DE3486462T2 - Lichtelektrischer Wandler - Google Patents

Lichtelektrischer Wandler

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Wandler.
  • Vor kurzem wurden aufgrund der Fortschritte der Halbleitertechnologie weitreichende Studien über photoelektrische Wandler, insbesondere Festkörper-Bildaufnahmeelemente durchgeführt, von welchen einige bereits verfügbar sind.
  • Diese Bildaufnahmeelemente werden im wesentlichen in die Gruppe der CCD (Charge Coupled Device)-Elemente und die Gruppe der MOS (Metal-Oxide-Semicondutor)-Element klassifiziert. Die CCD-Bildaufnahmeelemente beispielsweise nutzen vorwiegende das Funktionsprinzip, welches durch Ausbilden von Potentialtöpfen unter MOS-Kondensator-Elektroden, Speichern von in Abhängigkeit von einfallendem Licht erzeugten Ladungen und, in einer Ausleseperiode, sequentielles Verschieben dieser Potentialtöpfe in Übereinstimmung mit Impulsen zum Transferieren der gespeicherten Ladungen auf einen Ausgangsverstärker, um diese auszulesen, gekennzeichnet ist. Bei einer anderen CCD-Bildaufnahmeeinrichtung werden Lichtempfangsbereiche durch Flächendioden gebildet, während Transferbereiche durch CCD-Strukturen gebildet werden. Demgegenüber nutzen die MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen das Funktionsprinzip, welches durch Speichern von in Abhängigkeit von einfallendem Licht erzeugten Ladungen in jeweiligen Photodioden, die pn-Übergänge umfassen welche Lichtempfangsbereiche bilden, und, in einer Ausleseperiode, Auslesen gespeicherter Ladungen auf einen Ausgangsverstärker durch sequentielles Einschalten von jeweils mit den Photodioden verbundenen MOS-Schalttransistoren gekennzeichnet ist.
  • CCD-Bildaufnahmeelemente besitzen einen verhältnismäßig einfachen Aufbau, wobei vom Standpunkt der Störungen aus gesehen nur die Kapazität eines in der Endstufe vorgesehenen Ladungsdetektors, die aus schwebender Diffusion entsteht, zu Zufallsrauschen führt. Daher haben CCD-Bildaufnahmeelemente verhältnismäßig gering verrauschte Kennlinien und sind in der Lage, unter geringer Beleuchtung zu arbeiten. Aufgrund von Beschränkungen der Prozesse zum Herstellen von CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen jedoch wird ein MOS-Verstärker, der als Ausgangsverstärker dient, auf einem Chip bereitgestellt, wodurch es wahrscheinlich wird, daß visuell wahrnehmbares 1/f-Rauschen an Übergängen zwischen Silizium und einer SiO&sub2;-Schicht auftritt. Obwohl ein derartiges Rauschen verhältnismäßig gering ist, führt es doch zu einer entsprechenden Einschränkung des Leistungsvermögens. Darüber hinaus nimmt dann, wenn zum Zwecke des Erzielens einer hohen Auflösung der Versuch unternommen wird, die Anzahl der Zellen zu vergrößern und diese mit hoher Dichte anzuordnen, die maximale Ladungsspeicherkapazität in einem Potentialtopf ab, was dazu führt, daß ein gewünschter Dynamikbereich nicht aufrechterhalten werden kann. Demgemäß wird dies dann zu einem großen Problem führen, wenn zukünftige Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtungen realisiert werden. Außerdem wird, weil die CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen derart ausgebildet sind, daß gespeicherte Ladungen durch sequentielles Verschieben von Potentialtöpfen transferiert werden, auch dann, wenn in einer Zelle ein Fehler oder Defekt vorliegt, der Ladungstransfer dort angehalten oder deren Wirkungsgrad extrem verringert, wodurch es schwierig wird, den Produktionsertrag zu erhöhen.
  • Demgegenüber können die MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen, obwohl ihre Struktur im Vergleich zu den CCD-Bildaufnahmeelementen, insbesondere den Vollbild-Transfer-Einrichtungen, etwas kompliziert ist, so aufgebaut werden, daß sie eine größere Speicherkapazität und einen breiten Dynamikbereich aufweisen. Ferner breitet sich auch dann, wenn in einer Zelle ein Defekt vorliegt, der Einfluß des Defekts nicht über die anderen Zellen aus, weil ein X-Y-Adressierungsschema verwendet wird, wodurch ein hoher Produktionsertrag erzielt wird. Bei den MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen jedoch ist in der Signalauslesestufe die Verdrahtungskapazität mit jeder Photodiode verbunden, so daß dort ein extrem großer Signalspannungsabfall auftritt, der zu einer niedrigen Ausgangsspannung führt. Darüber hinaus treten aufgrund einer großen Verdrahtungskapazität ein merkliches Zufallsrauschenund aufgrund einer Schwankung einer in einzelnen Photodioden und MOS-Schalttransistoren für horizontale Abtastung existierenden parasitären Kapazität ein merkliches Festmusterrauschen auf. Aufgrund dieser und anderer Schwierigkeiten haben die MOS-Bildaufnahmeelemente Nachteile dahingehend, daß es anders als bei den CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen schwierig ist, ein Bild bei geringer Beleuchtung aufzuzeichnen.
  • Darüber hinaus wird dann, wenn der Versuch gemacht wird, zukünftig hochauflösende Bildaufnahmeeinrichtungen zu verwirklichen, erwartet, daß die Abmessungen jeder Zelle verringert werden und die darin gespeicherte Ladung kleiner wird. Andererseits kann die durch die Chipgröße festgelegte Verdrahtungskapazität auch dann nicht wesentlich verringert werden, wenn die Linienbreite klein wird. Demgemäß werden die MOS-Bildaufnahmeelemente in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis zunehmend nachteilig werden.
  • Obwohl die CCD- und MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen beide Vorteile und Nachteile wie vorstehend beschrieben haben, nähern sie sich langsam einem praktisch brauchbaren Niveau an. Sie haben jedoch grundlegende Probleme im Hinblick auf die Verwirklichung einer zukünftig erforderlichen, noch höheren Auflösung.
  • Zwischenzeitlich wurden neue Festkörper-Bildäufnahmeeinrichtungen vorgeschlagen, die in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 56-150878, 56-157073 und 56-165473, alle mit dem Titel "Semiconductor Image Pickup Device", offenbart sind. Während die herkömmlichen CCD- und MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen auf dem Prinzip beruhen, daß eine in Antwort auf einfallendes Licht generierte Ladung in einer Hauptelektrode (beispielsweise der Source-Elektrode eines MOS-Transistors) gespeichert wird, beruhen die neuen Bildaufnahmeeinrichtungen auf dem Prinzip, daß eine in Antwort auf einfallendes Licht generierte Ladung in einer Steuerelektrode (beispielsweise der Basis-Elektrode eines bipolaren Transistors oder der Gate-Elektrode eines SIT (Static Induction Transistor) oder MOS-Transistors) gespeichert wird derart, daß der fließende Strom in Abhängigkeit von der in Antwort auf das einfallende Licht erzeugten Ladung gesteuert wird. D.h., bei den herkömmlichen CCD- oder MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen wird die gespeicherte Ladung selbst nach außen hin ausgelesen, wohingegen bei den neuen Bildaufnahmeeinrichtungen jede Zelle die Fähigkeit besitzt, als Verstärker zu arbeiten, so daß das verstärkte Signal durch Ladungsverstärkungausgelesen wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, die gespeicherte Ladung wird als eine durch die Impedanzwandlung ausgegebene niedrige Impedanz ausgelesen. Infolgedessen haben die neu vorgeschlagenen Bildaufnahneeinrichtungen verschiedene Vorteile wie beispielsweise ein großes Ausgangssignal, einen breiten Dynamikbereich und geringes Rauschen, sowie auch dahingehend, daß ein nicht zerstörendes Lesen möglich ist, weil der in Antwort auf das Licht oder Lichtbild angeregte Träger (die Ladung) in einer Steuerelektrode gespeichert ist. Darüber hinaus können sie in der Zukunft dahingehend verbessert werden, daß sie ein höheres Auflösungsvermögen aufweisen.
  • Diese neu vorgeschlagenen Bildaufnahmeeinrichtungen nutzen jedoch im wesentlichen ein X-Y-Adressenschema und besitzen eine grundlegende Zellstruktur, die eine Zelle der herkömmlichen MOS-Bildaufnahmeeinrichtung und ein Verstärkerelement wie beispielsweise einen bipolaren Transistor oder SIT umfaßt. Infolgedessen ist ihr Aufbau kompliziert, und obwohl sie eine Möglichkeit haben, einen höheren Auflösungsgrad zu bieten, besteht derzeit eine Grenze für ihr Auflösungsvermögen.
  • Die Druckschrift Television Society of Japan, Technical Report, 28. August 1981, ED 590, Seiten 53 bis 58, "SIT (Static Induction Transistor) And Its Application To Imaging Device" diskutiert einen Photosensor, der auf einem statischen Induktionstransistor basiert. Sie nimmt ebenfalls Bezug auf eine in der Basis speichernde Phototransistorzelle mit einer n&spplus;pn&supmin;n&spplus;-Struktur mit einem schwebenden n&spplus;p-Übergang, der in Vorwärtsrichtung bzw. Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Löcher, die durchlichtanregung erzeugt werden, werden in dem schwebenden p (Basis)-Bereich gespeichert, so daß Elektronen in den schwebenden n&spplus; (Emitter)-Bereich fließen und den Speicherbereich der Basis aufladen. Wenn ein Abtastimpuls den Emitter mit einer Videoleitung verbindet, wirkt die Kapazität der Videoleitung als Last, so daß die Videoleitung aufgeladen wird, während sich die Spannung in dem n&spplus;-Emitterbereich kaum ändert, und eine wesentliche Verstärkung der elektrischen Ladung erzielt wird.
  • Die Druckschrift US-A-3624428, die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht, schlägt ein Photosensorfeld vor, bei dem jede Zelle einen bipolaren Transistor aufweist und eine Beleuchtung dazu führt, daß ein Strom aus einem mit der in Rückwärtsrichtung bzw. Sperrichtung vorgespannten Basis verbundenen Kondensator leckt. Durch Kondensatoren der Zellen angelegte Zeilenimpulse und an die Emitter der Zellen angelegte Spaltenimpulse führen beide dazu, daß der Basis-Emitter-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. An der Zelle, an der der Zeilenimpuls und der Spaltenimpuls zusammentreffen, wird der Basis-Emitter-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß ein Strom fließt, um den Basis- Kondensator wieder aufzuladen. Der Basis-Emitter-Strom wird durch den Transistor verstärkt, und der verstärkte Strom in dem Emitter-Kollektor-Kreis wird als das Ausgangssignal verwendet. Das Ausgangs-Stromsignal kann an dem Emitter oder dem Kollektor des Transistors abgegriffen werden.
  • Die Druckschrift JP-A-55-15229 (und die Druckschrift US-A-4427990) schlägt einen photoelektrischen Wandler vor, der auf einen statischen Induktionstransistor beruht. Ein Auslese-Drain-Strom ist proportional zu der Gatespannung, die durch von Licht herrührenden, gespeicherten Ladungen erzeugt wird.
  • In Übereinstimmung der Erfindung wird ein photoelektrischer Wandler gemäß Patentanspruch 1 bereitgestellt. Die verbleibenden Ansprüche geben optionale Merkmale an.
  • Die Erfindung kann in einem photoelektrischen Umwandlungsprozeß verwendet werden, der die Schritte des sequentiellen und zyklischen Durchlaufens der nachstehenden Betriebsablaufstufen umfaßt:
  • (a) Ladungsspeichervorgang, umfassend Festlegen der nachstehenden Anfangsbedingungen, wobei;
  • der Kollektorbereich auf einer umgekehrten Spannungspolarität gehalten wird,
  • der Basisbereich auf eine umgekehrte Spannungspolarität vorgespannt wird, und
  • der Emitterbereich geerdet oder erdfrei gemacht wird, und
  • das Photosensor-Element mit einfallendem Licht beleuchtet wird, um eine dem einfallenden Licht entsprechende Ladung in dem Basis-Bereich zu speichern;
  • (b) Auslesevorgang, umfassend Halten des Emitterbereichs in einem schwebenden Zustand und Vorspannen des Basis-Bereichs in Durchlaßrichtung, um ein elektrisches Signal auszugeben, welches der Ladung im Basis-Bereich entspricht; und
  • (c) Auffrischungsvorgang, umfassend Halten des Kollektorbereichs auf einem Erdpotential oder einer umgekehrten Spannungspolarität, Halten des Emitterbereichs auf einem Erdpotential, und
  • Anlegen einer vorwärts gerichteten Spannungspolarität an den Basisbereich, um eine Ladung zu entfernen, die in Entsprechung zu der photogenerierten Ladung in dem Basisbereich verbleibt.
  • In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck "vorwärts gerichtete Spannungspolarität" in der Bedeutung einer "positiven Spannung" in Bezug auf einen p-Halbleiterbereich und einer "negativen Spannung" in Bezug auf einen n-Halbleiterbereich verwendet, wohingegen der Ausdruck "umgekehrte Spannungspolarität" eine "negative Spannung" für einen p-Halbleiterbereich und eine "positive Spannung" für einen n-Halbleiterbereich bedeutet. Bei der Ermittlung der Spannungspolarität wird ein i-Halbleiterbereich als p-Halbleiterbereich angesehen, wenn er in Verbindung mit einem n-Halbleiterbereich verwendet wird, und als n-Halbleiterbereich, wenn er mit einem p-Halbleiterbereich kombiniert wird.
  • Verschiedene optionale Merkmale und Vorteile der Erfindung treten unter Berücksichtigung der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher zutage.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Fig. 1 bis 6 sind Ansichten zur Veranschaulichung des wesentlichen Aufbaus und der grundlegenden Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 1(a) ist eine ebene Ansicht hiervon;
  • Fig. 1(b) ist eine Schnittsansicht hiervon;
  • Fig. 1(c) ist eine Darstellung einer äquivalenten Schaltungsanordnung desselben;
  • Fig. 2 zeigt eine äquivalente Schaltungsanordnung für den Fall des Auslesevorgangs;
  • Fig. 3 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der speicherspannung und der Auslesezeit zeigt;
  • Fig. 4 (a) ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der speicherspannung und der Auslesezeit zeigt;
  • Fig. 4(b) ist ein Diagramm, welches die Vorspannung und die Auslesezeit zeigt;
  • Fig. 5 ist eine Darstellung einer äquivalenten Schaltungsanordnung für den Fall des Auffrischungsvorgangs;
  • Fig. 6(a) und (b) sind Diagramme, deren jedes den Zusammenhang zwischen der Auffrischungszeit und dem Basispotential zeigt;
  • Fig. 6(c) ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Auffrischungsspannung und dem Basispotential zeigt;
  • Fig. 7 ist eine Schaltungsanordnung eines photoelektrischen Wandlers, der aus einer Vielzahl von Photosensorzellen der in Fig. 1 gezeigten Art besteht;
  • Fig. 8(a) istein Impuls-Zeitverlaufsdiagramm, welches zum Erklären der Funktionsweise desselben herangezogen wird;
  • Fig. 8(b) ist ein Diagramm, welches die Potentialniveaus bei einzelnen Vorgängen zeigt;
  • Fig. 9 zeig eine äquivalente Schaltungsanordnung, welche herangezogen wird, um zu Erklären, wie ein Ausgangssignal abgeleitet wird;
  • Fig. 10 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung und der Zeit, die nach dem Einschalten des photoelektrieschen Wandlers verstrichen ist, zeigt;
  • Fig. 11, 12 bzw. 13 zeigen Schaltungsdiagramme von photoelektrischen Wandlern, die Modifikationen des in Fig. 7 gezeigten photoelektrischen Wandlers darstellen.
  • Fig. 14 ist eine ebene Ansicht einer Photosensorzelle, die eine Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Photosensorzelle darstellt;
  • Fig. 15 ist ein Schaltungsdiagramm eines photoelektrischen Wandlers, der aus Photosensorzellen gemäß Fig. 14 besteht;
  • Fig. 16 und 17 sind Schnittansichten, die verwendet werden, um ein Verfahren zur Herstellung eines photoelektrischen Wandlers in Übereinstimmung mit der Erfindung zu erklären;
  • Fig. 18(a) ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 18(b) zeigt eine äquivalente Schaltungsanordnung derselben;
  • Fig. 18(c) zeigt ein Potentialniveau, welches herangezogen wird, um die Funktionsweise der in Fig. 18(a) gezeigten Photosensorzelle zu erklären;
  • Fig. 19 ist eine Schnittansicht, die die wesentliche Struktur einer Modifikation der Photosensorzelle gemäß Fig. 18 zeigt;
  • Fig. 20(a) ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 20(b) zeigt eine äquivalente Schaltung hiervon;
  • Fig. 21(a) ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 21(b) zeigt eine äquivalente Schaltung hiervon;
  • Fig. 22 ist ein Schaltungsdiagramm eines photoelektrischen Wandlers, der aus Photosensorzellen der in Fig. 21 gezeigten Art besteht;
  • Fig. 23(a) ist eine ebene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 23(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Figur 23(a);
  • Fig. 23(c) zeigt eine äquivalente Schaltung der in Fig. 23(a) gezeigten Photosensorzelle;
  • Fig. 24(a) ist eine ebene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 24(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Figur 24 (c)
  • Fig. 24(c) zeigt eine äquivalenten Schaltung hiervon;
  • Fig. 24(d) zeigt eine Potentialverteilung in derselben;
  • Fig. 25 ist ein Schaltungsdiagramm eines photoelektrischen Wandlers, der aus einer Vielzahl von Photosensorzellen der in Figur 24 gezeigten Art besteht;
  • Fig. 26 ist eine Ansicht, die herangezogen wird, um dessen Funktionsweise zu erklären;
  • Fig. 27(a) ist eine ebene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 27 (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 27(a);
  • Fig. 27(c) zeigt eine äquivalente Schaltung derselben;
  • Fig. 28 ist ein Schaltungsdiagramm eines photoelektrischen Wandlers, der aus Photosensorzellen der in Figur 27 gezeigten Art besteht;
  • Fig. 29 ist eine Ansicht die zum Erklären der Funktionsweise desselben herangezogen wird;
  • Fig. 30 zeigt eine äquivalente Schaltung einer Modifikation ist des photoelektrischen Wandlers der in Fig. 28 gezeigten Art;
  • Fig. 31 ist ein Schaltungsdiagramm eines photoelektrischen Wandlers, der aus in Figur 27 gezeigten Photosensorzellen besteht;
  • Fig. 32 ist eine Ansicht, die zum Erklären der Funktionsweise desselben herangezogen wird;
  • Fig. 33(a) ist eine ebene Ansicht einer Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung, bei der ein Teil der Zelle verschoben wird;
  • Fig. 33(b)5 ist eine Schnittsansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 33(a);
  • Fig. 33(c) zeigt eine äquivalente Schaltung der zweidimensionalen Anordnung der in den Figuren 33(a) und 33(b) gezeigten Photosensorzellen; und
  • Fig. 34, 35 bzw. 36 zeigen Modifikationen einer Zelle der in Fig. 33 gezeigten äquivalenten Schaltung.
    • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die Fig. 1 sind Ansichten, die zum Erklären des grundlegenden Aufbaus und der Funktionsweise einer Photosensorzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden.
  • Fig. 1(a) ist eine ebene Ansicht einer Photosensorzelle; Fig. 1(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 1(a); und Fig. 1(c) ist eine Darstellung einer äquivalenten Schaltungsanordnung derselben. Um ähnliche Teile zu bezeichnen, werden in den Figuren durchgängig gleiche Bezugszeichen verwendet.
  • In Fig. 1 sind die Photosensorzellen so dargestellt, als wären sie in einer normalen Pixel-Anordnung angeordnet, jedoch ist ohne weiteres klar, daß diese in einer versetzten Pixel-Anordnung angeordnet sein können, um die Auflösung in der horizontalen Richtung zu erhöhen.
  • Wie in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt, umfaßt jede Photosensorzelle:
  • eine Passivierungsschicht 2, die - vorwiegend - eine PSG (Phosphorsilikatgläs)-Schicht umfaßt, welche auf einer Hauptoberfläche eines mit einer Verunreinigung wie beispielsweise P, Sb oder As dotierten n- Silizium-Substrats 1 ausgebildet ist;
  • eine isolierende Oxidschicht 3, die eine Siliziumoxidschicht (SiO&sub2;) umfaßt;
  • einen Zellisolationsbereich 4, der eine SiO&sub2;-, Si&sub3;N&sub4; oder Polysilizium-Isolationsschicht umfaßt, um angrenzende Photosensorzellen elektrisch voneinander zu isolieren;
  • einen n&supmin;-Bereich 5, der eine geringe Verunreinigungskonzemtration aufweist und durch einen Epitaxialprozess oder dergleichen erzeugt wird;
  • einen p-Bereich 6, der durch einen Verunreinigungs-Diffusionsprozeß oder Ionen-Injektionsprozess mit einer Verunreinigung wie beispielsweise Bor (B) dotiert ist und der als Basis eines bipolaren Transistors dient;
  • einen n&spplus;-Bereich 7, der als Emitter eines bipolaren Transistors dient, welcher durch einen Verunreinigungs- Diffusionsprozeß oder einen Ionen-Injektionsprozeß erzeugt wird;
  • einen Leiter 8, der aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Aluminium (Al), Al-Si oder Al-Cu-Si erzeugt wird, um das Signal zur Außenseite hin auszulesen;
  • eine Elektrode 9 zum Anlegen von Impulsen durch die isolierende Schicht 3 an den p-Bereich 6, welche(r) in einem schwebenden Zustand gehalten wird;
  • einen Leiter 10, der mit der Elektrode 9 verbunden ist;
  • einen n&spplus;-Bereich 11, der eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist und durch einen Verunreinigungs- Diffusionsprozeß oder dergleichen erzeugt wird, um einen Kontakt zu der unteren Fläche des Substrats 1 herzustellen; und
  • eine Elektrode 12, die aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Aluminium hergestellt ist, um ein Potential an das Substrat 1 anzulegen; d.h. um ein Potential an den Kollektor eines bipolaren Transistors anzuelegen.
  • In Fig. 1(a) wird ein Kontakt 19 ausgebildet, um den n&spplus;-Bereich 7 und den Leiter 8 miteinander zu verbinden. Der Verbindungspunkt der Leiter 8 und 10 umfaßt eine sogenannte Zweischicht-Anordnung, bei der die Leiter 8 und 10 durch eine isolierende Schicht, die aus einem isolierenden Material wie beispielsweise SiO&sub2; besteht, elektrisch voneinander isoliert sind. D.h., daß an dem Verbindungspunkt der Leiter 8 und 10 zwei Schichten aus Metall zwar übereinander gelegt, aber elektrisch voneinander isoliert sind.
  • In der äquivalenten Schaltung gemäß Fig. 1(c) besteht ein Kondensator Cox 13 aus einer MOS-Struktur, die die Elektrode 9, die isolierende Schicht 3und den p-Bereich 6 umfaßt, und besteht ein bipolareriransistor 14 aus dem aus dem n&spplus;-Bereich 7 bestehenden Emitter, der aus dem p-Bereich 6 bestehenden Basis, dem n&supmin;-Bereich 5 mit einer niedrigen verunreinigungskonzentration und dem aus dem n-Bereich 1 bestehenden Kollektor. Wie aus Fig. 1(b) hervorgeht, ist der p-Bereich 6 schwebend bzw. erdfrei.
  • In der zweiten äquivalenten Schaltung wie in der rechten Hälfte der Figur 1 (c) gezeigt wird der bipolare Transistor 14 durch einen Basis-Emitter-Übergang-Kondensator Cbe 15, eine pn-Übergang-Diode Dbe 16 zwischen der Basis und dem Emitter, und einen Basis-Kollektor- Übergang-Kondensator Cbc 17 und eine pn-Übergang-Diode Dbc 18 zwischen der Basis und dem Kollektor repräsentiert.
  • Weiter auf Figur 1 bezugnehmend, wird nachstehend die Funktionsweise der Photosensorzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau im einzelnen beschrieben.
  • Die grundlegende Funktion der Photosensorzelle besteht aus einem Ladungsspeichervorgang in Antwort auf einfallendes Licht, einem Auslesevorgang und einen Auffrischungsvorgang. Bei dem Ladungsspeichervorgang zum Beispiel wird der Emitter 7 durch den Leiter 8 geerdet, während der Kollektor durch den Leiter 12 auf ein positives Potential vorgespannt wird. Da eine positive Impulsspannung über den Leiter 10 an den Kondensator Cox 13 angelegt wird, wird die Basis 6 auf einem negativen Potential gehalten. D.h., die Basis 6 wird in Bezug auf den Emitter 7 in Sperrichtung vorgespannt. Der Vorgang des Vorspannens der Basis auf ein negatives Potential durch Anlegen eines Impulses an den Kondensator Cox 13 wird nachstehend in Verbindung mit dem Auffrischungsvorgang näher beschrieben.
  • Wenn unter diesen Bedingungen Licht 20 auf die obere Fläche der Photosensorzelle fällt, werden innerhalb des Halbleiters Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Da der n- Bereich 1 auf ein positives Potential vorgespannt ist, fließen Elektronen in den n-Bereich 1, und fließen Löcher in den p-Bereich 6. Da die Löcher in dem p-Bereich 6 gespeichert werden, wird das Potential des p-Bereichs 6 langsam auf ein positives Potential angehoben.
  • Wie in den Figuren 1(a) und (b) gezeigt, wird der Abschnitt unter der Lichtempfangsfläche jeder Photosensorzelle größtenteils durch den p-Bereich 6 und teilweise durch den n&spplus;-Bereich belegt. Die Konzentration von Elektronen-Loch-Paaren wird natürlich größer, je näher sie an die Oberfläche der Photosensorzelle gelangen. Infolgedessen werden viele Elektronen-Loch-Paare in Antwort auf das einfallende Licht in den p-Bereich 6 angeregt. Der Aufbau jeder Photosensorzelle ist derart, daß in dem p-Bereich 6 angeregte Elektronen nicht mit den Löchern rekombinieren und aus dem p-Bereich 6 in den n-Bereich ausfließen. Daher verbleiben die angeregten Löcher in dem p-Bereich 6, so daß der p-Bereich 6 langsam auf ein positives Potential ansteigt. Wenn der p-Bereich 6 eine gleichmäßige Konzentration von Verunreinigungen aufweist, fließen die photoangeregten Elektronen aufgrund der Diffusion zu dem pn&supmin;-Übergang zwischen dem p-Bereich 6 und dem n&supmin;-Bereich 5 und werden dann, aufgrund eines an den n&supmin;-Bereich 5 angelegten starken elektrischen Feldes verursachten Driftens in den n-Bereich 1 absorbiert. Natürlich ist es möglich, daß Elektronen durch Diffusion durch den p-Bereich 6 transportiert werden, jedoch wird dann, wenn die Photosensorzelle derart ausgelegt und aufgebaut ist, daß die Konzentration von Verunreinigungen abnimmt, je weiter die Verunreinigungen von der Oberfläche nach innen hin entfernt sind, ein durch
  • gegebenes elektrisches Feld Ed in Richtung von dem Inneren des p-Bereichs 6 zur Oberfläche hin erzeugt, wobei
  • WB: die Tiefe des Übergangs von der Lichteinfallsfläche des p-Bereichs 6;
  • K: die Boltzmann-Konstante;
  • T: die absolute Temperatur;
  • q: die Einheitsladung;
  • NAS: die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche des p-Bereichs 6; und
  • Nai: die Verunreinigungskonzentration in dem p- Bereich 6 an dessen Grenze zu dem n&supmin;-Bereich 5 mit hohem Widerstand sind.
  • Es wird angenommen, daß NAS/Nai > 3 ist. Dann erfolgt der Transport von Elektronen innerhalb des p-Bereichs eher durch Driften als durch Diffusion. D.h., damit die durch das einfallende Licht in dem p-Bereich 6 angeregten Träger wirksam als Signal dienen können, wird bevorzugt, daß die Verunreinigungskonzentration in dem p- Bereich 6 ausgehend von der Lichteinfallsfläche nach Innen hin abnimmt. Falls der p-Bereich 6 durch Diffusion erzeugt wird, nimmt die Verunreinigungskonzentration nach Innen verglichen mit der Verunreinigungskonzentration an der Lichteinfalls- oder -empfangsfläche ab.
  • Ein Teil der Lichtempfangsfläche der Sensorzelle wird durch den n&spplus;-Bereich 7 belegt. Die Tiefe des n&spplus;-Bereichs 7 ist bevorzugt so ausgelegt, daß sie etwa 0,2 bis 0,3 µm oder weniger beträgt. Daher ist die in dem n&spplus;-Bereich 7 absorbierte Lichtmenge nicht so groß, so daß hieraus kein Problem entsteht. Jedoch verursacht das Vorhandensein des n&spplus;-Bereichs 7 eine Abnahme der Empfindlichkeit für kurzwelliges, insbesondere blaues Licht. Die Verunreinigungskonzentration in dem n&spplus;- Bereich wird bevorzugt auf 1 x 10²&sup0; cm&supmin;³ oder höher festgelegt. Wenn der n&spplus;-Bereich 7 mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen dotiert wird, beträgt die Diffusionslänge von Löchern in dem n&spplus;-Bereich 7 etwa 0,15 bis 0,2 µm. Um die durch Licht angeregten Löcher aus dem n&spplus;-Bereich 7 wirksam in den p-Bereich 6 fließen zu lassen, wird daher bevorzugt, daß die Verunreinigungskonzentration von der Seite der Lichteinfalls- oder -empfangsfläche ausgehend nach innen hin abnimmt.
  • Falls die vorstehend genannte Bedingung für die Verunreinigungskonzentration in dem n&spplus;-Bereich 7 erfüllt ist, wird ein starkes elektrisches Ablenkfeld erzeugt, welches von der Lichteinfallsfläche nach innen gerichtet ist, so daß die in dem n&spplus;-Bereich 7 in Antwort auf das einfallende Licht angeregten Löcher unmittelbar durch Driften in den p-Bereich 6 fließen können. Falls die Verunreinigungskonzentrationen in sowohl dem n&spplus;- Bereich 7 als auch dem p-Bereich 6 ausgehend von der Lichteinfalls- oder -empfangsfläche nach innen hin abnehmen, können alle photoangeregten Träger in dem n&spplus;- Bereich 7 und dem p-Bereich 6 in der Nähe der Lichteinfalls- oder -empfangsfläche der Photosensorzelle wirkungsvoll als Lichtsignal wirken. Falls der n&spplus;-Bereich 7 durch Diffusion aus einer Siliziumoxidschicht oder einer Polysiliziumschicht, die stark mit As oder P dotiert ist, hergestellt wird, wird ein n&spplus;-Bereich möglich, in dem die gewünschte Verunreinigungsgradation wie vorstehend beschrieben erzeugt wird.
