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"IR-Bildaufnahmeeinrichtung"
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Die Erfindung betrifft eine IR-Bildaufnahmeeinrichtung mit einer Vielzahl
zeilen- und spaltenförmig auf einem Halbleiter angeordneten Detektoren und mit einer
integrierten Auswerteschaltung.
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Eine derartige Einrichtung, Jedoch für sichtbares Licht, ist zum Beispiel
bekannt aus der DE-OS 25 58 337. Alle Detektoren (Photo- Sensorelemente) einer Spalte
sind Jeweils mit einem zwischen den Detektoren zweier benachbsrter Spalten angeordneten
Sciiieberegister (Vertikal-Schieberegister) verbunden. Ein Ende eines Jeden Vertikal-Schieberegisters
steht mit einem Horizontal-Schieberegister in Verbindung, welches in Zeilenrichtung
verläuft und an einer Seite der Detektorfläche angeordnet sind. Die in Paralleleingängen
des Vertikal-Schieberegisters eingelesenen Werte werden ail in das Horizontal-Schieberegister
weitergereicht und von dort seriell ausgelesen.
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Diese bekannte Anordnung hat Jedoch den Nachteil, daß die Vertikal-Schieberegister
Jeweils zwischen den Spalten der
Detektoren dort viel Platz beanspruchen,
insbesondere deswegen, weil die Schieberegister in der Regel eine große Anzahl von
zu kontaktierenden Takt elektroden erfordern, die von außen mitSteuersignalen versorgt
werden müssen.
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Eine enge Anordnung von Detektoren ist daher nicht möglich, so daß
die Bildauflösung unbefriedigend ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter
Bildaufnahmeeinrichtungen zu vermeiden. Insbesondere soll eine IR-Bildaufnahmeeinrichtung
der oben genannten Art angegeben werden, die eine enge Anordnung der Detektoren
ermöglicht und möglichst wenig Kontaktierungen im Gebiet, wo die Detektoren angeordnet
sind, erfordert.
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Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Es ist nunmehr möglich, Detektoren ohne aufwendige Kontaktierungsmahßnahmen sehr
dicht nebeneinander anzuordnen, so daß über hundert Detektoren inklusive Auswerte
schaltung auf einem Halbleiterchip integriert werden können. Dadurch wird die Auflösung
der aufgenommenen IR-Bilder verbessert und/oder das strahlungempfindliche Gebiet
bei gleicher Bildauflösung wesentlich kleiner, so daß auch die bei IR-Bildaufnahmeeinrichtungen
erforderlichen Kiihlungsmaßnahmen weniger aufwendig sein können. Bei der erfindungsgemäßen
Lösung sind kontaktierungsintensive Gebiete an den Rand der Detektorfläche verlagert,
so daß die Kontaktierung der dort nur in geringer Anzahl erforderlichen Schieberegister
ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. Durch Anordnung der Auswerteeinrichtungen auf
die der mit der Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) bestrahlten Seite gegenüberlie-
genden
Seite des Halbleiters kann der Halbleiter optimal zur Strahlungsdetektion ausgenutzt
werden. Die Ansprüche 3 und 4 geben ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel unter
Verwendung eines Silizium-Halbleiters. Die durch eine IR-Strahlung erzeugte elektrische
Ladung in einem Detektor einer Spalte wird in einer allen Detektoren einer Spalte
gemeinsamen Leitung weitergeleitet, die von einer als kurzes Schieberegister ausgebildete
Eingangsschaltung ausgelesen werden kann. Das Auslesen kann jeweils an einem Ende
einer gemeinsamen Leitung erfolgen. Anspruch 5 gibt eine einfache Lösung, bei der
die Ladung direkt in das Schieberegister einer Eingangsschaltung übernommen wird.
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Die letzte Elektrode dieser Schieberegister kann gemäß Anspruch 7
in vorteilhafter Weise gleichzeitig Elektrode eines Schieberegisters sein, aus welchem
Jeweils die Ladungen einer ansteuerbaren Detektorzeile ausgelesen werden können.
