DE68902331T2

DE68902331T2 - Photoempfindlicher matrix mit zwei dioden pro punkt ohne spezifischen rueckstellungsleiter.

Info

Publication number: DE68902331T2
Application number: DE8989400373T
Authority: DE
Inventors: Marc Arques; Jean-Luc Berger
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2009-02-10
Also published as: FR2627922B1; JP2771221B2; FR2627922A1; EP0331546B1; JPH01252077A; DE68902331D1; EP0331546A1; US4906855A

Description

Die Erfindung betrifft die Matrizen von lichtempfindlichen Elementen.
Um Matrizen von lichtempfindlichen Elementen zu verwirklichen, wird klassischerweise ein Gitter von Zeilenleitern und ein Gitter von Spaltenleitern mit jeweils einem lichtempfindlichen Element an jeder Kreuzung einer Zeile und einer Spalte vorgesehen. Über das Zeilengitter wird eine Zeile von lichtempfindlichen Elementen ausgewählt, von der die elektrischen Ausgangssignale erkannt werden sollen; über das Gitter von Spaltenleitern wird für jedes der Elemente der gewählten Zeile jeweils ein Ausgangssignal gelesen.
In der französischen Patentanmeldung FR-A-2593343 wird eine lichtempfindliche Matrix mit einem Gitter von lichtempfindlichen Punkten beschrieben, in der jeder lichtempfindliche Punkt eine mit einem lichtempfindlichen Element in Reihe geschaltete Ladungsspeicherkapazität umfaßt, wobei diese Gesamtheit zwischen einen Zeilenleiter und einen Spaltenleiter geschaltet ist; das lichtempfindliche Element kann eine PIN-Photodiode mit drei Schichten (Halbleiterschicht vom P-Typ, Eigenleitungsschicht I, Schicht vom N- Typ) sein.
In der Photodiode werden durch die Beleuchtung des lichtempfindlichen Punktes Ladungen erzeugt. Sie werden an einem (schwebenden) Schaltungspunkt zwischen der Photodiode und der Kapazität angesammelt. Sie werden gelesen durch Anlegen eines Spannungsimpulses an den Zeilenleiter in einer Richtung, mit dem die Photodiode in Durchlaßrichtung vorgespannt wird (während sie während der Ansammlungsphase in Sperrichtung vorgespannt war). Dann werden Ladungen in einer Menge, die den angesammelten Ladungen entspricht, vom schwebenden Schaltungspunkt an die Spalte (oder umgekehrt von der Spalte zum schwebenden Schaltungspunkt) übertragen; das Lesen besteht im Messen dieser Ladungsbewegung.
Nach dem Ende des Leseimpulses wird die Photodiode für eine neue Phase der Beleuchtung und der Ladungsintegration gesperrt.
Das Potential des schwebenden Schaltungspunkts besitzt jedoch nicht mehr den Wert, den es am Beginn der Integrationsphase hatte; eine neue Phase der Integration kann daher nicht begonnen werden, ohne daß für dieses Potential des schwebenden Schaltungspunkts ein wohlbestimmter Ausgangswert eingestellt wird.
Der Phase des Lesens folgt daher eine Phase der Pegelrückstellung des Potentials des schwebenden Schaltungspunkts.
Die Pegelrückstellung wird durch die Beleuchtung der Photodiode ausgeführt. Es ist daher notwendig, eine Beleuchtungsquelle und mit den Mitteln zum Lesen der lichtempfindlichen Matrix synchronisierte Steuermittel vorzusehen, um nach jeder Lesephase eine Pegelrückstellung auszuführen.
Aus diesem Grund ist es notwendig, daß die Erfassung eines Beleuchtungsmeßsignals auf diskontinuierliche Weise ausgeführt wird: Beleuchtung, anschließend Lesen, anschließend Pegelrückstellblitz, anschließend erneute Beleuchtung usw.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine neue Struktur des lichtempfindlichen Punktes vor, die die Notwendigkeit einer Pegelrückstell-Beleuchtungsquelle beseitigt und die die Erfassung der Information in einem kontinuierlichen Strom erlaubt, ohne daß es notwendig ist, die Matrix auf diskontinuierliche Weise zu beleuchten.
Erfindungsgemäß wird eine Matrix von lichtempfindlichen Punkten vorgeschlagen, die ein Gitter von lichtempfindlichen Punkten umfaßt, die in Zeilen (wenigstens eine Zeile) und Spalten (wenigstens eine Spalte) angeordnet sind, wobei sich jeder lichtempfindliche Punkt auf der Kreuzung einer Zeile und einer Spalte befindet, dadurch gekennzeichnet, daß jeder lichtempfindliche Punkt ein lichtempfindliches Element aufweist, das zwischen einem Zeilenleiter und einem Spaltenleiter mit einer Lesediode in Reihe geschaltet ist, wobei die Lesediode einen ersten Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in direkter Richtung und einen zweiten Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in entgegensetzter Richtung aufweist, wobei die Matrix außerdem zum Lesen der im Verbindungspunkt des lichtempfindlichen Elementes und der Lesediode akkumulierten Ladungen ein Mittel umfaßt, um an den Zeilenleiter:
- zuerst während einer Phase der Integration der Ladungen einen Ruhespannungspegel für den Zeilenleiter,
- dann einen Spannungsimpuls mit einem ersten Vorzeichen, einen sogenannten Leseimpuls;
