invloed van de verhoging van de integratiedichtheid worden voorkomen0 In feite bevat de vaste-stof 5 beeldopname-inrichting volgens de uitvinding een vergrendelingsketen bestaande uit een diode of transistor tussen een fotodiode en een vertikale aftastlijn van de volgende trape

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Figo 1 is een schematische ketenopstelling van een vaste-10 stof opp ervlakt e-opnemer; fige 2 is een schematische ketenopstelling van een vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; figo 3 is een puls-tijddiagram, welke de samenhang toont tussen een horizontale aftastpuls EL, een vertikale aftastpuls 15 en de spanning van een fotodiode A in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens figo 2; figo 4A is een ketenopstelling van een eerste uitvoeringsvorm van een schuifregister van een vertikale aftastketen voor gebruik in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; 20 figo 43 is een ketenopstelling van een tweede uitvoerings vorm van het schuifregister van de vertikale aftastketen voor gebruik in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; figo 40 is een ketenopstelling van een derde uitvoeringsvorm van het schuifregister van de vertikale aftastketen voor ge-25 bruik in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; figo 5A is een schematische voorstelling van een uitvoeringsvorm van een vergrendelingsketen met een P-ίΓ overgangsdiode voor gebruik in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; figo 53 en 5C zijn schematische uitvoeringsvormen van de 30 vergrendelingsketen met een MOSFET voor gebruik in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; fig. 53 toont een uitvoeringsvorm van de vergrendelingsketen met een Schottky diode voor gebruik in de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding; 35 figo 6 is een schema van een uitvoeringsvorm van de 790 6 2 25 «r « - 4 - vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding, waarbij de door een diode gevormde vergrendelingsketen wordt gebruikt; fig, 7 is een schema van een uitvoeringsvorm van de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding, waarbij de door 5 een MOSFET gevormde vergrendelingsketen wordt toegepast; fig. 8 is een schematisch schema van een uitvoeringsvorm van de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvinding, waarbij tevens in een vertikale aftastlijn een vergrendelingsketen is opgenomen; 10 figo 9 is een dwarsdoorsnede van een beeldelementgebied met een fotodiode, een vertikale schakelMOSFET en de vergrendelingsketen in het geval, dat de vaste-stof beeldopname-inrichting volgens figo 7 in een geïntegreerde keten wordt opgenomen; fig* 10 toont een elementconstructie in het geval dat de 15 elementconstructie van fig* 9 fotodiode wordt vervangen door een element met een MIS (metaal-isolator-half geleider) structuur,,

De keten volgens fig, 2 omvat een fotodiode 1, een vertikale schakel MQSFEï 2, een horizontale schakel MOSFET 5* een schuif-register 4 van een vertikaal aftastende keten, een schuifregister 5 20 van een horizontaal aftastende keten, een vertikale aftastlijn 6 (Tl. Vg, een vertikale uitgangslijn 7» een horizontale aftastlijn 8 (H^, Hg, een horizontale uitgangslijn 9» een uitgangs- klem 10, een belastingsweerstand 11 en een spanningsbron 12 voor video-uitvoer. Volgens het puls-tijddiagram van fig» 3 geeft het 25 register 4 van de vertikaal aftastende keten pulsen af in de volgorde 7, V , V , V , . , terwijl het schuifregister 5 van de horizon- * / T Μ Μ m taal aftastende keten pulsen in de volgorde H^, Hg, H^, o*·, af geeft,

De bovengenoemde elementen komen met dezelfde verwijzings- cijfers voor in de bekende uitvoering volgens fig» 1, Volgens de uit- 30 vinding wordt een vergrendelingsketen 21, die gevormd wordt door een cL© diode of transistor, tussen de door de met de i vertikale aftastlijn V. verbonden vertikale schakel MOSFET uit te lezen fotodiode 1 ^ cL© en de (i + l)a vertikale aftastlijn V. . van de daarop volgende trap cl© opgenomen. Indien in deze keten de fotodiode 1 van de i trap een 35 lagere potentiaal heeft dan die van de vertikale aftastlijn 6 van de I___ 7906225 * - 5 - β (i + l)ae trap door de drempelspanning van de vergrendelingsketen 21, worden de betreffende fotodiode 1 en de vertikale aftastlijn 6 van de volgende trap met elkaar verbondene In andere gevallen, vooral in het geval waar de spanning van de vertikale aftastlijn 6 lager is 5 dan die van de fotodiode 1, worden de fotodiode en de vertikale aftastlijn elektrisch afgeschakelde