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Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 mit Eingangsschaltungen
und Je ein Schieberegister auf beiden Seiten der gemeinsamen Leitungen gestattet
die Unterdrückung von Taktübersprechen (fixed pattern noise) welches beim Ladungstransport
durch das Schieberegister entsteht, und/oder der unvermeidbaren, insbesondere bei
IR-Strahlung störenden Hintergrundstrahlung.
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Vorteilhaft hat sich auch die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch
6 gezeigt, die mit lediglich einseitigem Auslesen der Ladungnaus der jeweiligen
Leitung auskommt, so daß die Bngangsschaltungen und das Schieberegister auf der
anderen Seite der gemeinsamen Leitung eingespart werden können. Die Ausgestaltung
der Erfindung nach Anspruch 9 hat den Vorteil, daß im Bedarfsfall Jeder einzelne
Detektor gezielt ausgewertet werden kann.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: FIG. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen IR-Bildaufnahmeeinrichtung mit zeilen- und spaltenförmig angeordneten
Detektoren.
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FIG. 2 eine Schnittansicht eines Detektors.
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FIG. 3 den Verlauf von elektrisch leitenden Streifen zur Zeilenansteuerung
und der gemeinsamen Leitungen.
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FIG. 4 eine Schnittansicht einer unmittelbar auslesenden Eingangsschaltung.
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FIG. 5 eine schemantische Darstellung einer erfindungsgemäßen IR-Bildaufnahmeeinrichtung
mit beidseitigen Schieberegistern zur Ladungsübernahme.
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FIG 6 eine Eingangsschaltung mit alternierender Ladungsübernahme auf
zwei Kondensatoren und von dort auf ein Schieberegister.
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FIG. 7 eine schematische Darstellung einer efindungsgemäßen IR-Bildaufnahmeeinrichtung,
deren Eingangs schaltungen zusätzlich mit Je einem Verstärker und je einem Schalter
versehen sind.
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In FIG. 1 ist eine erfindungsgemäße IR-Bildaufnahmeeinrichtung mit
einer Vielzahl zeilen- und spaltenförmig auf einem Halbleiter angeordneten Detektoren
dargestellt. Die Detektoren sind mit 1 ij (i 51bisJ~1bBm) bezeichnet, um darzutun,
daß n Detektoren in einer Spalte und m Detektoren in einer Zeile angeordnet sein
können. Ihnen zugeordnet sind ebenfalls auf dem Hnlbleiter integrierte Auswerteschaltungen
in Gestalt von Schalttransistoren 2ij (i und j wie oben angegeben) und Schieberegister
31, 32, ..., 3 m, 4 und 6.
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Gemäß der Erfindung sind alle Detektoren einer Spalte jeweils über
einen Schalttransistor an eine gemeinsame Leitung
angeschlossen.
So liegen die Detektoren 111,121, 131,...
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der Spalte 1 über die Schalttransistoren 211, 221, 231, an der gemeinsamen
Leitung 81, die Detektoren 112,122, 132,...
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der Spalte 2 über die Schalttransistoren 212, 222, 232, an der gemeinsamen
Leitung 82 und so fort.
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Jeweils ein Ende der gemeinsamen Leituw81, 82, ... ist mit Jeweils
einer Eingangsschaltung 31 bzw. 32 usw. verbunden und die Steuerelektroden der Schalttransistoren
Jeweils einer Zeile sind mittels eines elektrisch leitenden Streifens an jeweils
einem Parallel ausgang eines ersten Schieberegisters 6 zur Zeilenadressierung angeschlossen.
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Wie aus der Figur ersichtlich sind beispielsweise die Stuerelektroden
der Schalttransistoren 211, 212, ... der ersten Zeile mittels des elektrisch leitenden
Streifens 71 an das Schieberegister 6 angeschlossen.
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Wird vom Schieberegister 6 ein Auslesesignal, beispielsweise auf den
Streifen 71 gegeben, so werden die Schalttransistoren der ersten Zeile leitend und
die Ladungen der Detektoren der ersten Zeile können jeweils auf die gemeinsame Leitung
81 bzw. 82 usw. fließen. Die beispielsweise auf die Leitung 81 übernomm~en Ladlw
kalten von der Eingangsschaltung 31 übernommen und in das Schieberegister 4 eingespeist
werden, von wo sie seriell an einen Verstärker 5 als unterschiedliche Signalspannungen
zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden.
