DE2759086A1

DE2759086A1 - Fotodetektoranordnung

Info

Publication number: DE2759086A1
Application number: DE19772759086
Authority: DE
Inventors: Hsin Fu Tseng
Original assignee: Reticon Corp
Current assignee: Reticon Corp
Priority date: 1977-01-03
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1978-07-13
Also published as: DE2759086C2; US4087833A; JPS5385187A; JPS6230504B2

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER - D 43OO bSSEN 1 · AM RUH^STEIN 1 · TEL.: (O2Ö1) 412ββ7 V^

/C R 10 '

RETICON CORPORATION 910 Benicia, Sunnyvale, Kalifornien 94086, U.S.A.

Fotodetektoranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fotodetektoranordnung mit Fotodioden und Schieberegistern.

Die Verarmungszonen von diffundierten Übergängen und feldinduzierten Übergängen dienten für mehrere Jahre zur Trennung von Elektronen/Löcher-Paaren, die von einfallendem Licht erzeugt wurden. Häufig wird zu diesem Zweck ein dotierter pnübergang (Fotodiode) in einem Siliziumsubstrat verwendet. Diese dotierte Zone ist in typischer Ausführung mit einer Schicht aus Siliziumdioxid überzogen,so daß das einfallende Licht eine Luft/SiO.-Grenzschicht und eine SiO_/Si-Grenzschicht durchdringt. Diese Grenzschichten verursachen minimale Verluste. Wenn induzierte Übergänge verwendet werden, muß das einfallende Licht ein transparentes Gate durchdringen. Dadurch ergeben sich zwei zusätzliche Grenzschichten. Außerdem absorbiert das in der Regel als Gate-Material für diesen Zweck verwendete polykristalline Silizium einen Teil der einfallenden Strahlung, insbesondere die Strahlung kürzerer Wellenlängen. Daher wird für viele Anwendungsfälle dem diffundierten Übergang gegenüber dem induzierten Übergang der Vorzug gegeben.

Sowohl analoge Schieberegister als auch digitale Schieberegister werden zum Lesen oder Verschieben der von einer Viel-

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Z/bu.

zahl von Übergängen abgetasteten Information zu einem gemeinsamen Anschluß oder einer Videoleitung verwendet. Das digitale Schieberegister wird zumeist zum sequentiellen Zugriff zu Schaltern verwendet, welche die Übergänge der Reihe nach mit einer gemeinsamen Videoleitung verbinden. Bei analogen Schieberegistern, z.B. Kontaktreihenbauelementen (bucket brigade devices - BBD) und den ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) wird die Ladung von mehreren Übergängen gleichzeitig (parallel) in das Register übertragen und sodann zu einem Ende des Registers hin verschoben.

Verschiedene Kombinationen von induzierten und diffundierten Übergängen und analogen und digitalen Schieberegistern werden in Abtastfeldern verwendet. So ist/beispielsweise in der US-PS 3 814 846 die Kombination von digitalen Schieberegistern und (diffundierten) Fotodioden beschrieben. Eine Vielzahl von Schaltern werden zum sequentiellen Koppeln der Fotodioden mit einer gemeinsamen Leitung verwendet. Ein.dieser Anordnung anhaftendes Problem besteht darin, daß die Nicht-Einheitlichkeit der Schalter eine feste Mustermodulation oder ein Rauschen hervorruft, die bzw. das dem Video-Ausgangssignal überlagert ist. Außerdem ist das dieser Anordnung zugeordnete statistische Rauschen eine Funktion der Ausgangskapazität und daher abhängig von der Anzahl der in der Anordnung verwendeten Fotodioden. Das statistische Rauschen wird daher bei dieser bekannten Anordnung mit zunehmender Zahl von Fotodioden stärker.

In der US-PS 3 866 067 ist die Kombination von feld-induzierten Übergängenimd einem analogen Schieberegister beschrieben. Diese Anordnung ermöglicht eine größere Übergangsdichte (20 bis 30 um-Zentren) und hat darüberhinaus ein niedrigeres statistisches Rauschen und Festmusterrauschen als andere Anordnungen gleicher Gattung. Diese Vorteile werden jedoch durch Nachteile aufgehoben, welche aus Herstellungsschwankungen resultieren. Die Dicken der zur Bildung der induzierten Übergänge verwendeten Schichten, z.B. der polykristallinen Siliziumschicht, sind nicht gleichmäßig. Daher sind auch die

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Reflexionskraft und die Absorption uneinheitlich·

