DE3432994A1 - Festkoerper-bildabtastvorrichtung - Google Patents
Festkoerper-bildabtastvorrichtungInfo
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Description
Festkörper-Bildabtastvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit einer Anzahl von in Matrixform angeordneten Zellen von
Transistoren mit statischer Induktion (nachfolgend abgekürzt als SIT). . - -
Eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit einer Anzahl von in Matrixform angeordneten Zellen, die jeweils einen SIT aufweisen,
der sowohl als Photodetektorelement als auch als Schaltelement dient, geht aus der offengelegten japanischen Patentanmeldung
105 672/83 hervor.
Eine solche bekannte Festkörper-Bildabtastvorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt, wobei Fig. 1A einen Querschnitt durch einen
eine Bildelementeinheit darstellenden SIT zeigt, während Fig. 1B ein Schaltschema des gesamten Aufbaus einer solchen Festkörper-Bildabtastvorrichtung
wiedergibt. Wie aus Fig. 1A hervorgeht, weist ein SIT 1 ein η -Silizium-Substrat 1 auf, welches
als- Drain fungiert, weiter eine n~-Silizium-Epitaxialschicht 2, die eine geringere Störstellenkonzentration hat als
das Substrat 1, und einen η -Sourcebereich 3 sowie einen -P+-
Gatebereich 4, die beide beispielsweise durch Thermodiffusionsverfahren
gebildet sind. Auf den Gatebereich 4 ist eine dünne Isolierschicht 5 beispielsweise aus SiO, aufgetragen und auf
der Isolierschicht 5 ist eine Gateelektrode 6 angeordnet. Der Gatebereich 4 bildet gemeinsam mit der Isolierschicht 5 und der
IA-OÖ bO»
Gateelektrode 6 eine Gatekapazität 7. Die Gateelektrode 6 ist mit einem Gateanschluß 8 verbunden. Einander benachbarte, die
Zellen bildenden SITs„s_ind voneinander durch einen Isolierbereich
9 getrennt, der beispielsweise aus versenktem Isoliermaterial besteht. Die n~-Epitaxialschicht 2 bildet im SIT
einen Kanalbereich. Bei der bekannten Festkörper-Bildabtastvorrichtung bestehen die SITs aus normalerweise gesperrten
Transistoren, so daß der_ Kanalbereich, obwohl das Gatepotential
0 V beträgt, bereits verarmt ist und folglich selbst beim Anliegen
einer Spannung an Source und Drain kein Strom zwischen Source und Drain fließt.
Wenn die bekannte Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit den SITs
der normalerweise gesperrten Bauart einen Lichteingang erhält, werden Elektronen-Loch-Paare im Kanalbereich 2 oder in der
Gateverarmungsschicht erzeugt. Während die Elektronen in den
Drain entweichen, d. h. in das auf Erdpotential liegende Substrat 1, werden die Löcher in dem Signale speichernden Gatebereich
4 gespeichert, wodurch das Gatepotential um Av erhöht
wird. Angenommen, der Wert der Gatekapazität 7 sei C„ und die
Ladungsmenge,die in dem Signale speichernden Gatebereich 4 gespeichert
ist,sei QT, dann entsteht Δν~ = QT/CO. Wenn nach Ablauf
einer gewissen Signalspeicherzeit ein Gateausgabeimpuls
V,-, an den Gateanschluß 8 angelegt wird, nimmt das Gatepotential
die Summe von V,_ und Δν_ an. Das Potential zwischen dem
0G G
Signale speichernden Gatebereich 4 und dem Sourcebereich 3 wird folglich gesenkt und die Verarmungsschicht wird schwächer.
Dann fließt ein Drainstrom entsprechend dem Lichteingang zwischen Source und Drain. Dieser Drainstrom ist proportional
zu dem Wert Δν, erhöht um einen Verstärkungsfaktor aufgrund
der Verstärkungsfunktion des SIT. Es sei noch erwähnt, daß
eine entsprechende Arbeitsweise erzielbar ist, wenn Source und Drain im SIT ausgetauscht sind.
Fig. 1B zeigt den Schaltungsaufbau der Festkörper-Bildabtastvorrichtung
mit den vorstehend beschriebenen, in Matrixform
EPOCOPY jf
angeordneten SITs. In Fig. 2A bis 2D ist der Signalverlauf zur Erläuterung der Arbeitsweise der Festkörper-Bildabtastvorrichtung
dargestellt. Normalerweise gesperrte SITs mit η-Kanal bilden SITs 10-11, 10-12 ... und ein Videoausgangssignal wird in
einer XY-Adressierweise gelesen oder ausgegeben. Der Drain eines ein Bildelement darstellenden SIT ist an Erde gelegt. Die
Sourcen der SITs sind in Reihen oder Zeilen, d. h. in X-Richtung angeordnet und mit Zeilenleitungen 11-1, 11-2 ... verbunden,
die ihrerseits über Transistoren 12-1, 12-2 ... zum Wählen der Zeile gemeinsam an eine Videosignalleitung 13 angeschlossen
sind. Die Gates der SITs hingegen sind in Säulen oder Spalten, d. h. in Y-Richtung angeordnet und mit Spaltenleitungen \4-1,
14-2 ... verbunden. Die Videosignalleitung 13 ist über einen Belastungswiderstand 15 an einen positiven Anschluß einer
Gleichspannungsquelle 16 angeschlossen, deren negativer Anschluß geerdet ist.