  • Aufgrund der Akkumulation oder Speicherung von Löchern wird das Basispotential schließlich gleich dem Emitterpotential, d.h. dem Erdpotential in diesem Fall, und wird dann auf dieses Potential begrenzt. Genauer gesagt, das Basispotential wird bei einer Spannung abgeschnitten oder begrenzt, bei der der-Basis-Emitter- Übergang tiefgreifend in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, so daß die in der Basis gespeicherten Löcher beginnen, in den Emitter zu fließen. D.h., das Sättigungspotential der Photosensorzelle ist in diesem Fall im wesentlichen gleich dem Unterschied zwischen einem negativen Bias- oder Vorspannungspotential, auf welches der p-Bereich 6 anfänglich vorgespannt ist, und dem Erdpotential. Wenn der n&spplus;-Bereich 7 nicht geerdet ist und photoangeregte Ladung unter der Bedingung gespeichert wird, daß der n&spplus;-Bereich 7 schwebend bzw. erdfrei ist, ist es möglich, die Ladung in dem p-Bereich 6 zu speichern,so daß das Potential des p-Bereichs 6 im wesentlichen gleich dem Potential des n-Bereichs 1 wird.
  • Nachdem der Ladungsspeichervorgang so weit qualitativ beschrieben wurde, wird er nachstehend im einzelnen und quantitativ beschrieben.
  • Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung dieser Photosensorzelle ist gegeben durch
  • S(λ) = λ/1,24 exp(-αx)x[1 - exp(-αy)] T(A / W)
  • worin λ: Wellenlänge in µm;
  • α: der Lichtabsorptionskoeffizient für Siliziumkristalle in µm&supmin;¹;
  • x: die Dicke einer "toten Schicht" in dem Halbleiter-Oberflächenbereich, in dem der Rekombinationsverlust auftritt, so daß dieser nicht zu der Empfindlichkeit beiträgt, in µm;
  • y: die Dicke einer epitaxial aufgewachsenen Schicht in µm; und
  • T: die Durchlässigkeit, d.h. das Verhältnis zwischen der Menge einfallenden Lichts und der effektiv in einen Halbleiter. eingedrungenen Lichtmenge, wobei das Verhältnis durch die an der Lichtempfangsfläche reflektierte Lichtmenge etc. beeinflußt wird.
  • Der Photostrom Ip kann durch die nachstehende Gleichung unter Verwendung der spektralen Empfindlichkeit S(λ) und der strahlungsbeleuchtung Ee(λ):
  • erhalten werden, wobei die Strahlungsbeleuchtung Ee(λ) [µW cm&supmin;² nm&supmin;¹] gegeben ist durch
  • worin Ev: die Beleuchtungsintensität [lux] an der Oberfläche der Photosensorzelle;
  • P (λ, Td) : die spektrale Verteilung von auf der Oberfläche der Photosensorzelle einfallendem Licht; und
  • V(λ) : die luminöse Effizienz des menschlichen Auges sind.
  • Die vorstehend beschriebenen Gleichungen werden in dem Fall einer Photosensorzelle mit einer epitaxial aufgewachsenen Schicht mit der Dicke von 4 µm, die durch eine A-Lichtquelle (Td = 2854 K) derart beleuchtet wird, daß die Beleuchtungsintensität auf der Lichtempfangsfläche 1 Lux beträgt, verwendet. Das Ergebnis ist, daß ein Photostrom von etwa 280 nA/cm² fließt und daß die Anzahl einfallender Photonen oder die Anzahl erzeugter Elektronen-Loch-Paare in der Größenordnung von 1,8 x 10¹²/cm² liegt.
  • In diesem Fall ist das Potential Vp, welches erzeugt wird, wenn die photoangeregten Löcher in der Basis gespeichert werden, gegeben durch
  • Vp = Q/C
  • worin Q: die Ladung der gespeicherten Löcher, und
  • C: die Summe aus der Kapazität Cbe 15, der Kapazität Cbc 17 und der Kapazität Cox 13 sind.
  • Wenn nun angenommen wird, daß die Verunreinigungskonzentration des n&spplus;-Bereichs 7 10²&sup0; cm&supmin;³ beträgt; die Verunreinigungskonzentration des p-Bereichs 6 5 x 10¹&sup6; cm&supmin;³ beträgt; die verunreinigungskonzentration des n&supmin;-Bereichs 10&supmin;³ cm&supmin;³ beträgt; die Fläche des n&spplus;-Bereichs 7 16 µm² beträgt; die Fläche des p-Bereichs 6 64 µm² beträgt; und die Dicke des n&supmin;-Bereichs 6 3 µm beträgt, dann beträgt die Übergangskapazität etwa 0, 014 pF. Wenn weiter angenommen wird, daß die Speicherzeit gleich 1/60 s ist und der effektive Lichtempfangsbereich, der gleich der Fläche des p-Bereichs 6 minus der Fläche der Elektroden 8 und 9 ist, wird die Anzahl der in dem p-Bereich 6 ge speicherten Lächer zu 1,7 x 10&sup4;. Demzufolge wird das in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte Potential Vp zu etwa 190 mV.
  • Es wird hier angemerkt, daß dann, wenn die Auflösung verbessert und die Zellengröße kleiner gemacht wird, die auf jede Photosensorzelle fallende Lichtmenge abnimmt, während das in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte Potential Vp im wesentlichen auf demselben Niveau gehalten wird, weil die Übergangskapazität proportional zu der Abnahme der Größe einer Photosensorzelle abnimmt. Dies beruht darauf, daß - wie in Fig. 1 gezeigt - die Photosensorzelle gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen einfachen Aufbau aufweist, so daß der effektive Lichtempfangsbereich deutlich vergrößert werden kann.
  • Dies ist einer der Gründe, weshalb der photoelektrische Wandler gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gegenüber den herkömmlichen Zwischenzeilen-CCD-Bildsensoren vorteilhaft ist. Bei den Zwischenzeilen-CCD-Bildsensoren nimmt dann, wenn die Auflösung erhöht wird und eine bestimmte Ladungsmenge transferiert werden soll, der Transferbereich relativ gesehen zu, so daß der effektive Lichtempfangsbereich abnimmt und demzufolge die Empfindlichkeit, d.h. die in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte Spannung, geringer wird. Darüber hinaus wird bei Zwischenzeilen-CCD-Bildsensoren die Sättigungsspannung durch die Größe des Transferbereichs begrenzt und nimmt somit beträchtlich ab. Andererseits wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Sättigungsspannung durch eine Bias-Spannung oder Vorspannung festgelegt, die angelegt wird, um den p-Bereich 6 wie vorstehend beschrieben mit einem negativen Potential vorzuspannen, wodurch eine hohe Sättigungsspannung aufrechterhalten werden kann.
  • Nachstehend wird eine Betriebsart zum Auslesen der durch die in dem p-Bereich 6 auf die vorstehend beschriebene Art-und Weise gespeicherte Ladung erzeugten Spannung nach außen hin beschrieben.
  • In der Auslese-Betriebsart werden der Emitter 7 und der Leiter 8 schwebend bzw. erdfrei gemacht und wird der Kollektor 1 auf einem positiven Potential Vcc gehalten. Fig. 2 zeigt die äquivalente Schaltung. Unter der Annahme, daß vor der Beleuchtung die Basis 6 negativ auf -VB vorgespannt wird und die in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte Speicherspannung gleich Vp ist, wird das Basispotential zu -VB + Vp. Wenn unter diesen Bedingungen eine positive Auslesespannung VR durch den Leiter 10 an die Elektrode 9 angelegt wird, wird diese durch die Oxidschicht-Kapazität Cox 13, die Kapazität des Basis-Emitter-Übergangs Cbe 17 und die Kapazität des Basis-Kollektor-Übergangs Cbc 17 kapazitiv geteilt. Infolgedessen wird an die Basis eine Spannung
  • Cox/Cox + Cbe + Cbc VR
  • angelegt. Daher ist das Basispotential gegeben durch
  • - VB + VP + Cox/Cox + Cbe + Cbc VR
  • Es wird angenommen, daß die nachfolgende Bedingung erfüllt ist:
  • - VB + Cox/Cox + Cbe + Cbc Vr = 0
  • Dann wird das Basispotential gleich der Speicherspannung Vp, die in Antwort auf das einfallende Licht erzeugt wird. Wenn das Basispotential bezüglich des Emitterpotentials in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, werden die Elektronen aus den Emitter in die Basis injiziert und so durch das elektrische Ablenkfeld beschleunigt, daß sie den Kollektor erreichen, weil der Kollektor auf einem positiven Potential gehalten wird. Der in diesem Zustand fließende Strom ist gegeben durch
  • worin Aj : die Fläche des Basis-Emitter-Übergangs;
  • q : die Einheitsladung (1,6 x 10&supmin;¹&sup9; Coulomb);
  • Dn : der Diffusionskoeffizient von Elektronen in der Basis 6;
  • npo : die Konzentration von Elektronen (die Minoritätsträger sind) an emitterseitigen Ende der p-Basis 6;
  • WB : die Basisweite;
  • NAe : die Akzeptorenkonzentration am emitterseitigen Ende der Basis;
  • NAC : die Akzeptorenkonzentration am kollektorseitigen Ende der Basis;
  • k : die Boltzmann-Konstante;
  • T : die absolute Temperatur; und
  • Ve : das Emitterpotential sind.
  • Aus der vorstehend beschriebenen Gleichung ist ersichtlich, daß der Strom fortgesetz fließt, bis die Emitterspannung Ve gleich dem Basispotential, d.h. in diesem Fall der in Antwort auf das einfallende Licht erzeugten Speicherspannung Vp, wird. Nun kann die zeitliche Änderung des Emitterpotentials Ve durch die folgende Gleichung erhalten werden:
  • worin Cs die Kapazität 21 des mit dem Emitter 7 verbundenen Leiters 8 ist.
  • Fig. 3 zeigt einige Beispiele der Änderung des Emitterpotentials über der Zeit, die gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung erhalten wurden.
  • Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß es länger als eine Sekunde dauert, bevor das Emitterpotential gleich dem Basispotential wird. Die Ursache hierfür ist die, daß mit zunehmender Annäherung des Emitterpotentials Ve an Vp der Stromfluß etwas verzögert wird. Um dieses Problem zu lösen, kann daher anstelle der Bedingung
  • - VB + Cox/Cox + Cbe + Cbc VR = 0
  • gemäß der das positive Potential VR an die Elektrode 9 angelegt wird, die folgende Bedingung zugrundegelegt werden:
  • - VB + Cox/Cox + Cbe + Cbc VR = Vbias
  • Auf diese Art und Weise wird das Basispotential durch Vbias weiter in Durchlaßrichtung vorgespannt. In diesem Fall ist der Strom gegeben durch
  • Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Speicherspannung Vp und der Auslesespannung, d.h. dem Emitterpotential Ve, unter den Bedingungen, daß Vbias auf 0,6 V festgelegt und das an die Elektrode 9 angelegte Potential VR nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer auf null Volt zurückgeführt wird, so daß der Stromfluß unterbrochen wird. Es wird angemerkt, daß - während in Wirklichkeit immer ein bestimmtes, durch die Biasspannungskomponente gegebenes und von einer Auslesezeit abhängiges Potential zu der Auslesespannung hinzuaddiert wird, der durch Subtrahieren eines solchen wie vorstehend beschrieben zusätzlichen Potentials erhaltene Wert in Fig. 4(a) aufgetragen ist. Wenn die positive Spannung VR, die an die Elektrode 9 angelegt wurde, auf null Volt zurückgeführt wird, dann wird die durch
  • - Cox/Cox + Cbe + Cbc VR
  • gegebene Spannung andererseits zu dem Basispotential addiert, so daß das Basispotential gleich dem Potential vor dem Anlegen der positiven Spannung VR wird. D.h., das Basispotential wird gleich -VB + VP und wird bezüglich des Emitters 7 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Stromfluß unterbrochen wird. Fig. 4(a) ist entnehmbar, daß dann, wenn eine Auslesezeit (d.h. eine Zeit, während der VR an die Elektrode 9 angelegt wird) länger ist als 100 ns, die Linearität zwischen der Speicherspannung Vp und der Auslesespannung VR innerhalb eines Bereichs von etwa vier Größenordnungen aufrechterhalten werden kann, so daß der Auslesevorgang mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. In Fig. 4(a) entspricht die gerade Linie mit einem Steigungswinkel von 45º dem Ergebnis, welches in einem Fall enthalten wird, in dem eine ausreichende Auslesezeit verwendet wird. Zun Erhalt der in Fig. 4(a) gezeigten charakteristischen Kurven wurde angenommen, daß die Kapazität Cs des Leiters 8 4 pF beträgt. Obwohl die Kapazität Cs etwa 300 mal so groß ist wie die 0,014 pF der Übergangskapazität Cbe + Cbc, zeigt Fig. 4(a), daß die in dem p- Bereich 6 erzeugte Speicherspannung Vp überhaupt nicht abgeschwächt wird, und daß die Auslesegeschwindigkeit aufgrund der Wirkung der Biasspannung bemerkenswert hoch ist. Die Ursache hierfür ist, daß die Verstär kungsfunktion, d.h. die Ladungsverstärkungsfunktion, der Photosensorzelle gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sehr wirkungsvoll ist.
  • Andererseits wird im Falle der herkömmlichen MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen in der Auslesestufe die Speicherspannung Vp aufgrund des Einflusses der Leiterkapazität Cs zu Cj.Vp/(Cj+Cs) (worin Cj die Kapazität des pn-Übergangs der Lichtempfangsfläche einer MOS-Bildaufnahmeeinrichtung ist). Infolgedessen haben die herkömmlichen MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen einen Nachteil dahingehend, daß die Auslesespannung um einen Faktor 2 abfällt. Demzufolge haben die MOS-Bildaufnahmeeinrichtungen Nachteile wie beispielsweise hohe feste periodische Störungen bzw. Festmusterrauschen (fixed pattern noise) aufgrund der Fluktuation parasitärer Kapazitäten von MOS-Schalttransistoren, die zum Auslesen von Information nach außen hin verwendet werden, oder hohe zufällige Störungen bzw. Zufallsrauschen (random noise) die durch eine hohe Verdrahtungs- oder Ausgangskapazität erzeugt werden. Daher können die herkömmlichen MOS- Bildaufnahmeeinrichtungen keinen zufriedenstellenden Signal/Rausch-Abstand liefern. Demgegenüber sind bei der Photozelle gemäß der in Fig. 1(a), (b) und (c) gezeigten Art auf eine Ausgangskapazität zurückzuführende feste periodische Störungen und zufällige Störungen relativ reduziert, weil die in dem p-Bereich 6 produzierte Speicherspannung per Steuereinrichtung nach außen hin ausgelesen wird und diese Speicherspannung verhältnismäßig hoch ist, so daß ein zufriedenstellender Signal/Rausch-Abstand erhalten werden kann.
  • Es wurde beschrieben, daß die Linearität über etwa vier Größenordnungen bei einer hohen Auslesegeschwindigkeit erhalten werden kann, wenn die Biasspannung Vbias zu 0,6 V festgelegt wird; Fig. 4(b) zeigt auf der Grundlage berechneter Daten in weiteren Einzelheiten die Linearität in Hinblick auf den Zusammenhang zwischen einer Auslesezeit und einer Biasspannung.
  • In Fig. 4(b) repräsentieren die Abszisse die Biasspannung Vbias und die Ordinate die Auslesezeit. Die Parameter repräsentieren die Prozentanteile der Auslesespannung in Bezug auf die gespeicherte Spannung, und die Linien in Fig. 4(b) geben - unter der Annahme, daß die Speicherspannung bzw. gespeicherte Spannung 1 mV beträgt, die benötigte Auslesezeit an, innerhalb der die Auslesespannungen 80, 90, 95 bzw. 98% der gespeicherten Spannung erreichen. Wie Fig. 4(b) entnehmbar ist, wird deutlich, daß dann, wenn die Auslesespannungen 80, 90, 95 bzw. 98% der gespeicherten Spannung von 1 mV erreichen, bessere Auslesecharakteristiken oder Prozentanteile erreicht werden können, wenn die Speicherspannung größer ist als 1 mV.
  • Aus Fig. 4(b) ist ersichtlich, daß dann, wenn die Biasspannung Vbias 0,6 V beträgt, die Auslesezeit, die zum Erreichen einer Auslesespannung von 80% der gespeicherten Spannung benötigt wird, gleich 0,1 µs ist; für 90% gleich 0,27 µs ist; für 95% gleich 0,54 µs ist; und für 98% gleich 1,4 µs ist. Fig. 4(b) zeigt ferner, daß dann, wenn die Biasspannung Vbias auf über 0,6 V erhöht wird, eine höhere Auslesegeschwindigkeit erzielt werden kann. Infolgedessen kann dann, wenn eine gewünschte Auslesezeit und eine gewünschte Linearität während des Entwurfs der gesamten Struktur einer Bildaufnahmeeinrichtung festgelegt werden, eine benötigte Biasspannung Vbias aus dem Diagramm gemäß Fig. 4(b) ermittelt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Photosensorzelle gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die in dem p-Bereich 6 gespeicherten Löcher auf nicht zerstörende Art und Weise ausgelesen werden können, weil die Wahrscheinlichkeit der Rekombination von Löchern mit Elektronen in dem p-Bereich 6 extrem gering ist. Genauer ausgedrückt wird dann, wenn die Spannung VR, die an die Elektrode 9 während der Auslesestufe angelegt wurde, auf null Volt zurückgeführt wird, das Potential des p-Bereichs 6 wie in dem Fall, bevor die Spannung Vr angelegt wird, in Sperrichtung vorgespannt Solange kein neues Licht auf die Photosensorzelle fällt, känn daher die in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte gespeicherte Spannung Vp unverändert aufrechterhalten werden. Dies bedeutet, daß vom Standpunkt des Systembetriebs aus gesehen eine neue Funktion bereitgestellt werden kann, wenn die vorstehend beschriebene Photosensorzelle als photoelektrischer Wandler verwendet wird.
  • Der Zeitraum, während dem die gespeicherte Spannung Vp in dem p-Bereich 6 gehalten werden kann, ist extrem lang, und die maximale Haltezeit wird in der Hauptsache durch einen Dunkelstrom beschränkt, der thermisch in der Verarmungszone erzeugt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Photosensorzelle durch den thermisch erzeugten Dunkelstrom gesättigt wird. In Übereinstimmung mit der vorstehend beschriebenen Photosensorzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich jedoch die Verarmungsschicht in den n&supmin;-Bereich 5 mit geringer Verunreinigungskonzentration, wobei die Verunreinigungskonzentration in dem n&supmin;-Bereich 5 mit 10¹² 10¹&sup4; cm&supmin;³ extrem niedrig ist, so daß der n&supmin;-Bereich 5 exzellente kristalline Eigenschaften aufweist. Infolgedessen gibt es im Vergleich zu den MOS- und CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen sehr wenige thermisch erzeugte Elektronen-Loch-Paare so daß auch der Dunkelstrom im Vergleich zu den herkömmlichen Einrichtungen kleiner ist. Mit anderen Worten ausgedrückt weist die Photosensorzelle mit dem vorstehenden Aufbau eine Struktur auf, der im wesentlichen in einer geringeren Dunkelstromstörung resultiert.
  • Nachstehend wird der Vorgang des Auffrischens der in dem p-Bereich 6 gespeicherten Ladung beschrieben. Wie bereits beschrieben wurde, verschwindet bei der Photosensorzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel in dem p-Bereich 6 gespeicherte Ladung in der Auslesestufe nicht. Um neue Lichtinformätion zuzuführen, ist daher ein Auffrischungsvorgang zum Löschen der in dem p-Eereich 6 gespeicherten Ladung erforderlich. Gleichzeitig muß das Potential des p-Bereichs 6, der schwebend gemacht wurde, auf ein vorbestimmtes negatives Potential eingestellt werden.
  • Bei der Photosensorzelle gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Auffrischungsvorgang durch Anlegen einer positiven Spannung an die Elektrode 9 durch den Leiter 10 wie bei dem Auslesevorgang durchgeführt. In diesem Fall wird der Emitter durch den Leiter 8 geerdet. Der Kollektor wird durch die Elektrode 12 geerdet oder auf einen positiven Potential gehalten. Fig. 5 zeigt eine äquivalente Schaltung für den Auffrischungsvorgang für den Fall der Erdung des Kollektors.
  • Wenn eine positive Spannung VRH unter diesen Bedingungen an die Elektrode 9 angelegt wird, wird wie bei dem vorangehend erklärten Auslesevorgang aufgrund der Kapazitätsaufteilung zwischen der Kapazität der isolierenden Schicht Cox 13, der Kapazität des Basis-Emitter-Übergangs Cbe 15 und der Kapazität des Basis-Kollektor- Übergangs Cbc 17 sofort eine durch
  • Cox/Cox + Cbe + Cbc VRH
  • gegebene Spannung an die Basis 22 angelegt. Aufgrund dieser Spannung werden sowohl eine Basis-Emitter-Übergangsdiode Dbe 16 als auch eine Basis-Kollektor-Übergangsdiode Dbc 18 in Vorwärtsichtung vorgespannt, so daß diese leitend werden und demzufolge ein Strom durch sie fließt. Infolgedessen nimmt das Basispotential langsam ab.
  • In diesen Fall kann die Änderung des Potentials V der Basis, die in dem schwebenden Zustand gehalten wird, näherungsweise durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
  • (Cox + Cbe + Cbc) dv/dt = -(i&sub1; + i&sub2;)
  • mit
  • worin i&sub1; : der durch die Diode Dbc fließende Strom;
  • i&sub2; : der durch die Diode Dbe fließende Strom;
  • Ab : die Basisfläche;
  • Ae : die Emitterfläche;
  • Dp : die Diffusionskonstante von Löchern im Kollektor;
  • Pno : die Konzentration von Löchern im Kollektor, die sich im thermischen Gleichgewichtszustand befinden;
  • Lp : die mittlere freie Weglänge von Löchern im Kollektor; und
  • npo : die Konzentration von Elektronen in der Basis, die sich im thermischen Gleichgewichtszustand befinden
  • sind.
  • In Zusammenhang mit dem Strom i&sub2; ist der auf die Injektion von Löchern aus der Basis in den Emitter zuruckzuführende Strom vernachlässigbar, weil die Verunreinigungskonzentration in dem Emitter ausreichend höher ist als die in der Basis.
  • Die vorstehend beschriebene Gleichung wird auf der Grundlage der Approximation eines abrupten Übergangs aufgestellt; das Verhalten in einem wirklichen Bauelement weicht jedoch von dem abrupten Übergang ab. Weil die Breite der Basis schmal und das Verunreinigungsprofil kompliziert ist, trifft ferner die vorstehend beschriebene Gleichung nicht exakt zu, jedoch kann der Auffrischungsvorgang mittels dieser in guter Annäherung hinreichend erklärt werden.
  • In dem zwischen der Basis und dem Kollektor fließenden Strom i&sub1; repräsentiert die Komponente q.Dp.pno/Lp einen auf Löcher zurückzuführenden Strom, d.h. eine Komponente aufgrund von Löchern, die von der Basis zu dem Kollektor fließen. Um den aufgrund von Löchern fließenden Strom zu erleichtern, ist bei der Photosensorzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau die Verunreinigungskonzentration in dem Kollektor so ausgebildet, daß sie relativ kleiner ist als die eines herkömmlichen bipolaren Transistors.
  • Fig. 6 zeigt einige Beispiele der Zeitabhängigkeit des aus der vorstehend beschriebenen Gleichung ermittelten Basispotentials. Die Abszisse repräsentiert eine Zeitdauer, die seit dem Zeitpunkt, zu dem die Auffrischungsspannung VRH an die Elektrode 9 angelegt wird, verstrichen ist, d.h. die Auffrischungszeit, während die Ordinate das Basispotential repräsentiert. Das anfängliche Potential der Basis wird als Parameter verwendet. Das anfängliche Potential der Basis ist das Potential der Basis, die in dem Zeitpunkt, zu dem die Auffrischungsspannung VRH angelegt wird, in dem schwebenden Zustand gehalten wird, und wird durch die Auffrischungsspannung VRH, die Kapazitäten Cox, Cbe und Cbc und die in der Basis gespeicherte Ladung bestimmt.
  • Fig. 6 ist entnehmbar, daß das Basispotential nicht von dem anfänglichen Potential abhängt und nach einer bestimmten Zeit linear abfällt, wenn das Basispotential in halblogarithmischern Maßstab gegen die Auffrischungszeit aufgetragen wird.
  • Fig. 6(b) zeigt einen experimentellen Zusammenhang zwischen der Auffrischungszeit und dem Basispotential. Verglichen mit der berechnete Daten zeigenden Fig. 6(a) stimmen die experimentellen Daten im Hinblick auf die Werte selbst nicht mit den erstgenannten überein, weil das in den Experimenten verwendete Bauelement beächtlich große Abmessungen aufwies, jedoch wurde aufgezeigt, daß sich das Basispotential linear über der Zeit ändert, wenn die in den Experimenten erhaltenen Daten in halblogarithmischen Maßstab aufgetragen wurden. Die durch die Experimente erhaltenen Daten zeigen die Werte bei geerdetem Kollektor und geerdeten Emitter.
  • Nachstehend wird angenommen, daß die maximale gespeicherte Spannung aufgrund von Lichteinstrahlung 0,4 beträgt, und daß die an die Basis aufgrund der Zufuhr der Auffrischungsspannung VRH angelegte Spannung 0,4 V beträgt. Dann wird der maximale Wert des anfänglichen Potentials der Basis gleich 0,8 V, wie in Fig. 6(a) gezeigt, und beginnt das Basispotential etwa 10&supmin;¹&sup5; s nach dem Anlegen der Auffrischungsspannung linear abzufallen. Nach 10&supmin;&sup5; s ändert sich das Basispotential übereinstimmend mit der Potentialänderung, bei der kein Licht auf die Photosensorzelle fällt, d.h. der Potentialänderung, bei der das anfängliche Basispotential gleich 0,4 V ist.
  • Es sind zwei Verfahren bekannt, die für eine vorbestimmte Zeitdauer durch den MOS-Kondensator Cox eine positive Spannung an den p-Bereich 6 anlegen und dann die positive Spannung wegnehmen, so daß der p-Bereich 6 negativ aufgeladen wird. Gemäß einem dieser Verfahren wird die negative Ladung gespeichert, weil Löcher mit positiver Ladung von dem p-Bereich 6 hauptsächlich in den geerdeten n-Bereich 1 fließen. Damit die Löcher unidirektional aus dem p-Bereich 6 in den n-Bereich 1 fließen können und der Fluß von Elektronen aus dem n- Bereich 1 in den p-Bereich 6 vermieden werden kann, wird die Verunreinigungskonzentration in dem p-Bereich 6 höher als die in dem n-Bereich 1 gemacht. Gemäß dem anderen dieser Verfahren kann die negative Ladung in dem p-Bereich 6 gespeichert werden, weil Elektroden aus dem n&spplus;-Bereich 7 und dem n-Bereich 1 in den p-Bereich 6 fließen und in diesen mit Löchern rekombinieren. In diesen Fall wird die Verunreinigungskonzentration in dem n-Bereich 1 höher gemacht als in dem p-Bereich 6. Der Vorgang, bei dem die negative Ladung aufgrund des Flusses von Löchern aus dem p-Bereich 6 gespeichert wird, ist bei weitem schneller als der Vorgang, bei dem die negative Ladung gespeichert wird, weil Elektronen in den p-Bereich 6 fließen und in diesem mit Löchern rekombinieren. In Übereinstimmung mit insoweit durchgeführten Experimenten wurde jedoch bestätigt, daß in Bezug auf den Betriebsablauf des photoelektrischen Wandlers auch der Auffrischungsvorgang durch Injizieren der Elektronen in den p-Bereich 6 eine ausreichend schnelle Antwort aufweist.
  • Wenn eine Vielzahl von Photosensorzellem mit dem vorstehenden Aufbau in X- und Y-Richtungen angeordnet werden, um einen photoelektrischen Wandler bereitzustellen, variieren die Speicherspannungen Vp in einzelnen-Sensorzellen im Bereich zwischen 0 und 0,4 V, wie vorstehend beschrieben. Jedoch verbleibt 10&supmin;&sup5; s nachdem die Auffrischungsspannung VRH angelegt wird die konstante Spannung in der Größenordnung von etwa 0,3 V an den Basen sämtlicher Photosensorzellen, während die Änderungen in der Speicherspannung Vp aufgrund des abgebildeten Bildes sämtlich verschwinden. Infolgedessen sind in-Bezug auf den aus Photosensorzellen mit dem vorstehenden Aufbau bestehenden photoelektrischen Wandler zwei Auffrischungsbetriebsartenvorhanden. Eine hiervon ist die vollständig auffrischende Betriebsart, bei der die Basispotentiale aller Photosensorzellen auf null Volt gebracht werden (in diesem Fall werden in dem in Fig. 6(a) gezeigten Beispiel 10 Sekunden benötigt). Die andere ist eine transiente bzw. ausgleichend auffrischende Betriebsart, bei der, obwohl ein bestimmtes Basispotential verbleibt, variierende Komponenten aufgrund der Speicherspannung Vp verschwinden (in diesem Fall wird in dem in Fig. 6(a) gezeigten Beispiel ein Auffrischungsimpuls von 10 Mikrosekunden bis 10 Sekunden Dauer angelegt). In den so weit erklärten Beispielen wurde die aufgrund der Auffrischungsspannung VRH an die Basis angelegte Spannung V als 0,4 V betragend beschrieben, jedoch wird dann, wenn diese Spannung V 0,6 V beträgt, in dem in Fig. 6(a) gezeigten Beispiel die transiente Auffrischungsbetriebsart innerhalb einer Nanosekunde herbeigeführt. Somit wird deutlich, daß der Auffrischungsvorgang mit einer benerkenswert hohen Geschwindigkeit ausgeführt werden kann. Ob die vollständige Auffrischungsbetriebsart oder die ausgleichende Auffrischungsbetriebsartverwendet wird, hängt von der Verwendung oder dem Zweck eines photoelektrischen Wandlers ab.
  • Nachstehend wird angenommen, daß die in der ausgleichenden Betriebsart an der Basis verbleibende Spannung Vk ist. Dann wird während des Übergangszustands, in dem die Auffrischungsspannung VRH auf null Volt zurückgeführt wird, nach dem sie angelegt wurde, die durch-
  • - Cox/Cox + Cbe + Cbc VRH
  • gegebene Spannung an die Basis angelegt, so daß das Basispotential nach dem Auffrischungsvorgang in Antwort auf einen Auffrischungsimpuls zu
  • Vk - Cox/Cox + Cbe + Cbc VRH
  • wird und demzufolge die Basis in Bezug auf den Emitter in Sperrichtung vorgespannt wird.