Die optimale Fotodetektorwirkung kann anscheinend mit einer Kombination aus diffundierten Fotodioden und analogen Schieberegistern gewonnen werden. Diese Kombination ist in der US-PS 3 845 295 beschrieben. Die hieraus bekannte Anordnung weist eine Fotodiodenreihe mit einem analogen Schieberegister und Übertragungsmitteln auf einer Seite der Fotodioden und Anti-Überstrahlungs- oder Rücksetzmitteln auf der anderen Seite der Fotodiodenreihe auf. Dieser allgemeine Aufbau ist auch in einem Artikel mit der Bezeichnung "A Charge-Coupled Infrared Array With Schottky-Barrier Detectors¹¹ von Elliott S. Kohn in J.EEE Transactions on Electronic Devices, Vol. ED-23, Nr. 2, Februar 1976 beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Fotodetektoranordnung findet die Kombination von analogen Schieberegistern und diffundierten Übergängen Verwendung. Anders als in bekannten Anordnungen gleicher Gattung ist jedoch erfindungsgemäß eine ineinandergreifende bzw. verschachtelte Anordnung der Fotodioden vorgesehen, wodurch eine dichtere Bauweise der Detektoranordnung ermöglicht wird.

In bevorzugter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Fotodetektoranordnung Fotodioden mit einer Reihe bzw. Zeile von in gegenseitigem Abstand angeordneten η-leitenden Zonen auf, die in einem p-leitenden Siliziumsubstrat ausgebildet sind. Ein analoges Schieberegister ist auf beiden Seiten der Zeile bzw. Reihe von Fotodioden parallel zu dieser Reihe angeordnet. Eine langgestreckte diffundierte Zone ist im Substrat zwischen jeder Seite der Fotodiodenreihe und dem zugehörigen Schieberegister ausgebildet. Diese diffundierte Zone dient als Ladungs-"Senke" zur Verhinderung der Über-

^y (blooming) *

strahlung bzw. Uberhellung/. Zwei parallele, mit Abstand angeordnete Polysiliziumstreifen sind zwischen jeder dieser langgestreckten Diffusionszonen und den benachbarten Schieberegister angeordnet· Mehrere η-leitende Zonen sind zwischen

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diesen Polysiliziumstreifen gebildet. Eine dieser Zonen ^^" ist jeder der Fotodioden zugeordnet. Die Fotodioden sind abwechselnd mit einer dieser η-leitenden Zonen Über Metallleiter verbunden, welche generell quer zu den Polysiliziumstreifen verlaufen.

Einer der Polysiliziumstreifen auf jeder Seite der Fotodiodenreihe definiert Anti-Überstrahlungs-Gates bzw. -tore und bildet leitende Kanäle zwischen den n-leitenden Zonen und den langgestreckten Senkenzonen. Die anderen Polysiliziumstreifen bilden Übertragungsgates bzw. -tore und ermöglichen eine leitende Verbindung zwischen den verschiedenen η-leitenden Zonen und den analogen Schieberegistern. Diese η-leitenden Zonen bilden daher entfernte, gemeinsame Sourcezonen sowohl für die Anti-Überstrahlungsfunktion als auch für die Übertragungsfunktion·

Dieser ineinandergreifende Aufbau kann auch in einer Flächenanordnung verwendet werden, bei der ein digitales Schieberegister verwendet wird, das sequentiell Fotodiodenreihen in der Anordnung bzw. Matrix von Fotodioden anwählt.

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

Fig. 1 eine Teildraufsicht auf eine lineare Fotodiodenanordnung ;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht auf einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine der Anordnung gemäß Fig. 1 äquivalente Schaltung;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines analogen

Schieberegisters, das bei der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 verwendet werden kann;

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-F-

Fig. 5 eine Teildraufsicht auf ein Ende des analogen Schieberegisters gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Blockdiagramm auf eine Flächen—Fotodiodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig· 7 eine Teildraufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 6 entsprechend der Schnittlinie 7-7 der Fig. 6.

Im folgenden werden Fotodetektoranordnungen mit Halbleiter-Fotodioden sowohl in linearer Anordnung als auch in Flächenanordnung der Fotodioden beschrieben. Dabei werden verschiedene Details der Anordnung (z.B. die besonderen Leitungstypen, die Anzahl von Fotodioden in der Anordnung usw.) an— gegeben, um die Erfindung leichter verständlich zu machen. Es ist jedoch klar, daß das Wesen der Erfindung auch in Verbindung mit anderen. Ausführungsbeispielen verwendet werden kann.

In den Figuren l bis 5 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der linearen Anordnung gezeigt. Diese inzwischen in der Praxis realisierte Anordnung weist eine Zeile bzw. Reihe von 1024 Fotodioden auf, von denen jede durch eine η-leitende Zone in einem p—leitenden Siliziumsubstrat gebildet ist. Diese Fotodioden sind abwechselnd mit zwei analogen Schieberegistern gekoppelt, welche auf entgegengesetzten Seiten der Fotodioden angeordnet sind. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die analogen Schieberegister ladungsgekoppelte Bauelemente auf, die unter Verwendung von Doppelschichten aus Polysilizium hergestellt sind. Es können aber auch anders aufgebaute analoge Schieberegister, z.B. bucket-brigade-Bauelemente verwendet werden. Mit dem ineinandergreifenden Aufbau der Anordnung, der nachfolgend noch genauer beschrieben werden wird, konnte ein Fotodiodenabstand von angenähert 16 pm realisiert werden.

