DE2901735C2 - Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung - Google Patents
Festkörper-BildaufnahmevorrichtungInfo
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Classifications
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Description
1.0 V einer Polaritätsinverterschaltung, die den Bildabtaster
bildet, entspricht. Wenn das Potential der Photodiode um —0,5 V bis —1,0V ansteigt, wird die
Diodenspannung entsprechend der einfallenden Lichtmenge entladen und das Potential V1, (Vc
< V^) der Diode (Schicht 14) nimmt ab {Fig. 1 C). Wenn die Lichtmenge
weiter zunimmt, überschreitet das D'odenpotential νζ
(K < K) das Potential des Halbleiterkörpers (Fig. 1 D)
und die in der Diode erzeugten Elektroden durchlaufen den unter dem Gate des MOST 11 liegenden Abschnitt
und fließen ;n die mit der Signalausgangsleitung verbundene
Drain 15.
Andererseits hält das Potential der Drain 15 einen Wert von V1.+ Vb— K,ro·, über die ganzen Zeiten hinweg,
weil eine zur Vertikalausgangsleitung mit den damit gemeinsam verbundenen Drains parasitäre Kapazität
mehrere zehnmal größer als die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode ist und während jeder Horizontalabtastdauer
auf die Video-Spannung aufgeladen wird. Dementsprechend wirkt die Drain bzw. die Vertikaiausgangsieitung
als Speicherkapazität, die Ladungen absorbiert, weiche als Folge des Potentialanstiegs der
Diode nicht in der Diode gespeichert werden können, und führt damit das Blooming herbei.
Bei der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach der oben erwähnten deutschen Patentschrift Nr. 2847992
wird das Blooming dadurch unterdrückt, daß die Vertikal-Schalt-MISFETs
außer ihrer eigentlichen Abtastung zur Erzeugung der Bildsignale in den dazwischen liegenden
Austast-Perioden nochmals eingeschaltet werden, um etwaige durch Blooming erzeugte überschüssige ladungen
zu entfernen. Zu diesem Zweck ist eine zusätzliche Schaltstufe erforderlich, die die zwischenzeitliche
Aufsteuerung der Vertikalschalter in der richtigen zeitigen Relation zur eigentlichen Bildabtastung bewirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung der eingangs bezeichneten
Art auftretende Blooming- oder Überstrahlungseffekte mit möglichst geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand
zu vermeiden.
Drei Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentansprüchen 1. 3 und 5 angegeben. Die drei Lösungen beruhen
auf dem gemeinsamen Prinzip, daß das unerwünschte und störende Abfließen von durch Bildelemente
hoher Helligkeit hervorgerufenen übermäßigen Ladungen auf die Vertikal-Ausgangsleitungen dadurch
verhindert wird, daß die von den jeweiligen Vertikal-MISFETs
im nicht durchgeschalteten Zustand gebildeten Schwellen erhöht werden. Bei den Lösungen
nach den Patentansprüchen 1 und 3 wird dazu lediglich eine konstante Spannungsquelle, bei der Lösung nach
Patentanspruch 5 lediglich eine zusätzliche Störstoff-Diffusionszone im Substrat benötigt. In jedem Fall
kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne eine zusätzliche Steuerschaltung aus.
Die deutsche Auslegeschrift Nr. 2600962 befaßt sich ebenfalls mit der Aufgabe, Überstrahlungseffekte zu vermeiden.
Dort wird diese Aufgabe durch funktionsmäßige Steuerung bestimmter Teile der Vorrichtung gelöst, wozu
ähnlich wie bei der Vorrichtung nach der eingangs erwähnten Patentschrift eine in zeitlich vorgegebener Relation
zum übrigen Betrieb der Vorrichtung gesteuerte Schaltstufe erforderlich ist. Im übrigen bezieht sich diese
Druckschrift auf CCD-Vorrichtungen, so daß sich die dort angegebene Lösung schon aus diesem Grund
nicht ohne weiteres auf eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung anwenden
läßt.