  • In der vorangehenden Erklärung des Speichervorgangs, bei dem die durch das einfallende Licht angeregten Träger gespeichert werden, wurde der Speichervorgang so beschrieben, daß er ausgeführt wird, während die Basis in Sperrichtung vorgespannt ist. In Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Auffrischungsvorgang werden jedoch nicht nur der Auffrischungsvorgang, sondern auch der Vorgang zu Vorspannen der Basis in Sperrichtung gleichzeitig ausgeführt.
  • Fig. 6(c) zeigt experimentelle Daten für das Basispotential nach dem Auffrischungsvorgang in Gegenüberstellung zu der der durch
  • Vk - Cox/Cox + Cbe + Cbe VRH
  • gegebenen Beziehung genügenden Auffrischungsspannung VRH. Cox wird als Parameter geführt, der sich zwischen 5 pF und 100 pF ändert. Die Punkte repräsentieren die experimentellen Ergebnisse, während die ausgezogenen Linien die durch den folgenden Ausdruck:
  • Vk- Cox/Cox + Cbe + Cbc VRH
  • erhaltenen Werte angeben. Hierin sind Vk = 0,52V und Cbc + Cbe = 4 pF. Ferner wurde die Kapazität der Sonde eines Beobachtungs-Oszilloskops parallel zu der Kapazität Cbc + Cbe geschaltet. Infolgedessen stimmen die berechneten Werte und die experimentellen Ergebnisse exakt überein, so daß der Auffrischungsvorgang durch die Experimente bestätigt wurde.
  • Insoweit wurde der Auffrischungsvorgang unter Bezugnahme auf einen Fall beschrieben, in dem der Kollektor wie in Fig. 5 gezeigt geerdet ist; jedoch wird angemerkt, daß der Auffrischungsvorgang auch in dem Zustand ausgeführt werden kann, in dem der Kollektor auf einen positiven Potential gehalten wird. In den letztgenannten Fall bleibt dann, wenn ein Auffrischungsimpuls an die Basis-Kollektor-Übergang-Diode Dbc 18 angelegt wird, und falls in Antwort auf die Zufuhr dieses Auffrischungsimpulses das an den Kollektor angelegte positive Potential höher als das an die Basis angelegte Potential ist, der nicht leitende Zustand erhalten, so daß der Strom nur durch die Basis-Emitter-Übergang-Diode Dbe 16 fließt. Daher wird die Abnahme des Basispotentials langsamer, es wird jedoch der im wesentlichen gleiche Betriebsablauf wie der vorstehend beschriebene Betriebsablauf ausgeführt.
  • In einzelnen ändert sich der Zusammenhang zwischen der Auffrischungszeit und dem Basispotential gemäß Fig. 6(a) derart, daß die schräg verlaufende gerade Linie, die den Potentialabfall angibt, nach rechts verschoben wird, d.h. in einer Richtung, in der die Auffrischungszeit verlängert wird. Infolgedessen nimmt dann, wenn dieselbe Auffrischungsspannung VRH wie in den Fall, in dem der Kollektor geerdet wird, verwendet wird, die Auffrischungszeit zu; wenn aber die Auffrischungsspannung geringfügig erhöht wird, wird wie in dem Fall, in dem der Kollektor geerdet ist, der schnelle Auffrischungsvorgang möglich.
  • Soweit wurde der grundlegende Betriebsablauf der Photosensorzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, der den Ladungsspeichervorgang in Antwort auf das einfallende Licht, den Auslesevorgang und den Auffrischungsvorgang umfaßt, beschrieben.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist der grundlegende Aufbau der Photosensorzelle gemäß der Erfindung bei weitem einfacher als der der Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtungen der in den vorstehend angegebenen offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 56-150878, 56-157073 und 56-165473 offenbarten Bauformen und kann auf zufriedenstellende Art und Weise auf eine zukünftig erforderliche höhere Auflösung angepaßt werden. Darüber hinaus besitzt die Photosensorzelte mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau solche Vorteile der offenbarten Einrichtungen wie geringe Störungen bzw. Rauschen, hohes Ausgangssignal, weiten Dynamikbereich und nicht zerstörendes Auslesen.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des photoelektrischen Wandlers in Übereinstimmung mit der Erfindung beschrieben, bei dem die Einheits-Photosensorzellen mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau zweidimensional angeordnet sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung eines photoelektrischen Wandlers, bei dem die Einheits-Photosensorzellen zweidimensional in 3x3-Einheiten angeordnet sind.
  • Der in Fig. 7 gezeigte photoelektrische Wandler umfaßt Einheits-Photosensorzellen, von welchen eine durch die gepunktete Linie umrandet und mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist (der Kollektor jedes bipolaren Transistors ist als mit einem Substrat und einer Substratelektrode verbunden dargestellt); horizontale Leitungen 31, 31' und 31", welchen Auffrischungs- und Ausleseimpulse zugeführt werden; ein vertikales Schieberegister 32, welches Ausleseimpulse erzeugt; Puffer-MOS-Transistoren 33, 33' und 33", die zwischen dem vertikalen Schieberegister 32 und den horizontalen Leitungen 31, 31' bzw. 31" verschaltet sind; einen Anschluß 34 zum Zuführen eines Gateimpulses an die Gates der Puffer- MOS-Transistoren 33, 33' und 33"; Puffer-MOS-Transistoren 35, 35' und 35" zum Zuführen von Auffrischungsimpulsen; einen Anschluß 36 zum Zuführen eines Impulses an die Gates dieser Puffer-MOS-Transistoren 35, 35' und 35"; einen Anschluß 37 zum Zuführen von Auffrischungsimpulsen; vertikale Leitungen 38, 38' und 38" zum Auslesen der gespeicherten Spannungen aus den zugrunde liegenden Photosensorzellen; ein horizontales Schieberegister 39 zum Erzeugen von Impulsen, um die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" auszuwählen; MOS-Gate- Transistoren 40, 40' und 40" zum Ein- und Ausschalten der vertikalen Leitungen 38, 38' und 38"; eine Ausgangsleitung 41 zum Auslesen der gespeicherten Spannung auf einen Verstärker; einen MOS-Transistor 42 zum Auffrischen der auf der Ausgangsleitung 41 gespeicherten Ladung nach dem Auslesevorgang; einen Anschluß 43 zum Zuführen eines Auffrischungsimpulses zu dem MOS-Transistor 42; einen Transistor 44 wie beispielsweise einen bipolaren Transistor, MOS-Transistor, FET- oder J-FET- Transistor zum Verstärken des Ausgangssignals; einen Lastwiderstand 45; einen Anschluß 46 zum Verbinden einer Leistungsversorgung und des Transistors 44; einen Ausgangsanschluß 47 des Transistors 44; MOS-Transistoren 48, 48' und 48" zum Auffrischen der auf den vertikalenleitungen gespeicherten Ladung während des Auslesevorgangs; und einen Anschluß 49 zum Zuführen eines Impulses an die Gates der MOS-Transistoren 48, 48' und 48".
  • Nachstehend wird die Funktionsweise des photoelektrischen Wandlers unter Bezugnahme auf Fig. 7 und ein in Fig. 8(a) gezeigtes Impuls-Zeit-Diagramm beschrieben.
  • In Fig. 8(a) entspricht die Zeitdauer 61 dem Auffrischungsvorgang; die Zeitdauer 62 dem Speichervorgang; und die Zeitdauer 63 dem Auslesevorgang.
  • Zur Zeit t&sub1; wird das Substratpotential, d.h. das Kollektorpotential 64 der Photosensorzelle auf dem Erdpotential oder einen positivenpotential gehalten. Fig. 8(a) zeigt einen Fall, in dem das Kollektorpotential 64 auf dem Erdpotential liegt. Unabhängig davon, ob das Kollektorpotential 64 geerdet ist oder aufeinem positiven Potential gehalten wird, bleibt die grundlegende Betriebsweise unverändert, mit der Ausnahme, daß sich die Auffrischungszeit wie vorstehend beschrieben ändert. Das Potential 65 des Anschlusses 49 wird auf einem hohen Niveau gehalten, so daß die MOS-Transistoren 48, 48' und 48" leitend oder eingeschaltet sind und demzufolge jeder Photosensorzellen-Emitter durch die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" geerdet wird. Eine durch einen Signalverlauf 66 gezeigte Spannung wird an den Anschluß 36 angelegt, so daß die Puffer-MOS-Transistoren 35, 35' und 35" zur übergreifenden Auffrischung des gesamten Vollbild-Rahmens oder Bilds eingeschaltet werden. Wenn ein durch einen Signalverlauf 67 gezeigter Impuls unter diesen Bedingungen an den Anschluß 37 angelegt wird, wird eine Spannung über die horizontalen Leitungen 31, 31' und 31" an die Basen der Photosensorzellen angelegt, so daß der Auffrischungsvorgang wie vorstehend beschrieben begonnen wird. Daher wird die zuvor gespeicherte Ladung in Übereinstimmung mit der vollständig auffrischenden Betriebsart oder der ausgleichend auffrischenden Betriebsart aufgefrischt. Ob die vollständig auffrischende Betriebsart oder die ausgleichend auffrischende Betriebsart ausgeführt wird, hängt von der Impulsbreite des Signalverlaufs 67 ab.
  • Zur Zeit t&sub2; wird, wie vorstehend beschrieben, die Basis des Transistors jeder Photosensorzelle in Bezug auf den Emitter in Sperrichtung vorgespannt, und die Speicherperiode 62 beginnt. In der Auffrischungsperiode 61 werden, wie in Fig. 8 (a) gezeigt, sämtliche Impulse mit Ausnahme der vorstehend beschriebenen auf niedrigen Pegeln gehalten.
  • In der Speicherperiode 62 wird das Substratpotential, d.h. das Kollektorpotential des Transistors, auf ein positives Potential geführt, wie in einem Signalverlauf 64 in Fig. 8(a) dargestellt, wodurch bewirkt wird, daß die Elektronen der in Antwort auf das einfallende Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare unmittelbar in den Kollektor fließen. Daß das Kollektorpotential auf einem positiven Potential gehalten wird, ist keine wesentliche Bedingung, weil dann, wenn der photoelektrische Wandler zur Aufnahme von Bildern verwendet wird, die Basis in Bezug auf den Emitter in Sperrichtung vorgespannt wird, d.h. auf einem negativen Potential gehalten wird. Daher bleibt die grundlegende Betriebsart des Speichervorgangs auch dann unverändert, wenn das Kollektorpotential geerdet oder auf einem geringfügig negativen Potential gehalten wird.
  • Bei den Speichervorgang wird das Potential 65 des Gate-Anschlusses 49 der MOS-Transistoren 48, 48' und 48" wie während der Auffrischungsperiode auf einem hohen Pegel gehalten, so daß die MOS-Transistoren weiter eingeschaltet bleiben. Infolgedessen werden die Emitter der Photosensorzellen durch die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" geerdet. Da die Löcher in der Basis gespeichert werden und die Basis aufgrund der Bestrahlung mit Licht hoher Intensität gesättigt wird, d.h. da das Basispotential in Bezug auf das Emitterpotential (Erdpotential) in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, fließen die Löcher durch die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38". Demzufolge wird die Änderung des Basispotentials unterbrochen und das Basispotential begrenzt. Es folgt daher, daß auch dann, wenn die Emitter der Photosensorzelle, die in der vertikalen Richtung nebeneinander angeordnet sind, gemeinsam mit den vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" verbunden sind, kein Überstrahlungsphänomen auftritt, da die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" wie vorstehend beschrieben geerdet sind.
  • Das Überstrahlungsphänomen kann, wie nachstehend beschrieben, auch auf andere Art und Weise vermieden werden. Zunächst werden die MOS-Transistoren 48, 48' und 48" abgeschaltet, so daß die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" schwebend werden. Das Substratpotential oder das Kollektorpotential 64 wird auf einem geringfügig negativen Potential gehalten, so daß dann, wenn das Basispotential aufgrund der Speicherung von Löchern auf ein positives Potential angehoben wird, die Löcher veranlaßt werden, anstelle in den Emitter in den Kollektor zu fließen.
  • Zur Zeit t&sub3; beginnt auf die Speicherperiode 62 folgend die Periode 63 des Auslesevorgangs. Zur Zeit t&sub3; wird das Potential 65 an dem Gate-Anschluß 49 der MOS-Transistoren 48, 48' und 48" niedrig gemacht, während das Potential 68 an dem Gate-Anschluß 34 der Puffer-MOS- Transistoren 33, 33' und 33" hoch gemacht wird, so daß die MOS-Transistoren 33, 33' und 33" eingeschaltet werden. Es wird jedoch angemerkt, daß es nicht wesentlich ist, das Potential des Gate-Anschlusses 34 zur Zeit t&sub3; auf einen hohen Pegel zu bringen, und daß das Potential 68 zu jeder beliebigen Zeit vor der Zeit t&sub3; auf einen hohen Pegel angehoben werden kann.
  • Zur Zeit t&sub4; steigt von den Ausgangssignalen aus dem vertikalen Schieberegister 32 eines, das mit der horizontalen Leitung 31 verbunden ist, auf einen hohen Pegel, wie durch den Signalverlauf 69 in Fig. 8(a) angegeben, wodurch die Information aus den drei mit der horizontalen Leitung 31 verbundenen Photosensorzellen ausgelesen wird. Dieser Auslesevorgang wird wie vorstehend erklärt ausgeführt. D.h., die durch die in den Basisregionen der einzelnen Photosensorzellen gespeicherten Ladungen erzeugten Signalspannungen erscheinen direkt an den vertikalen Leitungen 38, 38' und 38". In diesem Fall wird die Impulsbreite der Impulsspannung aus dem vertikalen schieberegister 32 so festgelegt, daß - wie in Fig. 4 gezeigt - die Auslesespannung in Bezug auf die Speicherspannung eine ausreichende Linearität haben kann. Ferner wird wie vorstehend beschrieben die Impulsspannung in Bezug auf den Emitter um einen Wert Vbias in Durchlaßrichtung vorgespannt
  • Zur Zeit t&sub5; wird von den Ausgangssignalen des horizontalen Schieberegisters 39 eines für das Gate des mit der vertikalen Leitung 38 verbundenen MOS-Transistors 40 auf einen hohen Pegel angehoben, wie durch den Signalverlauf 70 in Fig. 8(a) dargestellt, so daß der MOS-Transistor 40 eingeschaltet wird, wodurch das Ausgangssignal über die Ausgangsleitung 41 an den Ausgangstransistor 44 angelegt, verstärkt und an dem Ausgangsanschluß 47 abgegriffen wird. Nachdem das Signal auf die vorstehend beschriebene Art und Weise ausgelesen wurde, wird, da die Signalladung aufgrund der Leiterkapazität auf der Ausgangsleitung 41 verbleibt, zur Zeit t&sub6; ein Impuls gemäß dem Signalverlauf 71 an den Gate- Anschluß 43 des MOS-Transistors 42 gelegt, so daß der letztgenannte eingeschaltet und demzufolge die Ausgangsleitung geerdet wird, wodurch die verbleibende Signalladung aufgefrischt wird. Auf vergleichbare Art und Weise werden die schaltenden MOS-Transistoren 40' und 40" sequentiell eingeschaltet, so daß die Signalausgänge aus den vertikalen Leitungen 38' und 38" ausgelesen werden. Nachdem die Signale aus den Photosensorzellen entlang einer horizontalen Leitung auf die vorstehend beschriebene Art und Weise ausgelesen wurden, verbleiben - wie im Fall der Ausgangsleitung 41 - aufgrund deren Kapazitäten einige Signalladungen auf den vertikalen Leitungen 38, 33' und 38". Daher wird das Potential an dem Gate-Anschluß 49 auf einen hohen Pegel angehoben, wie durch den Signalverlauf 65 dargestellt, so daß die MOS-Transistoren 48, 48' und 48", die mit den vertikalen Leitungen 38, 38' bzw. 38" verbunden sind, eingeschaltet und demzufolge die verbleibenden Signalladungen aufgefrischt werden.
  • Zur Zeit t&sub8; wird von den Ausgangssignalen des vertikalen Schieberegisters 32 das an die horizontale Leitung 31' übermittelte Ausgangssignal auf einen hohen Pegel angehoben, wie durch den Signalverlauf 69' in Fig. 8(a) dargestellt, so daß die Speicherspannungen der mit der horizontalen Leitung 31' verbundenen Photosensorzellen auf did vertikalen Leitungen 38, 38' bzw. 38" ausgelesen werden. Daher wird das Signal von dem Ausgangsanschluß 47 auf eine im wesentlichen zu dervorstehend beschriebenen vergleichbare Art und Weise abgeleitet
  • Insoweit wurde der Betriebsablauf unter Bezugnahme auf ein Anwendungsgebiet beschrieben, in dem die Speicherperiode 62 und die Ausleseperiode 63 deutlich von einander unterschieden werden, wie beispielsweise bei einer Stehbild-Betriebsart eines Videogeräts, dessen Erforschung und Entwicklung vor kurzem auf extensive Art und Weise durchgeführt werden, jedoch kann der photoelektrische Wandler gemäß der Erfindung gleichfalls in dem Gebiet angewandt werden, in dem der Betriebsablauf in der Speicherperiode 62 und der Betriebsablauf in der Ausleseperiode 63 gleichzeitig ausgeführt werden, wenn der in Fig. 8 (a) gezeigte Impuls-Zeitverlauf modifiziert wird. In dem letztgenannten Fall jedoch ist als Auffrischungsvorgang nicht die übergreifende Auffrischung des gesamten Bilds, sondern eine Leitungsweise bzw. zeilenweise Auffrischung erforderlich. Nachdem beispielsweise die Signale aus den Photosensorzellen, die mit der horizontalen Leitung 31 verbunden sind, ausgelesen wurde, werden die MOS-Transistoren 48, 48' und 48" zur Zeit t&sub7; eingeschaltet, um die auf den vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" verbleibenden Leitungen aufzufrischen. Zu dieser Zeit wird ein Auffrischungsimpuls an die horizontale Leitung angelegt. D.h., der Auffrischungsvorgang jeder Leitung kann dadurch erzielt werden, daß ein vertikales Schieberegister verwendet wird, welches derart ausgebildet ist, daß in dem Signalverlauf 69 ein Impuls bei t&sub7; und bei t&sub4; erzeugt wird, wobei die Spannung und die Impulsbreite des bei t&sub7; erzeugten Impulses sich von der Spannung und der Impulsbreite des bei t&sub4; erzeugten Impulses unterscheiden.
  • Alternativ kann der Auffrischungsvorgang für jede Leitung auf die vorstehend beschriebene Art und Weise erzielt werden. D.h., anstelle der auf der rechten Seite in Fig. 7 gezeigten Anordnung zum Zuführen des übergreifend auffrischenden Impulses ist ein zweites vertikales Schieberegister auf der rechten Seite angeordnet, welches veranlaßt wird, in unterschiedlicher zeitlicher Beziehung zu dem vertikalen Schieberegister 32 auf der linken Seite zu arbeiten.
  • In diesen Fall wird der Freiheitsgrad zum Unterdrücken des Überstrahlens durch Steuern der Potentiale an dem Emitter und dem Kollektor jeder Photosensorzelle verringert. Jedoch ist, wie in Verbindung mit der grundlegenden Funktionsweise beschrieben, die Photosensorzelle gemäß den Ausführungsbeispiel derart aufgebaut, daß der schnelle Auslesevorgang nur dann durchgeführt werden kann, wenn die Biasspannung Vbias an die Basis angelegt wird. Daher sind, wie aus den in Fig. 3 gezeigten Diagramm ersichtlich ist, die in die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" fließenden Signalladungen aufgrund der Sättigung der Photosensorzellen extrem klein an der Zahl, wenn keine Biasspannung Vbias angelegt wird, weshalb das Überstrahlungsphänomen kaum auftritt.
  • Außerdem besitzt der photoelektrische Wandler gemäß dem Ausführungsbeispiel eine exzellente Fähigkeit zum Unterdrücken des Schmierphänomens. Das Schmieren wird bei den CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen, insbesondere bei den Bildaufnahmeeinrichtungen in Rahmentransfer-Bauart, aufgrund der Betriebsart und des Aufbaus, bei welchen die Ladung über den beleuchteten Bereich transportiert wird, ausgelöst. Bei den Zwischenzeilen-Bildaufnahmeeinrichtungen entsteht Schmieren, weil Träger, die in einem tiefliegenden Abschnitt eines Halbleiters aufgrundvon Lichtstrahlen mit relativ langen Wellenlängen erzeugt wurden, in einem Ladungstransferbereich akkumuliert werden. Ferner tritt bei MOS-Bildaufzeichnungseinrichtungen Schmieren auf, weil die Träger, die in einem tiefliegenden Abschnitt eines Halbleiters aufgrund Lichtstrahlen mit relativ langen Wellenlängen erzeugt wurden, auf der Drain-Seite eines mit jeder Photosensorzelle verbundenen MOS-Schalttransistor akkunuliert werden.
  • Im Gegensatz zu dem Vorstehenden kann bei den photoelektrischen Wandler gemäß dem Ausführungsbeispiel das auf die Betriebsart und den Aufbau zurückzuführende Schmieren im wesentlichen eliminiert werden. Darüber hinaus tritt das auf Ladungsträger, die in einem tiefliegenden Abschnitt eines Halbleiters in Antwort auf Lichtstrahlen mit relativ langer Wellenlänge erzeugt und akkumuliert werden, zurückzuführende Schmieren in wesentlichen nicht auf. Andererseits können sich manche Menschen über ein Phänomen dahingehend besorgt sein, daß Elektronen unter in dem Emitter in der Nähe der Oberfläche der Photosensorzelle erzeugten Elektronen und Löchern akkumuliert werden. Ein solches Phänomen kann jedoch nicht wirklich eine Ursache für Schmieren sein, weil im Falle des Speichervorgangs in Übereinstimmung mit der übergreifenden Auffrischungsbetriebsart der Emitter geerdet ist, so daß keine Elektronen akkumuliert werden.
  • Ferner werden im Fall des auf gewöhnliche Fernsehkameras angepaßten Leitungsauffrischungsvorgangs die vertikalen Leitungen zum Auffrischen während der horizontalen Austastperiode vor dem Auslesen der gespeicherten Spannungen auf die vertikalen Leitungen geerdet, wodurch die Elektronen, die an dem Emitter während einer horizontalen Abtastperiode gespeichert oder akkumuliert wurden, nahezu ausfließen, so daß das Schmieren im wesentlichen eliminiert werden kann. Wie vorstehend beschrieben, kann in Übereinstimmung mit dem photoelektrischen Wandler gemäß diesem Ausführungsbeispiel aufgrund dessen Betriebsart und Aufbau das Schmieren nur in einem im wesentlichen vernachlässigbaren Ausmaß auftreten. Dies ist einer der großen Vorteile des photoelektrischenwandlers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
  • Vorstehend wurde der Vorgang zum Unterdrücken des Überstrahlungsphänomens durch Steuern der Emitter- und Kollektorpotentiale in dem Speichervorgang beschrieben; dieser Vorgang kann auch zum Steuern der Gamma (γ)-Charakteristik verwendet werden.
  • Im einzelnen wird während des Speichervorgangs das Emitter- oder Kollektorpotential vorübergehend auf einem vorbestimmten negativen Potential gehalten, so daß von den in der Basis gespeicherten Trägern die Löcher, die über die Anzahl der das negative Potential ergebenden Träger hinaus gespeichert sind, veranlaßt werden, in den Emitter oder Kollektor zu fließen. Dann wird der Zusammenhang zwischen der gespeicherten Spannung und der Menge einfallenden Lichts derart, daß dann, wenn die Menge einfallenden Lichts klein ist, dieser nahe der Charakteristik von γ = 1 eines Siliziumkristalls ist, und dann, wenn die Menge einfallenden Lichts groß ist, der Gamma (γ)-Faktor kleiner wird als 1. Daher kann der photoelektrische Wandler gemäß der Erfindung die Charakteristik von γ = 0,45 haben, welches in Übereinstimmung mit der Zeilen-Segment-Approximation für gewöhnliche Fernsehkameras gefordert wird. Wenn der vorstehend beschriebene Vorgang einmal während des Speichervorgangs ausgeführt wird, kann eine Zwei-Zeilen-Segment-Approximation erhalten werden. Wenn das an den Emitter oder Kollektor angelegte negative Potential zweimal geändert wird, kann die Gamma-Charakteristik nach der Drei-Zeilen-Segment-Approximation erhalten werden.
  • Indem vorstehenden Beispiel wird das Siliziumsubstrat als gemeinsamer Kollektor verwendet, jedoch kann, wie in dem Fall eines bipolaren Transistors, ein vergrabener n&spplus;-Bereich vorgesehen sein, so daß jede Leitung ihren eigenen Kollektor hat.
  • Zusätzlich zu den in Fig. (8) gezeigten Impulsen werden für den praktischen Funktionsablauf Taktimpulse zum Ansteuern des vertikalen Schieberegisters 32 und des horizontalen Schieberegisters 39 benötigt.
  • Fig. 9 zeigt äquivalente Schaltungen zum Gewinnen des Ausgangssignals. Die Kapazität Cv 80 repräsentiert die Summe der Kapazität der vertikalen Leitungen 38, 38' und 38", und die Kapazität CH 81 repräsentiert die Leiterkapazität der Ausgangsleitung 41. Die äquivalente Schaltung auf der rechten Seite in Fig. 9 zeigt die Auslesestufe, wenn die MOS-Schalttransistoren 40, 40' und 40" eingeschaltet sind. Ihr Widerstand im eingeschalteten Zustand wird durch einen Widerstand RM 82 repräsentiert. Der Verstärker-Transistor 44 wird durch eine aquivalente Schaltung repräsentiert, die aus einem Widerstand re 83 und einer Stromquelle 84 besteht. In der Auslesestufe bleibt der MOS-Transistor 42 zum Auffrischen der gespeicherten Ladung aufgrund der Leiterkapazität der Ausgangsleitung 41 augeschaltet, und da dieser eine hohe Impedanz aufweist, ist er in der äquivalenten Schaltung auf der rechten Seite nicht dargestellt.
  • In der äquivalenten Schaltung verwendete Parameter werden in Abhängigkeit von der Größe eines tatsächlich verwendeten photoelektrischen Wandlers festgelegt. Berechnete Signalverläufe der Ausgangssignale, die an dem Anschluß 47 abgeleitet werden, sind auf der Grundlage der Annahme, daß die Kapazität CV 80 etwa 4 pF beträgt; die Kapazität CH 81 etwa 4 pF beträgt; der Widerstand RM 82 des eingeschalteten MOS-Transistors 3 kΩ beträgt; und der Strom verstärkungsfaktor β des bipolaren Transistors 44 etwa 100 beträgt, in Fig. 10 gezeigt.
  • In Fig. 10 repräsentiert die Abszisse die Zeit in Mikrosekunden von dem Zeitpunkt an, zu dem die MOS- Schalttransistoren 40, 40' und 40" eingeschaltet werden, während die Ordinate die Ausgangsspannung [V] repräsentiert, die an dem Ausgangsanschluß 47 erhalten wird, wenn aufgrund des Auslesens der Signalladung aus jeder Photosensorzelle ein Volt parallel zu der Leiterkapazität Cv 80 der vertikalen Leitungen 38. 38' und 38" angelegt wird.
  • Der Signalverlauf 85 des Ausgangssignals wird erhalten, wenn der Lastwiderstand RE 45 10 kΩ beträgt; der Signalverlauf 86 wird erhalten, wenn der Lastwiderstand RE 45 5 kΩ beträgt; und der Signalverlauf 87 wird erhalten, wenn der Lastwiderstand RE 45 2 kΩ beträgt. Ihre Spitzenwerte betragen aufgrund der Kapazitätsteilung der Kapazitäten Cv 80 und CH 81 etwa 0,5 V. Natürlich gilt, daß die Dämpfung um so kleiner wird, je größer der Wert des Lastwiderstands RE 45 ist. Infolgedessen wird bevorzugt, daß der Lastwiderstand RE 45 einen großen Wert aufweist, damit ein gewünschter Ausgangs- Signalverlauf erhalten wird. Mit den vorstehend beschriebenen Parametern ist die Anstiegszeit in der Größenordnung von etwa 20 ns kurz. Die Auslesezeit kann weiter verkürzt werden, indem der Widerstand RM in dem Zustand, in dem die MOS-Schalttransistoren eingeschaltet sind, verkleinert wird, und indem die Leiterkapazitäten CV und CH verringert werden.
  • Bei dem photoelektrischen Wandler des vorstehend be-µschriebenen Typs wird eine hohe Ausgängsspannung erzielt, weil jede Photosensorzelle eine Verstärkungsfunktion innehat, so daß der Aufbau des Endstufen- Verstärkers im Vergleich zu demjenigen in der herkömmlichen MOS-Bildaufnahmeeinrichtung einfach gemacht werden kann. Insoweit wird nur ein bipolarer Transistor verwendet, jedoch ist ersichtlich, daß zwei bipolare Transistoren oder ein beliebiges anderes geeignetes System verwendet werden kann. Wenn wie im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein bipolarer Transistor verwendet wird, kann das Problem der 1/f-Störungen, welches durch den Endstufen-MOS-Transistor-Verstärker der herkömmlichen CCD-Bildaufnahmeeinrichtung verursacht wird und welches auf dem Bild auf einfache Art und Weise wahrnehmbar ist, im wesentlichen gelöst werden. Infolgedessen kann durch den photoelektrischen Wandler gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Bildqualität mit einem hohen Signal-Rausch-Abstand erhalten werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann bei dem aus einer Vielzahl von Photosensorzellen bestehenden photoelektrischen Wandler gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Endstufen-Verstärker einen sehr einfachen Aufbau aufweisen, so daß über den photoelektrischen Wandler des Typs, bei dem wie in Fig. 7 gezeigt lediglich ein Verstärker in der Endstufe angeordnet ist, hinaus eine Vielzahl von Verstärkern derart angeordnet werden können, daß ein Bildrahmen in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden kann, die separat ausgelesen werden können.
  • Fig. 11 zeigt ein Beispiel eines geteilten oder Mehrfach-Auslesesystems, bei dem ein photoelektrischer Wandler in drei Abschnitte in der horizontalen Richtung unterteilt ist und drei Endstufen-Verstärker vorhanden sind. Die grundlegende Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen dieselbe wie die des im Einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 (a) beschriebenen Ausführungsbeispiels, jedoch sind in dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel drei äquivalente horizontale Schiebewiderstände 100, 101 und 102 vorgesehen. Wenn ein Startimpuls an einen Anschluß 103 angelegt wird, um diesen den horizontalen Schieberegistern 100, 101 und 102 zuzuführen, können die Ausgangssignale der mit der ersten Spalte, der (n&spplus;1)-ten Spalte und der (2n+1)-ten Spalte (worin n eine Ganzzahl ist und in diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl von 3n Bildelementen oder Pixeln in jeder horizontalen Reihe bzw. Zeile angeordnet sind) verbundenen Photosensorzellen gleichzeitig ausgelesen werden. In den nächsten Schritt werden die zweite, die (n+2)-te und die (2n+2)-te Spalte ausgelesen.