Als nächstes soll die Arbeitsweise bei der Ausgabe der Ausgangssignale
der von den SITs gebildeten Bildelemente der Festkörper-Bildabtastvorrichtung erläutert werden. Wenn während
einer Zeitspanne, während der der in Fig. 2A gezeigte Zeilenwählimpuls
0C1 an den mit der Zeilenleitung 11-1 verbundenen
Transistor 12-1 angelegt wird, um diesen durchzusteuern, ein Gateausgabeimpuls <t>„« gemäß Fig. 2C an die Spaltenleitung 14-1
angelegt wird, wird der SIT 10-11 ausgewählt, und ein Drainstrom dieses SIT 10-11 fließt auf dem Weg über die Videosignalleitung
13 durch den Ladungswiderstand 15, um an einem Ausgangsanschluß 17 eine Ausgangsspannung V t zu erzeugen.
Wie schon erwähnt, ist der Drainstrom eine Funktion des Gatepotentials, welches sich in Übereinstimmung mit der Lichteingabe
ändert. Folglich entspricht eine Zunahme von Δν . gegenüber
der Spannung im Dunkeln der Lichteingabe. In diesem Fall ist die. Zunahme Δν , eine starke Spannung, die dem Wert Av„
- — - - — - OU-C \3
multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des SIT entspricht.
Als ^nächstes wird gemäß Fig. 2D ein Gateausgabeimpuls φ „ a'n
eine zweite Spaltenleitung 14-2 angelegt, um eine Ausgabe des
EPO COPY
1A-58
SIT 10-12 zu erhalten. Auf diese Weise werden nacheinander alle SITs der ersten Spalte abgelesen. Anschließend wird ein Zeilenwählimpuls
φ~~ gemäß Fig. 2B an den Transistor 12-2 zur Auswahl
der zweiten Zeile angelegt, damit alle SITs der zweiten
Zeile abgelesen werden können. Auf diese Weise erfolgt nacheinander eine Ausgabe von allen SITs der aufeinanderfolgenden
Zeilen oder Reihen.
Es hat sich gezeigt, daß die bekannte Festkörper-Bildabtastvorrichtung,'
wie sie oben beschrieben wurde, die nachstehend erläuterten Nachteile hat. Wenn der Gateausgabeimpuls &G an
den Gatebereich 4 angelegt wird, erfolgt eine Vorspannung einer pn-Sperrschicht zwischen dem Gatebereich 4 und dem Drain in
Vorwärtsrichtung, so daß,die im Gatebereich 4 gespeicherten
Löcher durch die pn-Sperrschicht entweichen. Folglich gehen die in den Gatebereichen der SITs einer Spaltenleitung 14 .gespeicherten
Lichtsignale immer dann verloren, wenn der Gateausgabeimpuls an die entsprechende Spaltenleitung angelegt
wird. Die Lichtsignalspeicherzeit in jedem Bildelement wird also durch das Verhältnis der Ausgabedauer für eine Reihe von
Zeilenleitungen bestimmt und entspricht im wesentlichen der horizontalen Abtastperiode. Anders ausgedrückt, angenommen die
Ausgabeperiode sei T und die Anzahl Zeilenleitungen sei n, dann ist die Lichtsignalspeicherzeit: T/n. Wenn also eine große
Anzahl von Bildelementen vorgesehen ist und folglich die Anzahl Zeilen erhöht ist, wird die Speicherzeit außerordentlich
kurz, und die Lichtempfindlichkeit ist herabgesetzt. So ist
es mit der bekannten Festkörper-Bildabtastvorrichtung praktisch unmöglich, ein Videosignal mit hohem Rauschabstand zu erzielen.
Um ferner bei der bekannten Festkörper-Bildabtastvorrichtung den SIT als normalerweise gesperrten Transistor auszulegen,
muß der Abstand W zwischen den Innenkanten des Gatebereichs
außerordentlich klein sein. Aber es ist nicht leicht, mit den Herstellungsverfahren einen so kleinen Abstand zu erzielen.
EPO COPY
Ferner hat der normalerweise gesperrte SIT von Natur aus eine
geringe Stromdichte, und infolgedessen ist der Signalstrom -äußerst schwach.
Wie schon erwähnt, ist es mit der bekannten Festkörper-Bildabtastvorrichtung
schwierig, eine Gebrauchsvorrichtung zu erhalten, die ohne Schwierigkeiten herzustellen ist und ein
starkes Videosignal abgibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung
zu schaffen, die für langfristige Speicherung von Lichtladung geeignet ist und ein Videosignal von hohem Rauschabstand
mit großer Empfindlichkeit erzeugen kann und dabei" aus
leicht herzustellenden, normalerweise durchgesteuerten SITs aufgebaut ist.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 3A einen Querschnitt durch einen Transistor mit statischer Induktion, der ein Bildelement bei einem
ersten Ausführungsbeispiel einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung gemäß der Erfindung bildet;
Fig. 3B ein Schaltschema des ersten Ausführungsbeispiels, der
Festkörper-Bildabtastvorrichtung;
Fig. 4A
bis 4F Signalverläufe zur Erläuterung der Betriebsweise der Festkörper-Bildabtastvorrichtung gemäß Fig. 3B;
Fig. 5 ein Schaltbild zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der Vorrichtung gemäß Fig. 3B;
Fig. 6A
und 6B graphische Darstellungen der Kennlinien einer Diode bzw. eines normalerweise durchgesteuerten SIT;
EPOCOPY Jl
1A-SÖ
Fig. 7A
und 7B Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der
Schaltung gemäß Fig. 5;
Fig. 8 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels
Fig. 8 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung; Fig. 9A
bis 9 F und
1OA bis 10C Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise
bis 9 F und
1OA bis 10C Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise
der Vorrichtung gemäß Fig. 8; Fig. 11 ein Schaltschema eines dritten Ausführungsbeispiels
einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung;
Fig. 12A
bis 121 Signalverläufe zur Erläuterung der Vorrichtung gemäß
bis 121 Signalverläufe zur Erläuterung der Vorrichtung gemäß
Fig. 11;
Fig. 13 ein Schaltschema eines vierten Ausführungsbeispiels
Fig. 13 ein Schaltschema eines vierten Ausführungsbeispiels
einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung;
Fig. 14A
bis 14H Signalverlaufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 13 gezeigten Vorrichtung.