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FIG. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Detektors der FIG. 1 mit der
Anordnung des dem Detektor zugeordneten Schalttransisto#,der gemeinsamen Leitung
und des elektrisch leitenden Streifens in bzw. auf einem Halbleiter. Im Ausführungsbeispiel
wird von einem etwa 300/um dicken p-leitenden Silizium-Halbleiterblättchen 10 ausgegangen.
Auf diesem ist von der
einen Seite, hier der Oberseite, eine n-leitende
Siliziumschicht 12 aufgebracht. Die n-leitende Siliziumschicht ist mit einer elektrisch
isolierenden Oxidschicht 13 abgedeckt, die wie FIG. 2 zeigt eine unterschiedliche
Dicke aufweist.
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Das Gebiet eines Detektors ist als Gebiet mit einer tiefen + p -Diffusion
21 gekennzeichnet, die bis zum p-leitenden Silizium 10 reicht. Neben den Gebieten
mit der tiefen p -Diffusion ist Jeweils eine schwache p+ -Diffusion 23 eingebracht,
die lediglich bis in die n-leitende Siliziumschicht 12 reicht.
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Wahrend sich die tiefe p + -Diffusion senkrecht zur dargestellten
Bildfläche Jeweils lediglich mit der Länge eines Detektors in Spaltenrichtungen
erstrecht (etwa 50/um), erstreckt sich die flache Diffusion 23 über die ganze Spaltenlänge
der Bildaufnahmeeinrichtung und bildet Jeweils eine allen Detektoren einer Spalte
gemeinsame Leitung 81 bzw. 82 usw.
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Zwischen den Gebieten der flachen p + -Diffusion 23 und der Jeweils
ihr zugeordneten tiefen p -Diffusion 21, also zwischen den Detektoren einer Spalte
und der ihnen zugeordneten gemeinsamen Leitung, ist die Oxidschicht 13 wesentlich
dünner als über benachbarten Gebieten. So beträgt die Oxidschicht an den dünnen
Stellen etwa 0,1#um und in den übrigen Bereichen etwa 1/um.
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Die elektrisch leitenden Streifen 71, 72, usw. sind senkrecht zu dem
Verlauf der gemeinsamen Leitungen 81, 82, usw. angeordnet und auf die Isolierschicht
13 aufgebracht. Sie verlaufen jeweils über in einer Zeile liegende Detektoren, also
über Gebiete mit der tiefen p+-Diffusion 21. Die in FIG. 2 dargestellte Schnittansicht
zeigt beispielsweise den Schnitt durch den Detektor 112 mit Scittransistor 212 und
gemein-
samer Leitung 82. Der über dieses Gebiet verlaufende elektrisch
leitende Streifen ist in diesem Fall der in FIG. 2 dargestellte Streifen 71. Der
Schalttransistor 212 wird durch das Gebiet zwischen tiefer p + -Diffusion und flacher
p -Diffusion gebildet. Gesteuert wird er durch den als Gate wirkenden Streifen 71,
wobei der eigentliche Steuerbereich im Gebiet 22 zwischen der tiefen und der flachen
p+ -Diffusion liegt. Die flache p+ -Diffusion 23 zeigt in FIG. 2 die gemeinsame
Leitung 82 im Schnitt.
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Auf der anderen Seite des Halbleiters, in FIG. 2 also die Unterseite,
ist die Oberfläche des Halbleiters mit einer großflächigen IR-Strahlung durchlassenden
Schicht 11 versehen, die zur Belichtung mit der IR-Strahlung vorgesehen.
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ist. Diese Schicht ist etwa 1#um dick und kann durch eine zusätzliche
p+ -Diffusion in das Halbleitermaterial eingebracht werden.