  • In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel wird dann, wenn eine Zeitdauer, die zum Auslesen einer horizontalen Leituhg fest ist, die erforderliche-horizontale Abtastfrequenz 1/3 verglichen mit dem System, bei dem nur ein Endstufen-Verstärker vorhanden ist. Infolgedessen können die horizontalen Schieberegister einfach hergestellt werden. Ein weiterer großer Vorteil des Mehrfach-Auslesesystems besteht darin, daß auch dann, wenn das analoge Ausgangssignal aus dem photoelektrischen Wandler in ein digitales Signal umgewandelt und das digitale Signal weiter verarbeitet wird, kein schneller Analog-Digital-Wandler verwendet werden muß.
  • Indem wie in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei äquivalente horizontale Schieberegister vorgesehen, jedoch kann dieselbe Funktion auch mit nur einen horizontalen Schieberegister erzielt werden, wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben wird.
  • In Fig. 12 sind von den ebenfalls in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 enthaltenen Elementen nur horizontale MOS-Schalttransistoren und ein Zwischenabschnitt eines Endstufenverstärkers gezeigt, weil die weiteren Anordnungen im wesentlichen gleich denen des in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiels sind.
  • In dem in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal eines horizontalen Schieberegisters 104 an die Gates der MOS-Schalttransistoren der ersten Spalte, der (n+1)-ten Spalte und der (2n&spplus;1)-ten Spalte angelegt, so daß diese Leitungen gleichzeitig ausgelesen werden. Im nächsten Schritt werden die zweite, die (n+2)-te und die (2n+2)-te Spalte gleichzeitig ausgelesen.
  • In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel kann der Auslesevorgang auch dann mit nur einem horizontalen Schieberegister ausgeführt werden, wenn sich die Anzahl der mit den Gates der schaltenden MOS-Leitungs-Transistoren verbundenen Leitungen erhöht.
  • In den in Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsbeispielen sind drei Ausgangsverstärker vorgesehen, jedoch kann die Anzahl der Ausgangsverstärker entsprechend den Anforderungen in Anbetracht des Objekts weiter erhöht werden.
  • In den Fig. 11 und 12 sind die Startimpulse und die Taktimpulse, die den horizontalen und vertikalen Schieberegistern zuzuführen sind, nicht gezeigt; diese Im pulse können von einem Taktimpulsgenerator zugeführt werden, der auf dem selben Halbleiterplättchen oder einem anderen Halbleiterplättchen, wie es bei den Auffrischungsimpulsen der Fall ist, angeordnet sein kann.
  • Wenn der Leitungsauffrischungsvorgang oder der Rahmen- Auffrischungsvorgang bei dem Mehrfach-Auslesesystem der vorstehend beschriebenen Art ausgeführt wird, unterscheidet sich die Speicherzeit der Photosensorzellen der n-ten Spalte geringfügig von der Speicherzeit der Photosensorzellen der (n+1)-ten Spalte. Infolgedessen kann eine geringfügige Unstetigkeit der Dunkelstronkomponente und der Signalkomponente auftreten und auf dem abgebildetem Bild beobachtet werden. In der Praxis jedoch ist das Ausmaß der Unstetigkeit extrem klein, so daß hieraus kein Problem entsteht. Selbst dann, wenn die Unstetigkeit ein tolerierbares Maß überschreitet, kann eine externe Schaltung verwendet werden, um sie auf einfache Art und Weise zu kompensieren, indem ein herkömmliches Kompensationsverfahren verwendet wird, welches die Erzeugung eines sägezahnförmigen Signalverlaufs, die Subtraktion desselben von der Dunkelstromkomponente und die Multiplikation derselben mit oder Division derselben durch die Signalkomponente umfaßt.
  • Wenn der photoelektrische Wandler gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu verwendet wird, ein Farbbild aufzunehmen, kann ein Streifenfilter oder ein Mosaikfilter integral über dem Halbleiterplättchen des photoelektrischen Wandlers ausgebildet werden, oder es kann ein separates Filter auf den photoelektrischen Wandler gebondet werden, so daß die Farbsignale erhalten werden können.
  • Wenn beispielsweise ein R-G-B-Streifenfilter verwendet wird, können die R-G-B-Signale aus separaten Endstufen- Verstärkern abgeleitet werden, wie in einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 gezeigt. Wie es bei Fig. 12 der Fall ist, zeigt auch Fig. 13 nur ein horizontales schieberegister und dessen zugeordnete Teile, während weitere Anordnungen im wesentlichen vergleichbar zu den in Fig. 7 und 11 gezeigten sind. Es wird angenommen, daß die erste Spalte mit einem R-Farbfilter versehen ist; die zweite Spalte mit einen G-Farbfilter versehen ist; die dritte Spalte mit einem B-Farbfilter versehen ist; die vierte Spalte mit einem R-Farbfilter versehen ist;usw. Wie in Fig. 13 gezeigt, sind die vertikalen Leitungen in der ersten, vierten, siebten usw. Spalte mit einer Ausgangsleitung 110 verbunden, so daß das R- Signal an dieser abgegriffen werden kann. Die vertikalen Leitungen der zweiten, fünften, achten usw. Spalte sind mit einer Ausgangsleitung 111 verbunden, um dort das G-Signal abzugreifen. Auf vergleichbare Art und Weise sind die vertikalen Leitungen der dritten, sechsten, neunten usw. Spalte sind mit einer Ausgangsleitung 112 verbunden, so daß das B-Signal abgegriffen werden kann. Diese Ausgangsleitungen 110, 111 und 112 sind mit Auffrischungs-MOS-Transistoren und Endstufen- Verstärkern wie beispielsweise auf demselben Halbleiterplättchen vorgesehenen Emitterfolgern verbunden, wodurch jeweilige Farbsignale abgeleitet werden können.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 14 der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines weiteren Ausführungsbeispiels der Photosensorzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung beschrieben, welche dazu verwendet werden kann, einen photoelektrischen Wandler aufzubauen. Fig. 15(a) zeigt eine Gesantschaltung eines photoelektrischen Wandlers, der eine Vielzahl von Photosensorzellen der in Fig. 14 gezeigten Art umfaßt, von welchen einige durch äquivalente schaltungen gezeigt sind.
  • In Übereinstimmung mit der in Fig. 14 gezeigten Photosensorzelle können der Auslesevorgang und der Leitungsauffrischungsvorgang gleichzeitig mit demselben Abtastimpuls durchgeführt werden. Während bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nur eine MOS-Kondensatorelektrode 9 mit der horizontalen Leitung verbunden ist, ist bei den in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine MOS-Kondensatorelektrode 120 mit der horizontalen Leitung 10 verbunden und erstreckt sich in eine Photosensorzelle, die angrenzend unter der betrachteten Photosensorzelle vorgesehen ist. Infolgedessen weist eine Photosensorzelle einen Doppel-Kondensator-Aufbau auf. Das in Fig. 14 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich weiter von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Emitter 7 und 7' der vertikal benachbarten Photosensorzellen jeweils und abwechselndmit den Leitern 8 und 121 verbunden sind und zwei Schichten bilden (Fig. 14 kann so erscheinen, daß sie nur eine vertikale Leitung zeigt, jedoch sind zwei Leitungen vorhanden und durch eine zwischenliegende isolierende Schicht voneinander isoliert). D.h., der Emitter 7 ist durch eine kontaktöffnung 19 mit dem Leiter 8 verbunden, während der Emitter 7' durch eine Kontaktöffnung 19' mit dem Leiter 121 verbunden ist.
  • Diese Anordnungen treten deutlicherzutage, wenn auf eine in Fig. 15(a) gezeigte Anordnung Bezug genommen wird. Im einzelnen ist ein MOS-Kondensator 150, der mit der Basis einer Photosensorzelle 152 verbunden ist, mit einer horizontalen Leitung 31 verbunden, und ist ein MOS-Kondensator 151 mit einer horizontalen Leitung 31' verbunden. Ein MOS-Kondensator 150 einer Photosensorzelle 152', die unmittelbar unter der Photosensorzelle 152 angeordnet ist, ist ebenfalls mit der horizontalen Leitung 31' verbunden.
  • Der Emitter der Photosensorzelle 152 ist mit einer vertikalen Leitung 38 verbunden, und der Emitter der Pho tosensorzelle 152' ist mit einer vertikalen Leitung 138 verbunden. Der Emitter einer Photosensorzelle 152" ist wiederum mit der vertikalen Leitung 38 verbunden. Auf diese Art und Weise sind die Emitter der Photosensorzeilen in einer Spalte abwechselnd mit den vertikalen Leitungen 38 und 138 verbunden.
  • Zusätzlich zu den die vorstehend beschriebenen Einheits-Photosensorzellen betreffenden Unterschiedem unterscheidet sich die in Fig. 15(a) gezeigte äquivalente Schaltung außerdem dadurch von der in Fig. 7 gezeigten Schaltung der Bildaufnahmeeinrichtung, daß dort zusätzlich zu einem schaltenden MOS-Transistor 48 zum Auffrischen der vertikalen Leitung 38 ein schaltender MOS- Transistor 148 zum Auffrischen der vertikalen Leitung 138 und zusätzlich zu einem schaltenden MOS-Transistor 40 zum Auswählen der vertikalen Leitung 38 ein schaltender MOS-Transistor 140 zum Auswählen der vertikalen Leitung 140 vorgesehen sind. Darüber hinaus ist ein zusätzliches Ausgangsverstärkersystem vorgesehen. Das Ausgangssystem ist derart ausgebildet, daß die schaltenden MOS-Transistoren 40 bzw. 140 zum Auswählen der vertikalen Leitungen mit den schaltenden MOS-Transistoren 43 bzw. 148 verbunden sind. Wie in Fig. 15(b) gezeigt, ist es möglich, durch Verwenden eines zusätzlichen schaltenden MOS-Transistors 240 zur horizontalen Abtastung nur einen Ausgangsverstärker zu verwenden. Fig. 15(b) zeigt nur das Auswahisystem für die vertikale Leitung und das Ausgangsverstärkersystem, die denjenigen in Fig. 15(a) entsprechen.
  • Mit der wie in Fig. 14 gezeigten Photosensorzelle und dein wie in Fig. 15(a) gezeigten photoelektrischen Wandler ist der folgende Betriebsablauf möglich. D.h., während der horizontalen Austastperiode wie beispielsweise in einem Fernsehempfänger wird, nachdem die Ausgangssignale aus den mit der horizontalen Leitung 31 verbundenen Photosensorzellen ausgelesen wurden, der Ausgangsimpuls von dem vertikalen Schieberegister 32 ausgegeben und der horizontalen Leitung 31' zugeführt, wodurch die Photosensorzelle 152, für welche der Auslesevorgang beendet worden ist, durch den MOS-Kondensator 151 aufgefrischt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der schaltende MOS-Transistor 48 eingeschaltet, und die vertikale Leitung 38 wird geerdet.
  • Das Ausgangssignal der Photosensorzelle 1521 wird durch den MOS-Kondensator 1501, der mit der horizontalen Leitung 31' verbunden ist, an die vertikale Leitung 138 ausgegeben. Natürlich wird zu diesem Zeitpunkt der schaltende MOS-Transistor 148 ausgeschaltet, so daß die vertikale Leitung 138 schwebend wird. Wie vorstehend beschrieben, können in Antwort auf einen einzelnen vertikalen Abtastimpuls der Auffrischungsvorgang einer Photosensorzelle, deren Ausgangssignal ausgelesen wurde, und der Auslesevorgang einer Photosensorzelle der nächsten Zeile, gleichzeitig ausgeführt werden. Hierbei ist die Auffrischungsspannung wünschenswerterweise von der Auslesespannung verschieden, weil bei dem Auslesevorgang eine Biasspannung zu der Auslesespannung hinzuaddiert wird, um den schnellen Auslesevorgang zu erleichtern. Daher wird, wie in Fig. 14 gezeigt, die Fläche der MOS-Kondensatorelektrode 9 anders als die Flächedes MOS-Kondensators 120 ausgebildet, so daß auch dann, wenn dieselben Spannungen an diese angelegt werden, unterschiedliche Spannungen an die Basen der jeweiligen Photosensorzellen angelegt werden.
  • D.h., die Fläche des auffrischenden MOS-Kondensators wird kleiner-gemacht als die Fläche des Auslese-MOS- Kondensators. Wenn die Photosensorzellen wie in diesem Fall leitungs- bzw. zeilenweise aufgefrischt werden, anstelle alle Photosensorzellen gleichzeitig aufzufrischen, kann der Kollektor aus dem n-Substrat wie in Fig. 1(b) gezeigt bestehen, jedoch ist es manchmal zu bevorzugen, einen separaten Kollektor für jede horizontale Leitung bzw. Zeile vorzusehen. Wenn der Kollektor aus dem Substrat besteht, wird ersichtlich, daß die Kollektoren aller Photosensorzellen einen gemeinsamen Bereich ausbilden, so daß während der Speicher- und Auslesevorgänge eine bestimmte Biasspannung an den Kollektor angelegt wird. Wie vorstehend beschrieben, ist es natürlich möglich, daß auch dann, wenn eine Biasspannung an die Kollektoren angelegt wird, der Auffrischungsvorgang einer schwebenden Basis durch einen Emitter ausgeführt werden kann. In diesem Fall ist damit jedoch ein Nachteil dahingehend verbunden, daß gleichzeitig mit dem Auffrischungsvorgang des Basisbereichs ein Verluststrom zwischen dem Emitter und dem Kollektor der Photosensorzelle, der der Auffrischungsimpuls zugeführt wurde, fließt, so daß der Leistungsverbrauch zunimmt. Um diesen Nachteil zu überwinden, werden, anstelle die Kollektoren gemeinsam mit allen Photosensorzellen zu verbinden, zwar die Kollektoren der Photosensorzellen auf jeder horizontalen Leitung gemeinsam angeschlossen, aber die Kollektoren auf den anderen horizontalen Leitungen gegeneinander isoliert. Im einzelnen - als Erklärung in Verbindung mit einer Struktur gemäß Fig. 1 - wird das Substrat aus einem p-Typ hergestellt, und vergrabene n oder n&spplus;-Schichten, die gegeneinahder isoliert sind, werden für Kollektoren auf jeweiligen horizontalen Leitungen ausgebildet. Die horizontal angrenzenden vergrabenen n oder n&spplus;-Bereiche kännen durch Zwischenlegen eines p-Bereichs zwischen dieselben voneinander isoliert werden. Um die Kapazität von entlang den horizontalen Leitungen vergrabenen Kollektoren zu verringern, ist es jedoch besser, diese mit einem isolierenden Material gegeneinander zu isolieren. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Kollektoren aus einem Substrat, so daß die die Photosensorzellen umgegebenden Isolationsbereiche bis in nahezu dieselbe Tiefe reichend ausgebildet werden. Um die Kollektoren zwischen einzelnen horizontalen Leitungen zu isolieren, werden die Isolationsbereiche in Richtung der horizontalen Leitung bevorzugt um einen benötigten bestimmten Wert tiefer ausgeformt als die Isolationsbereiche in Richtung der vertikalen Leitung.
  • Wenn die Kollektoren zwischen horizontalen Leitungen gegeneinander isoliert sind, fließt durch Erden der Kollektoren auf jeder horizontalen Leitung nach dem Auslesevorgang und vor dem Auffrischungsvorgang kein Strom zwischen dem Emitter und dem Kollektor, so daß verhindert wird, daß der Leistungsverbrauch zunimmt. Wenn der Ladungsspeichervorgang in Antwort auf das einfallende Lichtsignal nach dem Auffrischungsvorgang beginnt, wird erneut eine vorbestimmte Biasspannung an die Kollektorbereiche angelegt.
  • Wie in der äquivalenten Schaltung gemäß Fig. 15(a) gezeigt, werden die Ausgangssignale einzelner horizontalen Leitungen abwechselnd von den Ausgangsanschlüssen 47 und 147 abgegriffen. Wie hierin vorstehend beschrieben, können dann, wenn der photoelektrische Wandler wie in Fig. 15(b) entworfen und aufgebaut ist, die Ausgangssignale aus einem Verstärker erhalten werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß dem in Fig. 14 und 15 gezeigten Ausführungsbeispiel der Leitungsauffrischungsvorgang möglich, so daß der photoelektrische Wandler für Anwendungen wie beispielsweise Fernsehkameras und dergleichen verwendet werden kann.
  • Als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Photosensorzelle mit einer Vielzahl von Emittern versehen sein, oder es kann jeder Emitter mit einer Vielzahl von Kontakten versehen sein, so daß eine Vielzahl von Ausgangssignalen aus einer einzigen Photosensorzelle abgeleitet werden kann.
  • Dies ist möglich, weil jede Photosensorzelle des photoelektrischen Wandlers gemäß der Erfindung eine Fähigkeit zur Verstärkung aufweist, so daß es auch dann, wenn eine Vielzahl von Leiterkapazitäten mit jeder Sensorzelle verbunden sind, um eine Vielzahl von Ausgangssignalen aus jeder Photosensorzelle abzuleiten, möglich ist, jedes Ausgangssignal auszulesen, ohne irgendeine Dämpfung der in jeder Photosensorzelle erzeugten Speicherspannung zu verursachen.
  • Wenn ein photoelektrischer Wandler derart entworfen und aufgebaut ist, daß wie vorstehend beschrieben eine Vielzahl von Ausgangssignalen von jeder Photosensorzelle erhalten werden, können vom Standpunkt der Signalverarbeitung und von Gegenmaßnahmen gegen Störungen aus gesehen verschiedene Vorteile erhalten werden.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen eines photoelektrischen Wandlers in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 16 zeigt die Schritte zum Herstellen des photoelektrischen Wandlers durch ein ausgewähltes Epitaxial-Aufwachsverfahren (wie durch N. Endo et al. In "Novel Device Isolation Technology with Selected Epitaxial Growth" in Tech. Dig. IEDM 1982, Seiten 241 - 244 offenbart).
  • Ein Kontakt-n&spplus;-Bereich 11 wird durch Diffusion von As oder P über die rückseitige Fläche eines n-Si-Substrats 1 mit einer Verunreinigungskonzentration in der Größenordnung von 1 - 10 x 10¹&sup6; cm&supmin;³ erzeugt. Um eine selbständige Dotierung aus dem n&spplus;-Bereich zu vermeiden, wird die rückseitige Fläche des Siliziumsubstrats wie üblich mit einer Oxidschicht oder einer Nitridschicht hergestellt, obwohl diese in der Figur nicht gezeigt ist.
  • Als Substrat 1 wird ein solches mit einet gleichmäßig gesteuerten Verunreinigungskonzentration und Sauerstoffkonzentration verwendet. D.h., es wird ein gleichmäßiges Kristallwafer, in dem die Trägerlehensdauer ausreichend lang ist, verwendet, wobei ein derartiges Wafer beispielsweise durch das MCZ-Verfahren erhalten werden kann. Eine Oxidschicht wird durch ein Naßoxidationsverfahren mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 µ über der Oberfläche des Substrats ausgebildet. Infolgedessen wird die Oxidation in einer Atmosphäre von H&sub2;O oder H&sub2; + O&sub2; durchgeführt. Um die Oxidschicht ohne irgendwelche Schichtfehler zu erhalten, wird bevorzugt ein Hochdruck-Oxidationsprozess bei einer Tenperatur in der Größenordnung von 900ºC verwendet.
  • Über der Oxidschicht wird durch einen CVD-Prozess eine SiO&sub2;-Schicht mit der Dicke von beispielsweise etwa 2 bis 4 µm ausgebildet. Die SiO&sub2;-Schicht einer gewünschten Dicke kann bei einer Temperatur in der Größenordnung von zwischen 300 bis 500ºC in einem Gassystem aus N&sub2; + SiH&sub4; + O&sub2; abgeschieden werden. Das Molverhältnis von O&sub2; zu SiH&sub4; wird auf einen Wert zwischen 4 und 40 festgelegt, während es von der Temperatur abhängt. Mit Ausnahme des Abschnitts der Oxidschichten 4, die als Isolationsbereiche zwischen Zellen dienen, wird die Oxidschicht durch einen reaktiven Ionen-Ionen-Ätzprozess unter Verwendung eines Gases wie beispielsweise CF&sub4; + H&sub2;, C&sub2;F&sub6;, CH&sub2;F oder dergleichen entfernt (vgl. Fig. 16(a)). Wenn beispielsweise ein Bildelement pro 10 x 10 µm erzeugt wird, verbleibt die SiO&sub2;-Schicht in Form eines Netzes mit einem Abstand von 10 µm. Die Breite der SiO&sub2;-Schicht wird zu beispielsweise zwei µm gewählt. Nachdem beschädigte und kontaminierte Schichten, die während des reaktiven Ionen-Ätzprozesses gebildet wurden, durch einen Ar/Cl&sub2; Gas-Plasma-Ätzprozess oder einen Naß-Ätzprozeß entfernt worden sind, wird amorphes Silizium 301 durch einen Ultra-Hochvakuum-Abscheideprozeß,einen Sputterprozeß, dessen Atmosphäre durch den CVD-Prozeß mit verriegelter Last (bad lock type) oder einen CVD-Prözeß mit verringertem Druck, bei dem der CO&sub2;-Laserstrahl auf SiH&sub4;-Gas abstrahlt (vgl. Fig. 16(b)) ausreichend sauber gemacht worden war, abgeschieden. Danach wird das amorphe Silizium mit Ausnahme der über die Seitenflächen der SiO&sub2;-Schichten abgeschiedenen Abschnitte durch anisotropes Ätzen mittels des reaktiven Ionen-Ätzprozesses unter Verwendung eines Gases wie beispielsweise CBrF&sub3;, CCl&sub2;F&sub2;, Cl&sub2; oder dergleichen (vgl. Fig. 16(c)) entfernt. Nachdem beschädigte und kontaminierte Schichten, die in dem reaktiven Ionen-Ätzprozess gebildet wurden, wie zuvor ausreichend entfernt worden sind, wird die obere Fläche des Siliziumsubstrats 1 ausreichend gesäubert und ein selektives Aufwachsen einer Siliziumschicht in einem Gassystem vot H&sub2; + SiH&sub2;Cl&sub2; + HCl durchgeführt. Die Siliziumschicht wird in einer Atmosphäre mit auf wenige zehn Torr (wenige tausend Pascal) reduziertem Druck aufgewachsen. Die Temperatur des Substrats 1 wird zwischen 900 und 1000ºC gehalten. Das Molverhältnis von HCl wird auf einen verhältnismäßig hohen Wert eingestellt. Falls die Menge an HCl nicht ausreicht, tritt kein selektives Aufwachsen ein. Über dem Siliziumsubstrat wird eine Siliziumkristallschicht (epitaxiale Aufwachsschicht) ausgebildet, jedoch wird ein Teil des Siliziums auf der SiO&sub2;-Schicht mittels HCl weggeätzt, so daß kein Silizium auf der SiO&sub2;-Schicht abgeschieden wird (vgl. Fig. 16(d)). Die Dicke der auf diese Art und Weise erzeugten n&supmin;-Schicht 5 liegt beispielsweise in der Größenordnung zwischen 3 bis 5 µm.
  • Die Verunreinigungskonzentration wird bevorzugt auf einen Wert in der Größenordnung von 10¹² bis 10¹&sup6; cm&supmin;³ festgelegt. Natürlich kann die Verunreinigungskonzentration niedriger oder höher als der vorstehend beschriebene Bereich sein, jedoch wird bevorzugt, daß die Verunreinigungskonzentration und die Dicke der n&supmin;- Schicht derart gewählt sind, daß aufgrund des Diffusionspotentials des pn-Übergangs eine vollständig verarmte Schicht gebildet wird oder zumindest der n&supmin;-Bereich vollständig veramt, wenn eine Betriebsspannung an den Kollektor angelegt wird.
  • Handelsüblich erhältliches HCl-Gas enthält normalerweise eine große Menge Wasser, so daß sich immer eine Oxidschicht über der Fläche des Siliziumsubstrats 1 ausbildet, weswegen kein hochgualitatives Wachstum erwartet werden kann, wenn ein derartiges HCl-Gas verwendet wird. Wenn eine große Menge Wasser enthaltendes HCl-Gas in einen Zylinder gefüllt wird, reagiert es mit den Werkstoffen des Zylinders, so daß es eine große Menge schwerer Metalle, in der Hauptsache Eisen, enthält. Infolgedessen besteht eine Tendenz dahingehend, daß eine epitaxiale Aufwachsschicht, die mit schweren Metallen kontaminiert ist, erzeugt wird. Die epitaxiale Aufwachsschicht, die in einer Photosensorzelle verwendet wird, weist bevorzugt einen kleinstmöglichen Dunkelstrom auf, so daß die Kontamination mit schweren Metauen auf ein Minimum reduziert werden sollte. Es sollte ultrareines SiH&sub2;Cl verwendet werden sowie, zusätzlich, eine geringstmögliche Menge Wasser enthaltendes HCl, d.h. es sollte HCl mit einen Feuchtigkeitsgehalt von nicht mehr als 0,5 ppm verwendet werden. Je kleiner der Gehalt an Wasser, desto besser natürlich. Um die Qualität der epitaxialen Aufwachsschicht zu verbessern, ist es wirkungsvoll, das Substrat 1 auf eine hohe Temperatur von 1150 bis 1250ºC zu erwärmen, so daß der Sauerstoff in der Umgebung der Oberflächen des Substrats 1 entfernt wird, und danach das Substrat 1 für eine verhältnismäßig lange Zeitdauer bei etwa 800ºC wärmezubehandeln, um zahlreiche Mikrodefekte zu verursachen und dadurch das Substrat in ein solches zu überführen, bei dem Zonen freigelegt sind, die einem intrinsischen Getterprozess unterworfen werden können. Das epitaxiale Wachstum wird bei Vorhandensein der aus SiO&sub2; bestehenden Isolationsbereiche 4 durchgeführt, so daß, um die Migration des Sauerstoffs aus den SiO&sub2;-Bereichen zu verhindern, es bevorzugt wird, daß die Temperatur des epitaxialen Wachstums so niedrig wie möglich ist. Im Falle eines häufig verwendeten Hochfrequenz-Erwärmungsprozesses wird eine epitaxiale Aufwachsschicht durch einen Kohlenstoff-Rezeptor kontaminiert, so daß es schwierig ist, das epitaxiale Wachstum bei niedriger Temperatur durchzuführen. Wenn ein Prozeß zum direkten Erwärmen von Wafern durch Lampen, bei welchen kein Kohlenstoff-Rezeptor innerhalb einer Reaktionskammer angeordnet ist, verwendet wird, kann eine in hohem Maße gereinigte Atmosphäre aufrechterhalten werden, so daß eine hochgualitative epitaxiale Aufwachsschicht bei niedrigen Temperaturen erzeugt werden kann.
  • Ein in einer Reaktionskammer angeordnetes Wafer-Tragelement besteht bevorzugt aus ultrahochreinem, geschmolzenem Saphir mit einem geringeren Dampfdruck. Ein Prozess zum direkten Erwärmen von Wafern durch Lampen ist bestmöglich angepaßt zum Erhalten einer hochqualitativen epitaxialen Aufwachsschicht, weil Startmaterialgas oder -gase auf vergleichsweise einfache Art und Weise vorerwärmt werden können, und weil eine gleichmäßige Temperaturverteilung über einem Wafer auch bei Vorhandensein eines großen Gasstromvolumens erhalten werden kann, so daß kaum thermische Belastungen auftreten. Wenn während des epitaxialen Wachstums ultraviolette Strahlen auf die Oberflächen eines Wafers gerichtet werden, kann die Qualität der epitaxialen Aufwachsschicht weiter verbessert werden.
  • Amorphes Silizium wird auf den Seitenflächen der SiO&sub2;- Isolationsbereichs 4 (vgl. Fig. 16(c)) abgeschieden. Amorphes Silizium neigt dazu, während des Festphasenwachstums ein Einkristall zu werden, so daß Kristalle in der Umgebung der SiO&sub2;-Isolationsbereiche 4 qualitativ außerordentlich hervorragend sind. Nachdem die n&supmin;- Schicht 5 mit hohem Widerstand durch den ausgewählten epitaxialen Aufwachsvorgang erzeugt worden ist (vgl. Fig. 16(d)), wird durch Diffusion eines dotierten Oxids oder durch eine Diffusion, die als Quelle eine Niedrigdosis-Ioneninjektionsschicht verwendet, ein p-Bereich 6 mit einer Oberflächen-verunreinigungskonzentration von 1 bis 20 x 10¹&sup6; cm&supmin;³ und einer vorbestimmten Tiefe erzeugt. Die Tiefe des p-Bereichs 6 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0, 6 bis 1 µm.
  • Die Dicke und die Verunreinigungskonzentration des p-- Bereichs 6 werden unter Berücksichtigung der nachfolgenden Faktoren festgelegt. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, wird bevorzugt, daß die Verunreinigungskonzentration des p-Bereichs 6 derart verringert wird, daß die Kapazität Cbe reduziert wird. Die Kapazität Cbe ist grob gegeben durch
  • Cbe Ae ε(q NA/2ε Vbi)
  • worin Vbi : die durch
  • Vbi = kT/q ln Np - NA/ni²
  • gegebene Basis-Emitter-Diffusionsspannung;
  • ε : die Dielektrizitätskonstante eines Emitters;
  • ND : die Verunreinigungskonzentration in dem Emitter;
  • NA : die Verunreinigungskonzentration des Abschnitts einer Basis, die an den Emitter angrenzt; und
  • ni : die intrinsische Trägerkonzentration sind.
  • Je kleiner ND ist, desto kleiner wird die Kapazität Cbe, so daß die Empfindlichkeit erhöht wird. Wenn jedoch die Verunreinigungskonzentration NA zu klein genacht wird, verarmt der Basisbereich während des Betriebs vollständig, so daß ein Durchschlag auftritt. Daher kann die Verunreinigungskonzentration NA nicht zu klein gemacht werden. D.h., die Verunreinigungskonzentration NA wird so festgelegt, daß der Basisbereich nicht vollständig veramt und kein Durchschlag auftritt.