Het schuifregister 4 van de vertikale aftastketen wordt in een ketenopstelling opgenomen, waarmee, indien de vertikale schakel MOSFET 2 uitgeschakeld is, de met de stuuringang daarvan verbonden 10 lijn met een uitwendige spanningsbron van bijvoorbeeld ongeveer 1 Y of met aarde met een lage impedantie verbonden,, Dergelijke ketenopstellingen worden getoond in de figuren 4A - 4^» De ketenopstelling volgens fig* 4A is bekende Het bestaat uit omkeerketens met elk de MOSPETs 41 en 42, en overdraohtsketens met elk een MOSFET 43. Klok-15 pulsen en met verschillende fase worden afwisselend via de respektievelijke lijnen 0^ en naar de overdraohtsketens gevoerd* geeft een voedingsspanningslijn aan, Yg een aardlijn en geeft een pulsingangsklem aan* Ten behoeve van de vaste-stof beeldopname-inrichting worden de vanaf de uitgangslijnen 6 afkomstige pulsen als 20 de vertikale aftastpulsen gebruikt* De uitvoeringsvorm volgens fig* 43 is zodanig, dat elke omkeerschakeling is uitgevoerd met een bron-volger in een trekkerketen bestaande uit de MOSFETs 44 en 45« Het is ongevoelig gemaakt voor niveaufluctuaties en spanningsveranderingen ter eliminering van golfvormvariaties, in het bijzonder amplitude-25 variaties van de respektievelijke uitgangssignalen* Fig0 4C toont een uitvoeringsvorm van een keten in het geval waar het gewenst is om de hoge en lage niveau’s van de vertikale aftastpuls in respektievelijk de spanningen Y^ en Yg om te zetten0 Indien de transistors 46 niet in het verzadigingsgebied werken, kunnen de variaties van de lage en JO hoge niveau’s van de respektievelijke uitgangspulsen geëlimineerd worden.

Hierna zal de werking van de inrichting volgens de uitvinding toegelicht worden aan de hand van de figuren 2 en 3 met name de fotodiode A in fig* 2* 35 Stel, dat Y^ en Y^ respektievelijk het hoge niveau van de i—-

i--:_I

790 62 25 > ' Λ - 6 - horizontalr aftastpuls en het lage niveau van de vertikale aftast- puls Y^ aangeven. Stel verder, dat Y^ de video- in stel spanning van de uitgangsklem aangeeft. In werkelijkheid wordt gesteld dat YR “ 9 V» . VR » 1 Y en Vy = 1 Y. Met betrekking tot andere numerieke waarden 5 wordt aangenomen, dat de drempelspanning Y^ van de vergrendelketen 21 0,5 Y bedraagt, en dat de drempelspanning van de vertikale schakel MOSPET 1,5 V bedraagt* Ten behoeve van de eenvoud wordt aangenomen, dat de MOSPETs van de ïï-kanaal-soort zijn en geen substraat-drempeleffekt hebben# 10 (l) ïndien de vertikale aftastpuls V- en de horizontale af- mm ~ tastpuls Hg worden aangelegd, worden in de fotodiode A opgeslagen ladingen naar de uitgangsklem 10 gevoerd, en wordt de fotodiode A op de video spanning Υγ (= 1 V) gebracht» (2) Indien vervolgens de vertikale aftastpuls Y^ wordt 15 aangelegd, krijgt de lijn Y^ de hoge potentiaal van YR (= 9 Y)» zodat de vergrendelketen 21 geleidend wordt en de fotodiode A wordt teruggezet of een voorlading krijgt met de volgende spanning* .......ω