Gemäß der deutschen Auslegesciirift Nr. 2745046 gehört
ferner eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung zum Stand der Technik, bei der in einem Halbleitersubstrat
Dioden und jeweilige zugehörige MISFET-Schalter integriert sind. Ferner weist diese Schaltung im
Oberflächenbereich des Substrats Zonen höherer Fremdstoffkonzentration auf, die als Kanaltrennzonen zur Isolierung
benachbarter Bildelemente dienen. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lösung nach Patentanspruch
5 haben diese Kanaltrennzonen jedoch nicht die Aufgabe, die von den MISFET-Schaltern gebildeten
Schwellen gegen das Abfließen überschüssiger Ladungen zu erhöhen. Die Druckschrift befaßt sich auch nicht mit
Blooming-Effekten. Die genannten Kanaltrennzonen liegen nicht an denjenigen Stellen, an denen Gate-Elektroden
der Schalt-MISFETs vorhanden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigen
Fig. IA bis 1 D, auf die oben schon Bezug genommen
wurde, eine Schnittansicht durch den Aufbau eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung bzw.
graphische Darstellungen von Energiebändern, wobei Fig. IB den Anfangszustand der in Fig. 1A enthaltenen
Photodiode, Fig. IC den entladenen Zustand der Photodiode
und Fig. ID den Zustand bei Auftreten eines
Blooming-Effektes zeigt,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß
einer ersten Ausführungsiorm der Erfindung,
Fig. 3A ein schematisches Schaltbild, welches den
Aufbau einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3 B eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines Bildelements der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß
der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3C ein schematisches Schaltbild, welches ein Beispiel
einer Vertikalabtastschaltung zur Verwendung in der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3D eine graphische Darstellung, welche Abtast-Ausgangsimpulse
der Abtastschaltung der Fig. 4C zur Verwendung in der Festkörper-Abbildungsvorrichtung
gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3E eine graphische Darstellung von Energiebändern
im Bildelement der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
wobei der entladene Zustand einer Photodiode gezeigt ist, und
Fig. 4 eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung
gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf ihre Ausfiihrungsformen beschrieben.
Mit den folgenden Ausführungsformen werden Abbildungsvorrichtungen
aus yV-Kanal-MOSTs beschrieben, das gleiche gilt jedoch auch für Abbildungsvorrichtungen
aus P-Kanal-MOSTs, wenn die verschiedenen
anzulegenden Spannungen sowie die Polaritäten der Leitungstypen umgekehrt werden. Ferner wird in der folgenden
Darstellung von MOSTs ausgegangen, die Erfind'.mg läßt sich aber auch auf Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MISFETs) ausdehnen, bei welchen ein von einem Oxidfilm verschiedener Isolationsfilm
(beispielsweise aus Si3S4) als Gate-Isolationsfilm verwendet
wird.
Ausführungsform 1:
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung
gemäß der Erfindung.
17 bezeichnet ein Siliziumsubstrat des JV-Leitungstyps.
18 und 19 bezeichnen trog-diffundierte Schichten des P-Leitungstyps, welche in einem Oberflächenbereich des
Substrats 17 ausgebildet sind und von welchen der Trog
18 Tür die Integration von Auswahlschalttransistoren und Photodioden darin und der Trog 19 für die Integration
von Abtastschaltungen darin dient. Bei 20 und 22 sind Elektroden (üblicherweise aus Aluminium) gezeigt, mit
denen die einzelnen /"-Diffusionsschichten 18 und 19 auf
bestimmte Spannungen gelegt werden. Die Elektroden 20 und 22 liegen über in Teilen eines Isolationsfilms 21 is
vorgesehenen Ätzlöchern in Berührung mit /"-diffundierten
Schichten 23 und 24, die in ihrer Fremdstoffkonzentration höher als die /"-diffundierten Schichten 18 und
19 liegen. Ein MOST 25 ist ein Vertikalschalt-MOST,
welcher aus einer Gate-Elektrode 26 (üblicherweise aus polykristallinem Silizium), einer mit einer Signalausgangsleitung
27 (üblicherweise aus Aluminium) verbundenen Drain 28 und einer Source 29 aufgebaut ist. Die
Source 29 des MOST 25 wird als Photodiode ausgenützt. Die Drain 28 und die Source 29 sind hier aus /V-diffundierten
Schichten ausgebildet, deren Fremdstoffkonzentration höher liegt als diejenige der trog-diffundierten
Schichten des P-Leitungstyps. Die Photodiode 29 und der MOST 25 bilden ein Bildelement.