  • Nachstehendwird eine thermisch oxidierte Schicht 3 mit einer Dicke zwischen einigen bis einigen zehn Nanometern (einige zehn bis einige hundert Å (Angström) durch einen Dampfoxidationsprozess, der H + O&sub2; Gas verwendet, bei einer Temperatur von etwa 800 bis 900ºC auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats erzeugt. Danach wird eine Nitridschicht (Si&sub3;N&sub4;) 302 mit einer Dicke zwischen 50 bis 150 mm (500 bis 1500 Å) durch einen ein SiH&sub4; + NH&sub3; Gassystem verwendenden CVD-Prozess über der Oxid schicht 3 ausgebildet. Wie es bei HCl der Fall ist, enthält handelsüblich erhältliches, gewöhnliches NH&sub3; Gas eine große Menge Feuchtigkeit. Wenn eine große Menge Feuchtigkeit enthaltendes NH&sub3; Gas als Startmaterial verwendet wird, wird eine Nitridschicht mit einer hohen Sauerstoffkonzentration erzeugt. Außerdem wird die Reproduzierbarkeit in nachteiliger Weise beeinflußt, und ein exaktes Auswahlverhältnis kann nicht erhalten werden, wenn diese zusammen mit der Sie-Schicht einem selektiven Ätzvorgang unterworfen wird.
  • Es wird bevorzugt, daß der Wassergehalt in NH&sub3; Gas nicht größer ist als 0,5 pm. Je kleiner der Feuchtigkeitsgehalt natürlich, desto besser. Eine PSG-Schicht 303 wird durch einen CVD-Prozess auf der Nitridschicht 302 abgeschieden. Beispielsweise wird, wie in Fig. 16(e) gezeigt, die PSG-Schicht 303 mit einer Dicke von etwa 200 bis 300 nm (2000 bis 3000 Å) bei etwa 300 bis 400ºC durch einen CVD-Prozess, der ein N&sub2; + SiH&sub4; + O&sub2; + PH&sub3; System verwendet, abgeschieden. Durch einen zwei Maskenausrichtungsschritte umfassenden Photolithografie-Prozess wird eine As-dotierte Polysiliziumschicht 304 über dem n&spplus;-Bereich 7 und einer Elektrode, der ein Auffrischungsimpuls und ein Ausleseimpuls zugeführt werden, abgeschieden. In diesem Fall kann auch eine P-dotierte Polysiliziumschicht verwendet werden. Beispielsweise werden durch zwei Photolithografieschritte die PSG-Schicht, die Si&sub3;N&sub4;-Schicht und die SiO&sub2;-Schicht über den Emitter sämtlich entfernt, und es werden nur die PSG-Schicht und die Si&sub3;N&sub4;-Schicht an einem Abschnitt geätzt, an dem die Auffrischungs- und Ausleseimpuls- Zufuhrelektrode angeordnet ist, während die darunterliegende SiO&sub2;-Schicht belassen wird. Danach wird eine As-dotierte Polysiliziumschicht durch einem CVD-Prozess, der ein N&sub2; + SiH&sub4; + AsH&sub3; Gassystem oder ein H&sub2; + SiH&sub4; + AsH&sub3; Gassystem verwendet, abgeschieden. Die Abscheidetemperatur liegt etwa bei 550 bis 700ºC, und die Dicke beträgt etwa 100 bis 200 nm (1000 bis 2000 Å.) Es ist natürlich möglich, daß nach der Abscheidung einer nicht dotierten Polysiliziunschicht As oder P in die Schicht diffundiert wird. Nach einem einen Maskenausrichtungsschritt umfassenden Photolithografieprozess wird die Polysiliziumschicht mit Ausnahme der Abschnitte auf dem Emitter und den Auffrischungs- und Ausleseimpuls-Zufuhrelektroden durch Ätzen entfernt. Wenn die PSG-Schicht weiter geätzt wird, wird das auf der PSG-Schicht abgeschiedene Polysilizium in einer selbstausrichtenden Art und Weise durch Abheben entfernt (vgl. Fig. 16(f)). Die Polysiliziumschicht kann unter Verwendung von C&sub2;Cl&sub2;F&sub4; Gas oder CBrF&sub3; + Cl&sub2; Gas geätzt werden, und die Si&sub3;N&sub4;-Schicht kann unter Verwendung eines CH&sub2;F&sub2;-Gases oder dergleichen geätzt werden.
  • Als nächstes wird eine aus PSG bestehende isolierende Schicht 305 auf eine zu der vorstehend beschriebenen Art und Weise ähnliche Art und Weise durch Verwenden eines gasförmigen CVD Systems abgeschieden, und sodann durch einen Maskierungsschritt, dem ein Ätzschritt nachfolgt, Kontaktlöcher zu der Polysiliziumschicht der Auffrischungs- und Ausleseimpuls-Zufuhrelektrode geöffnet. Danach wird ein Metall wie beispielsweise Al, Al- Si oder Al-Cu-Si durch ein Vakuum-Abscheideverfahren oder ein Sputter-Verfahren abgeschieden, oder es wird Al durch einen Plasma-CVD-Prozess, der (CH&sub3;)&sub3;Al oder AlCl&sub3; als Startmaterialgas verwendet, oder durch einen Lichteinstrahlungs-CVD-Prozess, bei dem ein Al-C-Bond oder ein Al-Cl-Bond direkt durch die Einstrahlung von Licht geschnitten wird, abgeschieden. Im Falle des CVD- Prozesses des (CH&sub3;)&sub3;Al oder AlCl&sub3; als Startmaterial verwendenden Typs wird veranlaßt, daß eine stark überschüssige Menge an Wasserstoff strömt. Um Aluminium (Al) in ein enges Kontaktloch mit steilem Wandverlauf abzuscheiden, eignet shch besonders ein CVD-Prozess, bei dem die Substrattemperatur in einer sauberen Atmosphäreosphäre, die keine Feuchtigkeit oder Sauerstoff enthält, auf 300 bis 400ºC erwärmt wird. Nachdem das Metall-Leitermuster 10 wie in Fig. 1 gezeigt erzeugt wurde, wird eine isolierende Schicht 306 zur Isolation zwischen Schichten durch einen CVD-Prozess abgeschieden. Die isolierende Schicht 306 kann aus der vorstehend beschriebenen PSG-Schicht, der CVD-SiO&sub2;-Schicht oder, wenn der Widerstand des Wassers berücksichtigt werden muß, aus einer durch einen Plasma-CVD-Prozess, der ein SiH&sub4; + NH&sub3; Gassystem verwendet, erzeugten Si&sub3;N&sub4;- Schichtbestehen. Um den Wassergehalt in der Si&sub3;N&sub4;- Schicht zu reduzieren, wird die Schicht bevorzugt durch einen Plasma-CVD-Prozess, der ein SiH&sub4; + N&sub2; Gassystem verwendet, erzeugt.
  • Um die durch den Plasma-CVD-Prozess erzeugten Schäden zu reduzieren, die Durchbruchspannung einer erzeugten Si&sub3;N&sub4;-Schicht zu erhöhen und einen Leckstrom zu verringern, ist der Licht-CVD-Prozess gegenüber dem Plasma- CVD-Prozess besser geeignet. Es sind zwei Licht-CVD- Prozesse bekannt. Einer hiervon ist ein Prozess, bei dem ultraviolettes Licht von 253,7 nm (2537 Å), das von einer außenliegenden Quecksilberlampe emittiert wird, auf ein SiH&sub4; + NH&sub3; + Hg Gassystem abgestrahlt wird, und der andere ist ein Prozess, bei dem ultraviolettes Licht von 184,9 nm (1849 Å), das von einer außenliegen den Quecksilberlampe emittiert wird, auf ein SiH&sub4; + NH&sub3; Gassystem abgestrahlt wird. In beiden Prozessen wird die Substrattemperatur auf einer Temperatur in der Größenordnung von 150 bis 350ºC gehalten. Ein Kontaktloch wird durch einen Maskierungsschritt und einen reaktiven Ionen-Ätzschritt durch die isolierenden Schichten 305 und 306 hindurch in die Polysiliziumschicht auf dem Emitter 7 geöffnet. Danach wird ein Metall wie beispielsweise Al, Al-Si, Al-Cu-Si oder dergleichen auf die vorstehend beschriebene Art undweise abgeschieden. Ein CVD-Prozess ist für diesen Zweck besser geeignet, weil das Seitenverhältnis des Kontaktlochs hoch ist. Nachdem das Metall-Leitermuster 8 wie in Fig. 1 gezeigt hergestellt wurde, wird eine aus Si&sub3;N&sub4; oder PSG bestehende Passivierungsschicht 2 durch einen CVD-Prozess abgeschieden (vgl. Fig. 16(g)).
  • In diesem Fall ist die Verwehdung eines Licht-CVD-Prozesses besser geeignet. Eine aus Al oder Al-Si bestehende Metallelektrode 12 wird über der rückseitigen Fläche des Substrats 1 ausgebildet.
  • Verschiedene Verfahren-können angewandt werden, un den photoelektrischen Wandler gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel herzustellen; unter Bezugnahme auf Fig. 16 wurde lediglich ein Beispiel hierfür beschrieben.
  • Einer der sehr wichtigen Faktoren des photoelektrischen Wandlers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie die Leckströme zwischen dem p-Bereich 6 und dem n&supmin;-Bereich 5 und zwischen dem p-Bereich 6 und dem n&spplus;-Bereich 7 auf ein Minimum verringert werden. Es ist natürlich erforderlich, daß die Qualität des n&supmin;-Bereichs 5 verbessert wird, so daß der Dunkelstrom bis auf ein Minimum unterdrückt wird, jedoch liegt ein zu berücksichtigendes Problem eher bei der Schnittstelle zwischen dem aus einer Oxidschicht bestehenden Isolationsbereich 4 und dem n&supmin;-Bereich 5. Um dieses Problem zu lösen, wurde unter Bezugnahme auf Fig. 16 beschrieben, daß das epitaxiale Wachstum durchgeführt wird, nachdem amorphes Silizium auf die Seitenflächen des Isolationsbereichs 4 abgeschieden ist. In diesen Fall wird während des epitaxialen Wachstumsschritts amorphes Silizium durch das Festphasenwachstum aus dem Siliziumsubstrat 1 in einen Einkristall umgewandelt. Der epitaxiale Wachstumsschritt wird bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur zwischen 850 und 1000ºC durchgeführt, so daß feine kristalle dazu neigen, in amorphes Silizium zu wachsen, bevor amorphes Silizium durch das Festphasenwachstum aus dem Siliziumsubstrat 1 in einen Einkristall umgewandelt wird. Infolgedessen verschlechtern sich die Eigenschaften des Kristalls. Wenn die Temperatur niedrig ist, wird die Rate des Festphasenwachstums bei weitem verhältnismäßig höher als die Rate, mit der feine Kristalle in amorphes Silizium wachsen. Daher wird amorphes Silizium vor dem ausgewählten epitaxialen Wachstum bei einer niedrigen Temperatur in der Größenordnung von 550 bis 700ºC in einen Einkristalt umgewandelt, so daß die Eigenschaften der Schnittstelle verbessert werden können. In diesem Fall wird dann, wenn sich eine Oxidschicht oder dergleichen zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem amorphen Silizium befindet, die Einleitung des Festphasenwachstums verzögert, so daß ein ultrareiner Prozess benötigt wird, damit keine solche Schicht ander Schnittstelle bzw. am Übergang zwischen diesen vorhanden ist.
  • Für das Festphasenwachstum von amorphem Silizium kann zusätzlich zu dem wie vorstehend beschriebenen Ofenwachstumsprozess - wirkungsvoll ein schneller Vergütungsprozess eingesetzt werden, bei dem eine Erwärmung durch eine Blitzlampe oder eine Infrarotlampe für einige oder einige zehn Sekunden durchgeführt wird, während das Siliziumsubstrat auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird. Wenn der schnelle Vergütungsprozess verwendet wird, kann Polysilizium über die Seitenflächen des SiO&sub2;-Bereichs abgeschieden werden. Es ist jedoch erforderlich, daß die Abscheidung in einer sehr sauberen Atmosphäre durchgeführt wird und Polysilizium, dessen Kristallgrenzen frei von Sauerstoff, Kohlenstoff und dergleichen sind, verwendet wird.
  • Nachdem das auf den Seitenflächen der SiO&sub2;-Schicht abgeschiedene Silizium in einen Einkristall umgewandelt worden ist, wird das selektive Wachstum von Silizium eingeleitet.
  • Wenn der Leckstrom an der Schnittstelle zwischen dem SiO&sub2;-Isolationsbereich 4 unü dem n&supmin;-Bereich 5 mit hohem Widerstand weiter problematisch ist, wird bevorzugt die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen nur in- einem Abschnitt des n&supmin;-Bereichs 5 mit hohem Widerstand, der an den SiO&sub2;-Isolationsbereich angrenzt, erhöht, um das Problem des Leckstroms zu beseitigen. Beispielsweise wird die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in dem Abschnitt mit einer Dicke, die von 0,3 bis 1 µm reicht, des n&supmin;-Bereichs 5, der an den SiO&sub2;-Isolationsbereich 4 angrenzt, erhöht. Diese Struktur kann auf eine verhältnismäßig einfache Art und Weise realisiert werden. D.h., nachdem eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 µm thermisch auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgewachsen wurde, wird durch einen CVD-Prozess eine eine vorbestimmte Menge an P enthaltende SiO&sub2;-Schicht abgeschieden. Danach wird durch einen CVD- Prozess eine SiO&sub2;-Schicht abgeschieden, um den Isolationsbereich 4 zu erzeugen. Darauffolgend wird das Substrat 1 einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen derart, daß eine zufriedenstellende Verunreinigungsverteilung so, daß die Verunreinigungskonzentration an der Schnittstelle am höchsten ist, erhalten werden kann, weil der Phosphor aus der geschichteten SiO&sub2;-Schicht in dem Isolationsbereich 4 in den n&supmin;-Bereich 5 mit hohem Widerstand diffundiert.
  • Im einzelnen wird eine Struktur gemäß Fig. 17 aufgebaut. Der Isolationsbereich 4 umfaßt drei Schichten, d.h. eine thermisch aufgewachsene Oxidschicht (SiO&sub2;) 308, eine durch einen CVD-Prozess erzeugte und Phosphor P enthaltende SiO&sub2;-Schicht 309 und eine durch einen CVD-Prozess erzeugte SiO&sub2;-Schicht. Ein n-Bereich 307 wird durch Diffusion aus der Phosphor enthaltenden SiO&sub2;-Schicht an der Schnittstelle zwischen dem Isolationsbereich 4 und dem n&supmin;-Bereich 5 erzeugt. Sodann wird der n-Bereich 307 entlang des gesamten Umfangs einer Zelle ausgebildet. Mit dieser Struktur wird zwar die Basis-Kollektor-Kapazität Cbc erhöht, aber der Leckstrom zwischen der Basis und dem Kollektor beträchtlich verringert.
  • Insoweit wurde ein Beispiel unter Bezugnahme auf Fig. 16 beschrieben, bei dem das ausgewählte epitaxiale Wachstum durchgeführt wird, nachdem der Isolationsbereich 4 erzeugt wurde, wobei jedoch anzumerken ist, daß auch die U-Nut-Isolationstechnik angewandt werden kann, bei der ein erforderlicher n&supmin;-Bereich 5 mit hohem Widerstand epitaxial auf die Oberfläche des Substrats aufgewachsen wird und ein einen Isolationsbereich bildender Abschnitt desselben durch einen reaktiven Ionen- Ätzprozess gitterförmig geschnitten wird, wodurch der Isolationsbereich 4 ausgebildet wird (A. Hayasaka et al., "U-groove isolation technique for high speed bipolar VLSI's", in Tech Dig. IEDM 1982, Seite 62).
  • Der erfindungsgemäße photoelektrische Wandler in Übereinstimmung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist dadurch gekennzeichnet, daß ein bipolarer Transistor, dessen Hauptabschnitt ein schwebender Basisbereich in der Umgebung einer Halbleiterwafer- Oberfläche ist, in einem Bereich ausgebildet wird, der von einem aus einem isolierenden Material bestehendem Isolationsbereich umgeben ist, und bei dem das Potential des schwebenden Basisbereichs über eine Elektrode, die an einem Teil des Basisbereichs angeordnet ist, durch eine dünne isolierende Schicht gesteuert wird, wodurch Lichtinformation in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Ein Emitterbereich mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen ist an einem Teil des Basisbereichs angeordnet und mit einem MOS-Transistor verbunden, der in Abhängigkeit von einem horizontalen Abtastimpuls betrieben wird. Die vorstehend erwähnte Elektrode, die durch eine dünne isolierende Schicht an einem Abschnitt des schwebenden Basisbereichs angeordnet ist, ist mit einer horizontalen Leitung verbunden. Der innerhalb des Wafers angeordnete Kollektor kann je nach beabsichtigtem Zweck aus einem Substrat oder einem Bereich mit hoher Verunreinigungskonzentration, der in einem Substrat mit hohem Widerstand des entgegengesetzten Leitungstyps vergraben ist, bestehen. Eine Impulsspannung, die zum Auslesen des Signals zugeführt wird, ist wesentlich höher als eine Impulsspannung, die zum Auffrischen des schwebenden Basisbereichs zugeführt wird. In der Praxis kann eine Impulskette, die aus Impulsen mit zwei unterschiedlichen Spannungspegeln besteht, verwendet werden. Ferner kann, wie in Verbindung mit der Struktur eines Doppelkondensators beschrieben, die Kapazität Co einer Auslese-MOS-Kondensatorelektrode größer gemacht werden als die Kapazität Cox einer Auffrischungs-MOS-Kondensatorelektrode.
  • Die photoangeregten Träger werden in dem schwebenden Basisbereich, der in Antwort auf einen zugeführten Auffrischungsimpuls in Sperrichtung vorgespannt wurde, gespeichert, so daß das dem Lichtsignal entsprechende Signal gespeichert wird. Bei dem Signalauslesevorgang wird eine Ausleseimpulsspannung derart zugeführt, daß der Basis-Emitter-Übergang stark in Durchlaßrichtung vorgespanntwird, so daß das Signal mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen werden kann. Die vorstehend beschriebene Struktur und Betriebsart stellen kennzeichnende Merkmale der Ausführungsbeispiele dar. Soweit solche Merkmale wie vorstehend beschrieben verwirklicht werden, kann der photoelektrischen Wandler jeden beliebigen Aufbau haben, so daß die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
  • Beispielsweise kann der photoelektrischen Wandler gemäß der Erfindung eine Struktur wie vorstehend beschrieben haben, während die Leitungstypen verschiedener Bereiche und Schichten umgekehrt sind. In diesem Fall sind auch die Polaritäten der zugeführten Spannungen umgekehrt. D.h., in einem Ausführungsbeispiel, in dem die Leitungstypen umgekehrt sind, ist der Basisbereich vom n-Typ. Im einzelnen enthält der Basisbereich As- oder P-Verunreinigungen. Wenn die Fläche eines As oder P enthaltenden Bereichs oxidiert wird, wird an dem Übergang zwischen Silizium und SiO&sub2; As oder p auf der Seite des Siliziumsangehäuft. Infolgedessen wird ein starkes, innerhalb der Basis von der Oberfläche nach innen gerichtetes elektrisches Ablenkfeld erzeugt, so daß die photoangeregten Löcher sofort in den Kollektor fließen und somit Elektronen auf effiziente Art und Weise in der Basis gespeichert werden.
  • In dem Fall, in dem die Basis vom p-Typ ist, ist Bor eine üblicherweise verwendete Verunreinigung. Wenn die Oberfläche eines Bor enthaltenden p-Bereichs thermisch oxidiert wird, dringt Bor in eine Oxidschicht ein, so daß die Konzentration von Bor in dem an den Übergang zwischen Silizium und SiO&sub2; angrenzenden Silizium niedriger wird als die Konzentration von Bor innerhalb des p-Bereichs. Die Tiefe der durchlässigen Schicht liegt vorwiegend in der Größenordnung einiger zehn Nanometer (einiger hundert Angström (Å)), wobei sie von der Dicke der Oxidschicht abhängt. Ein umgekehrt gerichtetes elektrisches Ablenkfeld für Elektronen wird in der Umgebung des Übergangs erzeugt, so daß die photoangeregten Elektronen in diesem Bereich dazu neigen, sich an der Oberfläche zu sammeln. Unter diesen Bedingungen kann der Bereich, in dem das umgekehrt gerichtete elektrische Ablenkfeld erzeugt wird, zu einem toten Bereich werden. In Übereinstimmung mit den vorliegenden Ausführungsbeispielen jedoch ist ein n&spplus;-Bereich an einem Abschnitt entlang der Oberfläche vorhanden, so daß die an dem Übergang zwischen Silizium und SiO&sub2; in dem p-Bereich gesammelten Elektronen veranlaßt werden, in diesen n&spplus;-Bereich zu fließen, bevor die Rekombination auftritt. Infolgedessen wird dieser Bereich auch dann, wenn die Boranzahl an dem Übergang zwischen Silizium und SiO&sub2; geringer ist, so daß der Bereich mit einem entgegengesetzt gerichteten elektrischen Ablenkfeld vorhanden ist, nicht zu einem toten Bereich werden. Wenn vielmehr ein solcher Bereich an dem Übergang zwischen Silizium und SiO&sub2; vorhanden ist, werden die gespeicherten Löcher gezwungen, den Si/SiO&sub2;-Übergang zu verlassen und nach innen zu wandern. Infolgedessen geht der Effekt, daß die Löcher an dem Übergang verschwinden, verloren, so daß die effektive Speicherung von Löchern in der Basis des p-Bereichs gesteigert werden kann. Phänomene wie die vorstehend beschriebenen sind höchst erwünscht.
  • Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlers, der in einer einen schnellen Auffrischungsvorgang erlaubenden transienten Auffrischungsbetriebsart arbeitet, beschrieben. Zunächst Bezug nehmend auf Fig. 8(b), werden die Änderungen der Emitter-, Basis- und Kollektorpotentialpegel beschrieben, wenn ein transienter Auffrischungsvorgang, ein speichervorgang und ein Auslesevorgang zyklisch in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Die Spannungspegel an verschiedenen Punkten werden von extern betrachtet, so daß einige derselben nicht den internen Potentialpegeln entsprechen.
  • Zur Vereinfachung der Erklärung ist das Diffusionspotential zwischen einem Emitter und einer Basis niclit gezeigt. Demgemäß liegt dann, wenn das Emitterpotential und das Basispotential in Fig. 8(b) so dargestellt werden, als hätten sie denselben Pegel, ein durch den nachfolgenden Ausdruck gegebenes Di ffusionspotential zwischen dem Emitter und der Basis:
  • k T/q ln ND NA/ni
  • In Fig. 8(b) repräsentieren Zustände 1 und 2 einen Auffrischungsvorgang; 3 einen speichervorgang; 4 und 5 einen Auslesevorgang; und 6 einen Vorgang dann, wenn der Emitter geerdet ist. Die negative Spannung ist als oberhalb der Nullspannungslinie liegend dargestellt, während die positive Spannung als unterhalb der Nullspannungslinie liegend dargestellt ist. Eswird angenommen, daß das Basispotential vor dem Zustand 1 auf null Volt gehalten wird, und daß das Kollektorpotential über die Zustände 1 bis 6 auf eäne positive Spannung vorgespannt wird.
  • Nachstehend wird der die vorstehend erwähnte Reihe von Schritten unfassende Betriebsablauf unter weiterer Bezugnahme aut das Zeitverlaufsdiagramm gemäß Fig. 8(a) beschrieben.
  • Eine positive Spannung oder Auffrischungsspannung VRH wird zu einer Zeit t&sub1; an einen Anschluß 37 angelegt, wie in einem Signalverlauf 67 gemäß Fig. 8(a) gezeigt. Sodann wird, wie durch einen Potentialpegel 200 in dem Zustand 1 in Fig. 8(b) gezeigt, eine durch
  • Cox/Cox + Cbe + Cbe VRH
  • ausgedrückte verteilte Spannung wie vorstehend beschrieben an die Basis angelegt. Dieses Potential wird von t&sub1; nach t&sub2; langsam auf null verringert und wird zu einem Potential 201, welches in Fig. 8(b) bei t&sub2; durch eine durchbrochene Linie dargestellt ist. Wie vorstehend beschrieben, ist dieses Potential 201 ein Potential Vk, welches in der transienten Auffrischungsbetriebsart an der Basis verbleibt. Zur Zeit t&sub2; wird in dem Augenblick, in dem die Auffrischungsspannung oder das Potential VRH auf das Potential null zurückkehrt, ein durch
  • Cox/Cox + Cbe + Cbe VRH
  • gegebenes Potential aufgrund der Kapazitätsteilung an die Basis angelegt, so daß das Basispotential gleich der Summe aus dem verbleibenden Potential Vk und einer neu erzeugten Spannung wird. D.h., das Basispotential wird in dem Zustand 2 auf einem Potential 202 gehalten und wird durch
  • Vk = Cox/Cox + Cbe + Cbe VRH
  • ausgedrückt.
  • Wenn Licht unter der Bedingung, daß die Basis bezüglich dem Emitter in Sperrichtung vorgespannt wird, eingefangen wird, werden Löcher erzeugt und in den Basisbereich gespeichert, so daß, wie in dem Zustand 3 gezeigt, das Basispotential in Antwort auf die Intensität des einfallenden Lichts langsam auf ein durch 203, 203' und 203" dargestelltes Potential ansteigt. Das in Antwort auf das einfallende Licht generierte Potential wird als Vp bezeichnet.
  • Sodann wird, wenn das Auslesepotential VR von einem vertikalen Schieberegister an eine horizontale Leitung angelegt wird, wie in einem Signalverlauf 69 dargestellt, ein durch
  • Cox/Cox + Cbe + Cbc VR
  • dargestelltes Potential zusätzlich an die Basis angelegt. Infolgedessen wird dann, wenn kein Licht eingefangen wird, das Basispotential 204 zu
  • Vk + Cox/Cox + Cbe + Cbc (VR - VRH)
  • Wie vorstehend beschrieben, wird das Potential 204 so festgelegt, daß es in Bezug auf das Emitterpotential um 0,5 bis 0,6 V in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Die Basispotentiale 205, 205' und 205" sind gegeben durch
  • Wenn das Basispotential in Bezug auf das Emitterpotential wie vorstehend beschrieben in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, werden die Elektronen aus dem Emitter in die Basis injiziert, so daß das Emitterpotential langsam auf ein positives Potential ansteigt. Wenn kein Licht eingefangen wird, beträgt das Emitterpotential etwa 50 bis 100 mV, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung auf 0,5 bis 0,6 V eingestellt wird und die Breite des Leseimpulses 1 bis 2 µs beträgt. Das Emitterpotential ist mit VB bezeichnet. Die Linearität der Emitterpotentiale 207, 207' und 207" kann auf zufriedenstellende Art und Weise aufrechterhalten werden, wenn die Impulsbreite nicht kleiner als 0,1 µs ist. Infolgedessen sind die Emitterpotentiale 207, 207' und 207" gegeben durch
  • Vp + VB, Vp' + VB bzw. Vp" + VB.
  • Wenn das Auslesepotential VR nach einer vorbestimmten Ausleseielt null wird, wie in einem Signalverlauf 69 gemäß Fig. 8(a) dargestellt, wird ein durch
  • - Cox/Cox + Cbe + Cbe VR
  • ausgedrücktes Potential an die Basis angelegt. Infolgedessen kehrt, wie in dem Zustand 5 gezeigt, das Basispotential auf das Potential vor der Zufuhr des Ausleseimpulses zurück. D.h., das Basispotential wird in Sperrichtung vorgespannt, so daß sich das Emitterpotential nicht ändert. In diesem Fall ist das Basispotential 208 gegeben durch
  • Vk - Cox/Cox + Cbe + Cbc VRH ,
  • und sind die Basispotentiale 209, 209' und 209" gegeben durch
  • Die vorstehenden Potentiale sind dieselben wie diejenigen, die in dem Zustand 3 vor dem Auslesevorgang bzw. der Auslesebetriebsart dargestellt sind.
  • In dem Zustand 5 wird das Video-Informationssignal aus dem Emitter nach außen hin ausgelesen. Nach dem Auslesevorgang bzw. der Auslesebetriebsart werden die schaltenden MOS-Transistoren 48, 48" und 48" eingeschaltet, so daß der Emitter geerdet wird und demzufolge das Emitterpotential null wird, wie in dem Zustand 6 dargestellt. Auf diese Art und Weise werden der Auffrischungsvorgang, der Speichervorgang und der Auslesevorgang ausgeführt und der Betriebsablauf kehrt zum Zustand 1 zurück. Vor dem ersten Auffrischungsvorgang hat das Basispotential ausgehend von dem Potential null begonnen, wird aber nach einem Zyklus des Auffrischungsvorgangs, Speichervorgangs und Auslesevorgangs zu
  • Daher verbleiben dann, wenn das Auffrischungspotential VRH unter diesen Bedingungen angelegt wird, die Basispotentiale auf Vk + Vp, Vk + Vp' bzw. Vk + Vp". Infolgedessen wird die Basis nicht ausreichend in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß der Bereich, der hochintensives Lickt empfangen hat, stark in Durchlaßrichtung vorgespannt und demzufolge die Videoinformation entfernt wird, wohingegen in dem Bereich, der niedrigintensives Licht empfangen hat, die Videomformation nicht entfernt wird und verbleibt. Diese Tatsachen sind aus den in Bezug auf den Auffrischungsvorgang gemäß Fig. 6 berechneten Daten klar ersichtlich.
  • Das vorstehend beschriebene Phänomen ist einzigartig in der transienten Auffrischungsbetriebsart, und es wird - im Falle der vollständig auffrischenden Betriebsart - eine lange Auffrischungszeit verwendet, bevor das Basispotential null wird, so daß das vorstehende Problem nicht auftreten wird.
  • Nachstehend wird ein erstes Verfahren, welches die einen schnellen Auffrischungsvorgang erlaubende transiente Auffrischungsbetriebsart verwendet und welches keine Defekte bzw. Fehler der vorstehend beschriebenen Art verursacht, beschrieben.
  • Eine Ursache der vorstehenden Defekte besteht darin, daß das Basispotential im Zustand 6 zu negativ, d.h. in Bezug auf das Emitterpotential zu stark in Sperrichtung vorgespannt ist. Bei den ersten Verfahren zum Lösen des vorstehenden Problems wird das Basispotential 210 auf ein Potential null überführt oder durch ein geeignetes Verfahren veranlaßt, langsam auf ein positives Potential anzusteigen, bevor ein Auffrischungsimpuls in dem Zustand 1 in dem nachfolgenden Zyklus angelegt wird.
  • Fig. 18(a) ist eine Schnittansicht einer Photosensorzelle, die das vorstehend beschriebene Problem lösen kann; Fig. 18(b) zeigt eine äquivalente Schaltung hierfür; und Fig. 18(c) zeigt das interne Potential.