In den Fig. 4 und 5 ist das analoge Schieberegister genauer

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gezeigt. Der Aufbau dieses ladungsgekoppelten Bauelements, das eine Verschiebung der Information von den Fotodioden in beiden Richtungen ermöglicht, wird erläutert. Für den Fachmann wird aus dieser Erläuterung klar, daß dieser besondere Aspekt der Erfindung nicht allein auf den Aufbau gemäß den Figuren 1, 2 und 3 beschränkt ist.

In den Figuren 6 und 7 ist eine verschachtelte bzw. ineinandergreifende Diodenanordnung in einer Flächenmatrix gezeigt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine 256 χ 256 Matrix mit 0,00381 cm χ 0,00381 cm Zentren, die auf einem Siliziumsubstrat von 1,016 χ 1,016 cm aufgebaut sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel finden ladungsgekoppelte Bauelemente in den analogen Schieberegistern Verwendung.

In der folgenden Beschreibung wird von der Anti-Überstrah— lungsfunktion (anti-blooming function) oder Rückstellfunktion gesprochen. Diese Funktion 'ist im Stande der Technik bekannt und dient zur Verhinderung einer Ladungsstreuung von einer Diodenzone zu einer anderen (Überstrahlung). Diese Funktion wird in der vorliegenden Anmeldung nicht näher beschrieben, da sie zum Stande der Technik gehört.

Die genauen Fabrikationsschritte zur Herstellung der Fotodetektoranordnung gemäß vorliegender Erfindung werden nachfolgend nicht beschrieben. Zu diesem Zweck ist die bekannte MOS-Technologie geeignet. Bei den beschriebenen Ausführungs— beispielen werden die Anordnungen bzw. Matrizen auf p—leitenden Siliziumsubstraten unter Verwendung polykristalliner Silizium—Gates aufgebaut. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind die Worte "dotierte Zonen" und "diffundierte Zonen" austauschbar. Es ist klar, daß diese Zonen durch gewöhnliche Diffusionsschritte oder mittels Ionenimplantation gebildet werden können.

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Im folgenden wird auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Die dort dargestellte lineare Anordnung weist eine längliche optische Öffnung 10 auf, durch die Strahlung eintreten kann. Diese Strahlung wird von einer Vielzahl von in einer Reihe in Ausrichtung mit der öffnung 10 angeordneten Fotodioden aufgenommen und bestimmt. Zwei derartige Fotodioden sind in der Draufsicht gemäß Fig. 1 zu sehen. Jede der Fotodioden weist eine dotierte η-leitende Zone auf, die in dem p-leitenden Siliziumsubstrat 11 (Fig. 2) ausgebildet ist. Zonen 12 und 13 sind in einer Draufsicht gemäß Fig. 1 und eine Zone 13 in der Querschnittsansicht gemäß Fig. 2 gezeigt.

Bei der verschachtelten bzw. ineinandergreifenden Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 sind die Fotodioden abwechselnd mit analogen Schieberegistern verbunden, die auf entgegengesetzten Seiten der Fotodiodenreihe angeordnet sind. So ist beispielsweise die Zone 12 mit dem analogen Schieberegister 30 auf der rechten Seite der Fotodioden und die Zone 13 mit dem analogen Schieberegister 31 auf der linken Seite der Fotodioden gekoppelt. Durch die ineinandergreifende Anordnung der Dioden läßt sich das Diodehfeld dichter anordnen, da in der Regel die Linearabmessung für jede Stufe des Schieberegisters größer als der Mittelpunktsabstand benachbarter Fotodioden ist. Dies führt zu einer höheren Betriebsgeschwindigkeit und geringerer Ladungsübertragung.

Zunächst sei die linke Seite der Anordnung betrachtet: Eine längliche Leitung 19, die aus einer diffundierten Zone im Substrat 11 besteht, wird parallel zur Fotodiodenreihe neben diesen Dioden ausgebildet. Diese Leitung bildet, wie im folgenden noch erläutert wird, eine Potentialsenke für die Rücksetz- oder Anti-ÜberStrahlungsfunktion· Neben der Leitung 19 und dieser gegenüberliegend ist ein Paar von beabstandeten polykristallinen Siliziumstreifen 22 und 25 vorgesehen. Diese Streifen sind gegenüber dem Substrat 11 durch eine Siliziumdioxidschicht 17 isoliert (Fig. 2). Einer dieser

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Streifen, nämlich der Streifen 22, nimmt ein Anti-Überstrahlungssignal auf, während dem anderen Streifen 25 ein Übertragungssignal zugeführt wird.