bis 14H Signalverlaufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 13 gezeigten Vorrichtung.
In Fig. 3A ist ein Ausführungsbeispiel eines ein Bildelement
darstellenden SIT der Festkörper-Bildabtastvorrichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt dargestellt, während Fig. 3B den
Gesamtaufbau der Bildabtastvorrichtung als Schaltbild wiedergibt und in den Fig. 4A bis 4F Signalverläufe dargestellt sind,
die die Arbeitsweise der Bildabtastvorrichtung erläutern sollen.
Wie Fig. 3A zeigt, ist der Aufbau des SIT insgesamt ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten, bekannten Transistor, d. h. der SIT
weist ein n+-Silizium-Substrat 51 als Drainbereich, eine η Silizium-Epitaxialschicht
52, die einen Kanalbereich darstellt, einen n+-Sourcebereich 53 in der Epitaxialschicht 52, einen
den Sourcebereich 53 umgebenden ρ -Gatebereich 54 in der Epitaxialschicht
sowie einen Isolierbereich 59 auf, der aus einem isolierenden Werkstoff hergestellt und zur gegenseitigen Trennung
einander benachbarter SITs vorgesehen ist. Auf der
EPO COPY Jl
Epitaxialschicht 52 ist eine Isolierschicht 55 gebildet und oberhalb des Gatebereichs 54 liegt über der Isolierschicht 55
eine Gateelektrode 56, zwischen denen eine Kapazität 57 ausgebildet
ist. Mit der Gateelektrode 56 ist ein Gateanschluß 58 verbunden. Da für die Erfindung ein normalerweise durchgesteuerter
SIT benutzt wird, kann der Abstand W zwischen den Innenkanten des Gatebereichs 54 verhältnismäßig groß sein, so
daß die Festkörper-Bildabtastvorrichtung leicht hergestellt werden kann. Es sei noch erwähnt, daß der Isolierbereich 59
statt aus Isoliermaterial auch von einem ρ -Diffusionsbereich gebildet sein kann.
Wie Fig. 3B zeigt, sind in Matrixform eine Reihe von normalerweise
offenen, d.h. durchgesteuerten SITs 20-11, 20-12 ... 20-1n; 20-21, 20-22 ... 20-2n; 20-m1, 20-m2 ..t 20-mn·angeordnet.
Diese werden der Reihe nach in einer XY-Adressierweise abgelesen. Hierzu liegen alle Drains aller SITs auf Erdpotential,
die Gateelektroden 56 der SITs, die in Zeilen, d. h. in X-Richtung angeordnet sind, sind mit Zeilenleitungen 21-1, 21-2
... 21-m verbunden, und die Sourcebereiche der SITs sind in Spalten, d. h. in Y-Richtung angeordnet und mit Spaltenleitungen
22-1, 22-2 ... 22-n verbunden, die ihrerseits über Transistoren 23-1, 23-2 ... 23-n zur Spaltenwahl gemeinsam mit
einer Videosignalleitung 24 verbunden sind. Die Videosignalleitung 24 führt über einen Belastungswiderstand 25 zum positiven
Anschluß einer Videosignalspannungsquelle V .
Die Zeilenleitungen 21-1, 21-2 ... 21-m sind mit einer Vertikalabtastschaltung
26 verbunden und erhalten Signale ΦΓ«ι $r2
... φη . Die Gateelektroden der Transistoren 23-1., 23-2 ...
Gm
23-n zur Spaltenwahl sind mit einer Horizontalabtastschaltung 2 7 verbunden und erhalten Signale Φ5<, 0s2 ··· $s ·
Anhand der Signalverläufe gemäß Fig. 4A bis 4F sollen die vertikalen
Abtastsignale φη und die horizontalen Abtastsignale φ~
erläutert werden. Jedes der an die Zeilenleitungen 21-1, 21-2 ... 21-m angelegten vertikalen Abtastsignale ΦΓ*ι Φ^2 **"
EPO CO
1A-58
besteht aus einer Spannung V ,_ von kleiner Amplitude und einer
Spannung V.R von großer Amplitude. Die Spannung V, wird
während der horizontalen Abtastperiode t„ einer einzigen Zei-
n lenleitung angelegt, und die Spannung V.„ wird während einer
horizontalen Austastperiode tDT angelegt. Jedes der horizontalen
Abtastsignale Φΐ1Λ, ΦαΟ--..* φ~ , die an die Gates der
Transistoren 23-1, 23-2 ... 23-n zur Spaltenwahl angelegt werden, hat ein niedriges-Niveau zum Sperren des Transistors und
ein hohes Niveau zum Durchsteuern des Transistors.