  • Die Photosensorzelle gemäß Fig. 18(a) unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten nur dadurch, daß sie einen vergrabenen p&spplus;-Bereich beinhaltet. Die äquivalente Schaltung gemäß Fig. 18(b) beinhaltet weiter einen pnp-Transistor 221, der einen aus dem Basisbereich 6 der Sensorzelle bestehenden Kollektor, einen aus dem vergrabenen p&spplus;-Bereich 220 bestehenden Emitter und eine aus einen Teil des n&supmin;-Bereichs 5 mit hohen Widerstand zwischen dem Basisbereich 6 und dem Kollektorbereich 1 bestehende Basis umfaßt. Der Basisbereich des pnp-Transistors ist lose mit dem Kollektorbereich 1 der Sensorzelle gekoppelt, wir durch die durchbrochene Linie in der äquivalenten Schaltung dargestellt. Der vergrabene p&spplus;-Bereich 220 ist wie durch eine Linie 222 in dem Kristall verschaltet, so daß eine Spannung von außerhalb einer Sensorzelle angelegt werden kann.
  • Wie klar aus Fig. 18(b) hervorgeht, bildet der vergrabene p&spplus;-Bereich 220 eine horizontale Leitung, wie durch 222 angegeben, so daß der vergrabene p&spplus;-Bereich in Fig. 18(a) als in der horizontalen Richtung kontinuierlich dargestellt werden sollte; aus Gründen der Vereinfachung ist der vergrabene p&spplus;-Bereich 220 jedoch vereinfacht als Insel gezeigt.
  • Das Potential in Bezug auf die inneren Elektronen ist in Fig. 18(c) gezeigt, und die Potentialverteilung entlang eines den vergrabenen p&spplus;-Bereich nicht beinhaltenden Abschnitts ist im wesentlichen ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, aber die Potentialverteilung entlang eines den vergrabenen p&spplus;-Bereich beinhaltenden Abschnitts ist durch den in durchbrochener Linie dargestellten Signalverlauf 223 dargestellt. Es wird jedoch angemerkt, daß Fig. 18(c) eine Potentialverteilung dann zeigt, wenn der vergrabene p&spplus;-Bereich geringfügig auf ein positives Potential vorgespannt ist. Wenn der vergrabene p&spplus;-Bereich 220 weiter positiv vorgespannt wird, wird der zwischenliegende n&supmin;-Bereich 5 komplett durchschlagen, so daß Löcher aus den p&spplus;-Bereich 220 in den Basisbereich 6 der Sensorzelle fließen. Infolgedessen steigt der Basisbereich 6 auf ein positives Potential an.
  • Um den n&supmin;-Bereich in dem durchschlagenen Zustand zu halten, so daß die Löcher aus den p&spplus;-Bereich in den p- Basisbereich 6 fließen, muß der nachfolgende Zusammenhang erfüllt sein:
  • Vp&spplus; + Vbi > q N d²/2ε
  • worin d die Dicke des n&supmin;-Bereichs 5,
  • N die Verunreinigungsdichte,
  • Vp die an den p&spplus;-Bereich angelegte Spannung und
  • Vbi das Diffusionspotential an den p+-n&supmin;- Übergang
  • sind.
  • Daher wird in dem Zustand 6 gemäß Fig. 8(b) ein positives Potential durch die Leitung 222 an den vergrabenen p&spplus;-Bereich angelegt, so daß Löcher in den p-Basisbereich 6 injiziert werden. Infolgedessen k ann das Basispotential 210 auf null oder ein geringfügig positives Potential gebracht werden, so daß es möglich wird, den wie vorstehend beschrieben in Zusammenhang mit der transienten Auffrischungsbetriebsart stehenden Fehler aufzulösen. In diesen Fall kann dann, wenn die an den vergrabenen p&spplus;-Bereich angelegte Spannung geringfügig niedriger als die an den Kollektor 1 der Sensorzelle angelegte Spannung ist, d.h. der vergrabene p&spplus;-Bereich 220 und der n-Bereich 1 nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, eine ausreichende Anzahl von Löchern in den Basisbereich 6 injiziert werden.
  • Eine Verunreinigung (vorwiegend Bor), die injiziert wird, um den p&spplus;-Bereich 220 zu erzeugen, besitzt eine hohe Diffusionskonstante. Infolgedessen treten dann, wenn der n&supmin;-Bereich 5 mit hohem Widerstand durch den epitaxialen Prozess erzeugt wird, die Probleme der Selbstdotierung und -diffusion auf. Wenn jedoch der epitaxiale Prozess bei niedrigen Temperaturen ausgeführt wird, können die Selbstdotierung und -diffusion aus dem vergrabenen p&spplus;-Bereich 220 auf ein Minimum reduziert werden.
  • Die vorstehend als Ausführungsbeispiel beschriebene Photosensorzelle unterscheidet sich von der grundlegen den Photosensorzelle gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß der vergrabene p&spplus;-Bereich durch den Diffusions- oder Ionen- Injektionsprozess erzeugt wird. Somit ist das Verfahren zum Herstellen der grundlegenden Photosensorzelle in Bezug auf den gegenüber dem wie vorstehend beschriebenen vergrabenen p&spplus;-Bereich anderen Abschnitt auf die Produktion des vorstehenden Ausführungsbeispiels an wendbar. Fig. 19 ist eine Schnittansicht, die zum Erklären eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendet wird. In der Photosensorzelle gemäß Fig. 19 wird anstelle des vergrabenen p&spplus;-Bereichs 220 gemäß Fig. 18(a) ein p&spplus;-Bereich 224 auf der Seite der oberen Oberfläche gleichzeitig mit der Erzeugung des Basisbereichs 6 erzeugt. Infolgedessen ist ein pnp-Transistor vorgesehen mit einem Emitter, der den p&spplus;-Bereich 224 umfaßt, einer Basis, die den niedrig verunreinigten n&supmin;- Bereich 5 umfaßt, und einem Kollektor, der den p&spplus;-Be reich 6 umfaßt, und der eine Basis einer Photosensorzelle darstellt. Während der pnp-Transistor gemäß Fig. 18 eine vertikale Struktur aufweist, hat daher der pnp- Transistor gemäß Fig. 19 eine horizontale Struktur. Demgemäß wird im Falle des in Fig. 19 gezeigten Ausführungsbeispiels eine Leitung 225 entlang der oberen Oberfläche dazu verwendet, eine Spannung an den p&spplus;-Bereich 224 anzulegen.
  • Obwohl ein Unterschied dahingehend besteht, daß die Photosensorzelle gemäß Fig. 18 eine vertikale Struktur aufweist, während die Photosensorzelle gemäß Fig. 19 eine horizontale Struktur aufweist, ist die äquivalente Schaltung der Photosensorzelle gemäß Fig. 19 im wesentlichen gleich der der in Fig. 18(b) gezeigten. Darüber hinaus ist die Funktionsweise der Photosensorzelle gemäß Fig. 19 fast dieselbe wie die der in Bezug auf Fig. 10 beschriebenen Photosensorzelle.
  • In Fig. 19 sind zu Zwecken der Erklärung der p&spplus;-Bereich 224, seine Leitung 225, die MOS-Kondensatorelektrode 9, der Emitterbereich 7 und die Leitung 8 in derselben Ebene dargestellt, jedoch wird angemerkt, daß der p&spplus;- Bereich 224 und dessen Leitung 225 an anderen Stellen in derselben Photosensorzelle angeordnet werden können. Die Anordnung des p&spplus;-Bereichs 224 und der Leitung 225 wird in Abhängigkeit von Entwurfsfaktoren wie beispielsweise der Form einer Lichtempfangsöffnung und der Anordnung verschiedener Leitungen bestimmt.
  • Nachstehend wird ein weiteres Verfahren, welches eine transiente Auffrischungsbetriebsart verwendet, die zu einem schnellen Auffrischungsvorgang der Lage ist und die das vorstehend beschriebene Problem bzw. den Defekt im wesentlichen eliminieren kann, beschrieben.
  • Das Problem bzw. der Defekt wird verursacht; weil, wenn ein Auffrischungsimpuls und ein Ausleseimpuls angelegt werden, derselbe Potentialwert, der durch die positive und negative Kapazitätsteilung an der führenden und der nachfolgenden Flanke des Pulses erzeugt wird, an den Basisbereich angelegt wird. Hieraus folgt daher, daß das vorstehend beschriebene Problem bzw. der Defekt dadurch gelöst werden kann, daß eine an den Basisbereich angelegte negative Spannung durch ein geeignetes Verfahren auf einen vorbestimmten Wert geklemmt wird.
  • Fig. 20 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches zum Erreichen der vorstehenden Aufgabe geeignet ist. Fig. 20(a) zeigt einen Abschnitt einer Sensorzelle, und Fig. 20(b) zeigt eine äquivalente Schaltung hiervon.
  • Der photoelektrische Wandler gemäß Fig. 20(a) unterscheidet sich von der Photosensorzelle mit dem grundlegenden Aufbau gemäß Fig. 1 dadurch, daß dort weiter ein p&spplus;-Bereich 251 und ein n&spplus;-Bereich 252, die eine p&spplus;-n&spplus;- Übergang-Diode bilden, und ein SiO&sub2;-Ioslationsbereich 250 zum Separieren dieser zusätzlichen Bereiche von Photozellen 251 vorgesehen sind. Der n&supmin;-Bereich 252 ist durch einen Leiter 253 aus Aluminium mit dem Basisbereich 6 der Sensorzelle verbunden. Der p&spplus;-Bereich 251 ist durch einen Leiter 254 aus Aluminium mit einer externen Leistungsversorgung verbunden. Mit Ausnahme der vorstehend beschriebenen Anordnung hat die Photosensorzelle gemäß Fig. 20 im wesentlichen dieselbe Anordnung wie die grundlegende Sensorzelle in Fig. 1. In der äquivalenten Schaltung gemäß Fig. 20(b) weist eine aus dem p&spplus;-Bereich 251 und dem n&spplus;-Bereich 252 bestehende p&spplus;- n&spplus;-Übergang-Diode 255 eine Anode (p&spplus;-Bereich) , die mit der Leitung bzw. dem Leiter 254 verbunden ist, welcher wiederum mit einer externen Leistungsversorgung verbunden ist, und eine Kathode (n&spplus;-Bereich), die mit der Basis der grundlegenden Photosensorzelle verbunden ist, auf. Mit Ausnahme der vorstehend beschriebenen Anordnung ist die äquivalente Schaltung gemäß Fig. 20(b) im wesentlichen dieselbe wie die der grundlegenden Photosensorzelle gemäß Fig. 1.
  • Im Falle der Photosensorzelle gemäß Fig 20 wird das negative Potential 202 des Basisbereichs in einem dem in Fig. 8(b) entsprechenden Zustand auf einem durch die Leitung 254 angelegten Potential -Vc gehalten, während bei der grundlegenden Zelle das negative Potential 202 des Basisbereichs an der führenden Flanke eines Auffrischungsimpulses gleich
  • Vk - Cox/Cox + Cbe + Cbc VRH
  • ist. D.h., wenn das Potential droht, unter das Klemmpotential -Vc zu fallen, wird die Diode 255 eingeschaltet, so daß Strom fließt und das Potential schließlich an das Potential -Vc geklemmt wird.
  • Das Klemmpotential -Vc wird in Abhängigkeit von der Auffrischungsgeschwindigkeit in der transienten Auffrischungsbetriebsart, einem positiven Bias in der Auslesebetriebsart, dem dynamischen Bereich der Lichtsignale etc. auf einen geeigneten Wert festgelegt.
  • Das Klemmpotential -Vc wird auf einen vorbestimmten geeigneten Wert festgelegt, der durch Steuern der Verunreinigungskonzentration in dem n&spplus;-Bereich 252 und dem p&spplus;-Bereich 251 erhalten werden kann.
  • Im Falle der vorstehend beschriebenen Photosensorzelle mit der klemmenden p-n-Übergang-Diode kann das Problem bzw. der Defekt, das bzw. der in der transienten Auffrischungsbetriebsart verursacht wird, zuverlässig geläst werden. Infolgedessen kann eine Bildaufnahmeeinrichtung bereitgestellt werden, die für eine schnelle Auffrischung geeignet ist.
  • In dem in Fig. 20 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die MOS-Kondensatorelektrode 9, die Leitung 8 von dem Emitter 7, die Leitung 253, die die Basis 6 und den n&spplus;- Bereich 252 der p&spplus;-n&spplus;-Übergang-Diode verbindet, und die Leitung 254 zum Anlegen einer Spannung an den p&spplus;-Bereich 251 der p&spplus;-n&spplus;-Übergang-Diode zur Erklärung alle als in derselben Ebene liegend dargestellt, und sind die Lichtempfangsöffnungen oder Fenster so dargestellt, als belegten sie eine bemerkenswert kleine Fläche, jedoch ist dies so zu verstehen, daß in einer praktischen Einrichtung die vorstehend beschriebenen Komponenten und Teile unter Berücksichtigung der Form von Lichtempfangsöffnungen oder Fenstern, Bequemlichkeit in der Anordnung von Leitern etc. in derselben Photosensorzelle auf verschiedene Art und Weise angeordnet werden können.
  • Nachstehend wird ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben, welches ebenfalls die transiente Auffrischungsbetriebsart verwendet, die für einen schnellen Auffrischungsvorgang geeignet ist, und welches im wesentlichen das vorstehende Problem bzw. den Defekt eliminieren kann.
  • In Übereinstimmung mit dem dritten Verfahren wird das Basispotential 210 in dem Zustand 6 in Fig. 8(b) auf das Potential null gebracht. Dann ist das Basispotential null gleich dem Basispotential null dann, als der Auffrischungsimpuls in dem Zustand 1 in Fig. 8(b) zugeführt worden war, so daß der positive transiente Auffrischungsbetriebsartvorgang gewährleistet werden kann.
  • In Fig. 21 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches derart ausgebildet ist, daß es das dritte Verfahren ausführt. Fig. 21(a) ist eine Schnittansicht einer Photosensorzelle, und Fig. 21(b) zeigt eine äquivalente Schaltung hiervon. Der Emitterbereich 7 der grundlegenden Photosensorzelle gemäß Fig. 1 und ein n&spplus;-Bereich 270 bilden einen Drain-Bereich bzw. einen Source-Bereich eines MOS- Transistors 273, der durch ein aus Polysilizium oder dergleichen hergestelltes Gate 271 gesteuert wird. Der n&spplus;-Bereich 270 ist über eine Leitung 272 mit dem Basisbereich 6 der grundlegenden Photosensorzelle verbunden. Mit Ausnahme der vorstehend beschriebenen Anordnung hat das in Fig. 21(a) gezeigte Ausführungsbeispiel im wesentlichen denselben Aufbau wie die in Fig. 1 gezeigte grundlegende Photosensorzelle.
  • Fig. 21(b) zeigt die äguivalente Schaltung der in Fig. 21(a) gezeigten Photosensorzelle. Der den Drain-Bereich 7, der den Emitter der Photosensorzelle gemeinsam ist, das Gate 271 und den Source-Bereich 270 umfassende MOS-Transistor 273 ist durch eine Leitung 272 mit dem Basisbereich 6 der Photosensorzelle verbunden. Der Drain-Bereich ist dem Emitterbereich gemeinsam, und das Gate 271 ist mit einer Leitung 274 verbunden, so daß ein Impuls von außen zugeführt werden kann.
  • Bei dem Auffrischungsvorgang, dem Speichervorgang und dem Auslesevorgang wird angenommen, daß ein negatives Potential durch eine Leitung 274 an das Gate 271 des MOS-Transistors 273 derart angelegt wird, daß der Kanal des MOS-Transistors 273 in ausreichender Art und Weise in den nicht leitenden Zustand gesteuert wird. In dem in Fig. 8(b) gezeigten Fall des Zustands 6 ist dann, wenn das Potential 210 des Basisbereichs auf einem negativen Potential gehalten wird, der Emitter geerdet. Wenn unter diesen Bedingungen das Gate 271 auf das Potential null gebracht wird oder auf ein positives Potential angehoben wird, wird der Kanal des MOS-Transistors eingeschaltet. Es ist daher klar, daß ein Strom fließt, so daß das Basispotential auf das Potential null gebracht wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann das Basispotential in dem Zustand 6 auf null gebracht werden, so daß, wie unter Bezugnahme auf Fig. 8(b) beschrieben, eine positive transiente Auffrischungsbetriebsartoperation in dem nächsten Auffrischungsvorgang weitergeführt werden kann und demzufolge ein schneller Auffrischungsvorgang möglich wird.
  • In dem Fall des in Fig. 21 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die MOS-Kondensatorelektrode 9, die den Source-Bereich des MOS-Transistors 273 und den Basisbereich 6 der Photosensorzelle verbindende Leitung, das Gate 271 des MOS-Transistors und die mit dem Emitterbereich 7 der Photosensorzelle verbundene Leitung 8 aus Gründen der Erklärung als alle in derselben Ebene liegend dargestellt, und sind die Lichtempfangsöffnungen oder Fenster so dargestellt, als belegten sie eine extrem kleine Fläche, jedoch ist dies so zu verstehen, daß in einer praktischen Einrichtung die vorstehend beschriebenen Komponenten und Teile unter Berücksichtigung der Formion Lichtempfangsöffnungen oder Fenstern, Bequemlichkeit in der Anordnung von Leitern etc. in derselben Photosensorzelle auf geeignete Art und Weise angeordnet werden können.
  • Insoweit wurden der Auffrischungsvorgang und der Auslesevorgang so beschrieben, als würden diese von der Elektrode 9 auf dem p-Basisbereich 6 durch Cox ausgeführt, jedoch kann der Auffrischungsvorgang auch durch das nMOS ausgeführt werden. In dem letztgenannten Fall wird der Elektrode 9 ein Ausleseimpuls zugeführt. Nachdem der Auslesevorgang einer horizontalen Leitung abgeschlossen ist, wird der Auffrischungsvorgang der Sensorzellen entlang dieser horizontalen Leitung wie folgt ausgeführt. D.h., während einer Austastperiode vor dem Auslesen aus den Sensorzellen entlang der nächsten horizontalen Leitung wird ein positives Potential an die Elektrode 271 angelegt, so daß der nMOS eingeschaltet wird, und gleichzeitig wird eine negative Spannung -Vp an die vertikalen Leitungen 38, 38' und 38" angelegt, usw. Der p-Basisbereich 6 wird auf -(Vp - VTH) aufgeladen, und der Auffrischungsvorgang wird beendet. VTH bezeichnet die Schwellenspannung des nMOS. Die Verwendung von nMOS auf diese Art und Weise ist sozusagen ein Vorgang, durch welchen der Kanal und der n&spplus;-Bereich 270 auf dasselbe Potential gesteuert werden.
  • Ein vollkommen unabhängiges nMOS kann für die Auffrischung der p-Basis vorgesehen sein. In diesem Fall ist der n&spplus;-Emitter vollkommen unabhängig, und weitere zwei n&spplus;-Bereiche 270 und 270' sind in der p-Basis ausgebildet, wodurch ein nMOS bereitgestellt wird.
  • Wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 21(a) ist der n&spplus;-Bereich 270 direkt durch eine Leitung mit der p-Basis verbunden, wohingegen an den anderen n&spplus;-Bereich 270' eine vorbestimmte negative Spannung -Vp angelegt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, um die Elektrode 271 einzuschalten. Fig. 22 zeigt ein Schaltungsdiagramm hiervon. Leitungen 281, 282 etc. sind entlang der horizontalen Leitungen vorgesehen, um eine negative Spannung anzulegen.
  • Nachdem der Auslesevorgang aus den Sensorzellen entlang der horizontalen Leitung 275 durch Anlegen eines Ausleseimpulses an die horizontale Leitung 275 abgeschlossen ist, wird ein Ausleseimpuls an die nächste horizontale Leitung 276 angelegt, um entlang dieser auszulesen. Dann wird der Ausleseimpuls auch an das Gate des Auffrischungs-nMOS-Transistors 273 jeder Sensorzelle entlang der horizontalen Leitung 275 angelegt, und eine negative Spannung -Vp wird an die Leitung 281 angelegt. Infolgedessen wird die Auffrischung erzielt, während das Auslesen aus den Sensorzellen entlang der horizontalen Leitung 275 durchgeführt wird.
  • Nachstehend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im wesentlichen die vorstehend beschriebenen Nachteile überwinden kann und welches zu einem schnellen Auffrischungsvorgang in der Lage ist, beschrieben. In Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Auffrischungsvorgang wird durch den MOS- Kondensator ein Impuls an die Basis angelegt, um das Basispotential auf ein positives Potential zu bringen. Im einzelnen wird dann, wenn das Basispotential auf einem positiven Potential gehalten wird, die Basis-Kollektor-Übergang-Diode Dbc eingeschaltet, so daß Löcher aus der Basis heraus fließen und demzufolge der Transfer-Auffrischungsvorgang derart ausgeführt wird, daß das Basispotential in Richtung eines Potentials null abnimmt, oder der vollständige Auffrischungsvorgang derart ausgeführt wird, daß das Basispotential vollständig geerdet wird. Im Fall der p-Basis sind eine vorbestimmte Menge Löcher aus der Basis verschwunden, so daß dann, wenn der Auffrischungsimpuls entfernt wird, die p-Basis negativ auf eine vorbestimmte negative Spannung aufgeladen wird.
  • Bei den nachstehend im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird demgegenüber der Auffrischungsvorgang auf der Grundlage eines Konzepts dahingehend, daß jeder Photosensorzelle ein MOS-Transistor hinzugefügt wird, ausgeführt, so daß ein vorbestimmtes negatives Potential durch Entfernen der Löcher, die in Antwort auf das einfallende Licht erzeugt und gespeichert worden, gegeben ist.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 23(a), (b) und (c) näher beschrieben.
  • Fig. 23(a) ist eine ebene Ansicht einer zweidimensionalen Anordnung von Einheits-Photosensorzellen; Fig. 23(b) ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 23(a); und Fig. 23(c) ist ein Schaltungsdiagramm einer zweidimensionalen Anordnung von Einheits-Photosensorzellen.
  • Die Einheits-Photosensorzelle gemäß Fig. 23(a) hat im wesentlichen denselben Aufbau wie die in Fig. 1 gezeigte Photosensorzelle, bei der ein Emitterbereich 7, eine vertikale Ausleseleitung 8, ein Kontakt 19 zwischen dem Emitterbereich 7 und der vertikalen Ausleseleitung 8, ein Bereich 6 und ein MOS-Kondensator 9 vorgesehen sind.
  • Während jedoch die MOS-Kondensatorelektrode 9 des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels gemeinsam für den Auffrischungsvorgang und den Auslesevorgang verwendet wird, wird in diesem Ausführungsbeispiel die MOS-Kondensatorelektrode 9 wie nachstehend beschrieben für den Auslesevorgang verwendet.
  • Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß ein auffrischender p- Kanal-MOS-Transistor zu jeder Photosensorzelle hinzugefügt wird. Im einzelnen ist, wie am besten in Fig. 23(b) dargestellt ist, ein p-Kanal-MOS-Transistor vorgesehen, der aus einen p-Bereich 6, einem p-Bereich 220, der durch einen Diffusions- oder Ionen-Injektionsprozess erzeugt wird und zu dem p-Bereich 6 der Photosensorzelle beabstandet ist, einem n-dotierten Kanalbereich 225, der zwischen dem p-Bereich 6 und den p- Bereich 220 augebildet ist, einem isolierenden Bereich 3, der aus einem Oxid wie beispielsweise SiO&sub2; besteht, und einer Gate-Elektrode 221 besteht. Der neue p-Bereich 220 wird gleichzeitig mit der Bildung des p-Bereichs 6 der Photosensorzelle erzeugt. Der n-Bereich 225, der als Kanal zwischen den p-Bereichen 6 und 220 dient, ist mittels einem Ionen-Injektionsprozess oder der gleichen so dotiert, daß er eine erhöhte n-Typ Verunreinigungskonzentration aufweist, wodurch ein Durchschlagen zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich vermieden werden kann. Obwohl die Anzahl von Herstellungsschritten etwas erhöht wird, erweist es sich als vorteilhaft, daß der p-Bereich 220 sehr dünn in der Umgebung der Oberfläche ausgebildet ist, um ein Durchschlagen zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich zu unterdrücken.
  • Wie in Fig; 23(a) gezeigt, ist das Gate 221 des p- Kanal-MOS-Transistors mit der MOS-Kondensatorelektrode 9 verbunden und wird über eine horizontale Leitung 10 mit einem Impuls versorgt. Der p-Bereich 220, der als Drain-Bereich des p-Kanal-MOS-Transistors dient, ist durch einen Kontakt 222 mit einer horizontalen Leitung 223 verbunden. Daher sollten die horizontale Leitung 10, die horizontale Leitung 223 und die vertikale Leitung 8 mittels einer Mehrlagen-Verdrahtungstechnik hergestellt und durch isolierende Schichten gegeneinander isoliert werden.
  • Fig. 23(c) zeigt, daß der p-Kanal-MOS-Transistor mit einem Source-Bereich, der gemeinsam mit dem Basisbereich der Photosensorzelle vorliegt, und ein Gate-Bereich, der üblicherweise mit dem Leiter 10 verbunden ist, zu der Photosensorzelle hinzugefügt sind.
  • Nachstehend wird die Betriebsart des Ausführungsbeispiels mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau beschrieben.
  • Vor den Speichervorgang, bei dem die photoangeregten Löcher in der Basis gespeichert werden, wird der Basisbereich negativ vorgespannt, wie durch den Zustand 2 in Fig. 8(b) dargestellt. Bei dem Ladungsspeichervorgang, wie durch den Zustand 3 dargestellt, werden die photoangeregten Löcher in dem Basisbereich gespeichert, so daß das Potential des Basisbereichs in Antwort auf die Intensität des Lichts positiv vergrößert wird. Unter diesen Bedingungen wird ein Ausleseimpuls Vk zugeführt, so daß das Basispotential auf ein positives Potential gebracht wird, wie durch den Zustand 4 dargestellt, so daß demzufolge die in dem Basisbereich gespeicherte Information in den Emitterbereich ausgelesen wird. Wenn die Ausleseimpulsspannung VR geerdet wird, wird der Zustand 5 aufrechterhalten. Der Zustand 5 ändert sich auf den Zustand 6, wenn die Information über die vertikale Leitung nach außen hin ausgelesen wird, woraufhin der Emitterbereich durch die vertikale Leitung 8 geerdet wird, wie in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde.
  • Wie am besten in Fig. 23(c) gezeigt ist, wird dann, wenn ein Ausleseimpuls an den Leiter oder die horizontale Leitung 10 angelegt wird, die Information aus der Photosensorzelle 224 ausgelesen. Zu dieser Zeit wird derselbe Ausleseimpuls gleichzeitig an das Gate des mit einer Photosensorzelle 224' verbundenen p-Kanal-MOS- Transistor angelegt. Der angelegte Ausleseimpuls ist jedoch ein positiver Impuls, so daß der p-Kanal-MOS- Transistor dadurch nicht eingeschaltet wird und demzufolge die Photosensorzelle 224' in keiner Weise beeinflußt wird.
  • Das Potential der Basis jeder Photosensorzelle ändert sich in Abhängigkeit von der Intensität des Lichts, wie durch den Zustand 6 in Fig. 8(b) dargestellt. In Antwort auf einen negativen Impuls wird der p-Kanal-MOS- Transistor eingeschaltet, so daß das Basispotential der Photosensorzelle 224' zu (VSR - Vth) wird, worin VSR eine dem Leiter oder der horizontalen Leitung 223 zugeführte Leistungsversorgungsspannung und -Vth die Schwellenspannung des pMOS-Transistors ist.
  • Nachstehend wird ein photoelektrischer Wandler mit einer Empfindlichkeit, die höher ist als die des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ist, unter Bezugnahme auf Fig. 24 beschrieben.
  • Fig. 24(a) ist eine teilweise ebene Ansicht einer zweidimensionalen Anordnung von Einheits-Photosensorzellen, von welchen jede eine Vielzahl von Steuerelektroden aufweist; Fig. 24(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 24(a); Fig. 24(c) zeigt ein Schaltungsdiagramm der Einheits-Photosensorzelle; und Fig. 24(d) zeigt ein Beispiel der internen Potentialverteilung entlang des entlang der Linie B-B¹ in Fig. 24(b) vorgenommenen Schnitts.
  • In Falle des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels sind der n&supmin;-Bereich 5 mit hohem Widerstand, der p-Bereich 6 und der n&spplus;-Bereich 7 über dem n-Typ-Substrat 1 ausgebildet, so daß der n&spplus;pn&supmin;n-Phototransistor bereitgestellt wird; in dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch sind diese Bereiche über einem p&spplus;-Substrat 350 ausgebildet. D.h., das in Fig. 24 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, daß ein n&spplus;-Bereich 351 anstelle des n-Typ-Substrats 1 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 verwendet wird.
  • Das in Fig. 24 gezeigte Ausführungsbeispiel weist eine Thyristorstruktur auf, weil ein erster Phototransistor, der den n&spplus;-Bereich 7, den p-Bereich 6, den n-Bereich 5 und den n&spplus;-Bereich 351 umfaßt, mit einem zweiten Phototransistor, der den p-Bereich 6, den n&supmin;-Bereich 5, den n&spplus;-Bereich 351 und den p&spplus;-Bereich 350 umfaßt, überlagert ist. Daher kann der innere Potentialzustand in Bezug auf Elektronen wie in Fig. 24(d) gezeigt repräsentiert werden, wenn die Abszisse dazu verwendet wird, den Abschnitt von der Oberfläche des Halbleiters in Richtung zu dessen Innerem zu repräsentieren. Wenn unter der Bedingung, daß der p&spplus;-Bereich des Substrats durch den auf der rückwärtigen Seite des Substrats angeordneten Leiter positiv vorgespannt ist, Licht auf den photoelektrischen Wandler oder die Einheits-Photosensorzelle fällt, werden Löcher der im Inneren des Halbleiters in Antwort auf das einfallende Licht erzeugten Träger in dem p-Bereich 6 oder der Basis des ersten Phototransistors gespeichert, wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. In dieser Stufe werden bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Elektronen durch das in dem n&supmin;-Bereich mit hohem Widerstand erzeugte elektrische Feld beschleunigt und fließen in das als Kollektor wirkende Substrat 1, wohingegen bei dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel der n&spplus;-Bereich 351, der einen Potentialtopf für Elektronen bildet, vor dem p&spplus;-Bereich 350 des Substrats angeordnet ist. Infolgedessen bildet der nt-Bereich 351 eine Basis des zweiten Phototransistors, so daß photoangeregte Elektronen in diesem gespeichert werden.
  • Im Falle der CCD-Bildsensorzelle oder der MOS-Bildsensorzelle werden Elektronen der photoangeregten Träger in einer Hauptelektrode gespeichert, und im Falle des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels werden Löcher im Bereich der Steuerelektrode gespeichert. Auf diese Art und Weise wird von photoangeregten Elektronen-Loch-Paaren nur ein Trägertyp verwendet. Jedoch sind im Falle des in Fig. 24 gezeigten Ausfuhrungsbeispiels zwei Steuerelektrodenbereiche bereitgestellt, so daß Löcher in dem Steuerelektrodenbereich eines ersten Phototransistors gespeichert werden, während Elektronen in dem Steuerelektrodenbereich eines zweiten Phototransistors gespeichert werden. Da beide in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte Trägertypen genutzt werden, kann ein hohes Maß an Empfindlichkeit erzielt werden, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird.