Der Blooming-Unterdrückungseffekt dieser Abbildungsvorrichtung
wird nun erläutert. Da der /"-Diffusionstrog 19, in welchem die Abtastschaltungen integriert
sind, keine Beziehung zur Unterdrückung des Blooming hat, wird dieser üblicherweise über die Elektrode 22 an
Erdpotential (0 V) gelegt. Im Gegensatz dazu liegt an dem /"-Diffusionstrog 18, in welchem die einzelnen
Photodioden integriert sind, eine positive Spannung K0,
um einen Abschnitt unterhalb der Gate-Elektrode des Vertikalschalt-MOST auf einen Ladungsanhäufungspegel
zu setzen.
Die Spannung Va muß jedoch niedriger als die in Video-Spannung
Vv sein, um zu verhindern, daß die Übergänge zwischen dem Trog und der Source 29, die als Photodiode
dient, und zwischen dem Trog und der Drain 28 zur Lieferung eines Signals in einen vorwärtsvorgespannten
Zustand fallen. Ferner wird eine positive Spannung, die höher als die an den /"-diffundierten Trog 18 gelegte
ist, an das Substrat 17 gelegt, um den Übergang zwischen dem Trog 18 und dem Substrat 17 in einen sperrvorgenannten
Zustand zu legen (die Elektrode zum Anlegen der Spannung an das Substrat ist in der Figur weggelassen).
Dementsprechend wird die Energie von Elektronen unterhalb der Gate-Elektrode, verglichen mit der
entsprechenden Energie in der Photodiode, um eine Spannung δ Vw selbst in dem Fall höher, wenn die Photodiode
durch einfallendes Licht vollkommen entladen worden ist.
ne = noe\p{ - —
SV=V„+Vh-V.
P(O")
(1)
Mit Wahl von Va zu +0,5 V und mit den am meisten
üblichen Werten für Vb und Vpi~0~t von 0,8 V bzw. 1,0 V
ergibt sich aus Gleichung (1) ein Wert von 0,3 V für die Spannung 6 Vw. Andererseits ist die Anzahl ne von Elektronen,
welche die Spannung OVW übersteigen können
und durch den unter der Gate-Elektrode 26 liegenden Abschnitt in die Signalliefer-Drain 28 fließen, durch die
folgende Gleichung gegeben, wenn n0 die Anzahl der in
der Photodiode 29 erzeugten Elektronen bezeichnet:
wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute
Temperatur bezeichnet. Für <5KH. = O,3 V und Raumtemperatur
(Γ«300Κ) ergibt sich für die Anzahl von einfließenden
Elektronen im Verhältnis zur Anzahl der erzeugten Elektronen also für njno durch Auswertung der
Gleichung (2) ein Wert von 4,5 · 10"4. Durch Anlegen der
positiven Spannung von ungefähr 0,5 V an den Trog, wie gemäß der Erfindung, läßt sich die Anzahl der Elektronen,
die in die Signalliefer-Drain fließen, auf ungefähr ' /10000 der Anzahl im Rahmen des Standes der Technik
senken, so daß es möglich wird, das Auftreten des Blooming-Phänomens in augenfälliger Weise zu verhindern.
Wenn die Fremdstoffkonzentration des Substrats in der oben beschriebenen Abbildungsvorrichtung ungefähr
1015 Atome/cm3 beträgt, ist es wünschenswert, daß die /"-Fremdstoffkonzentration der Tröge 18 und 19
3 ■ 10'5 — 5 -1016 Atome/cm3 beträgt, daß die Fremdstoffkonzentration
der /"-diffundierten Schichten 23 und 24 ungefähr 10'8 Atome/cm3 beträgt, um einen ausreichenden
Kontakt mit den entsprechenden Elektroden 20 und 22 herzustellen, und daß die N-Fremdstoffkonzentration
der Source und der Drain 1019 — 1020 Atome/cm3
■beträgt. Diese Zahlen sind Werte, wie sie gegenwärtig
bei der Herstellung von Komplementär-MOS-ICS verwendet
werden, so daß sich die beschriebene Abbildungsvorrichtung leicht nach den Herstellungsverfahren von
Komplementär-MOS-Vorrichtungen herstellen läßt.