In Fig. 5 ist in einem äquivalenten Schaltbild der Aufbau eines einzigen Bildelements dargestellt. Ein normalerweise durchgesteuerter
SIT 20 weist als Substrat 51 einen Drainbereich auf, der an Erde liegt, sowie den Gatebereich 54, zwischen dem Gatebereich
54 und dem Gateanschluß 58 die Kapazität 57, und schließlich noch den Sourcebereich 53. Gate 54 und.Drain 51 des
SIT 20 bilden eine Diode D mit pn-übergang. Diese Diode D hat
eine Spannung-Strom-Kennlinie, d. h. ein Gatepotential V Strom Ip zwischen Gate und Drain wie in Fig.6?-. gezeigt. Das bedeutet, daß rasch ein Vorwärtsstrom fließt, wenn die Spannung
an der Diode D_, d. h. die Spannung V die eingebaute Sperrspannung
φ der pn-Sperrschicht übersteigt.
Der zwischen Source und Drain des SIT fließende Strom I wird
von der Gatespannung V-, bestimmt. Bei einem normalerweise
offenen, durchgesteuerten SIT ;
zu V„, wie in Fig. 6B gezeigt.
zu V„, wie in Fig. 6B gezeigt.
offenen, durchgesteuerten SIT ist I exponentiell proportional
Anhand der Fig. 7A und 7B soll die Potentialänderung des SIT erläutert werden, die stattfindet, wenn über die Kapazität 57
am Gatebereich 54 des SIT das Signal φ~ angelegt wird. Im Zeit-
VJ
punkt t. nimmt das Signal φ den Wert V,R an, und dann fließt
Strom in Vorwärtsrichtung durch die Diode D über die Kapazität 57, die plötzlich auf eine Spannung (V , -φ ) aufgeladen
wird. Infolgedessen nimmt die Gatespannung V^ einen Wert entsprechend
φ an. Als nächstes wird im Zeitpunkt t„ das Signal
EPO COPY
<fc„ Null, und dann wird die Diode D in Sperrichtung betrieben,
G la
so daß der Strom I„ nicht fließen kann. Folglich wird die
Spannung (V, -φ ) an der Kapazität 57 aufrechterhalten und Vp
wird ~V2jR +^B· Anschließend wird aufgrund der Lichteingabe die
Ladung Q1. bis zu einem Zeitpunkt t, gespeichert, und in diesen
Zeitpunkt wird die hohe Spannung V,„ des Signals φ angelegt.
Dann wird die Spannung VQ um Av=Q /C erhöht, wobei C der
Wert der Kapazität 57 ist. Im Zeitpunkt t^ wird, weil die
Spannung V,r anliegt, die Gatespannung auf einen Wert von
-V, +0+Av_+V,_ erhöht. In diesem Zeitpunkt t_ wird außerdem
der Transistor 23 zur Spaltenauswahl vom Signal φ~ leitfähig
gemacht, und es fließt, wie Fig. 6B zeigt, der Strom In . durch
den SIT, und auf der Videosignalleitung 24 erscheint der Signalausgang V =V'S-ID1.R^. Da der Strom I .. sich entsprechend
ändert, kann ein Videosignal erhalten werden, welches der
G
Lichteingabe entspricht.
Lichteingabe entspricht.
Wie aus Fig. 7A hervorgeht, nimmt das Signal φ im Zeitpunkt t,
wiederum den Wert V,R an, und das Gatepotential V entspricht
φΏ, um die Ladung Q1. zu löschen, die bis zu diesem Zeitpunkt
• B L
t. gespeichert wurde. In einem Zeitpunkt t5 nimmt das Signal
einen Wert von null Volt an und das Gatepotential V wird
r
speicherung für das nächste Bildfeld beginnen kann.
speicherung für das nächste Bildfeld beginnen kann.
erneut auf den Wert ~^Λτ>+Φ-α zurückgestellt, damit die LadungsAnhand
der vorstehenden Beschreibung ist klar, daß die Signalspannung V ,-, von hoher Amplitude auf einen solchen Wert festgelegt
werden sollte, daß der Drainstrom I des SIT entsprechend dem Gatepotential ν ΰ =~ν^κ +^Β so klein wird, daß der SIT
gesperrt werden kann. Die Signalspannung 0_.von kleiner Amplitude
wird so bestimmt, daß die Bedingung v,7$g<Vc$r~Av g erfüllt
ist, um zu verhindern, daß Gatestrom während der Spaltenauswahlzeit
fließt. Diese Bedingung ist abgeleitet aus der Notwendigkeit, daß das Gatepotential V G =~V Q5R +^B +^V G +V C5G im Zeitpunkt
t-, kleiner sein sollte als 0n.
EPO COPY
1A-58
Die Arbeitsweise der in Fig. 3B gezeigten Festkörper-Bildabtastvorrichtung
soll nun auf der Grundlage des vorstehend erwähnten Betriebsprinzips eines einzigen Bildelements erläutert
werden. Wenn bei in Betrieb befindlicher Vertikalabtastschaltung 26 das Signal φ-Λ einen Wert entsprechend V ·„ anti
0b
nimmt, werden SITs ausgewählt,^die mit der Spaltenleitung 21-1
verbunden sind. Dann werden mit den Signalen φ * , ^52 ··· Φ s t
die die Horizontalabtastschaltung 27 liefert, die Transistoren 23-1, 23-2 ... 23-n zur Spaltenauswahl der Reihe nach leitfähig
gemacht, und die in den SITs 20-11, 20-12 ... 20-1n gespeicherten Signale nach-einander über die Videosignalleitung
24 ausgegeben. Als nächstes werden alle SITs der ersten .Spalte zurückgestellt, wenn das Signal ΦΓ den hohen Wert V R annimmt.