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Aus FIG 2 ist ferner ersichtlich, daß auf der einen Seite des Halbleiters,
beispielsweise der Oberseite, die Schalttransistoren, die durch die flache Diffusion
23 gebildeten gemeinsamen Leitungeninddie elektrisch leitenden Streifen 71, 72 ...
angeordnet sind und daß auf der anderen Seite des Halbleiters, beispeilsweise der
Unterseite, die IR-Bestrahlung stattfindet. Das gewählte Dotierungsprofil des Halbleiters
gestattet es, auf seiner Oberfläche auch die gesamte Auswerteschaltung'bestehend
aus den Eingangsschaltungen 31, 32, ... den Schieberegistern 4 und 6 und dem Verstärker
5 beim Herstellungsprozess der Bildaufnahmeeinrichtung mit zu integrieren In FIG.
3 ist der Verlauf der elektrisch leitenden Streifen 71, 72, ... über den Detektoren
111, 112,... Jeweils einer Zeile dargestellt. Ferner sind die senkrecht zu den elektrisch
leitenden
Streifen verlaufenden Leitungen 81, 82, (Jeweils flache p+-Diffusion 23) zu erkennen.
Die Gate-Bereiche der Jeweiligen Schalttransisitoren sind schraffiert eingezeichnet.
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In FIG. 4 ist eine Schnittansicht einer unmittelbar auslesenden Eingangsschaltung
dargestellt. Die Bezeichnungen beziehen sich auf die Eingangsschaltung 31. Wie ersichtlich
ist die Eingangsschaltung als lediglich wenige Stufen umfassendes Schieberegister
ausgebildet, deren Elektrodenanordnung auf der Oxidschicht 13 des Halbleiterchips
unmittelbar dort beginnt, wo die als flache p+-Diffusion ausgebildete gemeinsame
Leitung 81 endet, Gleiche Halbleiterschichten wie in FIG. 2 sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Elektrodenanordnung besteht aus den Elektroden 3101
bis 3104.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Bildauswerteeinrichtung liegt beispielsweise
die großflächige leitende Schicht 11 (FIG, 2) stets auf Bezugspotential, beispielsweise
0 Volt und die erste Elektrode 3101 (FIG. 4) des Schieberegisters stets auf beispielsweise
-12 Volt. Die folgenden Elektroden 3102 bis 3104 werden beispielsweise mit -15 Volt
und 0 Volt getaktet und dienen zum Weitertransport der unter der Elektrode 3101
fließenden positiven Ladungen (Löcher).
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Ist die zweite Elektrode 3102 auf -15 Volt, so gibt die Leitung 81
an das Gebiet unter der Elektrode 3101 soviel Löcher ab, bis die Leitung 81 und
damit das Gebiet der flachen Diffusion 23 (FIG. 2) etwa -10 Volt angenommen hat.
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Wird nun der Streifen 71 mit einer Spannung von etwa -12 Volt beaufschlagt,
so können Löcher der tiefen p -Diffusion 21 über das Gebiet 20 so lange zur flachen
Diffusion 23 fließen, bis auch die tiefe Diffusion 21 mit der flachen Diffusion
23
potential gleich ist, also ebenfalls auf etwa -10 Volt liegt.
Diese Schichtpotentiale sind der Ausgang der Bildaufnahmeeinrichtung ohne Belichtung.
Liegt der Streifen 71 auf Null Volt, so sind die ihm zugeordneten Schalttransistoren
gesperrt.
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Das Gebiet unter der tiefen p + -Diffusion 21 bildet einen für IR-Strahlung
empfindlichen Photowiderstand. Wird die Schicht 11 bestrahlt, so bilden sich zusätzliche
Ladungsträger im Halbleiter 10, welche die Leitfähigkeit zwischen der gut leitenden,
beispielsweise auf Bezugspotential gehaltenen Schicht 11 und der gut leitenden tiefen
p+-Diffusion 21 erhöhen.
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Beim Takten, beispielsweise des Streifens 71, gelangen zwischen zwei
Sperrzuständen der dem Streifen zugeordneten Schalttransistoren die im Halbleiterwiderstand
zwischen Schicht 11 und Diffusion 21 gebildeten Ladungen auf die tiefe Diffusion
21 und von dort über die Leitung 81, unter der Elektrode 3101 hindurch, zur Elektrode
3102 des in FIG. 4 gezeigten Schieberegisters der Eingangsschaltung 31. Da der Halbleiterwiderstand
unter der tiefen p+ -Diffusion 21 eine Funktion der IR-Bestrshlung ist, ist es somit
auch die Anzahl der Ladungsträger, die zur Elektrode 3102 gelangen.