  • Die in Fig. 24 gezeigte Einheits-Photosensorzelle unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß ein Auffrischungs-pMOS-Transistor zu jeder Photosensorzelle hinzugefügt ist. Genauer ausgedrückt ist der pMOS-Transistor, der einen Bereich 6, welcher die Basis des ersten Phototransistors bildet, einen n-dotierten Kanalbereich 353, einen p-Bereich 354, eine isolierende Gate-Schicht 3 und eine Gate-Elektrode 352 umfaßt, bereitgestellt und wird bei einen Auffrischungsvorgang eingeschaltet, so daß in dem p-Bereich 6 gespeicherte Löcher angezogen werden. Eine negative Leistungsversorgung ist über einen Leiter 355 und ein Kontaktloch 359 mit dem den Drain-Bereich des pMOS Transistors bildenden p-Bereich 354 verbunden. Die Gate-Elektrode 352 erstreckt sich über den p-Bereich 6, so daß ein MOS-Kondensator bereitgestellt wird. Daher ändert sich, wie es bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist, das Potential des p-Bereichs 6 imfalle eines Auslesevorgangs.
  • Der n&spplus;-Bereich 351, der den Basisbereich des zweiten Phototransistors bildet, wird in Kontakt mit einem Zellen-Isolationsbereich 4 gebracht und erstreckt sich über die Oberfläche des Substrats, und, wie bei dem ersten Phototransistor, ein MOS-Kondensator, der die isolierende Schicht 3 und eine Elektrode 356 umfaßt, wird über dem n&spplus;-Bereich 351 ausgebildet. Demzufolge ändert sich das Potential des die Basis des zweiten Phototransistors bildenden n&spplus;-Bereichs 351 durch den MOS-Kondensator. Ein Impuls wird durch einen Leiter 357 an den MOS-Kondensator 356 angelegt, und ein Impuls wird an das Gate und den MOS-Kondensator durch einen Leiter 358 angelegt.
  • Der den Emitter des ersten Phototransistors bildende n&spplus;-Bereich 7 und der Leiter 8 sind im wesentlichen gleich denen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurden.
  • Fig. 24(c) zeigt ein Schaltungsdiagramm der Photosen sorzelle der wie oben gerade beschriebenen Art. Ein Transistor 360 repräsentiert den ersten Phototransistor, der den n&spplus;-Bereich 7, den p-Bereich 6, den n&supmin;-Bereich 5 und den n&spplus;-Bereich 351 umfaßt. Ein Transistor 361 repräsentiert den zweiten Phototransistor, der den p-Bereich 6, den n&supmin;-Bereich 5, den W-Bereich 351 und den p&spplus;-Bereich 350 umfaßt; ein MOS-Transistor 362 ist der p-Kanal-MOS-Transistor, der den p-Eereich 6, den n- Bereich 353, den p-Bereich 354, die isolierende Gate- Schicht 3 und die Gate-Elektrode 352 umfaßt. Ein Kondensator 363 repräsentiert den MOS-Kondensator, der den p-Bereich 6, die isolierende Schicht 3 und die Elektrode 352 umfaßt; und ein Kondensator 364 repräsentiert den MOS-Kondensator, der den n&spplus;-Bereich 351, die isolierende Schicht 3 und die Elektrode 356 umfaßt.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 25, die ein Schaltungsdiagramm einer zweidimensionalen Anordnung von Photosensorzellen zeigt, und Fig. 26, die Impuls- Signalverläufe und interne Potentiale zeigt, die Funktionsweise der Einheits-Photosensorzelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau beschrieben.
  • Fig. 25 zeigt eine 2x2-Anordnung der in Fig. 24(c) gezeigten Einheits-Photosensorzellen, jedoch sind ein vertikales Schieberegister, ein horizontales Schieberegister, ein Ausgangsverstärker, eine vertikale Leitungen auffrischender MOS-Transistor, ein vertikale Leitungen auswählender MOS-Transistor etc., die wie diejenigen gemäß Fig. 7 zusätzlich bereitgestellt sind, nicht gezeigt. Wie hierin vorstehend beschrieben, sind der MOS-Kondensator 363 und das Gate des pMOS-Transistors 362 miteinander verbunden und werden durch die horizontale Leitung 358 mit einem Impuls versorgt, jedoch ist dies so zu verstehen, daß separate Leitungen vorgesehen sein können, um separate Impulse an den MOS- Kondensator 363 und an das Gate des PMOS-Transistors 362 anzulegen. Ein Impuls-Signalverlauf gemäß Fig. 26 wird der horizontalen Leitung 357 zugeführt, während ein Impuls-Signalverlauf B der horizontalen Leitung 358 zugeführt wird. Ein Signalverlauf C repräsentiert das Potential der vertikalen Leitung 8 und zeigt, daß bis zu einer Zeit t&sub4; ein (nicht gezeigter) MOS-Transistor, der mit der vertikalen Leitung verbunden ist, eingeschaltet wird, um das Erdpotential der vertikalen Leitung 8 aufrechtzuerhalten, welche dann ab t&sub4; schwebend gemacht wird, so daß die Ausgangssignale von den Emitterbereichen der Photosensorzelle abgeteilt werden.
  • In dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch ist es nicht wesentlich, daß der Emitterbereich jeder Photosensorzelle bis zur Zeit t&sub4; geerdet wird, weil der Auffrischungsvorgang durch den pMOS-Transistor 362 ausgeführt wird. Obwohl der Emitterbereich schwebend gemacht werden kann, wird daher der Vorgang in keiner Weise nachteilig beeinflußt.
  • Unter insbesonderer Bezugnahme auf Fig. 26, die Signalverläufe und interne Potentialdiagramme zeigt, wird nachstehend die Funktionsweise in zeitlicher Abfolge beschrieben. Es wird angenommen, daß der den Emitter des zweiten Phototransistors bildende Bereich 350 durch die Elektrode 12 auf der rückwärtigen Seite des Substrats mit einer positiven Leistungsversorgung verbunden ist. In Fig. 26 entspricht die Zeitdauer zwischen t&sub1; und t&sub3; dem Auffrischungsvorgang; die Zeitdauer zwischen t&sub3; und t&sub4; dem Vorgang zum Speichern photoangeregter Träger; und die Zeitdauer zwischen t&sub4; und t&sub8; dem Auslesevorgang. Der Auslesevorgang wird zur Zeit t, abgeschlossen, und, wie in dem Potentialdiagramm zur Zeit t&sub1; gezeigt, der Intensität des Lichts entsprechende Löcher werden in dem p-Bereich 6, d.h. dem ersten Basisbereich, gespeichert, während der Intensität des Lichts entsprechende Elektronen in dem m&spplus;-Bereich 351, d.h. dem zweiten Basisbereich, gespeichert werden. Zur Zeit t&sub2; wird, wie durch den Signalverlauf B dargestellt, ein negativer Impuls durch die horizontale Leitung 358 an das Gate des auffrischenden pMOS-Transistors 362 angelegt, so daß der Transistor 362 eingeschaltet wird. Daher fließen die in dem ersten Basisbereich gespeicherten Löcher aus, so daß, wie zur Zeit t&sub2; des internen Potentialdiagramms gezeigt, der erste Basisbereich auf eine durch den Leiter 355 zugeführte negative Spannung gebracht wird. In diesem Fall wird gleichzeittg ein negativer Impuls durch den MOS-Kondensator 363 an den erstenbasisbereich 6 angelegt, da jedoch der pMOS-Transistor 362 eingeschaltet bleibt, wird der erste Basisbereich in keiner Weise beeinflußt.
  • Zur Zeit t&sub2; wird ein Auffrischungsimpuls durch die horizontale Leitung 357 und den MOS-Kondensator 364 an den Basisbereich des zweiten Phototransistors 361 angelegt, wie durch den Signalverlauf A dargestellt. Die Zusammenhänge zwischen der angelegten Spannung und der an den zweiten Basisbereich angelegten Spannung sowie dem Auffrischungsvorgang sind im wesentlichen dieselben wie die, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurden. D.h., wie zur Zeit t&sub2; in dem internen Potential diagramm dargestellt, sobald ein Impuls angelegt wird, wird das Potential des n&spplus;-Bereichs 351, der die Basis bildet und der in Bezug auf den dem Emitter bildenden p&spplus;-Bereich in Durchlaßrichtung vorgespannt wurde, langsam auf die eingebaute Spannung verschoben, wie durch den Pfeil dargestellt ist. Jedoch ist, wie in Fig. 24(b) gezeigt, der Kontaktbereich zwischen dem n- Bereich 351, der die Basis des zweiten Phototransistors bildet, und dem p&spplus;-Bereich, der den Emitter des zweiten Phototransistors bildet, sehr groß, so daß der Auffrischungsvorgang bei weitem schneller ist als der Auffrischungsvorgang des unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels.
  • Danach wird dann, wenn die an den den zweiten Basisbereich bildenden n&spplus;-Bereich 351 angelegte Spannung auf Erdpotential zurückkehrt, das Potential des n&spplus;-Bereichs 351 in Bezug auf den den Emitter des zweiten Phototransistors bildenden p&spplus;-Bereich in Sperrichtung vorgespannt. Dieser Vorgang ist im wesentlichen ähnlich zu dem hierin vorangehend beschriebenen Auffrischungsvorgang.
  • Zwischen der Zeit-t&sub3; und der Zeit t&sub4; werden in Antwort auf das einfallende Licht erzeugte Träger gespeichert. Wie vorstehend beschrieben, werden von den in Antwort auf das einfallende Licht erzeugten Trägern Löcher in dem Basisbereich des ersten Phototransistors 360 gespeichert, während Elektronen in dem Basisbereich des zweiten Phototransistors 360 gespeichert werden. In diesen Fall werden dann, wenn die Elektronen, die in den Emitterbereich, d.h. den ersten Emitterbereich, des erste Phototransistors fließen, sowie die Elektronen, die aufgrund der Rekombination während des Wegs durch einen normalen Widerstandsbereich in geringem Umfang verschwinden, vernachlässigt werden, nahezu gleiche Mengen von Ladungen in den Basisbereichen des ersten und des zweiten Phototransistors gespeichert. Die Speicherspannung in jedem Basisbereich ist gleich dem Wert, der durch Teilen der gespeicherten Ladung durch die Summe aus der Basis-Emitter-Kapazität und der Basis- Kollektor-Kapazität jedes Phototransistors erhalten wird, wie hierin vorangehend in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Wie vorstehend beschrieben sind in der in Fig. 24 gezeigten Photosensorzelle eine Vielzahl von Basisbereichen, d.h. Steuerelektroden, vorhanden, jedoch können diese Basisbereiche als unabhängig und gleich arbeitend betrachtet werden, obwohl sie sich dadurch unterscheiden, daß entweder Elektronen oder Löcher betroffen sind.
  • Das in Fig. 26 zur Zeit t&sub4; gezeigte interne Potentialdiagramm zeigt, daß photoangeregte Träger in jeweiligen Basisbereichen gespeichert werden. Bei t&sub4;, wie in dem Signalverlauf C dargestellt, wird der Emitterbereich des ersten Phototransistors schwebend und bereit, das nächste Signal auszulesen.
  • Zur Zeit t&sub5; wird, wie durch den Signalverlauf A dargestellt, ein Impuls durch die horizontale Leitung 357 und den MOS-Kondensator 364 an den Basisbereich des zweiten Phototransistors 361 geführt, so daß, wie durch das Potentialdiagramm bei t&sub5; dargestellt, der Basisbereich in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Infolgedessen werden in Proportion zu der entsprechend der Intensität des Lichts gespeicherten Spannung Löcher aus dem Emitterbereich des zweiten Phototransistors (dem zwei ten Emitterbereich) in den Basisbereich des ersten Phototransistors injiziert. Daher werden in dem Basisbereich des ersten Phototransistors die Löcher in Proportion zu den in dem Basisbereich des zweiten Phototransistors gespeicherten Elektronen zu den dort photogenerierten Löchern addiert. Die Anzahl der Löcher, die aus dem Emitterbereich des zweiten Phototransistors injiziert wird, hängt von der Zeitdauer ab, während der der Basisbereich des zweiten Phototransistors in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, so daß eine gewünschte Verstärkung gesteuert werden kann. Ferner werden in diesem Fall die Größe und die Zeit der vorwärts gerichteten Vorspannung des Basisbereichs des zweiten Phototransistors optimal gesteuert, so daß die Linearität der Anzahl der injizierten Löcher gewährleistet werden kann.Das vorstehend beschriebene Funktionsprinzip ist im wesentlichen dasselbe wie das in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel beschriebene. Zur Zeit t&sub6; werden die an den Basisbereich des zweiten Phototransistors angelegte Spannung auf ihren ursprünglichen Wert zurückgeführt und, wie durch das interne Potentialdiagramm zur Zeit t&sub6; dargestellt, der Basisbereich des zweiten Phototransistors in Bezug auf dessen Emitterbereich in Sperrichtung vorgespannt, wie es vor der Zufuhr des Impulses der Fall ist. Infolgedessen wird-die Injektion von Löchern angehalten.
  • Zur Zeit t&sub7;, wie in dem Signalverlauf B dargestellt, wird eine Spannung durch die horizontale Leitung 358 und den MOS-Kondensator 363 an die Basis des ersten Phototransistors 360 angelegt, so daß der Basisbereich des ersten Phototransistors in Bezug auf dessen Emitterhereich in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Impuls ist positiv, und es wird ferner eine Spannung auch an die Gate-Elektrode des parallel zu dem MOS- Kondensator 363 verschalteten pMOS-Transistor 362 ange-30 legt. Jedoch wird eine positive Spannung angelegt, so daß der pMOS-Transistor nicht eingeschaltet wird und demzufolge der Betriebsablauf in keiner Weise nachteilig beeinflußt wird.
  • Da sich der erste Emitterbereich in dem schwebenden Zustand befindet, wenn der erste Basisbereich in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, werden die Elektronen aus dem Emitterbereich in den ersten Basisbereich injiziert, so daß sich das Potential des ersten Emitterbereichs ändert und demzufolge die in dem ersten Basisbereich gespeicherte Signalspannung ausgelesen wird. Der vorstehend beschriebene Vorgang ist im wesentlichen derselbe wie der, der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Jedoch tritt hier ein Phänomen dahingehend auf, daß in dem Fall des in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiels die Elektronen, die aus dem ersten Emitterbereich ausfließen, in dem zweiten Basisbereich gespeichert werden und, falls zuviele Elektronen vorhanden sind, ein teilweiser Thyristorbetrieb auftritt, der zu einer weiteren Zunahme der Verstärkung führt. Dieses Phänomen verursacht jedoch die Nichtlinearität des Ausgangssignals, so daß daher jede Vorspannungs- bzw. Biasbedingung so festgelegt wird, daß der Thyristorbetrieb nicht auftritt. Jedoch wird bevorzugt, daß die Verstärkung durch den Thyristorbetrieb erhöht wird, wenn der photoelektrische Wandler in einem Bereich Verwendung findet, in dem die Linearität nicht insbesondere benötigt wird. Zur Zeit t&sub8; wird dann, wenn der Auslesevorgang beendet ist, die durch den MOS-Kondensator 363 an den ersten Basisbereich angelegte Spannung weggenommen, so daß, wie durch das interne Potentialdiagramm bei t&sub8; dargestellt, der erste Basisbereich in Bezug auf den ersten Basisbereich in Sperrichtung vorgespannt wird, wie es vor der Zufuhr des Impulses der Fall ist. Infolgedessen wird die Injektion von Elektronen aus dem ersten Emitterbereich in den ersten Basisbereich unterbrochen. Unter diesen Bedingungen wird jedes Ausgangssignal auf die vertikale Leitung ausgelesen und, wie unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben, das horizontale schieberegister aktiviert, so daß jede vertikale Leitung ausgewählt wird, um das Ausgangssignal über den Ausgangsverstärker nach außen hin auszugeben. In dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dann, wenn Löcher zur Zeit t&sub5; in die erste Basis injiziert werden, der p-Bereich 354 des pMOS-Transistors mit der negativen Leistungsversorgung verbunden. Infolgedessen tritt ein Phänomen dahingehend auf, daß ein Teil der Löcher in diesen p-Bereich 354 injiziert werden. Wenn die Größe des p-Bereichs 354 klein ist, ist die Menge der in diesen injizierten Löcher nicht so groß, und um die Anzahl der in den p- Bereich 354 injiziert.en Löcher weiter zu verringern, kann die SOI (silicon on insulator)-Technik verwendet werden, um einen pMOS-Transistor auf einem Zell- Isolationsbereich auszubilden. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, werden bei dem Auffrischungsvorgang und dem Auslesevorgang die Größen der Impulse in den Signalverläufen A und B auf jeweils optimale Werte festgelegt.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird in dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel ein System angewandt, bei dem beide Träger, d.h. photoangeregte Löcher und Elektronen, in einer Vielzahl von Steuerelektrodenbereichen gespeichert und dann jeweils ausgelesen, während eine erhöhte Verstärkung erhalten wird. Daher kann ein photoelektrischer Wandler mit einem hohen Grad an Empfindlichkeit bereitgestellt werden.
  • In Fig. 27 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt mit einer Vielzahl von Steuerelektrodenbereichen, wie es bei dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist. In dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Basisbereich eines ersten Phototransistors mittels einem pMOS-Transistor aufgefrischt, wohingegen in dem in Fig. 27 gezeigten Ausführungsbeispiel der Basisbereich eines zweiten Phototransistors mittels einem nMOS-Transistor aufgefrischt wird. Fig. 27(a) zeigt eine flächige Teilansicht einer zweidimensionalen Anordnung von Einheits-Photosensorzellen; Fig. 27(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 27(a); und Fig. 27(c) ist ein Diagramm einer äquivalenten Schaltung der Einheits-Sensorzelle.
  • In Fig. 27 ist ein nMOS-Transistor in einer kristallinen Siliziumschicht ausgebildet, die durch Rekristallisation durch den Laserstrahl-Vergütungsprozess oder den Elektronenstrahl-Vergütungspro zess aus amorphem Silizium, welches durch einen Sputterprozess erzeugt wird, oder aus Polysilizium durch einen CVD-Prozess auf einem Zell-Isolationsbereich 4 erhalten wird. Der nMOS-Transistor umfaßt einen n&supmin;-Bereich 365, einen n&supmin;-Bereich 367, einen p-dotierten Kanalbereich 366, eine isolierende Gateschicht 3 und eine Gate-Elektrode 368. Der n&spplus;-Bereich 365 ist mit einem n&spplus;-Bereich 351 verbunden, der den Basisbereich eines zweiten Phototransistors bildet, und der n&spplus;-Bereich 367 ist über ein Kontaktloch 371 derart mit einem Leiter 369 verbunden, daß eine positive Spannung aus einer positiven Leistungsversorgung zugeführt werden kann. Die Gate-Elektrode 368 erstreckt sich teilweise über den n&spplus;-Bereich 365, so daß ein MOS- Kondensator bereitgestellt wird. Ein Impuls wird durch eine horizontale Leitung 370 an die Gate-Elektrode 368 geführt.
  • Der MOS-Transistor, der die Elektrode 9 zum Anlegen eines Impulses an den Basisbereich 6 eines ersten Phototransistors für den Auffrischungs- und Auslesevorgang umfaßt, die isolierende Schicht 3 und der Basisbereich 6, der den Emitterbereich des ersten Phototransistors bildende n&spplus;-Bereich 7, die vertikale Leitung 8 zum Auslesen des Signals aus dem n&spplus;-Bereich 7 und das Kontaktloch 19 zum Verbinden der vertikalen Leitung 8, des n&spplus;- Bereichs 7 etc. sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 oder 24 beschrieben wurden.
  • Der den Kanalbereich bildende p-Bereich 366 des nMOS- Transistors ist mit dem den Source-Bereich bildenden n&spplus;-Bereich verbunden.
  • In Fig. 27(c) ist eine äquivalente Schaltung der Einheits-Photosensorzelle gezeigt. Ein erste Phototransistor 372 umfaßt den n&spplus;-Bereich 7, den Bereich 6, den n&supmin;- Bereich 5 und den n&supmin;-Bereich 351; ein zweiter Phototransistor 373 umfaßt den p-Bereich 6, den n&supmin;-Bereich 5, den n&spplus;-Bereich 351 und den p -Bereich 350; ein MOS- Kondensator 374 umfaßt die Elektrode 9, die isolierende Schicht 3 und den p-Bereich 6; ein weiterer MOS-Kondensator umfaßt die Elektrode 368, die isolierende Schicht 3 und den n&spplus;-Bereich 365; und ein nMOS-Transistor 376 umfaßt den n&spplus;-Bereich 365, den p-Bereich 366, den n&spplus;-Bereich 367, die isolierende Schicht 3 und die Elektrode 368.
  • Fig. 28 zeigt eine 2x2-Anordnung von Einheits-Photosensorzellen gemäß Fig. 27. Ein vertikales Schieberegister, ein horizontales Schieberegister, ein Ausgangsverstärker, ein eine vertikale Leitung auffrischender MOS-Transistor und ein eine vertikale Leitung auswählender MOS-Transistor, die alle im wesentlichen gleich denen sind, die unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wurden, sind in der Umgebung der 2x2-Anordung angeordnet, in Fig. 28 jedoch nicht gezeigt.
  • Nachstehend wird die Funktionsweise der Einlieits-Sensorzelle sowie die Funktionsweise des photoelektrischen Wandlers gemäß Fig. 28 unter Bezugnahme auf Fig. 29, welche Impuls-Signalverläufe und interne Potentialdiagramme zeigt, näher beschrieben. Impulse, wie sie in einem Signalverlauf A gemäß Fig. 29 gezeigt sind, werden der horizontalen Leitung 370 zugeführt, und Impulse in einem Signalverlauf B gemäß Fig. 29 werden der horizontalen Leitung 10 zugeführt. Ein signalverlauf C repräsentiert das Potential der vertikalen Leitung 8. Wie durch den Signalverlauf C gezeigt, bleibt bis zur Zeit t&sub5; ein (nicht gezeigter) MOS-Transistor, der mit der vertikale Leitung verbunden ist, um die Ladung auf dieser aufzufrischen, eingeschaltet, und wird ab der Zeit t&sub5; die vertikale Leitung schwebend gemacht, so daß das Signal aus dem Emitterbereich jeder Photosensorzelle ausgelesen wird.
  • Die Funktionsweise wird nachstehend in zeitlicher Abfolge unter Bezugnahme auf die Inpuls-Signalverläufe und die internen Potentialdiagramme beschrieben.
  • In Fig. 29 entspricht die Zeitdauer zwischen t&sub1; und t&sub4; den Auffrischungsvorgang; die Zeitdauer zwischen t&sub4; und t&sub5; entspricht dem Vorgang zum Speichern photoangeregter Träger; und der Zeitraum zwischen t&sub5; und t&sub8; entspricht dem Signal-Auslesevorgang. Wenn zur Zeit t&sub1; ein negativer Spannungsimpuls über die horizontale Leitung 370 zugeführt wird, wie durch den Signalverlauf A dargestellt, wird ein negatives Potential durch den MOS- Kondensator 375 an den Basisbereich des zweiten Phototransistors 373 angelegt, so daß, wie durch das interne Potentialdiagramm bei t&sub1; dargestellt, der Basisbereickauf ein negatives Potential gebracht und in Bezug auf den Emitterbereich des zweiten Phototransistors 373 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Demzufolge werden aus den Emitterbereich Löcher in den Basisbereich injiziert, so daß das Potential des Basisbereichs des ersten Phototransistors in Richtung eines positiven Potentials geladen wird. In diesem Fall wird, wie hierin vorangehend beschrieben, das Potential des zweiten Basisbereichs langsam von dem in Durchlaßrichtung vorgespannten Zustand in Richtung der eingebauten Spannung geändert. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, werden die Löcher zu diesem Zeitpunkt in den ersten Basisbereich injiziert, um das Potential des ersten Dasisbereichs auf ein positives Potential zu bringen, so daß der transiente Auffrischungsvorgang in positiverer Art und Weise ausgeführt werden kann.
  • Wenn dieser negative Impuls angelegt wird, wird der negative Impuls auch an den nMOS-Transistor 376 angelegt, weil der MOS-Kondensator 375 und das Gate des nMOS- Transistors 376 miteinander verbunden sind, jedoch bleibt der nMOS-Transistor ausgeschaltet, so daß der Betriebsablauf nicht nachteilig beeinflußt wird.
  • Zur Zeit t&sub2; kehrt der negative Impuls auf Erdpotential zurück, wie durch den Signalverlauf A dargestellt. In dem Augenblick, in den das negative Potential der zweiten Basis auf Erdpotential zurückgekehrt ist, wie durch das interne Potentialdiagranm zur Zeit t&sub2; dargestellt, wird der zweite Basisbereich in Bezug auf den zweiten Emitterbereich in Sperrichtung vorgespannt, so daß die Injektion von Löchern aus dem zweiten Emitterbereich unterbrochen wird.
  • Zur Zeit t&sub3; wird ein positiver Impuls durch den Leiter 370 an den Gate-Bereich des nMOS-Transistors 376 angelegt, so daß der Transistor 376 eingeschaltet wird. Infolgedessen wird das Potential des zweiten Basisbereichs gleich einem positiven Potential, welches von einer positiven Leistungsversorgung durch die vertikale Leitung 369 zugeführt wird. Zu dieser Zeit wird der positive Impuls auch an den MOS-Kondensator 375 angelegt, jedoch wird der Betriebsablauf nicht nachteilig beeinflußt. Zur Zeit t wird, wie durch den Signalverlauf B dargestellt, ein positives Potential durch den Leiter und den MOS-Kondensator 374 an den ersten Basisbereich angelegt. Wie durch das interne Potentialdiagramm bei t&sub3; dargestellt, wird der erste Basisbereich in Bezug auf den ersten Emitterbereich in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß die Löcher aus dem ersten Basisbe reich ausfließen und infolgedessen das Potential des ersten Basisbereichs langsam auf die eingebaute Spannung verringert wird. Der vorstehend beschriebene Betriebsablauf ist im wesentlichen derselbe wie der Betriebsablauf des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausfüh rungsbeispiels. Die vollständig auffrischende Betriebsart oder die transient auffrischende Betriebsart wird in Abhängigkeit von der Anwendung des photoelektrischen Transistors gewählt. In diesem Fall wird, weil der zweite Basisbereich durch den nMOS-Transistor mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden ist, ein Betriebsablauf eines gewöhnlichen bipolaren Transistors ausgeführt.
  • Zur Zeit t&sub4; werden einzelne Impulspotentiale auf Erdpotential zurückgebracht und, wie durch das interne Potentialdiagramm bei t&sub4; dargestellt, der erste und der zweite Basisbereich in Bezug auf ihre jeweiligen Enitterbereiche in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Vorgang zum Speichern photoangeregter Träger begonnen wird.
  • Wie vorstehend beschrieben entspricht die Zeitdauer zwischen t&sub4; und t&sub5; dem Vorgang zu Speichern photoangeregter Träger. Von den photoangeregten Trägern werden Löcher in dem ersten Basisbereich gespeichert, während Elektronen in dem zweiten Basisbereich gespeichert werden, wie hierin vorangehend unter Bezugnahme auf Fig. 24 beschrieben wurde.
  • Das interne Potentialdiagramm bei t&sub5; zeigt, daß photoangeregte Träger in den Basisbereichen des ersten und des zweiten Phototransistors gespeichert sind. Zur Zeit t&sub5; wird, wie durch den Signalverlauf C dargestellt, der Emitterbereich des ersten Phototransistors schwebend gemacht, und wird bereit, das nächste Signal auszulesen, weil der MOS-Transistor 376, der mit der vertikalen Leitung 369 verbunden ist, ausgeschaltet ist. Zur Zeit tb wird zunächst, wie durch den Signalverlauf A dargestellt, ein negativer Impuls durch die horizontale Leitung 370 und den MOS-Kondensator 375 an den Basisbereich des zweiten Phototransistors 373 angelegt, so daß, wie durch das interne Potentialdiagramm bei der Zeit t&sub6; dargestellt, der zweite Basisbereich in Bezug auf den zweiten Emitterbereich in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Demgemäß werden in den Basisbereich des ersten Transistors zusätzlich zu den in diesen durch Photoanregung generierten Löchern diejenigen Löcher, die proportional zu der entsprechend der Intensität des Lichts in dem zweiten Emitterbereich gespeicherten Ladung sind, injiziert, wie durch den Pfeil dargestellt, und gespeichert. Der vorstehend beschriebene Vorgang ist im wesentlichen gleich dem vorangehend unter Bezugnahme auf Fig. 24 beschriebenen Vorgang.
  • Zur Zeit t&sub7; wird, wie durch den Signalverlauf A dargestellt, eine positive Spannung durch die horizontale Leitung 370 an den Gate-Bereich des nMOS-Transistors 367 angelegt, so daß der Transistor 376 eingeschaltet wird. Daher wird der zweite Basisbereich durch den nMOS-Transistor 376 und die vertikale Leitung 369 mit einer positiven Leistungsversorgung verbunden, so daß der Betriebsablauf des ersten Phototransistors in wesentlichen gleich dem des unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen bipolaren Transistors wird. Ferner ist zur Zeit t&sub7;, wie durch den Signalverlauf B dargestellt, der Signal-Auslesevorgang, der durch Anlegen einer positiven Spannung an den ersten Basisbereich durch die horizontale Leitung 10 und den MOS-Kondensator 374 ausgeführt wird, im wesentlichen derselbe wie der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene, so daß eine weitergehende Erklärung weggelassen wird. Außerdem soll das interne Potentialdiagramm bei t&sub8; nicht erklärt werden, weil der durch dieses Potentialdiagramm dargestellte Vorgang im wesentlichen gleich dem unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Vorgang ist.
  • Wie vorstehend beschrieben, unterscheidet sich das unter Bezugnahme auf Fig. 27, 28 und 29 beschriebene Ausführungsbeispiel von dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der zu dem unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Betriebsablauf im wesentlichen gleiche Betriebsablauf ausgeführt werden kann, ohne daß ein unerwünschter Thyristorbetrieb während des Auslesevorgangs befürchtet werden muß. Somit kann ein photoelektrischer Wandler mit einen hohen Grad an Empfindlichkeit bereitgestellt werden, wie es in dem voangehend unter Bezugnahme auf Fig. 24 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist.
