DE3432994A1

DE3432994A1 - Festkoerper-bildabtastvorrichtung

Info

Publication number: DE3432994A1
Application number: DE19843432994
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Tokio/Tokyo Yamada
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1984-09-07
Publication date: 1985-04-04
Also published as: FR2551917A1; JPS6058781A; JPH0453149B2; FR2551917B1; CA1217557A; DE3432994C2; US4556909A

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 Q_T, dann entsteht Δν~ = Q_T/C_O. 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

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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 0_C1 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

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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.

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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;

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1A-SÖ

Fig. 7A

und 7B Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der

Schaltung gemäß Fig. 5;
Fig. 8 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels

einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung; Fig. 9A
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

Fig. 11;
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.

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

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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 Φ_Γ«ι $_r2 ... φ_η . Die Gateelektroden der Transistoren 23-1., 23-2 ...

Gm

23-n zur Spaltenwahl sind mit einer Horizontalabtastschaltung 2 7 verbunden und erhalten Signale Φ₅<, 0_s2 ··· $_s ·

Anhand der Signalverläufe gemäß Fig. 4A bis 4F sollen die vertikalen Abtastsignale φ_η und die horizontalen Abtastsignale φ~ erläutert werden. Jedes der an die Zeilenleitungen 21-1, 21-2 ... 21-m angelegten vertikalen Abtastsignale Φ_Γ*ι Φ^2 **"

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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 t_DT angelegt. Jedes der horizontalen Abtastsignale Φ_ΐ1Λ, Φ_αΟ--..* 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 I_p 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.

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

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<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 V_p wird ~^V2j_R ⁺^_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 V_Q 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 I_n . durch den SIT, und auf der Videosignalleitung 24 erscheint der Signalausgang V =V'_S-I_D1.R^. Da der Strom I .. sich entsprechend ändert, kann ein Videosignal erhalten werden, welches der

G
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 φ_Ώ, 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.

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~A^v _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 _Q5_R ⁺^_B ⁺^^V _G ^+V _C5_G ^im Zeitpunkt t-, kleiner sein sollte als 0_n.

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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 Φ_Γ 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 φ_α~, φ_αο ... 0_C 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

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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 φ_α~ liegt am Rückstelltransistor 30-1 an, Signal (o_c_. am Rückstelltransistor 30-2 usw.

In den Fig. 9A bis 9C sind die vertikalen Abtastsignale i>_c<t φ^~ und φ_η~. gezeigt, die an den Zeilenleitungen 21-1, 21-2 bzw. 21-3 anliegen. Während der Auswahldauer der Zeilenleitung nimmt das Signal φ~ eine Spannung V_G 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 V_n an.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die negative Spannung V_n 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

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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 φ_η 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 φ_η von Vj_g auf null Volt übergeht, einen Wert von ~^vmq~^v _r ⁺^_b ^an' um die Gate-Source-Anordnung in Sperrichtung zu betreiben. Wenn das Gatepotential V_p 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 t_c nimmt dann das Po-

(a JS. D Vj O

tential V„ der Spaltenleitung den Wert -ν_π an, und das Gatepotential V_n 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 φ_ηΛ 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.

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- 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

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• /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 , {ό_ς~ ^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 -ν_π+ί6_η + Δν_ο. 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 -V_D+{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 t_c 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.

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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 V_n zugeführt wird.

In den Fig. 14A bis 14F sind vertikale Abtastsignale φ_ηΛ , φ~_η,

til \3ί.

φ _ und horizontale Abtastsignale φ . , Φ₅₂' ^s3 ^ännl^{icn den} i-ⁿ Fig. 4A bis 4F gezeigten dargestellt. Der Unterschied besteht nur darin, daß vor dem Rückstellzeitpunkt t.., in dem das Signal φ_Γ 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.

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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.

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Claims

Patentansprüche

Festkörper-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.

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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.

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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.

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