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Die unter die Elektrode 3102 gelangten Ladungsträger können in an
sich bekannter Weise im Schieberegister bis zur Elektrode 3104 weitergeschoben werden.
Die Elektrode 3104 ist hier die letzte Elektrode des wenige Stufen aufweisenden
Schieberegister der Eingangsschaltung 31. Zweckmäßigerweise wird das Schieberegister
4 (FIG. 1) so ausgebildet, daß Jeweils die letzte Elektrode Jedes Schiebereglsters
der Eingangsschaltungen gleichzeitig eine Elektrode des Schieberegisters 4 ist,
Die Ladungsübergabe von den Schieberegistern der Eingangsschaltungen 31,32,... zum
Schieberegister 4 wird dadurch sehr platzsparend und einfach. ...
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In sehr vielen Fällen ist die Ladung, welche in der Bildaufnahmeeinrichtung
bereits bei unbelichteten Detektoren fließt, störend, weil sie die Empfindlichkeit
der Bildaufnahmeeinrichtung, herabsetzt. Daher wird in einer ersten Weiterbildung
der Erfindung vorgeschlagen, die in FIG. 5 schematisch dargestellt ist, Jeweils
an beiden Enden einer als flache p+ -Diffusion 23 ausgebildeten gemeinsamen Leitung
81, 82,... eine zweite Eingangsschaltung 311, 321, vorzusehen und Jede zweite Eingangsschaltung
mit einem Paralleleingang eines dritten Schieberegisters 41 zu verbinden.
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Die Bildaufnahmeeinrichtung wird in diesem Fall alternierend mit dem
aufzunehmenden Bild bestrahlt, so daß das Schieberegister 4 die Ladungen bei Belichtung
und das zusätzliche Schieberegister 41 die Ladungen bei abgedeckter Bildaufnahmeeinrichtung
erhält. Die von den an den Schieberegistern 4 und 41 angeschlossenen Verstärker
5 bzw. 51 abgegebenen Signalspannungen braucht dann lediglich subtrahiert zu werden,
um die dem aufgenommen IR-Bild entsprechenden ungestörten Signalspannungen zu erhalten.
Gleichzeitig wird durch die Differenzbildung der Signalspannungen auch das Rauschen
in Folge des sogenannten "Taktübersprechenß" unterdrückt.
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Eine zweite Weiterbildung der erfindungsgemäßem Bildaufnahmeeinrichtung
zeigt FIG. 6. Die in der rechten Hälfte der Figur dargestellte Eingangsschaltung
ist in diesen Fall als ebenfalls wenige Stufen umfassendes Schieberegister, deren
Elektroden mit G1, G2, G3, ... bezeichnet sind, ausgebildet.
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Die Elektrodenanordnung beginnt jedoch nicht unmittelbar dort, wo
eine gemeinsame Leitung, beispielsweise Leitung 81 endet, sondern zwischen dem Ende
einer gemeinsamen Leitung und dem Beginn des nur wenige Stufen umfassenden Schieberegisters
ist eine aus der DE-OS 29 19 936 bekannte Schalttung zur Signaldifferenzbildung
geschaltet. Diese in integrierter Technik realisierbare Schaltung ist in FIG. 6
zur einfacheren Uebersicht als elektrische Schaltung dargestellt, da sie
ausführlich
in der o, g. DE-OS beschrieben ist. Die Ladungen beispielsweise der Leitung 81 werden
bei dieser Schaltung über die Schalttransistoren T1, T2 abwechselnd auf als Kondensatoren
ausgebildete Speicher Cl bzw. C2 geleitet, welche über Schalttransistoren T3 und
T4 zwischenzeitlich bis auf eine Referenzspannung UR aufladbar sind.