Eine η-leitende Zone 28 wird im Substrat zwischen den Streifen 22 und 25 ausgebildet. Diese Zone ist mit der Zone 13 durch eine Metalleitung 16 verbunden, welche den Polysiliziumstreifen 22 überquert. Diese Leitung ist mit den Zonen 13 und 28 kontaktiert. Die Zone 28 bildet einen entfernten Sourceanschluß für zwei MOS-Feldeffekttransistoren, von denen einem die Zone 31 als Drainanschluß und dem anderen die eine Senke bildende Leitung 19 als Drainanschluß zugeordnet sind.

Bei der Herstellung der Fotodetektoranordnung wird die Zone 28 im Substrat gebildet, nachdem die länglichen Polysiliziumstreifen 22 und 25 geätzt worden sind. Auf diese Weise ist die Zone 28 mit diesen Streifen ausgerichtet,- Während dieses Dotierschritts werden die Zonen 19a und 3la so gebildet, daß die Zone 19 a der Senkenleitung mit der Polysilizium-Streifenleitung 22 und die Zone 31a, die mit dem analogen Schieberegister 31 direkt gekoppelt ist, mit der Polysilizium-Streifenleitung 25 ausgerichtet sind. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, bilden die Polysiliziumstreifen 22 und 25 eine Vielzahl von Gate-Elektroden für Feldeffekttransistoren an jeder der Zonen 28. (Die Zonen 31 und 31a sowie gleiche Zonen sind als η-leitende Zonen in Fig. 2 gezeigt; diese Zonen sind bei einem ladungsgekoppelten Bauelemente induzierte Kanäle).

Auf der entgegengesetzten Seite der Fotodiodenreihe wird eine symmetrische Anordnung mit einer Metalleitung 15 verwendet, welche die Zone 12 mit der η-leitenden Zone 27 verbindet. (Die Zone 27 entspricht der Zone 28). Auch auf dieser Seite ist eine langgestreckte Senkenleitung 18 im Substrat gebildet, welche mit dem der Anti-Überstrahlung dienenden polykristallinen Siliziumstreifen 21 im Bereich 18a ausgerichtet ist. Der zur Übertragung dienende Streifenleiter 24 ist mit der Zone 30a ausgerichtet, welche mit dem

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analogen Schieberegister 30 verbunden ist

Obwohl nur zwei Fotodioden in der Draufsicht gemäß Fig. 1 zu sehen sind, ist klar, daß die restlichen Fotodioden entlang der optischen Öffnung 10 mit den Schieberegistern in identischer Weise verbunden sind· Abwechselnde Fotodioden sind also mit aufeinanderfolgenden Stufen des analogen Schieberegisters 30 und die restlichen abwechselnden Fotodioden mit aufeinanderfolgenden Stufen des analogen Schieberegisters 31 gekoppelt·

Im folgenden wird auf die äquivalente Schaltung gemäß Fig. 3 Bezug genommen. Die Zonen 12 und 13 sind ebenso wie die Zonen 27 und 28 als Dioden dargestellt. Die Dioden 27 und 28 werden jedoch nicht der einfallenden Strahlung ausgesetzt und wirken daher als Source—Zonen zur Ladungsübertragung entweder zu den Senkenleitern oder zu den analogen Schieberegistern. Die Polysiliziumstreifen 24 und 25 sind mit einer gemeinsamen Leitung verbunden und empfangen das Übertragungssignal zur Ladungsübertragung von den Fotodioden in die analogen Schieberegister. Die Senkenleitungen 18 und 19 sind mit einer Quelle eines festen positiven Potentials verbunden. Die Streifen 21 und 22 nehmen das Anti-Überstrahlungssignal (anti-blooming signal) auf, welches die Dioden über die Zonen 27 und 28 an die Senkenleitungen ankoppelt.

Die Funktionsweise der Fotodiodenanordnung entspricht üblichen Anordnungen gleicher Gattung mit diffundierten Dioden und einem analogen Schieberegister. Während der Integrations— periode, d.h. während der Periode, in welche einfallendes Licht festgestellt wird, bewirkt das einfallende Licht ein Sammeln von Ladung in den Zonen 12 und 13. Diese Ladung wird über die Metalleitungen zu den Zonen 27 bzw. 28 übertragen. Als nächstes wird ein positives Potential an die Übertragungsstreifenleiter 24 und 25 angelegt. Die Ladung wird daher gleichzeitig von allen Fotodioden (und entfernten Source-Zonen, z.B. der Zone 27) zu den Schieberegistern über-

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tragen. Eine solche Ladungsübertragung erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 2 in dem von den Zonen 28 und 31a und ähnlichen Kanälen definierten Kanal. Diese Zonen bilden zusammen mit den Streifen 25 einen Feldeffekttransistor, der als Schalter wirkt und den Ladungsfluß von der Zone 28 in das analoge Schieberegister ermöglicht.