Bei dieser Ausführungsform wurde der Fall betrachtet,
daß die Abtastschaltung und die Photodiode in getrennten Trögen, die in ein und demselben Substrat vorgesehen
sind, integriert sind, um die Funktion der Abtastschaltung nicht zu beeinträchtigen. Das Blooming läßt
sich natürlich aber selbst dann unterdrücken, wenn die Tröge nicht vorgesehen sind und sowohl die Abtastschaltung
als auch die Photodiode in einem Substrat des /"-Leitungstyps integriert sind. In diesem Fall wird eine
positive Spannung an das Substrat gelegt. Es muß verhindert werden, daß der Übergang zwischen der Source
oder Drain, die die Abtastschaltung bilden, und dem Substrat in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, und die
Obergrenze der angelegten Spannung die eingebaute Spannung (0,8 V) nicht überschreiten kann. Dementsprechend
ist der Aufbau der Abbildungsvorrichtung einfacher als der Trogaufbau gemäß Fig. 2, in welchem
Maße auch das Herstellungsverfahren vereinfacht ist. Der Blooming-Unterdrückungseffekt ist jedoch geringer.
Ausführungsform 2:
Bei der vorstehenden Ausführungsform 1 wird das Blooming durch Anlegen einer positiven Spannung an
dem im Substrat ausgebildeten Trog oder an das Substrat selbst unterdrückt. Eine ähnliche Unterdrückung
des Blooming läßt sich selbst dann durchführen, wenn,
umgekehrt wie bei dem vorstehenden System, eine negative Spannung an die Gate-Elektrode des Vertikalschalt-MOST
gelegt wird, das heißt, die »O«-Pegel-Spannung des Abtastimpulses, welchen der Vertikalabtaster liefert,
wird bezüglich des Substrats zu einer negativen Spannung gemacht.
Die Fig. 3A bis 3D zeigen einen weiteren Aufbau der
Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung. In Fig. 3A bezeichnet 30 eine Vertikalabtastschaltung,
31 eine Referenzspannungsquelle für die
Schaltung 30 und 32 eine Verbindungsleitung zum Anlegen
einer Referenzspannung. MOSTs 33 sind Vertikalschalt-MOSTs. deren Gates 34 mit Ausgangsleitungen
Oyl, Oy2...der entsprechenden Stufen der Abtastschaltung
verbunden sind. Eine Diode 35 ist eine Photodiode, welche die Source des Schalttransistors 33 ausnützt.
36 bezeichnet die Drains der Schalt-MOSTs 33, wobei diese gemeinsam mit einer Vertikalausgangsleitung
37 verbunden sind. Fig. 3 B zeigt den Schnittaufbau (d.h.. den integrierten Schaltungsaufbau) der in Fig. 3A
gezeigten Schaltungsanordnung. Ein MOST 33' ist ein Vertikalschalt-MOST,
welcher eine Gate-Elektrode 34' (üblicherweise aus polykristallinem Silizium) hat. Bei 35' ist
eine Source gezeigt, welche aus einer Diffusionsschicht ausgebildet ist. welche einen Leitungstyp (beispielsweise
Λ'-Typ) hat, der demjenigen eines Substrats 38 (beispielsweise
P-Siliziumsubstrat) entgegengesetzt ist, und eine Photodiode bildet. Bei 36' ist eine Drain gezeigt, welche
als Diffusionsschicht mit dem gleichen Leitungstyp, wie ihn der Diodenbereich hat, ausgebildet und mit einer
Vertikalausgangsleitung (üblicherweise aus Aluminium) 37' verbunden ist. 32' bezeichnet eine Verbindungsleitung
zum Anlegen einer Referenzspannung (üblicherweise aus Aluminium), wobei diese Verbindungsleitung mit einer
N-Diffusionsschicht 39 verbunden ist, welche als Source (oder Drain) eines MOST (siehe Fig. 3C) dient, der den