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Die Kondensatoren sind getrennt an die ersten beiden Elektroden G1
und G2 des Schieberegister3 der Eingangsschaltung angeschlossen. Während die erste
Elektrode G1 von einer mit einer konstanten Spannung UO gespeisten InJektionsschicht
eine ihrer Spannung entsprechende Ladungsmenge entnimmt, wird von dieser Ladungsmenge
nach Maßgabe der Spannung der zweiten Brode G2 ein der Spannungsdifferenz der Kondensatoren
Cl und C2 entsprechender Ladungsanteil weitergereicht. Die letzte Elektrode des
nur wenige Stufen umfassenden Schieberegisters ist in vorteilhafter Weise wieder
gleichzeitig Elektrode des in FIG. 1 gezeigten Schieberegisters 4. Diese Weiterbildung
hat die gleichen Vorteile wie die in FIG#. 5 gezeigte. Sie kommt Jedoch ohne die
Eingangaschaltungen 311, 321, ... und das Schieberegister 41 mit Verstärker 51 und
die dort erforderliche Elektronik zur Differenzbildung aus.
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Die bisher erläuterten AusführungsbeispieLe und Weiterbildungen ermöglichten
Jeweils ein zeilenweises Auslesen der Detektoren der Bildaufnahmeeinrichtung. Ist
Jedoch eine Adressierung Jedes einzelnen Detektors erwünscht, so gibt die Weiterbildung
gemäß FIG. 7 eine vorteilhafte Lösung.
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Jede Eingangsschaltung 31, 32, ... ist hierzu mit einem Verstärker
V1, V2, ... versehen,welcher an seinem Ausgang über einen elektronischen Schalter
S1, 52, ... an einer zweiten, allen Schaltern gemeinsamen Leitung L angeschlossen
ist.
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Die Eingangsschaltungen 31, 32, ... sind zweckmäßigerweise
gemäß
FIG. 6 ausgebildet, da sie gegenüber der Anordnung gemäß FIG. 5 weniger Schieberegister
erfordern, Der jeweilige Verstärker wird mit seinem Eingang Jeweils an die letzte
Elektrode des nur wenige Stufen umfassenden Schieberegisters eiz Eingangsschaltung
angeschlossen.
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Die Adressierung eines einzelnen Detektorelementes erfolgt so , daß
beispielsweise zur Auslese des Detektors 122 die Schicht 72 etwa - 15 Volt erhält
und der Schalter S2 geschlossen wird . Dadurch werden von den Detektoren der zweiten
Zeile zwar an alle Eingangsachaltungen 31, 32, Ladungen abgegeben und an den Ausgängen
der Verstärker V1, V2, ... entsprechende Signalspannungen erzeugt. Jedoch wird von
diesen Signalspannungen nur die der zweiten Spalte über den geschlossenen Schalter
82 auf die Leitung L übertragen.
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Die o .g. Ausführungen wurden am Beispiel einer Bildaufnahmeeinrichtung
erläutert, die auf einem Silizium-Halbleiter integriert ist. Die p-Leitfähigkeit
wird im Halbleiter-Chip 10 zweckmäßig durch Stoffe erzielt, die bei Bestrahlung
mit der zu detektierenden IR-Strahlung Ladung; träger erzeugen. Als Stoffe für diese
p-Dotierung haben sich Galium, Indium und thallium als besonders geeignet erwiesen.
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Fiir die tiefe und flache p+ -Diffusion ist Bor und für die p- leitende
Schicht 11 Phosphor als Dotierstoff zweckmäßig. Die p + -Diffusionen sind Jeweils
bis zur Löslichkeitsgrenze durchgeführt.
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Die elektrisch leitenden Streifen 71, 72, ... lassen sich bei der
monolithischen Integration einfach als polykrista-
lines Silizium
realisieren. Hierfür genügt eine Schichtdicke von etwa 0,5/um.
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Die Erfindung wurde am Beispiel eines p-dotierten Elementhalbleitern
(Silizium) näher erläutert. Sie läßt sich jedoch auch mit einem n-dotierten Elementhalbleiter
mit vertauschten Polaritäten oder mit einem Verbindungshalbleiter aus beispielsweise
Cadmium-#uecksilber-Tellurid mit Vorteil realisieren.