In dit geval, Y_ = 9 Y en V--. - 0,5 V zodat,

20 YR - 8,5 V

en de fotodiode A wordt teruggebracht naar 8,5 Y* Dezelfde als de hierboven beschreven werkwijze geldt voor de fotodioden die in dezelfde rij liggen als die van de fotodiode A« (5) Ha het uitschakelen van de vertikale puls Y^, krijgt de 25 lijn Y^ de spanning YR (=* IV), welke lager is dan de spanning van de fotodiode A, zodat de vergrendelketen 21 uitschakelt» Op dit moment is de vertikale schakel MOSPET 2 eveneens uitgeschakelde Dienovereenkomstig begint de opslag van signaalladingen op het moment, dat de vertikale aftastpuls Y^ uitgeschakeld is* 50 (4) De opslag van de signaalladingen gaat voort tot onmid dellijk voor het moment, dat de vertikale aftastpuls in de volgende cyclus (raster) wordt aangelegd, en de potentiaal Y^ van de fotodiode A afhankelijk van het invallend licht afneemt0 (5) In het geval van een bepaalde hoeveelheid invallend 55 licht, waarbij de vertroebeling niet optreedt, worden bij het 7906225 t - 7 - aanleggen van de vertikale aftastpuls Y^ en de horizontale aftast-puls Hg de signaalladingen afgegeven en wordt de fotodiode A op de video spanning Y^ (** 1 Y) gebracht· (6) Bij de bekende inrichting neemt de spanning van de 5 fotodiode A in het geval dat intensief vertroebeling veroorzakend licht is ingevallen steeds verder af naar een potentiaal, die wordt verkregen door de ingebouwde potentiaal Y^ van de overgangsdiode (0,6 Y) van de substraatpotentiaal Vg^ (* 0 Y) af te trekken· (7) Met betrekking tot het voorgaande is de potentiaal van 10 de vertikale aftastlijn 6 in de inrichting volgens de uitvinding Y^ (- 1 Y)e Indien de fotodiode A een lagere spanning bereikt dan \ ~ ^ dan komt de vergrendelketen 21 in bedrijf zodat de overmaatladingen door de vertikale aftastlijn 6 van de volgende trap geabsorbeerd wor-15 den en de fotodiode A op de potentiaal Y^, in de vergelijking (2) wordt vastgehouden. Omdat in dit geval » 1 Y en Y^ « 0,5 Y» bedraagt de potentiaal Y^:

Y0 - 0,5 V

Indien vervolgens de pols Y2 wordt aangelegd, wordt de 20 fotodiode A op de videospanning gebracht en worden de signaalladingen afgegeven·

Het hierboven beschrevene betreft de principiële werking van de inrichting volgens de uitvinding, volgens welke de voorafbepaalde overstromingswerking van de uitgang (drain) mogelijk wordt 25 zonder dat een aparte draad vereist is»

Be vergrendelketen 21 kan worden gevormd door de elementen die getoond worden in de figuren 5A, 52, 50 en 5B. Pig« 5A toont een PAH overgangsdiode 22, figo 52 een MOSPST 25, fig· 50 een doorloop-transistor (M0SPET zonder stuurspanning) 24, en fig· 5B een Schottky 50 barrière-diode 25· In al deze figuren geeft 6’ de zijde van de vertikale aftastlijn aan en 1' de zijde van de fotodiode· Alle getoonde voorbeelden van de figuren 5A t/m 52 betreffen een Si-opnemer met ÏF-kanaal MOSPETse In een Si-opnemer met P-kanaal MOSPETs zijn de polariteiten van de dioden in de figuren 5A en 52 tegengestelde 35 De uitvinding kan worden gerealiseerd door een van de — 790 62 25 - 8 - τ « getoonde ketenelementen in de figuren 5A t/m 5D voor de vergrendel-keten 21 in fig, 2 te gebruiken.

Be figuren 6 en 7 tonen schematische uitvoeringen van de uitvinding in de gevallen waar respektievelijk de P-N overgangsdiode 5 22 van fige 5A en de MOSPET 23 van fig. 5B voor de vergrendelketen 21 in fig. 2 worden gebruikt,

Yolgens vergelijking (2) is het in beide gevallen van groter nut wanneer de substraatspanning lager is dan de span ning Yn in vergelijking (2). Bat wil zeggen dat het natuurlijk meer

V

10 gewenst is om aan de volgende voorwaarde te voldoen, TSUB 1 TL - ...... <*>

Bij sterke lichtinval vloeien ladingen, die bijdragen aan de vertroebeling, via een vergrendelketen 23 volgens fig, 8 naar de 15 vertikale fatastlijn 6. Baardoor moet het schuifregister 4 van de vertikale aftastketen de mogelijkheid hebben om de ladingen op te nemen. In verband met de ketenopbouw kan echter niet altijd aan deze voorwaarde worden voldaan* In een dergelijk geval kan een vergrendelketen 61 in de vertikale aftastlijn 6 volgens fig. 8 opgenomen worden, 20 Be ze vergrendelketen bestaat hier uit een MOSPET, Be voor de vertroebeling verantwoordelijke ladingen worden via de vergrendelketen 61 door middel van een klem 62 afgenomen. Het schuifregister van de vertikale aftastketen wordt daardoor in het geheel niet tegengesteld beïnvloed en vereist eveneens geen speciale werkwijze, Be klem 62 25 wordt met aarde of met een uitwendige spanningsbron, waarvan de spanning groter os dan de drempelspanning van de vergrendelketen 61, verbonden.

Zoals uit bovenstaande blijkt, kunnen de overmaatladingen, die verantwoordelijk zijn voor de vertroebeling, afgenomen worden, 30 zonder dat enige extra bedrading nodig is voor het afnemen van de overmaatladingen, die de fotodiode overstromen.