Vertikalabtaster 30 aufbaut. 40 bezeichnet einen Isolationsfilm (aus SiO2 oder dergleichen). Fig. 3C zeigt ein
Beispiel für die in Fig. 3A dargestellte Vertikalabtastschaltung 30. 41 bezeichnet eine Polaritätsumkehrschaltung,
welche aus einer Serienschaltung, bestehend aus einem Last-MOST 42 und einem Treiber-MOST 43, aufgebaut
ist. Ein MOST 44 ist ein Übertragungs-MOST, welcher durch zwei Phasen von Taktimpulsen, die durch
Taktimpulsgeneratoren 45 und 46 erzeugt werden, ein- und ausgeschaltet wird. 47 bezeichnet eine Spannungsquelle, welche die Last-MOSTs betreibt und die »!«-Pegel-Spannung
der an den Ausgängen Oyl, On, ...der einzelnen
Stufen erhaltenen Abtastimpulse steuert. 48 bezeichnet eine Referenzspannungsquelle, welche mit den
Sources (oder Drains) der Treiber-MOSTs gemeinsam verbunden ist und eine neue »O«-Pegel-Spannung VNro-t
der Abtastimpulse setzt. Ein durch einen Eingangsimpulsgenerator 49 erzeugter Eingangsimpuls wird dem
Überiragungs-MOST 44 der ersten Stufe der Schaltung eingegeben. Durch Aufgabe der Taktimpulse auf die
entsprechenden Stufen der Abtastschaltung wird der Eingangsimpuls in Abtastimpulse Pfl, Pyll... umgewandelt,
welche immer um eine Dauer des Taktimpulses verzögert sind und an den Ausgängen Oyl , Oyl,... der einzelnen
Stufen (Fig. 3D) erhalten werden. Wegen des Lasi-iviOST mit niedrigem g„ (Stcilhcii) stimmt dabei
die Anstiegszeit mit der Ladeimpulsform überein, während die Abfallzeit wegen des Treiber-MOST mit hohem
gm mit der Entladeimpulsform übereinstimmt. Die »1 «-Pegelspannung ist gleich einem Wert, der durch das
Abziehen der Schwellenspannung VT des Last-MOST von der durch die Spannungsquelle 47 gelieferten Spannung
Vdd gewonnen wird. Sei ßR das gm-Verhältnis zwischen
dem Treiber-MOST und dem Last-MOST, dann ist die »O«-Pegel-Spannung ΚρΓ0.., durch die folgende
Gleichung gegeben:
ν —
ypi"0")~
(3)
Im allgemeinen ist VM ungefähr 10 V und ßR ungefähr
10 bis 20. so daß die Spannung νρΓ0.Ί von 0 V um ungefähr
0,5 bis 1,0 V ansteigt. Wenn die Spannung V5 der
65 Referenzspannungsquelle auf einen negativen Wert eingestellt
wird, kann die Komponente des Anstiegs der Spannung Vpron weggehoben werden, wobei bei Einstellung
der Spannung V5 auf eine unter —0,5 V liegende
negative Spannung die Komponente des Anstiegs der Spannung νρΓ0-Ί in vollkommener Weise weggehoben
werden kann. Sei VN{ ,.0.., die neue »Ow-Pegel-Spannung
dank des Vorsehens der Referenzspannungsquelle, dann gilt, daß ^,..0», = KP(..O.., — Vs. Indem man V5 in Minusrichtung
tiefer macht, kann dementsprechend ^,-o··)
noch weiter abgesenkt werden. Aufgrund des Vorhandenseins des Übergangs 39 ist es jedoch unmöglich eine
Spannung anzulegen, deren Absolutwert größer als derjenige der eingebauten Spannung (ungefähr 0,8 V) des
Übergangs ist. In diesem Zustand nimmt die Oberfläche des Halbleitersubstrats unterhalb der Gate-Elektrode
den Ladungsanhäufungspegel an. Dementsprechend wird die Energie des Gate-Bereichs für Elektronen verglichen
mit derjenigen der Photodiode um δ V5 selbst dann
höher, wenn die Photodiode durch das einfallende Licht
vollkommen entladen worden ist (^ = OV) (siehe Fig. 3E).