Das Rücksetzen der Fotodioden erfolgt durch Anlegen eines positiven Potentials an die Streifenleiter 21 und 22· Dadurch werden die Fotodioden an die Senkenleiter angekoppelt· Wie in Fig. 2 zu sehen ist, wirkt die Zone 28 wiederum als Source-Zone, wenn Ladung über den von den Zonen 19a und 28 gebildeten Kanal übertragen wird. Diese Zonen wirken zusammen mit dem Streifen 22 (ein Gate) als Feldeffekttransistor. Daher dient die Zone 28 als gemeinsame Source-Zone sowohl für die Übertragungsfunktion als auch für die Anti-Überstrahlungs- oder Rücksetζfunktion.

In Fig. 4 ist ein analoges Schieberegister 40 gezeigt, das als ladungsgekoppeltes Vier-Phasen-Bauelement ausgebildet ist. Ein solches Register wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Fotodetektors jeweils als Register 30 bzw. 31 in der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 verwendet. Jede Stufe des Registers ist über Leitungen 41 mit alternierenden Fotodioden verbunden. Bei einer Ladungsübertragung von den Fotodioden (über die entfernten Source-Zonen) wird die durch diese Ladung dargestellte Information entlang des Registers verschoben und entweder an der Leitung 60 oder abgetastet bzw. gelesen. Daher kann die Information entweder nach rechts zur Leitung 60 odegtaach links zur Leitung 61 verschoben werden.

Ein Endbereich 43 des Registers 40 ist mit einer Leitung 56 verbunden, welche auch zum Gate 51 des Transistors 53 und einem Anschluß des Transistors 55 führt. Der andere Anschluß des Transistors 55 (Leitung 77) nimmt ein Rück-

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" ¹V

setzpotential auf, welches an dem Bereich 43 ansteht, wenn das Signal auf der Leitung 78 positiv ist. Der Drain-Anschluß des Transistors 53 ist an das positive Potential VDD gelegt. Der Source-Anschluß dieses Transistors ist über einen Lastwiderstand 58 mit Erde verbunden. Die Ausgangsleitung 61 ist mit dem Source-Anschluß des Transistors 53 verbunden.

Das andere Ende des Registers 40 weist einen Endbereich 4 2 auf, welcher mit einem Anschluß des Transistors 54 und dem Gate des Transistors 52 verbunden ist. Der andere Anschluß des Transistors 54 erhält das Rücksetzpotential, wenn das 0. Signal positiv ist. Der Drain-Anschluß des Transistors 52 liegt an VDD, während der Source-Anschluß dieses Transistors mit der Ausgangsleitung 60 und über den Lastwiderstand 57 mit Erde verbunden ist.

Wenn Ladung im Register nach rechts verschoben wird, wird dem Gate 45 ein positives Potential zugeführt, das ein Abtasten der Ladung am Lastwiderstand 57 ermöglicht· Wenn Ladung nach links verschoben wird, erhält das Gate 46 in ähnlicher Weise ein positives Potential, das eine Ladungsverschiebung zum Gate 51 des Transistors 53 und deren Abtastung über dem Lastwiderstand 58 ermöglicht.

Bekanntlich arbeiten ladungsgekoppelte Oberflächenkana1-B'juelemente wirksamer, wenn in jeder Registerstufe verschiebbare Ladung vorhanden ist. Wenn die ladungsgekoppelten Bauelemente zur Verschiebung von Binärdaten verwendet werden, werden die beiden Binärzustände einerseits durch eine relativ hohe Ladungsmenge und andererseits durch eine relativ niedrige Ladungsmenge (im Gegensatz zu keiner Ladung) dargestellt. Die zuletzt genannte niedrige Ladung wird häufig als "fette Null" bezeichnet. Um eine wirksame Datenübertragung im Register 40 zu schaffen, werden zwei Generatoren zur Erzeugung einer "fetten Null" an entgegengesetzte Enden des Registers angeschaltet. Wenn Ladung

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νί-

nach rechts geschoben wird, die also an der Leitung 60 abgetastet bzw. gelesen werden kann, so gewährleistet die vom Generator 50 in das Register gepumpte Ladung eine ausreichende Ladungsübertragung. Wenn die Ladung nach links geschoben wird, also an der Leitung 61 gelesen bzw. abgetastet werden kann, so sorgt der Generator 49 für eine wirksame Ladungsübertragung. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind beide Generatoren 49 und 50 "eingeschaltet", wenn Ladung entweder nach rechts oder nach links verschoben wird. Es ist zwar nicht notwendig, vermeidet jedoch Logikschaltungen zur Steuerung der Generatoren. (Beispielsweise könnte der Generator 50 abgeschaltet sein, wenn die Ladung nach links bewegt wird; Die zusätzliche, vom Generator 50 eingeführte Ladung beeinflußt das Ausgangssignal nicht, da eine entsprechende Ladungsmenge in jedern Zyklus zugeführt wird.)

In Fig. 5 ist das linke Ende des Registers 40 gezeigt. Der Bereich 43 ist mit einem länglichen Kanal 63 gekoppelt, der sich über die Gesamtlänge des Registers erstreckt. Der Bereich 43 ist außerdem mit dem Gate 51 des Transistors 53 und mit der Rücksetzleitung 77 verbunden.