  • In Fig. 30 ist ein Diagramm einer äquivalenten Schaltung einer Einheits-Photosensorzelle gemäß der Erfindung gezeigt, bei der ein auffrischender pMOS-Transistor der im Fig. 24 gezeigten Art zu dem Basisbereich eines ersten Phototransistors hinzugefügt ist, während ein auffrischender nMOS-Transistor zu dem Basisbereich eines zweiten Phototransistors hinzugefügt ist.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 30 weist eine Struktur auf, die im wesentlichen identisch zu einer Kombination der Strukturen ist, die in den ebenen und geschnittenen Ansichten in Fig. 24 und 27 gezeigt sind, so daß eine ebene Ansicht und eine geschnittene Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 30 nicht gezeigt sind. In Fig. 31 ist eine zweidimensionale 2x2-Anordnung eines photoelektrischen Wandlers gezeigt, wobei jedoch dessen periphere Einrichtungen der vorstehend beschriebenen Arten nicht dargestellt sind.
  • Fig. 32 zeigt Signalverläufe, die auf jeweilige Leitungen und interne Potentialdiagramme Anwendung finden. Gemäß Fig. 32 wird ein Signalverlauf A durch eine horizontale Leitung 377 dem Gate-Bereich eines pMOS-Transistors 381 und einem MOS-Kondensator 382 zugeführt; wird ein Signalverlauf B durch eine horizontale Leitung 378 dem Gate-Bereich eines nMOS-Transistors 385 und einem MOS-Kondensator 386 zugeführt; und reoräsentiert ein Signalverlauf C das Potential einer vertikalen Leitung 8, wie es bei dem hierin vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist.
  • Weiter wird angenommen, daß die vertikale Leitung 379 mit einer negativen Leistungsversorgung und die vertikale Leitung 380 mit einer positiven Leistungsversorgung verbunden sind.
  • In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 30 und 31 ist der während der Zeitdauer zwischen t&sub4; und t&sub6; durchgeführte Auslesevorgang im wesentlichen derselbe wie der des unter Bezugnahme auf Fig. 27 beschriebenen Ausführungsbeispiels. Das in Fig. 30 und 31 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen in dem Auffrischungsvorgang. D.h., es werden zur Zeit t&sub2; sowohl der pMOS-Transistor 381 als auch der nMOS-Transistor 385 gleichzeitig eingeschaltet, so daß die Löcher aus dem ersten Basisbereich ausfließen und Elektronen aus dem zweiten Basisbereich ausfließen und demzufolge der Auffrischungsvorgang auf extrem einfache Art und Weise erzielt werden kann.
  • Daher ist es, obwohl der Signalverlauf C zeigt, daß der Emitterbereich des ersten Phototransistors 383 geerdet wird, bei dem Auffrischungsvorgang jedoch nicht erforderlich, den Emitterbereich des ersten Phototransistors zu erden. Mit anderen Worten, der Emitter des ersten Phototransistors 383 kann in jedem beliebigen gewünsch ten Zustand gehalten werden.
  • In den Fällen der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 24, 27 und 30 beschriebenen Ausführungsbeispiele werden durch Verwenden einer thyristorartig aufgebauten Photosensorzelle, die zwei Hauptelektrodenbereiche entgegengesetzter Leitungstypen und zwei Steuerelektrodenbereiche, die angrenzend an die einzelnen Hauptelektrodenbereiche angeordnet sind und Leitungstypen aufweisen, die denen der Hauptelektrodenbereiche jeweils entgegengesetzt sind, umfaßt, von photoangeregten Elektronen- Loch-Paaren Löcher in einem ersten Steuereinheituerelektrodenbereich gespeichert, während Elektroden in einem zweiten Steuerelektrodenbereich gespeichert werden. Daher besitzen diese Ausführungsbeispiele verglichen mit einem photoelektrischen Wandler der Bauart, bei der von photoangeregten Trägern nur Löcher oder Elektronen verwendet werden, ein signifikantes Merkmal. Infolgedessen wird ein photoelektrischer Wandler mit einem hohen Grad an Empfindlichkeit bereitgestellt.
  • Vorstehend wurden photoelektrische Wandler der Art, die selbst zur Verstärkung der photoangeregten Träger in der Lage sind, unter Bezugnahme auf einige Ausführungsbeispiele beschrieben. Die insoweit beschriebenen Strukturen sind diejenigen, bei welchen die photoangeregten Träger innerhalb eines Einkristalls erzeugt werden, jedoch wird angemerkt, daß - wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird - eine Struktur bereitgestellt werden kann, bei der ein Auslesetransistor in einem Einkristall angeordnet ist, eine amorphe oder polykristalline Schicht auf der Oberfläche des Einkristalls vorgesehen ist, und durch Verwenden der amorphen oder polykristallinen Schicht an einer den Auslesetransistor entsprechenden -Position und oberhalb desselben ein Transistor nur zum Empfangen von Licht bereitgestellt wird.
  • Ein typisches Ausführungsbeispiel eines derartigen photoelektrischen Wandlers wie vorstehend beschrieben ist in Fig. 33 gezeigt. Fig. 33(a) ist eine interne ebene Ansicht einer Einheits-Photosensorzelle, die einen wesentlichen Teil derselben zeigt, der einen Auslesetransistor, der innerhalb eines Einkristalis angeordnet ist, beinhaltet; Fig. 33(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' der Fig. 33(a); und Fig. 33(c) zeigt eine zweidimensionale Anordnung solcher Zellen. Die in Fig. 33(a) gezeigte ebene Ansicht ist im wesentlichen dieselbe wie die in Fig. 1(a) gezeigte, mit der Ausnahme, daß ein p&spplus;-Bereich 401, der den Kollektor eines Lichtenpfangstransistors bildet, innerhalb einer amorphen Schicht angeordnet ist, die auf einem Einkristall ausgebildet ist, in welchem ein Auslesetransistor angeordnet ist. Der p&spplus;-Polysilizium-Bereich 401 ist durch ein Kontaktloch 410 mit einem p-Bereich verbunden, der die Basis des Auslesetransistors bildet. In einer wirklichen Zellstruktur ist eine Schicht aus amorphem Silizium über der Oberfläche des p&spplus;-Polysilizium-Bereichs 401 ausgebildet, wie am besten in Fig. 33(b) gezeigt ist. Ein Bereich 402 mit hohen Widerstand besitzt eine derart geringe Verunreinigungskonzentration, daß er während des Betriebs vollständig zu einer Verarmungsschicht wird. Von einem grundlegenden Standpunkt aus gesehen kann der Bereich 402 mit hohem Widerstand entweder ein n&supmin;-Bereich oder ein p&spplus;-Bereich sein, wie in den Fällen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Ein n-Bereich 403 und ein p&spplus;-Bereich 404 entsprechen jeweils den Basis- und Emitterbereichen des Lichtempfangstransistors. Der n-Bereich 403 wird schwebend gemacht, und das Potential des n-Bereichs 403 wird durch einen MOS-Kondensator gesteuert, der eine Elektrode 407, eine isolierende Schicht 406 aus SiO&sub2; oder dergleichen und den n-Bereich 403 umfaßt. Es wird bevorzugt, daß der p&spplus;-Bereich eine Verunreinigungskonzentration in der Größenordnung von 1 x 10²&sup0; cm&supmin;³ oder höher aufweist. Die Verunreinigungskonzentration des n- Bereichs 403 liegt bevorzugt in der Größenordnung von 1 bis 50 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, so daß während des Betriebs kein Durchschlagen auftritt. Die Dicke des Bereichs 402 mit hohemwiderstand wird so festgelegt, daß eine gewünschte Verteilung des Lichtempfindlichkeitsspektrums erhalten werden kann. Der Isolationsbereich 405 des Lichtempfangstransistor besteht aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, einem nicht dotierten Silizium oder einer Kombination hiervon. Eine dünne isolierende Oxidschicht 406 wird auf der amorphen Schicht ausgebildet, und eine isolierende Schicht 408 besteht aus einer PSG-Schicht oder einer SiO&sub2;-Schicht, die durch einen CVD-Prozess erzeugt wurde. Eine transparente Elektrode 409 besteht aus SnO&sub2;, In&sub2;O&sub3;, InSnO (ITO) oder dergleichen und kann derart angeordnet sein; daß die die gesamte Fläche der Zellen bedeckt. Die Leiter 8 und 10 wurden als aus in der Hauptsache aus Aluminium bestehend beschrieben, jedoch sind im Fall des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 33 diese Leiter 8 und 10 mit einer Schicht aus amorphem Silizium bedeckt und sind der n-Bereich 403 und der p&spplus;-Bereich 404 auf dieser ausgebildet, so daß diese Leiter 8 und 10 aus einem Material gefertigt werden müssen, welches in der Lage ist, einem Hochtemperaturprozess zu widerstehen. Daher sind diese Leiter vorwiegend aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt wie beispielsweise Mo und W oder einem hoch wärmebeständigen leitenden Material wie beispielsweise MoSi&sub2;, Wsi&sub2;, TiSi&sub2; oder TaSi&sub2; hergestellt. Die Elektrode 407 kann aus Aluminium oder einer hauptsächlich aus Aluminium bestehenden Legierung hergestellt sein. Aus Gründen der Vereinfachung der Erklärung wird angenommen, daß die Elektrode 407 weiter als Leiter dient.
  • In Fig. 33(c) ist eine äquivalente Schaltung der zweidimensionalen Anordnung von Photosensorzellen gemäß Fig. 33(a) und 33(b) gezeigt.
  • Nachstehend wird die Funktionsweise des in Fig. 33 gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die grundlegende Funktionsweise ist im wesentlichen dieselbe wie die vorstehend beschriebene, so daß sie nur auf einfache Art und Weise beschrieben wird.
  • Zunächst wird der Auffrischungsvorgang beschrieben. Ein negativer Impuls wird durch den Leiter 407 an den MOS- Kondensator 410 geführt, so daß der Übergang zwischen dem p&spplus;-Bereich 404 und dem n-Bereich 403 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Infolgedessen fließen Elektronen, die überschüssig in dem n-Bereich 403 gespeichert sind, aus, und der n-Bereich 403 wird auf eine vorbestimmte positive Spannung geladen. Gleichzeitig fließen Löcher aus dem p&spplus;-Bereich 404 in den p&spplus;-Bereich 401, so daß die Löcher in dem p-Bereich 6 gespeichert werden. Danach wird ein positiver Impuls an den Leiter 10 geführt, so daß der p-Bereich 6 auf eine vorbestimmte negative Spannung eingestellt wird. Dann beginnt die Photosensorzelle den Vorgang zum Speichern photoangeregter Ladungen. In dem Bereich 402 mit hohem Widerstand photoangeregte Löcher fließen in den p&spplus;-Bereich 401, während Elektronen in den n-Bereich 403 fließen. Diese Träger, d.h. die Löcher und Elektronen, werden daher in jeweiligen Bereichen als dem einfallenden Licht entsprechendes optisches Signal gespeichert. Sodann wird der Auslesevorgang begonnen. Zunächst wird ein negativer Impuls an den Leiter 407 geführt, so daß der Übergang zwischen dem p&spplus;-Bereich 404 und den n- Bereich 403 mit beispielsweise 0,5 bis 0,65 V in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Sodann fließen während einer Impulsbreite von 1 bis 0,1 µs Löcher, deren Anzahl zu der Ladung von in dem Bereich 402 mit hohem Widerstand photoangeregten und in dem n-Bereich 403 gespeicherten Elektronen proportional ist, aus dem p&spplus;-Bereich 404 in den p&spplus;-Bereich 401. D.h., es werden nicht nur die Löcher, die direkt in Antwort auf das einfallende Licht erzeugt werden, sondern auch die Löcher in einer zu den photoangeregten Elektronen proportionaler Menge in dem p-Bereich 6 gespeichert. Nachdem die zu einem Lichtsignal proportionalen Löcher unter Verwendung der internen Verstärkungsfunktion in dem p-Bereich 6 gespeichert wurden, wird eine positive Auslesespannung durch den Leiter 10 an die Elektrode 9 des MOS- Kondensators 411 angelegt, so daß das zu dem Lichtsignal proportionale Spannungssignal durch die vertikale Leitung 8 ausgelesen wird. Der vorstehende Vorgang bzw. Betriebsablauf wurde hierin vorangehend bereits im einzelnen beschrieben. Bei dem photoelektrischen Wandler gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Auslesespannung hoch, so daß ein Verstärker einfach aufgebaut werden kann und der divisionelle Auslesevorgang wie vorstehend beschrieben auf einfache Art und Weise ausgeführt werden kann. Es kann dieselbe positive Spannung kann an die Elektroden 12 und 409 angelegt werden, es kännen fallweise jedoch auch unterschiedliche positive Spannungen angelegt werden.
  • Gemäß Fig. 33 werden sowohl der p-Bereich 6, der die Basis des Auslesetransistors 413 bildet, als auch der n-Bereich 403, der die Basis des Lichtempfangstransistors bildet, beide schwebend gemacht. Dies ist so zu verstehen, daß - wie bereits beschrieben wurde - eine Struktur, in der ein MOS-Transistor mit dem p-Bereich 6 als Hauptelektrode bereitgestellt ist, eine Struktur, in der ein MOS-Transistor mit dem n-Bereich 403 als Hauptelektrode, oder eine Kombination derselben in eine Struktur übernommen werden können, in der ein Auslesetransistor und ein Lichtempfangstransistor voneinander isoliert sind. Dies wird nachstehend unter Bezugnahne auf Fig. 34, 35 und 36 beschrieben. Fig. 34 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem ein pMOS-Transistor 414 bereitgestellt ist, um die p-Basis eines Auslesetransistors aufzufrischen. Eine negative Spannung wird an eine Hauptelektrode des Transistors 414 angelegt. Eine negative Spannung wird an das Gate des auffrischenden pMOS-Transistors 414 für dessen Betrieb angelegt. Daher können sowohl der pMOS-Transistor 414 als auch der Auslesetransistor 413 gemeinsam durch die horizontale Leitung 10 angesteuert werden.
  • In einem in Fig. 35 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein n-Bereich 403, der die Basis eines Lichtempfangstransistors 412 bildet, als Hauptelektrode eines nMOS- Transistors 415 für den Auffrischungsvorgang verwendet.
  • Bei dem Auffrischungsvorgang des nMOS-Transistors 415 wird eine positive Impulsspannung an dessen Gate angelegt, so daß das Gate gemeinsam mit dem Lichtempfangstransistor 412 durch die horizontale Leitung 407 angesteuert werden kann. Eine vorbestimmte positive Spannung (die höher ist als das an eine Elektrode 409 angelegte Potential) wird an die andere Hauptelektrode des nMOS-Transistors 415 angelegt.
  • In Fig. 36 sind auffrischende MOS-Transistoren 416 und 417 jeweils mit dem p-Bereich 6, der die Basis des Auslesetransistors 413 bildet, und dem n-Bereich 403, der die Basis des Lichtempfangstransistors 412 bildet, verbunden. Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 36 ist in wesentlichen gleich der vorstehend beschriebenen.
  • Das vorstehende Ausführungsbeispiel, bei dem Transistoren unter Verwendung amorphen Siliziums aufgebaut sind, weist einen Vorteil auf dahingehend, daß die Empfindlichkeit für Lichtstrahlen mit kurzen Wellenlängen hoch wird, weil der effektive Lichtempfangsbereich größer gemacht werden kann und weil amorphes Silizium einen großen Bandabstand von 1,7 bis 1,8 eV aufweist.
  • Die Leiter, die im Inneren vergraben oder eingebettet sind, sind aus den vorstehend beschriebenen Metallen mit hohem Schmelzpunkt oder Siliziumverbindungen derselben hergestellt. Eine PSG-Schicht, durch einen CVD- Prozess erzeugtes SiO&sub2; oder eine durch ein Sputterverfahren erzeugte SiO&sub2;-Schicht können über die Leiter gelegt werden. Wenn gewünscht wird, daß eine isolierende Schicht flach ausgebildet wird, wird im letzten Schritt eine SiO&sub2;-Schicht durch einen Sputterprozeß erzeugt. Dies wird in derselben Vakuumkammer für die Schichterzeugung bewirkt, indem die Spannung (Gleichsignal-Vorspannung) zwischen den Sputter-Elektroden geändert wird, wobei die Betriebsarten von einer Betriebsart zum Erzeugen einer SiO&sub2;-Schicht über einer. Probe auf eine Betriebsart zum Sputtern der SiO&sub2;-Schicht umgeschaltet wird. Danach wird das Kontaktloch 410 geöffnet und dann eine p&spplus;-Polysiliziumschicht durch einen CVD-Prozess abgeschieden. Sodann wird nach einem Mustererzeugungsschritt eine Schicht mit hohem Widerstand aus amorphem Silizium mit einer gewünschten Dicke von beispielsweise. 2 bis 7 µm abgeschieden. Die Abscheidung einer Schicht aus amorphem Silizium kann durch einen Niedrigtemperatur-Abscheideprozess in einem Ultrahoch-Vakuum, einen Sputter-Prozess in einer Atmosphäre von beispielsweise Ar, oder durch einen CVD-Prozess (einschließlich Plasma-CVD-Prozessen) unter Verwendung von SiH&sub4; oder Si&sub2;H&sub6; ausgeführt werden. Ferner kann ein ein organisches Metall-Quellgas verwendender MOCVD-Prozess eingesetzt werden. Nachdem der isolierende Isolationsbereich 405 erzeugt worden ist, werden der n-Bereich 403 und der p&spplus;-Bereich 404 durch einen Diffusions- oder Ionen-Ätzprozess erzeugt.
  • Wie vorstehend beschrieben ist der erfindungsgemäße photoelektrische Wandler grundlegend dadurch gekennzeichnet, daß photoangeregte Träger in einem schwebenden bzw. erdfreien Basisbereich, der ein Steuerelektrodenbereich ist, gespeichert, so daß der erfindungsgemäße photoelektrische Wandler englisch als Base Store Image Sensor, abgekürzt "BASIS", bezeichnet werden kann
  • Insbesondere weisen die photoelektrischen Wandler der in Fig. 24, 27 und 30 gezeigten Art zwei Steuerelektrodenbereiche auf, in welchen jeweils Träger gespeichert werden, so daß diese photoelektrischen Wandler englisch als Double Base Store Image Sensors, abgekürzt "D.BASIS" bezeichnet werden können.
  • Wie im einzelnen unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben,kann ein photoelektrische Wandler gemäß der Erfindung wie nachstehend viele vorteilhafte Merkmale aufweisen. Ein Bildelement besteht aus einem Transistor, so daß auf einfache Art und Weise eine hohe Dichte von Bildelementen erzielt werden kann. Aufgrund seiner Struktur können Überstrahlung und Schmieren auf ein Minimum reduziert werden, und auch eine hohe Empfindlichkeit ist erzielbar. Es kann ein beträchtlich weiter Dynamikbereich gewährleistet werden. Aufgrund einer Fähigkeit zur Selbstverstärkung kann eine hohe Signalspannung erzeugt werden, die nicht von der Leiterkapazität abhängig ist. Es wird eine Charakteristik mit geringen Störungen erzielt, und periphere Schaltkreise können einfach aufgebaut werden. Infolgedessen kann der Wert des erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlers, beispielsweise als ein qualitativ hochwertiger Festkörper-Bildsensor, für die Industrie zukünftig sehr hoch sein.
  • Außer als Festkörper-Bildsensoren kann ein erfindungsgemäßer photoelektrischer Wandler in Bildeingabeeinrichtungen wie beispielsweise Telefax-Geräten, Arbeitsstationen, digitalen Kopierern, Textverarbeitungsgeräten und dergleichen; Einrichtungen zur optischen Zeichenerkennung; Balkencode-Lesern; und nach dem Prinzip der photoelektrischen Erfassung arbeitenden Objekterfassungseinrichtungen, wie sie in automatischen Scharfeinstellungssystemen von Kameras, Video-Kameras und 8mm-Filmkameras verwendet werden, eingesetzt werden.

Claims (40)

1. Photoelektrischer Wandler zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, welches sich in Abhängigkeit von durch diesen empfangener Lichtenergle ändert, umfassend ein Photosensorelenent, umfassend einen lichtempfind lichen bipolaren Transistor mit einem Basisbereich (6; Fig. 1a, 1b), der so ausgelegt ist, daß er in einer Speicherbetriebsart, in der er sich in einem erdfreien Zustand befindet, Ladungsträger in Antwort auf die empfangene Lichtenergie akkumuliert, einem Kollektorbereich (1, 5) und einem Emitterbereich (7), wobei das Photosensorelenent ferner umfaßt:
eine isolierende Schicht (3) in der Nähe des Basisbereichs (6), eine Elektrode (9) in der Nähe der isolierenden Schicht (3) und ein leitendes Element (8), welches mit dem Emitterbereich (7) verbunden ist; und
eine Potentialquelle zum Anlegen einer Spannung (Vr), welche in einer Auslesebetriebsart eine Vorspannung des Übergangs zwischen dem Basis- (6) und dem Emitterbereich (7) erzeugt, um ein Ausgangssignal an dem leitenden Element (8) in Abhängigkeit von den akkumulierten Ladungsträgern in dem Basisbereich (6) zu erzeugen,
wobei der Basisbereich (6) durch die isolierende Schicht (3) und die Elektrode (9) kapazitiv mit der Potentialquelle gekoppelt ist,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (48; Fig. 7), durch welche der Emitterbereich (7) und das leitende Element (8) in der Auslesebetriebsart in einem erdfreien Zustand gehalten werden, so daß das Ausgangssignal als eine Spannung an dem leitenden Element erzeugt wird; und
eine Einrichtung zum Löschen der Ladung in dem Basisbereich (6) in einer von der Auslesebetriebsart getrennten Auffrischungsbetriebsart.
2. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, bei dem ein weiterer Bereich (220, 224) mit demselben Leitungstyp wie der Basisbereich (6) beabstandet zu dem Basisbereich (6) bereitgestellt und durch einen Teil des Kollektorbereichs (1, 5) getrennt ist, wobei der weiterebereich (220, 224) derart ausgebildet ist, daß er vor dem Wiederauffrischen ein Potential zum Durchführen des Teils des Kollektors zwischen dem weiteren Bereich (220, 224) und dem Basisbereich (6) empfängt.
3. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 2, bei dem der weitere Bereich (220) in den Kollektorbereich (1, 5) eingegraben ist.
4. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 2, bei dem der weitere Bereich (224) in Querrichtung gegenüber dem Basisbereich (6) beabstandet ist.
5. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, umfassend eine Einrichtung (255) zum dampen einer an den Basisbereich angelegten Spannung in der Wiederauffrischungsbetriebsart.
6. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 5, bei dem die Clampeinrichtung eine Diode (255) umfaßt, welche durch eine weitere Elektrode (253) mit dem Basisbereich (6) verbunden ist.
7. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 6, bei dem die Diode eine Diode mit pn-Übergang ist.
8. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 7, bei dem die weitere Elektrode (253) den Basisbereich (6) mit einem Bereich (252) der Diode verbindet, welcher den gegenüber dem Leitungstyp des Basisbereichs (6) entgegengesetzten Leitungstyp aufweist.
9. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 7, bei dem die weitere Elektrode (253) den Basisbereich (6) mit einen Bereich (252) der Diode verbindet, welcher den gegenüber dem Leitungstyp des Basisbereichs (6) entgegengesetzten Leitungstyp aufweist.
10. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, bei den ein Transistor mit isoliertem Gate (273) mit dem Basisbereich (6) verbunden ist, und bei dem eine Potentialquelle mit dem Transistor mit isoliertem Gate verbunden ist zum Anlegen eines vorbestimmten Potentials an den Basisbereich (6) über den Transistor mit isoliertem Gate in der Auffrischungsbetriebsart.
11. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Drainbereich des Transistors mit isolierten Gate durch den Emitterbereich (7) bereitgestellt wird.
12. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 10, bei dem der Sourcebereich des Transistors mit isoliertem Gate durch den Basisbereich (6) bereitgestellt wird.
13. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 10, bei dem die Potentialquelle so angeordnet ist, daß sie das vorbestimmte Potential in der Auffrischungsbetriebsart mit einem Betrag anlegt, der bewirkt, daß der Basisbereich (6) während der Akkumulation von Ladungsträgern auf eine bezüglich dem Emitter umgekehrte Vorspannung eingestellt wird.
14. Photoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Potentialquelle, die kapazitiv mit dem Basisbereich (6) gekoppelt ist, um eine Spannung (VRH) anzulegen, die eine Vorspannung des Übergangs zwischen dem Basis- (6) und dem Emitterbereich (7) in einer Auffrischungsbetriebsart bewirkt, und eine Einrichtung zum Erden des Emitterbereichs (7) in der Auffrischungsbetriebsart derart, daß akkumulierte Lädungsträger in dem Basisbereich in den Emitterbereich ausfließen oder mit Ladungsträgern entgegengesetzten Vorzeichens, die von dem Emitter her einfließen, rekombinieren.
15. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 14, bei dem die in der Auslesebetriebsart an den Basisbereich (6) zum Bewirken der Vorspannung angelegte Spannung größer ist als die in der Auffrischungsbetriebsart an den Basisbereich (6) zum Bewirken der Vorspannung angelegte Spannung.
16. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 14, bei dem die Spannung (VRH), die die Vorspannung in der Auffrischungsbetriebsart bewirkt, an die Elektrode (9) angelegt wird.
17. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 16, bei dem die an die Elektrode (9) zum Bewirken der Vorspannung in der Auslesebetriebsart angelegte Spannung größer ist als die an die zun Bewirken der Vorspannung in der Auffrischungsbetriebsart an die Elektrode (9) angelegte Spannung.
18. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 14, bei dem der lichtempfindliche Transistor eine weitere Elektrode (120) aufweist, die kapazitiv mit dem Basisbereich (6) gekoppelt ist, und bei dem die die Vorspannung in der Auffrischungsbetriebsart bewirkende Spannung (VRH) an die weitere Elektrode (120) angelegt wird.
19. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 18, bei dem die Kapazität zwischen dem Basisbereich (6) und der ersterwähnten Elektrode (9) größer ist als die Kapazität zwischen dem Basisbereich (6) und der weiteren Elektrode (120).
20. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 19, bei dem die an die ersterwähnte Elektrode (9) zum Bewirken der Vorspannung in der Auslesebetriebsart angelegte Spannung gleich der Spannung ist, die zum Bewirken der Vorspannung in der Auffrischungsbetriebsart an die weitere Elektrode (120) angelegt wird.
21. Photoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei dem die Potentialquelle nachfolgend angeordnet ist, um die Spannung (VRH), welche die Vorspannung in der Auffrischungsbetriebsart bewirkt, zu entfernen, um den Basisbereich (6) auf eine entgegengesetzte Vorspannung relativ zu dem Emitter während der Akkumulation von Ladungsträgern festzulegen.
22. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung zum Erden des Emitterbereichs (7) und des Konduktors (8) während der Akkumulation von Ladungsträgern im Basisbereich.
23. Photoelektrischer Wandler nach einen der Ansprüche 1 bis 21, umfassend eine Einrichtung zum Halten des Emitterbereichs (7) und des Konduktors (8) in einem erdfreien Zustand während der Akkumulation von Ladungsträgern in dem Basisbereich.
24. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kollektor einen ersten Halbleiterbereich (1) und einen zweiten Halbleiterbereich (5) umfaßt, wobei der zweite Halbleiterbereich (5) zwischen dem ersten Halbleiterbereich (1) und dem Basisbereich (6) angeordnet ist, und der zweite Halbleiterbereich (5) eine geringere Verunreinigungskonzentration als der erste Halbleiterbereich (1) aufweist.
25. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 24, bei dem der zweite Halbleiterbereich (5) des Kollektors teilweise von einem weiteren Haibleiterbereich (307) umgeben ist, wobei der weitere Haibleiterbereich (307) denselben Leitungstyp wie der zweite Halbleiterbereich (5) des Kollektors sowie eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist.
26. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Vielzahl der Photosensor-Elenente und eine Verstärkereinrichtung (44 bis 47) zum Verstärken des Ausgangssignals umfaßt.
27. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 26, bei dem die Verstärkereinrichtung einen bipolaren Transistor (48) zum Verstärken des Ausgangssignals umfaßt.
28. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 26, bei dem die Verstärkereinrichtung einen MOS-Transistor, einen FET oder einen J-FET umfaßt zum Verstärken des Ausgangssignals.
29. Photoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 26 bis 28, bei dem die Vielzahl der Photosensor-Elemente in eine Vielzahl von Abschnitten mit jeweiligen Verstärkereinrichtungen unterteilt ist.
30. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei den der Emitterbereich (7) eine Dicke von zwischen 0,2 bis 0,3 µm in der Tiefenrichtung aufweist.
31. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Emitterbereich (7) eine Verunreinigungskonzentration von 1 x 10²&sup0; cm&supmin;³ oder mehr hat.
32. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Emitterbereich (7) eine Verunreinigungs-Konzentrationsverteilung aufweist, die in Richtung einfallenden Lichts von seiner einen Seite aus zu seiner entgegengesetzten Seite hin abnimmt.
33. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Basisbereich (6) eine Verunreinigungs-Konzentrationsverteilung aufweist, die in Richtung einfallenden Lichts von seiner einen Seite aus zu seiner entgegengesetzten Seite hin abnimmt.
34. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, umfassend einen weiteren Bereich (350; Fig. 24) desselben Leitungstyps wie der Basisbereich (6) auf der anderen Seite des Kollektorbereichs (5, 351) von dem Basisbereich (6), um dadurch einen zweiten bipolaren lichtempfindlichen Transistor auszubilden, der den Basisbereich (6), den Kollektorbereich (5, 351) und den weiteren Bereich (350) umfaßt,
wobei der Kollektorbereich (5, 351) als Basisbereich des weiteren Transistors wirkt und derart ausgebildet ist, daß erinder Speicherbetriebsart in Antwort auf empfangene Lichtenergie Ladungsträger der den in dem Basisbereich (6) akkumulierten Ladungsträgern entgegengesetzten Art akkumuliert.
35. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Halten des Emitterbereichs (7) und des leitenden Elements in erdfreiem Zustand einen MOS-Transistor (48) umfaßt.
36. Photoelektrischer Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl der Photosensor- Elemente, die in einen Halbleiterkörper in einer Matrix von Zeilen und Spalten angeordnet sind.
37. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor eine Vielzahl von Emitterelektroden aufweist, wobei eine Vielzahl der Ausgangssignale in der Auslesebetriebsart erzeugt werden kann.
38. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 37, bei dem der Transistor eine Vielzahl von Emitterbereichen aufweist.
39. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 37, bei dem der Transistor eine Vielzahl von Emitterelektroden auf demselben Emitterbereich aufweist.
40. Photoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 37 bis 39, bei dem der Kollektorbereich (1, 5) einen ersten Halbleiterbereich (1) und einen zweiten Halbleiterbereich (5) umfaßt, wobei der zweite Halbleiterbereich (5) denselben Leitungstyp wie der erste Halbleiterbereich (1) und eine geringere Verunreinigungskonzentration aufweist und der zweite Halbleiterbereich (5) an den ersten Halbleiterbereich (1) und den Basisbereich (6) angrenzt.
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