SV = - V + V — V (4)
Bei Wahl der Spannung der Referenzspannungsquelle zu -0,5 V und der Werte von Vb und Kpro.., zu 0,8 V
bzw. 1,0 V wird nach Gleichung (4) die Differenzspannung δ V5 0,3 V. Daher kann ähnlich wie im Fall der Ausführungsform
der Fig. 2 die Anzahl der in die signalliefernde Drain fließenden Elektronen auf ungefähr
Vioooo derjenigen im Stande der Technik vermindert werden. Das eben beschriebene System ist auch auf die
Abbildungsvorrichtung des in Fig. 2 gezeigten Trogaufbaus anwendbar. Durch Einstellen der Spannung des
Trogs 19 auf einen tieferen Wert in Minusrichtung als die Spannung des Trogs 18 läßt sich ein größerer Effekt
hinsichtlich der Unterdrückung des Blooming erreichen. Das heißt, es kann, wenn Vd die Potentialdifferenz des
Troges 19 in bezug auf den Trog 18 bezeichnet, eine Differenzspannung δ V5 gemäß der folgenden Gleichung erreicht
werden, und man erzielt einen Unterdriickungseffekt, der im Ausmaß von Vd größer ist, ohne daß man
durch die Referenzspannung beschränkt ist, welche auf ungefähr 0,8 V begrenzt ist.
Ausführungsform 3:
Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform wird die Fläche des Halbleitersubstrats
unterhalb der Gate-Elektrode auf den Anreicherungspegei derart gesetzt, daß erstens eine positive Spannung
an den Trog angelegt wird, in dem die Photodiode integriert ist, oder daß zweitens die Abtastschaltung mit
einer Referenzspannungsquelle versehen und die »0»-Pegel-Spannung des Abtastimpulses auf einen negativen
Wert gesetzt wird. Außer über die Spannungseinstellung läßt sich praktisch das gleiche Potential wie der Anreicherungspegel
derart ausbilden, daß, wie in Fig. 4 dargestellt, die Fremdstoffkonzentration der Fläche des
Substrats unter der Gate-Elektrode hoch gemacht wird, um dadurch die Löcher oder Majoritätsträger zu vermehren.
50 bezeichnet eine P-Fremdstoffschicht, welche in der Oberfläche des Substrats 38 unter der Gate-Elektrode
34' ausgebildet ist und eine größere f-Fremdstoffkonzentration hat als das Substrat. Die Fremdstoffschicht
50 läßt sich einfach durch ein Ionenimplantationsverfahren nach Vollendung der Herstellung einer Source
und einer Drain und vor der Ausbildung der Gate-Elektrode ausbilden und kann ihre Fremdstoffkonzentration
bei ungefähr 3 · 1015 Atome/cm3 höher als die Fremdstoffkonzentration des Substrats (üblicherweise
ungefähr 10ls Atome/cm3) eingestellt haben. Mit Erhöhung
der Konzentration dieser Fremdstoffschicht kann der Ansammlungsgrad intensiviert und der Effekt
der Erfindung verstärkt werden. Da jedoch ein MOST 33' bei der üblichen »!«-Pegel-Spannung (ungefähr 10 V)
arbeiten muß, ist es günstig, die Schwellenspannung des MOST 33' auf unter ungefähr 2 V einzuschränken, und
zweckmäßig, die Fremdstoffkonzentration auf unter ungefähr 1017 Atome/cm3 einzuschränken.
Wie oben im einzelnen in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben, kann die Festkörper-Abbildungsvorrichtung
gemäß der Erfindung augenfällig vermindern oder vollkommen verhindern, daß Elektronen
aus einer Photodiode über einen Abschnitt unter einer Gate-Elektrode in eine Drain zur Lieferung eines
Ausgangssignals fließen, und zwar dadurch (i) daß eine positive Spannung an einen Trog, in dem die Photodiode
integriert ist, gelegt wird oder (ii) daß die »O«-Pegel-Spannung eines Vertikalabtastimpulses auf
einen negativen Wert eingestellt wird oder (iii) daß die Fremdstoffkonzentration des unter der Gate-Elektrode
liegenden Abschnitts eines Vertikalschalt-MOST höher als
diejenige des Substrats gemacht wird. Ferner kann, was die Herstellung der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß
der Erfindung anbelangt, die Ausführungsform der Fig. 2 ohne weiteres nach genau dem gleichen Verfahren
hergestellt werden, wie es das herkömmliche Herstellungsverfahren für Komplementär-MOS-Transistoren
ist, die Ausführungsform der Fig. 3A bis 3D nach dem
herkömmlichen Herstellungsverfahren für /V-Kanal-MOS-Transistoren
und die Ausführungsform der Fig. 4 nach dem Herstellungsverfahren für /V-Kanal-MOS-Transistoren
mit zusätzlicher Ionenimplantation oder dergleichen.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurden A'-Kanal-MOSTs als die konstituierenden Elemente betrachtet.