Wie oben erwähnt, werden in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für die ladungsgekoppelten Bauelemente zwei Schichten aus polykristallinen Silizium zur Bildung der Übertragungsgates verwendet. In Fig. 5 sind Gates 46, 66, 68, 70, 72 und 74 aus der zweiten Schicht aus polykristallinen! Silizium und Gates 67, 69, 71 und 7 3 durch Ätzung aus der erster polykristallinen Siliziumschicht gebildet. Die Gates 67 und 71 nehmen das 0 -Signal der Vier-Phasen-Zeitgabesignale auf, und die Gates 69 und 7 3 sind mit der Quelle des 0_-Zeitgabesignals verbunden. Den Gates 68 und 72 wird entweder das 0 - oder das 0.-Zeitgabesignal zugeführt, was von der Ladungs— Verschieberichtung abhängig ist. In ähnlicher Weise erhalten in Abhängigkeit von der Ladungs-Verschieberichtung die Gates 70 und 74 entweder das 0/-oder das 0p-Zeitgabesignal. Die

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Gates 65 und 66 dienen zur Ladungsübertragung vom Generator 50 in das Register. Diese Ladung wird in den Bereich 43 geschoben, wenn die Ladung im Register nach links verschoben wird, oder sie wird unter das Gate 68 geschoben, wenn die Ladung im Register nach rechts verschoben wird.

Es sei angenommen, daß die Ladung nach links verschoben wird und ein positives Potential am Gate 46 ansteht. Während jedes Zyklus der vier Zeitgabesignale wird die Ladung in einer Registerstufe zum Gate 51 des Transistors 53 geschoben und ein dieser Ladung proportionales Signal an die Leitung 61 angelegt. Das Gate 51 des Transistors 53 wird von dem 0₁-Zeitgabesignal während jedes Zyklus dadurch rückgesetzt, daß das Gate mit der Leitung 77 verbunden wird·

Die zuvor in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebene verschachtelte Fotodiodenanordnung kann bei einer Flächenanordnung wie die gemäß Fig· 6 verwendet werden. Diese Anordnung weist eine Fotodioden-Flächenmatrix 85 mit einer Vielzahl von Spalten- oder Videoleitungen, z.B. den Leitungen 91, 93, 94 und 95 auf. Diese Leitungen sind abwechselnd mit jedem der analogen Schieberegister 97 oder 98 verbunden. Die Matrix weist eine Vielzahl von Zeilenleitungen, z.B. die Leitungen 90 und 92, auf, welche mit'einem digitalen Schieberegister 99 verbunden sind. Ein Feldeffekttransistor ist jeweils an den Schnittpunkten zwischen Zeilen- und Spaltenleitungen vorgesehen und koppelt die Fotodioden an die Video-(Spalten-) Leitungen. Beispielsweise eine Fotodiode 87, welche eine diffundierte Zone im Substrat aufweist, wird über den Transistor 96 mit der Videoleitung 91 verbunden. Eine Leitung 90 bildet das Gate des Transistors 96. In ähnlicher Weise bildet die Leitung 92 eine Vielzahl von Gates die zur Kopplung von Dioden mit den Spaltenleitern, beispielsweise der Diode 88 mit der Leitung 93 dienen· Wenn daher ein positives Potential an die Leitung 90 (bei einem n-Kanal Bauelement) angelegt wird, so werden alle Dioden entlang der Leitung 90 mit den Videoleitungen verbunden· Zu beachten ist,

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daß in diesem Falle die Dioden mit beiden Registern 97 und 98 verbunden sind.

Jede der Videoleitungen ist über eine Übertragungseinrichtung und eine Anti-Überstrahlungseinrichtung ähnlich den anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen mit dem zugehörigen Schieberegister verbunden. In Fig. 7 ist die Videoleitung 91 mit dem Schieberegister 98 verbunden. Die Metalleitung 91 ist mit einer η-leitenden Zone 114 gekoppelt, die im Substrat ausgebildet ist. Eine η-leitende Zone 115 ist mit Abstand von der Zone 114 ebenfalls im Substrat ausgebildet. Ein durch einen Polysiliziumstreifen gebildetes Gate liegt zwischen den Zonen 114 und 115. Die Zonen 114- und 115 bilden zusammen mit der Streifenleitung 105 einen Feldeffekttransistor 117.