Anschließend liefert die_Vertikalabtastschaltung 26 das Signal
$ 2, und es werden die zur zweiten Spalte gehörenden SITs angesteuert.
Die in diesen SITs 20-21, 20-22 ... 20-2n gespeicherten Signale werden der Reihe nach über horizontale Abtastsignale
φα~, φαο ... 0C abgelesen, und anschließend werden
öl ΟΔ on
gleichzeitig alle SITs der zweiten Spalte zurückgestellt. In
ähnlicher Weise werden aufeinanderfolgende Bildelemente ausgegeben, um das Videosignal eines Bildfeldes zu erhalten. Die
vorstehend beschriebene Arbeitsweise hat sich experimentell als gut durchführbar erwiesen.
Wenn bei dem in Fig. 3A gezeigten SIT der Abstand 1__ zwischen
dem Gatebereich 54 und dem Drainbereich, d. h. dem Substrat 51 groß ist, wird aufgrund des Massenwiderstandes der Epitaxialschicht
52 der Gate-Drain-Strom gering, so daß das Rückstellen des Gates nicht mehr perfekt ist. Deshalb sollte der Abstand
1_,^ vorzugsweise klein sein und nur 1 bis 3 μπι. betragen. Da bei
dem NTSC-Standard für Fernsehsysteme die horizontale Austastperiode
t nahezu 1,2 με ist, kann während dieser kurzen Dauer
das Gate ausreichend gut zurückgestellt werden.
Fig. 8 zeigt ein Schaltschema eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung, und in Fig. 9A
EPO COPY" £$
- - 343299 V * Ak-*
bis 9F sind Signalverläufe zur Erläuterung der Betriebsweise dieser Vorrichtung gezeigt. In Fig. 8 sind Bauelemente, die
denen des in Fig. 3B gezeigten Ausführungsbeispiels entsprechen, mit den gleichen "Bezugs zeichen versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind mit den Spaltenleitungen 22-1, 22-2 ... 22-n Rückstelltransistoren 30-1, 30-2 ..._30-n zusätzlich zu
den Transistoren 23-1 , 23-2 . . .· 23-n für die Spaltenauswahl verbunden. Die Sourcebereiche aller Rückstelltransistoren. 30-1,
30-2 ... 30-n sind gemeinsam mit einer Rückstelleitung 31 verbunden, die zum negativen Anschluß einer Rückstellspannungsquelle
V1, führt, deren positiver Anschluß"geerdet ist. Die
Gateelektroden der Rückstelltransistoren 30-1, 30-2 ... 30-n sind so an eine Horizontalabtastschaltung 27 angeschlossen,
daß die der Reihe nach den Transistoren 23-2, 23-3 ... zur Spaltenwahl zuzuführenden Signale φ an die Rückstelltransistoren
30-1, 30-2 ... angelegt werden. Mit anderen Worten, Signal φα~ liegt am Rückstelltransistor 30-1 an, Signal (oc_. am
Rückstelltransistor 30-2 usw.
In den Fig. 9A bis 9C sind die vertikalen Abtastsignale i>c<t
φ^~ und φη~. gezeigt, die an den Zeilenleitungen 21-1, 21-2
bzw. 21-3 anliegen. Während der Auswahldauer der Zeilenleitung nimmt das Signal φ~ eine Spannung VG an, während es während
der übrigen Zeit null Volt hat. In den Fig. 9D bis 9F sind die PotentialSchwankungen V-.., V52 und V53 der Spaltenleitungen
22-1, 22-2 bzw. 22-3 gezeigt. Wenn z. B. der Transistor 23-1 für die erste Spalte leitend wird, erhält das Potential V
eine positive Spannung entsprechend dem Signalausgang; aber wenn der Rückstelltransistor 30-1 leitend wird, nimmt das Potential
V0. eine negative Spannung Vn an.
Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die negative Spannung Vn
an der Spaltenleitung anliegt, fließt im SIT ein Source-Drain-Strom,
um das Gate zurückzustellen. Es sei noch erwähnt, daß die SITs 20-11, 20-12 ... 20-mn,die jeweils ein einziges Bildelement
der Bildabtastvorrichtung bilden, in Form normalerweise
1A-SÖ
durchgesteuerter SITs vorgesehen sind, bei denen Gate und .Source einen pn-Sperrbereich bilden, um die Strom-Spannung-Kennlinie
gemäß Fig. 6A-zu-liefern.
Anhand von Fig. 1OA bis 10C soll die Änderung der Gatespannung
V_ erläutert werden. Im Zeitpunkt ^t., nimmt das Signal φη den
Vj I Vj
Wert V,G an, und zwischen Gate und Drain fließt über die Kapazität
57 ein Strom in Vorwärtsrichtung. Deshalb wird das Gatepotential
V , welches bisher null Volt betrug, nunmehr φ . Als nächstes wird im Zeitpunkt t2 das Potential V„ der Spaltenleitung
eine negative Spannung -V . Dann fließt Strom zwischen Gate und Source, und das Gatepotential V„ nimmt ab auf -V +φ .