Geht man von /'-Kanal-MOSTs ais den konstituierenden
Elementen aus, müssen die Leitungstypen von Fremdstoffen des Trogs, des Substrats, der Source
und der Drain sowie die Polaritäten der anzulegenden Spannungen umgekehrt werden. Natürlich ist die Erfindung
auch auf eine Festkörper-Abbiidungsvorrichtung anwendbar, welche eine Photodiode und einen MOST
für einen photoelektrischen Wandlerabschnitt und eine BBD (bucket brigade device = Eimerketten-Schaltung)
als Abtastschaltung, usw. verwendet.
Claims (6)
1. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend eine Matrix aus im Oberflächenbereich (18)
eines Halbleitersubstrats (17) angeordneten photoelektrischen Wandlerelementen (29), Vertikal- und
Horizontal-Schalt-MISFETS zur Ansteuerung der Wandlerelemente, Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen
zum Ein- und Ausschalten der Schalt-MISFETs, und eine Einrichtung (20, 23) zur Spannungsbeaufschlagung
des die Wandlerelemente (29) und die Vertikal-Schalt-MISFETs (25) enthaltenden
Substratbereichs (IS), dadurch gekennzeichnet, daß an diesem Substratbereich (18) eine Vorspannung
(Kor) Hegt, die gegenüber dem Null-Pegel der an den Vertikal-MISFETs (25) liegenden Steuerspannung bei /'-leitendem Substratbereich (18) positiv
und bei yV-leitendem Substratbereich negativ ist. (Fig. 2)
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (29) und die
Vertikal-Schalt-M ISFETs (25) in einem von den Abtastschaltungen (19, 22, 24) getrennten, mit der Vorspannung
beaufschlagten Trogbereich (18) innerhalb des gemeinsamen Substrats (17) angeordnet sind.
(Fig. 2)
3. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend eine Matrix aus im Oberflächenbereich eines
Halbleitersubstrats (38) angeordneten photoelektrisehen Wandlerelementen (35'), Vertikal- und Horizontal-Schalt-MISFETs
zur Ansteuerung der Wandlerelemente, Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen zum Ein- und Ausschalten der Schalt-MISFETs,
und eine Einrichtung (48) zur Spannungsbeaufschlagung der Gate-Elektroden (34') der Vertikal-Schalt-M
ISFETs (33'), dadurch gekennzeichnet, daß an den Gate-Elektroden (34') der Vertikal-Schalt-MISFETs
(33') während der Entladezeit der Wandlerelemente (35') eine Vorspannung (Kp(..o..)
liegt, die gegenüber dem Null-Pegel der an den Vertikal-MISFETs
(33') liegenden Steuerspannung bei ^-leitendem Substrat (38) negativ und bei N-leitendem
Substrat positiv ist. (Fig. 3)
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der
Vorspannung höchstens 0,8 V beträgt.
5. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend eine Matrix aus im Oberflächenbereich eines
Halbleitersubstrats (38) angeordneten photoelektrisehen Wandlerelementen (35'), Vertikal- und Horizontal-Schalt-MISFETs
zur Ansteuerung der Wandlerelemente, und Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen
zum Ein- und Ausschalten der Schalt-MISFETs, dadurch gekennzeichnet, daß die unter
den Gate-Elektroden (34') aller Vertikal-Schalt-MISFETs (33') liegenden Oberflächenbereiche (50)
des Substrats (38) eine höhere Fremdstoffkonzentration haben als das übrige Substrat (Fig. 4)
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffkonzentration der unter
den Gate-Elektroden (34') der Vertikal-Schalt-MISFETs (33') liegenden Oberflächenbereiche (50)
zwischen 3 χ 10'5 und 1 χ ΙΟ17 Atome/cm3 liegt.