Die Zone 115 ist über eine Metalleitung 112 mit einer nleitenden Zone 110 gekoppelt. Die Zone 110 entspricht den Sourcezonen 27 und 28, wie sie in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind. Die Zone 110 ist mit den beabstandeten polykristallinen Siliziumstreifen 102 und 109 ausgerichtet. Ein Rand der Leitung 109 ist mit einem Teil der Rücksetzleitung 10 3 ausgerichtet. Diese Rücksetzleitung entspricht den Senkenleitungen 18 und 19 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2. Die Leitung 103 weist eine längliche η-leitende Diffusionszone auf, die im Substrat ausgebildet und an positives Potential angelegt ist. Wie in Fig. 7 zu sehen ist, bilden die Leitung 103, die Zone 110 und der Streifen 109 einen Feldeffekttransistor 118. In ähnlicher Weise bilden die Zonen 110, die η-leitende, vom Register 98 bis zum Streifen 102 reichende Zone und der Streifen 102 einen Feldeffekttransistor 119.

Die Kopplung der Videoleitung 91 mit dem Schieberegister und der Rücksetz-iAnti-Überstrahlungs-) Leitung 103 ist ähnlich der Kopplung der Fotodioden des Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 und 2 mit deren Schieberegistern, wobei

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jedoch zusätzlich ein Feldeffekttransistor 117 vorgesehen ist. Es sei angenommen, daß an der Leitung 90 zum digitalen Schieberegister 99 ein positives Potential ansteht· In diesem Falle wird beispielsweise die Fotodiode 87 mit der Videoleitung 91 verbunden. Die Leitung 91 ist wiederum über den Transistor 117 mit der Zone 110 gekoppelt. Ein Rücksetzsignal wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel an die Streifen 109 angelegt, bis eine Ladungsübertragung in das Schieberegister 98 stattfindet. Daher ist die Zone 110 vor der Übertragung mit der Leitung 103 über den Transistor 118 gekoppelt. Während der Ladungsübertragung zum Schieberegister sinkt das Potential auf der Streifenleitung 109, und es wird ein Potential an die Leitung 102 angelegt, wodurch Ladung von der Zone 110 über den Transistor 119 zum Schieberegister 98 übertragen wird. Gleichzeitig mit dieser Ladungsübertragung wird von den anderen Fotodioden entlang der Leitung 90 Ladung zu den Schieberegistern 97 und 98 übertragen. Danach wird diese Information von den anSlofeSff? SS§^r98 zu den Video-Ausgangsleitungen übertragen. Das digitale Schieberegister koppelt ein positives Potential bekannterweise nacheinander an jede der Zeilenleitungen in der Matrix. Die Zeilenleitungen können über die Leitung 106 mit V_Qn verbunden werden, um alle Zeilenleitungen gleichzeitig rückzusetzen·

Der Transistor 117 dient zur Verringerung des Rauschens in der Matrix. Da-s Verhältnis der Kapazitäten der Videoleitung 91 und der Leitung 112 (Cy) zur Kapazität einer einzigen Fotodiode C_g nimmt mit einer Erweiterung der Matrix zu. Dieses erhöhte Verhältnis trägt zur Kreuzkopplung und zum Festmusterrauschen bei. Es ist außerdem erkennbar, daß die Unterschiede zwischen den Schwellenspannungen der Transistoren 118 und 119 (sowie gleicher Transistoren) bei jeder der Videoleitungen aufgrund von Herstellungstoleranzen schwanken. Dieser Unterschied kann durch AV- dargestellt werden. Das Festmusterrauschen kann als Q_n ■ C„AV. geschrieben

K Vw

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werden. Wenn C größer als C wird, wird dieser Rauschpegel im Vergleich zu den von den Fotodioden erkennbaren Signalpegeln unannehmbar hoch. Der Transistor 117 dient zur
Trennung der Kapazität der Videoleitung 91 von der Zone
110. Dies geschieht dadurch, daß die Leitung 105, d.h. das Gate des Transistors 117, auf einem positiven Potential
unter dem Betriebspotential der Matrix (d.h. 1 oder 2 Volt unter V _Q) gehalten wird. Dadurch wird die Kapazität der
Leitung 91 wirksam vom Übergang 110 getrennt. Daher verringert der Transistor 117 das Rauschen der Matrix erheblich und
erlaubt die Herstellung größerer Matrixanordnungen.

Vorstehend wurde eine verschachtelte bzw. ineinandergreifende Fotodiodenanordnung beschrieben, in der diffundierte Zonen als Fotodioden und ein analoges Schieberegister verwendet werden. Die Anti-Überstrahlungseinrichtung und die
Übertragungseinrichtung können bei der beschriebenen Anordnung auf der gleichen Seite der Fotodiodenreihe angeordnet werden, wodurch die verschachtelte Anordnung möglich wird. Eine ebenfalls beschriebene Puffereinrichtung, insbesondere für die Flächenmatrix, dient zum Reduzieren der Kapazität
am Übertragungsknoten, wodurch das Festmusterrauschen verringert wird.