VJ K D
Im Zeitpunkt t_ nimmt das Gatepotential V_, wenn das Signal φη
von Vjg auf null Volt übergeht, einen Wert von ~vmq~v r +^b an'
um die Gate-Source-Anordnung in Sperrichtung zu betreiben. Wenn
das Gatepotential Vp im Zeitpunkt t, um A.V erhöht worden ist,
nimmt das Signal φ erneut den Wert V, an, und das Gatepotential
V_ wird -V„+$L+ÄV im Zeitpunkt tc nimmt dann das Po-
(a JS. D Vj O
tential V„ der Spaltenleitung den Wert -νπ an, und das Gatepotential
Vn wird verringert auf -V^+szL, um das Gate zurückzu-
VJ ti O
stellen. Danach wird ein entsprechender Vorgang wiederholt.
Aus der vorstehenden Beschreibung des Betriebsprinzips geht hervor, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Zeilenleitung
21-1 gewählt wird, wenn das vertikale Abtastsignal φηΛ das hohe
Vj I
Niveau von V,_ annimmt. Wenn dann der Transistor 23-1 für die
0G
Spaltenwahl durch das horizontale Abtastsignal 0"ς1 leitend gemacht
wird, wird von der Videosignalleitung 24 das im SIT 20-11 gespeicherte photoelektrische Signal ausgegeben. Wird als
nächstes der Transistor 23-2 zur Spaltenwahl mittels des horizontalen Abtastsignals φ ~ leitend gemacht, so wird das im SIT
20-12 gespeicherte photoelektrische Signal ausgegeben und gleichzeitig der Rückstelltransistor 30-1 durchgesteuert, um
das Gatepotential des SIT 20-11 zurückzustellen. Ähnlich werden die SITs 20-12, 20-13 ... 20-mn der Reihe nach abgelesen und
dann deren Gatepotential der Reihe nach zurückgestellt, um das Videosignal eines Bildfeldes oder Bildes zu erhalten.
EPO COPY Μ
- yi - " ^ 3432894 « /(ο *
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Rückstelltransistoren 30-1, 30-2 ... von den horizontalen Abtastsignalen Φ^ο' ^S3 ***
angesteuert, die an die Transistoren 23-2, 23-3 ... zur Spaltenauswahl
angelegt werden. Natürlich können die Rückstelltransistoren aber auch von Signalen steuerbar sein, die anders
zeitlich abgestimmt sind als die horizontalen Abtastsignale, oder von Signalen, die eine andere als die Horizontalabtastschaltung
27 liefert.
Da bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Intervall zwischen dem Rückstellzeitpunkt und dem Ausgabezeitpunkt
für die jeweiligen Bildelemente absolut identisch ist, kann die Gleichmäßigkeit der Abbildung verbessert werden. Wenn
das genannte Intervall kürzer ist als die Dauer eines Bildfeldes oder Bildes, kann ferner für ein sich rasch bewegendes
Objekt ein wirksamer Verschlußbetrieb und eine scharfe Abbildung erzielt werden.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen sich besonders für eine Fernsehkamera zur kontinuierlichen Aufnahme
von Bildern. Die Erfindung ist aber auch mit Vorteil an einer Vorrichtung anwendbar, mit der einzelne Aufnahmen gemacht wer-'
den, d. h. an einer elektronischen Stehbildkamera. Ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nunmehr näher erläutert
werden.
Fig. 11 ist ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels einer
Festkörper-Bildabtastvorrichtung, die besonders geeignet ist für eine elektronische Stehbildkamera. In Fig. 12A bis 12H
sind Signalverläufe zur Erläuterung der Betriebsweise dieser Vorrichtung gezeigt. In ihrem hauptsächlichen Aufbau ist diese
Vorrichtung so gestaltet wie das erste Ausführungsbeispiel. Allerdings sind bei diesem Ausführungsbeispiel die zusammengeschlossenen
Drainbereiche der SITs 20-11, 20-12 ... 20-mn nicht geerdet sondern mit einer Rückstellschaltung 4 0 verbunden,
die ein Rückstellsignal jz5_. erzeugt, wie in Fig. 12A
1A-58
• /ft ·
gezeigt. Das Rückstellsignal φ^ hat nur während der Zeitspanne,
während der die SITs zurückgestellt werden, eine negative Spannung -V0 und im übrigen eine Spannung von null Volt.
Wie in Fig. 12B bis 12D gezeigt, nehmen vertikale Abtastsignale Φ~λι Φπ^ ·'· nur dann ein hohes Niveau V,„ an, wenn die ent-
G I CjZ " ©L2
sprechenden Zeilenleitungen 2J.-.1, 21-2 ... abgetastet werden,
während der übrigen Zeit liegen sie auf null Volt. In den Fig. 12E bis 12G sind_SjLgnale $ς1 , {ός~ unt^ ^03 zur Spaltenwahl
gezeigt, während Fig. 12A die Arbeitsweise eines Verschlusses und Fig. 121 eine Änderung des Gatepotentials V0 zeigt.