65 Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung,
wie sie im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3 bzw. 5 angegeben ist und gemäß der
deutschen Patentschrift Nr. 2847992 zum Stand der Technik gehört.
Bei einer derartigen Festkörper-Abbildungsvorrichtung besteht das Problem, daß Ladungen, die durch
Photoanregung im Bereich intensiven einfallenden Licht erzeugt werden, in die Umgebung überströmen, so daß
sich weiße Flecken, die die Diffusion wiedergeben, auf dem Monitor ausbreiten und vertikale weiße Streifen erscheinen.
Der weiße Fleck entspricht dem Fall, daß überströmende Ladungen in die angrenzende Photodiode diffundiert
sind, während der vertikale Streifen dem Fall entspricht, daß Ladungen in die Vertikalausgangsleitungen
diffundiert sind. Insbesondere der Vertikalstreifen ist ein wiedergegebenes Bild, welches im tatsächlichen optischen
Abbild nicht enthalten ist, und führt damit zu einem unnatürlichen Eindruck. Diese Erscheinung wird
allgemein als»Blooming« (Überstrahlung) bezeichnet und stellt einen ernsten Umstand dar, der die Praktikabilität
dieser Festkörper-Abbildungsvorrichtung beeinträchtigt. Beispielsweise kann die Vorrichtung nicht im Freien verwendet
werden, wo die Intensität des einfallenden Lichts hoch i«t. Selbst im Inneren eines Gebäudes tritt das
Blooming-Phänomen auf, wenn Metall mit einem hohen Reflexionsfaktor, ein weißer Gegenstand usw. aufgenommen
werden. Deshalb ist das Anwendungsfeld stark eingeschränkt.
Als Ergebnis einer Messung an einem Flächensensor, der zu Versuchszwecken hergestellt worden ist, haben
die Erfinder herausgefunden, daß das Blooming auf die im folgenden beschriebene Ursache zurückgeht. Fig. IA
zeigt eine Schnittansicht eines Bildelements, welches eine Grundeinheit der Festkörper-Abbildungsvorrichtung
bildet. 10 bezeichnet einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps (beispielsweise des P-Leitungstyps).
in welchem die Elemente integriert sind. 11 bezeichnet einen Vertikalschalt-MOST, welcher aus einem Isolationsfilm
12. einer Gate-Elektrode 13, einer Source 14 und einer Drain 15 aufgebaut ist. Source und Drain sind
aus Diffusionsschichten eines Fremdstoffes eines zweiten Leitungstyps (beispielsweise des N-Leitungstyps)
aufgebaut. Ein Source-Übergang (W-Übergang) wird als Photodiode verwendet. Die Drain ist mit einer Aluminium-Verbindungsleitung
16 füreine Vertikalausgangsleitung verbunden.
Die Fig. IB, IC und 1 D sind zur F:g. IA gehörige
Energieband-Diagramme. In den Diagrammen betrifft ■ »C.B.« Elektronen bzw. bezeichnet das Leitungsband.
während »V.B.« Löcher betrifft bzw. das Valenzband
bezeichnet.
Wenn der Schalt-MOST 11 durch einen von der Vertikalabtastschaltung
gelieferten Impuls des Pegels »1« leitend gemacht wird, wird die Photodiode 14 durch die
Video-Spannungsquelle 8 auf die Video-Spannung K1. aufgeladen.
Wenn der Impuls auf Pegel »0« zurückkehrt, wird die Spannung der Diode, die durch die auf dem
einfallenden Licht basierenden photoangeregten Ladungsträger rückwärts vorgespannt ist, entladen. Im Anfangszustand
bei Beginn der Entladung werden die Potentiale der Photodiode und der Drain in der in
Fig. 1 B dargestellten Situation gehalten. Hierbei bezeichnet Vb eine eingebaute Spannung (im allgemeinen
+ 0,8 V oder dergleichen), welche durch den Diodenübergang bestimmt wird. ypt-0- bezeichnet die »0«-Pegel-Spannung
des Abtastimpulses, wobei diese Spannung dem Auslege- bzw. rechnerischen Wert von 0.5 V bis
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