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Claims

Ansprüche

1. Fotodetektoranordnung, die auf einem Substrat eines ersten Leitungstyps aufgebaut ist und eine Reihe von Fotodioden aufweist, von denen jede eine in dem Substrat eingebaute erste dotierte Zone eines zweiten Leitungstyps enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwei analoge Schieberegister (30, 31) auf entgegengesetzten Seiten der Fotodiodenreihe angeordnet sind, daß zwei langgestreckte dotierte Zonen (18, 19) des zweiten Leitungstyps im Substrat auf den entgegengesetzten Seiten der Fotodiodenreihe zwischen den Fotodioden und den Schieberegistern vorgesehen sind, daß ferner zwei langgestreckte Streifenleitungen (21, 22) von dem Substrat isoliert jeweils auf den entgegengesetzten Seiten der Fotodiodenreihe zwischen den langgestreckten dotierten Zonen (18, 19) und den Schieberegistern (30, 31) angeordnet sind, daß zwei weitere langgestreckte Streifenleitungen (24, 25) isoliert vom Substrat jeweils auf entgegengesetzten Seiten der Fotodiodenreihe zwischen einer der ersten Streifenleitungen (21, 22) und den Schieberegistern angeordnet sind, wobei die zweiten Streifenleitungen von den ersten Streifenleitungen beabstandet sind, daß mehrere zweite dotierte Zonen (27, 28) mit dem zweiten Leitungstyp im Substrat zwischen den ersten und zweiten Streifenleitungen eingebaut sind und daß die Fotodioden (12, 13) jeweils abwechselnd mit den zweiten dotierten Zonen (27, 28) auf entgegengesetzten Seiten der Fotodiodenreihe über Verbindungen (IS₉ 16) gekoppelt sind,

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ORIGINAL INSPECTED

wobei eine ineinandergreifende Fotodiodenanordnung mit einer Anti-Überstrahlungseinrichtung (21, 22) und einer Übertragungseinrichtung (24, 25) auf jeder Seite der Fotodiodenreihe gebildet ist.

2. Fotodetektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Verbindungen eine Metalleitung (15, 16) aufweist, die eine (21, 22) der Streifenleitungen überkreuzt.

3. Fotodetektoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dotierten Zonen (12, 13 und 27, 28) und die langgestreckten-dotierten Zonen (18, 19) η-leitende Zonen sind.

4. Fotodetektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Streifenleitungen (21, 22 und 24, 25) polykristalline Siliziumstreifen sind und die zweiten dotierten Zonen (27, 28) in Ausrichtung mit den Streifenleitungen angeordnet sind.

5. Fotodetektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden analogen Schieberegister (30, 31) jeweils ein ladungsgekoppeltes Bauelement enthalten.

6. Fotodetektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ladungsgekoppelten Bauelemente ein Vier-Phasen-Bauelement (40 - Fig. 4) ist, das derart ausgebildet und angeordnet ist, daß Ladung in jede Richtung des Bauelements verschiebbar ist.

7. Fotodetektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ladungsgeneratoren (49, 50) zum Einkoppeln bestimmter geringer Ladungsmengen/jedes Ende der ladungsgekoppelten Bauelemente (40) vorgesehen sind.

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8. Fotodetektoranordnung, die auf einem Siliziumsubstrat eines ersten Leitungstyps aufgebaut ist, mit einer Reihe von in das Substrat eindiffundierten lichtempfindlichen Übergängen eines zweiten Leitungstyps, einem analogen Schieberegister zum Lesen von Information aus den diffundierten Übergängen, einer Übertragungseinrichtung zur Übertragung von Ladung aus den Übergängen zum Schieberegister und einer Anti-Überstrahlungseinrichtung zur Verhinderung einer Ladungsübertragung in den Übergängen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei beabstandete und eine Vielzahl von Gates definierende langgestreckte Streifenleiter isoliert vom Substrat (11) angeordnet sind, von denen einer ein Anti-Überstrahlungssignal und der andere ein Übertragungssignal aufnimmt, wobei die Streifenleiter auf der einen Seite der Potodiodenreihe angeordnet sind, daß eine elektrische Leitung zwischen dem einen Streifenleiter und der Fotodiodenreihe angeordnet ist, daß mehrere diffundierte Zonen des zweiten Leitungstyps im Substrat zwischen den beabstandeten Streifenleitern vorgesehen sind und daß eine wenigstens einige der diffundierten Übergänge mit einer der diffundierten Zonen verbindende Kopplungseinrichtung vorgesehen ist, wobei die Streifenleiter, die elektrische Leitung und die diffundierten Zonen derart zusammenwirken, daß die diffundierten Übergänge durch Anlegen eines Anti-Überstrahlungssignals an einen der Streifenleiter mit der elektrischen Leitung zur Steuerung der Übertragung koppelbar und durch Anlegen eines Übertragungssignals an den anderen der Streifenleiter Ladung aus den Übergängen zu den Schieberegistern übertragbar ist.

9. Fotodetektoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitung als in das Substrat (11) eindiffundierte langgestreckte Zone des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist·

10. Fotodetektoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die diffundierten Zonen η-leitende Zonen sind.

11. Fotodetektoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden beabstandeten Streifenleiter aus polykristallinem Silizium bestehen.

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