Cj
Im Zeitpunkt t. nimmt das Rückstellsignal ^n einen Wert -V an,
und Strom fließt zwischen den Gate- und Drainbereichen aller SITs, um das jeweilige Gatepotential V0 auf -V0+{zL zurückzu-
Cj K Jb
stellen. Anschließend wird in einem Zeitpunkt t„ der Verschluß
geöffnet und Licht eingegeben. Damit erhöht sich das Gatepotential
V0 auf -νπ+ί6η + Δνο. Im Zeitpunkt t_, wenn das vertikale
Cj K B Cj j
Abtastsignal φ . auf hohen Pegel V, übergeht, erhöht sich das
Gatepotential V_ der mit der ersten Spaltenleitung 21—2 gekoppelten
SIT-Gruppe auf -VD+{6 +Δγ +V ,o. Wenn die Transistoren
23-1, 23-2 ... 23-n zur Spaltenwahl nacheinander von den horizontalen Abtastsignalen durchgesteuert werden, werden die in
den SITs 20-11, 20-12 ... 20-1n gespeicherten Signale der Reihe nach ausgegeben. Als nächstes schaltet im Zeitpunkt t. das Signal
φ~Λ von V,o auf null Volt um, und das Signal <z$00 nimmt
Cj I jDCj CjZ
hohes Niveau V,p an. Dann werden die zur zweiten Spalte gehörenden
SITs 20-21, 20-22 ... 20-2n der Reihe nach abgelesen.
Ähnlich werden die SITs 20-31, 20-32 20-mn der Reihe nach
abgelesen, um ein Videosignal eines einzigen Bildes zu erhalten. Wenn dann im Zeitpunkt tc das Rückstellsignal φ^ den Wert
-V_ annimmt, fließt Strom in allen SITs zwischen dem jeweiligen Gate und Drain, so daß das Gatepotential V aller SITs auf
-V +0 zurückgestellt wird, um für die nächste Belichtung be-
reit zu sein.
In Fig. 13 ist eine Abwandlung des in Fig. 3B gezeigten Ausführungsbeispiels
einer Bildabtastvorrichtung dargestellt.
EPO COPY §4
"' 343299V
Während das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3B eine Bauweise mit gemeinsamem Drain vorsieht, der geerdet ist, während der
Sourcebereich zur Signalausgabe eine positive Spannung erhält, wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die positive Spannung
von einer Drainspannungsquelle V dem Drain zugeführt, und der Sourcebereich ist über einen Belastungswiderstand 25
geerdet, so daß eine sogenannte Bauweise mit gemeinsamer Quelle entsteht.
Um bei diesem Ausführungsbeispiel das Gatepotential zurückzustellen,
muß für jede Spaltenleitung 22-1, 22-2 ... 22-n ein Rückstelltransistor 50-1, 50-2 ... 50-n vorgesehen sein, damit
die Spaltenleitungen geerdet werden können, weil die positive Spannung dem Drain zugeführt wird. Die Rückstelltransistoren
50-1, 50-2 ... 50-n werden durch Rückstellimpulse leitend gemacht, welche von einer Rückstellsteuerschaltung 60 an das
Gate angelegt werden. Die Drains aller SITs sind gemeinsam mit dem Substrat verbunden, dem die positive Drainspannung Vn zugeführt
wird.
In den Fig. 14A bis 14F sind vertikale Abtastsignale φηΛ , φ~η,
til \3ί.
φ _ und horizontale Abtastsignale φ . , Φ52' ^s3 ännlicn den i-n
Fig. 4A bis 4F gezeigten dargestellt. Der Unterschied besteht nur darin, daß vor dem Rückstellzeitpunkt t.., in dem das Signal
φΓ zur Spaltenwahl den hohen Wert V , annimmt, die Rückstelltransistoren
50-1, 50-2 ... 50-n, deren Drainbereiche mit den entsprechenden Spaltenleitungen 22-1, 22-2 ... 22-n verbunden
sind, mittels des Rückstellimpulses ?J_ leitend gemacht
werden, um die Spaltenleitungen mit der Erde zu verbinden. Im Rückstellzeitpunkt t.. sind die Sourcebereiche aller SITs, die
zu einer gewählten Spaltenleitung gehören, auf Erdpotential, um den Gates das Potential V/R zuzuführen. Folglich fließen zum
Zurückstellen des Gatepotentials Ströme in Vorwärtsrichtung zur Erde über die Spaltenleitungen und die Rückstelltransistoren.
Fig. 14A zeigt eine Abwandlung des Gatepotentials für dieses Ausführungsbeispiel.
"* 3432934
Während bei dem in Fig. 3B gezeigten Ausführungsbeispiel das Gatepotential durch den in Vorwärtsrichtung vom Gate zu dem
geerdeten Drain fließenden Strom zurückgestellt wird, ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, das Gatepotential durch
den in Vorwärtsrichtung fließenden Strom vom Gate zum Sourcebereich zurückzustellen, der mit..der Spaltenleitung 22 verbunden
ist, die ihrerseits über den Rückstelltransistor 50 geerdet ist. Im übrigen _ist die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels ebenso wie schon für das erste Ausführungsbeispiel
beschrieben.
Pur das zuletzt erwähnte Ausführungsbeispiel sei noch erwähnt,
daß für den Fall eines großen Spannungsabfalls über Drain-Source des Rückstelltransistors die Rückstelldauer lang sein
kann, so daß der Durchlaßwiderstand des Rückstelltransistors klein sein muß. Hierzu wird vorzugsweise ein großes Verhältnis
von Gatebreite zu Gatelänge für den Rückstelltransistor gewählt.