' Pig, 9 toont een doorsnede van een elementgebied (een met een beeldelement overeenkomend gebied) met de vertikale schakel MOSPET 2, de fotodiode 1, en de vergrendelketen in het geval dat de 35 vaste-stof beeldopname-inrichting volgens de uitvoeringsvorm volgens 790 62 25 - 9 - fig. 7 als geïntegreerde keten is uitgevoerdo Fig» 9 toont een Si-substraat van het P-soort 91 met een onzuiverheidsdichtheid van 1 x 10"^ - 2 x lO"1^ /cm3 , een dikke (ongeveer 1 μΐιι) isolerende film (van SiO^ of dergelijke), die de aanliggende beeldelementgebieden 5 isoleert, onzuiverheidsgebieden van het N+-soort (met een onzuiver-heidsdiohtheid van 10^ - 10^/cm3) 93 en 94» die als de uitgang (drain) respectievelijk de bron-aansluiting (source) van de vertikale schakel MOSFET dienen0 2e Ρ-ΙΓ overgangsfotodiode 1 wordt gevormd dooz het !r+-gebied 94 en het P-substraat 91 o 2e verwij zingsoijfers 902 en 10 97 geven respektievelijk de isolatiefilm (bestaande uit SiOg of der gelijke met een dikte van ongeveer 75 nm) van de stuuringang en de stuurelektrode (bestaande uit polykristallijn Si of dergelijke, met een bladweerstand van 15 - 20 CL· ) van de vertikale schakel MOSPET 2 aan. 2e de vergrendelketen vormende MOSPET 23 "wordt gevormd door N+-15 gebieden (met een onzuiverheidsdichtheid van 10^ - 10^/cm3 ) 94 en 95 voor respektievelijk de uitgang- en brongebieden, een isolerende film (bestaande uit Si02 of dergelijke, met een dikte van ongeveer 75 nm) 901 voor de stuurelektrode, en een stuurelektrode (bestaande uit polykristallijn Si of dergelijke met een bladweerstand van 20· 15 - 20 Λ) 96o In fig» 9 geeft 98 een poly kris tall ijne Si-laag (met een bladweerstand van 30·1#-) aan en het verwijzingscijfer 99 een Al-laag; een dubbellaags elektrode bestaande uit deze lagen vormt de vertikale signaaluitgangslijn 7o Het verwijzingscijfer 9° in fig» 9 geeft een PSG- (fosforsilicaatglas) film aan.

25 Fig» 10 toont een inrichting waarin een omkeerlaag geba seerd op een geïsoleerde stuurelektrodestructuur (MOS-structuur) voor de fotodiode 1 in de constructie van het beeldelement volgens fig» 9 wordt gebruikt. Fig. 10 omvat een stuurelektrode 101 (transparante elektrode bestaande uit SnOg, polykristallijn Si of dergelijke), 30 stuurelektrode-isolatiefilms 102 en 103 (bestaande uit SiOg of dergelijke) en een spanningsklem 104 voor de instelling van de stuurelektrode van de MOS structuur» Indien het element met de MOS structuur zoals in de inrichting volgens fig» 10 als fotodiode wordt gebruikt, heeft dit als voordelen, dat de ladingen bij het terugzetten 35 van de fotodiode 1 weinig gevarieerd worden en dat de signaal-ruis- 790 62 25 —10 - verhouding verbeterd wordt.

Zoals uit de boven gegeven beschrijving zuidelijk zal zijn, voorziet de uitvinding in een vaste-stof beeldopname-inrichting, welke de vertroebeling veroorzakende overmaatladingen kan wegvoeren, 5 zonder dat opname van enige extra bedrading voor de opname van de overmaatladingen, die de fotodiode overstromen, noodzakelijk is0 1 7906225

Claims (1)

1. 6. Inrichting volgens conclusie 4 of 5,met het ken merk, dat, indien een laagspanningsniveau van de vertikale af-tastpuls, een drempel spanning van de vergrendelketen en Yg-g-g een substraat spanning van het halfgeleiderlichaan aangeven aan de vol-10 gende voorwaarde wordt voldaan: V 4, Y - Y SUB - L TD 7« Inrichting volgens een of meer der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de tweede geleider met aard of met een 15 uitwendige spanningsbron is verbonden en een tweede vergrendelketen heeft* 8o Inrichting volgens een of meer der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de vertikale aftastketen dient voor de verbinding van de tweede geleider met een uitwendige spanningsbron 20 of met aarde indien het vertikale schakelelement zich door middel van de vertikale aftastpuls in de '’uit'* toestand bevindt* 790 62 25