Da eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der der Gatebereich während der Ausgabe in Sperrichtung betrieben wird, ist es
gemäß der Erfindung möglich, die gespeicherte Lichtladung in jedem Bildelement nicht'löschend zu lesen und die Speicherdauer
im wesentlichen bis zur Ablesedauer zu verlängern. Ausserdem kann das Videosignal mit hoher Empfindlichkeit erhalten
werden, weil eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Gatepotential zurückgestellt wird. Auch kann die Festkörper-.Bildabtastvorrichtung
gemäß der Erfindung leicht hergestellt werden und erzeugt ein starkes Videosignal, da als Transistoren
SITs verwendet werden, die normalerweise leitend sind.
EPO COPY
- Leerseite -
EPO COPY
Claims (11)
- PatentansprücheFestkörper-Bildabtastvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Zeilenleitungen.(21-1 ...), eine Vielzahl von Spaltenleitungen. (22-1 ...), eine Einrichtung, mittels der den Zeilenleitungen der Reihe nach Zeilenauswahlsignale zuführbar sind, eine Einrichtung, mittels der den Spaltenleitungen der Reihe nach Spaltenauswahl signale zuführbar sind, eine Vielzahl von in Matrixform angeordneten Bildelementen, die jeweils einen Transistor mit statischer Induktion (SIT) aufweisen, der einen mit einer Spaltenleitung verbundenen Hauptelektrodenbereich aufweist, während die jeweils anderen Hauptelektrodenbereiche gemeinsam angeschlossen sind, einen Kanalbereich zwischen den Hauptelektrodenbereichen sowie einen Gateelektrodenbereich und eine Kapazität (57) zwischen dem Gateelektrodenbereich und einer Zeilenleitung, und eine Einrichtung, mittels der der Gateelektrodenbereich während der Signalausgabe aus dem Bildelement in Sperrichtung betreibbar ist. ·
- 2. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspanneinrichtung so ausgelegt ist, daß sie ein Zeilenauswahlsignal erzeugt, welches ein zum Ablesen des Bildelements geeignetes Potential hat, während der Gateelektrodenbereich in Sperrichtung betrieben wird, und daß ferner eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels der das Potential des Gateelektrodenbereichs nach der Signalausgabe aus dem Bildelement zurückstellbar ist.EPO COPY
- 3. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne f", daß die Rückstelleinrichtung so ausgelegt ist, daß sie ein Rückstellsignal zum Betreiben des Gateelektrodenbereichs in Vorwärtsrichtung erzeugt, nachdem das Spaltenauswahlsignal erzeugt wurde.
- 4. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstelleinrichtung einem der Hauptelektrodenbereiche ein Potential zuführt, welches geeignet ist, eine pn-Sperrschicht zwischen dem Gateelektrodenbereich und dem einen der Haüptelektrodenbereiche in Vorwärtsrichtung zu betreiben.
- 5. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Transistor mit statischer Induktion von einem normalerweise durchgesteuerten SIT gebildet ist.
- 6. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung, mittels der das Spaltenauswahlsignal anlegbar ist, eine Vielzahl von Transistoren (23-1 ...) zur Spaltenwahl aufweist, die jeweils eine erste Hauptelektrode haben, welche mit einer entsprechenden Spaltenleitung verbunden ist, eine zweite Hauptelektrode, die an eine Videosignalleitung (24) gemeinsam angeschlossen ist, sowie eine Gateelektrode, und eine Horizontalabtastschaltung (27), deren Ausgang jeweils mit der Gateelektrode des entsprechenden Transistors zur Spaltenwahl verbunden ist.
- 7. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Videosignalleitung (24) mit einem Anschluß einer Spannungsquelle verbunden ist, deren anderer Anschluß geerdet ist, und daß die anderen Hauptelektrodenbereiche aller SITs gemeinsam geerdet sind.£P0 copy1A-58
- 8. Festkörper-Bildabtast'V-orrichtung nach Anspruch €, dadurch gekennzeichnet , daß die Videosignalleitung (24) über einen Belastungswiderstand (25) geerdet ist, und daß die anderen Hauptelektrodenbereiche mit einem Anschluß einer Spannungsquelle verbunden sind, deren anderer Anschluß geerdet ist. ,..-""""" "
- 9. Festkörper-Bi-ldabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstelleinrichtung eine Vielzahl von Rückstelltransistoren (30) auf- weist, die jeweils eine mit einer entsprechenden Spaltenleitung verbundene erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode, welche zum Rückstellen einer Vorspannungsquelle gemeinsam verbunden sind, und ein Gate haben, welches mit einem Ausgang der Horizontalabtastschaltung (27) verbunden ist, wobei dieser Ausgang auch mit einem Gate eines Transistors (23-1 ...) zur Spaltenwahl verbunden ist, der mit der nächstfolgenden Spaltenleitung verbunden ist.
- 10. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstelleinrichtung eine Rückstellschaltung (40) aufweist, deren Ausgang mit den anderen Hauptelektrodenbereichen aller SITs gemeinsam verbunden ist.
- 11. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückstelleinrichtung eine Vielzahl von Rückstelltransistoren (50) aufweist,· die jeweilseine erste Hauptelektrode haben, die mit einer entsprechenden Spaltenleitung verbunden ist, eine zweite Hauptelektrode, die mit einem Bezugspotential verbunden ist, und ein Gate, sowie eine Rückstellsteuerschaltung (60) , deren Ausgang gemeinsam mit den Gates der Rückstelltransistoren verbunden ist.nJ L/Kit ii
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