- und schließlich einen Spannungsimpuls mit entgegengesetztem Vorzeichen, einen sogenannten Pegelrückstellimpuls, anzulegen, wobei die Amplitude der Differenz zwischen den Spannungspegeln des Leseimpulses und des Pegelrückstellimpulses betragsmäßig größer als der Abstand zwischen den Durchlaßschwellenwerten in direkter und entgegengesetzter Richtung der Lesediode ist.
Das lichtempfindliche Element kann eine Photodiode oder ein Photoleiter sein.
Die Lesediode ist so beschaffen, daß sie eine viel geringere Kapazität als das lichtempfindliche Element besitzt; sie wird aus diesem Grund im allgemeinen eine Oberfläche besitzen, die viel geringer als die Oberfläche des lichtempfindlichen Elementes ist.
Die Wahl der Amplitude des Pegelrückstellimpulses wird derart getroffen, daß das Potential des das lichtempfindliche Element mit der Lesediode verbindenden gemeinsamen Schaltungspunkts nach einem Pegelrückstellimpuls stets auf den gleichen Wert zurückkehrt, weshalb zwischen der Amplitude des Impulses und dem Abstand zwischen den Schwellenwerten der Lesediode für den Durchlaß in direkter, d. h. in Vorwärtsrichtung und in entgegengesetzter, d. h. in Rückwärtsrichtung ein Zusammenhang hergestellt ist. Vorzugsweise liegt die Amplitude der Differenz zwischen dem Ruhespannungspegel und dem Spannungspegel des Pegelrückstellimpulses in nächster Nähe des Abstandes zwischen den Spannungsschwellenwerten für den Durchlaß in direkter und entgegengesetzter Richtung der Lesediode.
Die Lesediode besitzt eine Spannungs-/Strom-Charakteristik, die derjenigen einer Zener- Diode ähnelt, mit einem betragsmäßig verhältnismäßig geringen Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung (beispielsweise zwischen - 8 und - 10 Volt) und einem Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in direkter Richtung in der Größenordnung von + 1 Volt. Die Lesediode wird hier "Diode" genannt, weil sie eine Strom-/Spannungscharakteristik besitzt, die derjenigen einer Diode ähnelt, sie kann jedoch mit einer Struktur verwirklicht werden, die nicht notwendigerweise diejenige einer PN- Diode im klassischen Sinn ist. Insbesondere kann die Lesediode vorteilhaft in Form eines Transistors mit offener Basis vom NIPIN-Typ, d.h. mit einer Struktur aus zwei Elektroden und fünf übereinanderliegenden Halbleiterschichten verwirklicht sein, wobei die fünf Schichten durch eine N-dotierte Schicht, eine verhältnismäßig dicke Eigenleitungsschicht, eine sehr dünne P-Schicht, eine sehr dünne Eigenleitungsschicht und schließlich eine N- dotierte Schicht gegeben sind. Außerdem kann ein PINIP-Transistor verwendet werden (wobei sämtliche Leitungstypen gegenüber dem NIPIN-Transistor umgekehrt sind).
Mit diesem Typ von Lesediode werden ausreichend reproduzierbare Spannungsschwellenwerte für den Durchlaß in direkter und entgegengesetzter Richtung erzielt, was wünschenswert ist; diese Spannungen besitzen übrigens Werte, die mit den Werten der Impulse, die an die Zeilenleiter über dazwischengeschaltete Steuerschaltungen mit MOS-Transistoren angelegt werden, vollständig kompatibel sind.
In der folgenden eingehenden Beschreibung wird deutlich werden, daß zwei verschiedene Funktionsmöglichkeiten vorhanden sind, je nachdem, ob die Ruhespannung des Zeilenleiters größer oder kleiner als der Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung der Lesediode ist. In einer der Möglichkeiten ergibt sich der Vorteil, daß die Menge der gelesenen Ladungen stets größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, selbst bei einer der Sättigung des lichtempfindlichen Punktes entsprechenden maximalen Beleuchtung, wodurch das Lesen der Ladungen erleichtert wird; außerdem ergibt sich eine größere Dynamik bei der Ladungsmessung zwischen einer minimalen Beleuchtung und einer Sättigungsbeleuchtung. Im anderen Fall ist der Ausschlag der Spannung geringer, es wird jedoch der Vorteil erzielt, daß im Fall der Sättigung die von einer zu starken Beleuchtung erzeugten überschüssigen Ladungen an einen Zeilenleiter und nicht an einen Spaltenleiter abgeführt werden; die überschüssigen Ladungen, die von den Punkten einer momentan nicht gelesenen Zeile hervorgehen, stören daher in einer Spalte die momentan gelesenen und von einer anderen Zeile von Punkten kommenden Ladungen nicht.
Die Erfindung ist auf alle Arten von lichtempfindlichen Matrizen anwendbar, die diejenigen umfassen, die in der Radiologie verwendet werden und die hierzu einen Szintillator (Gadoliniumoxid, Cäsiumiodid usw.) umfassen, um Röntgenstrahlung (oder Gammastrählung oder Neutronenstrahlung usw.) in Lichtstrählung eines Wellenlängenbandes umzuwandeln, für das die Photodioden empfindlich sind.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine Verwirklichung, in der die lichtempfindlichen Punkte durch Überlagerung von Schichten aus amorphen Silizium gebildet sind.
Von den von der vorliegenden Erfindung zu erwartenden Vorteilen können, weil sie für die Qualität der verwirklichten Matrizen wesentlich sind, erwähnt werden:
- die Einfachheit der Struktur, in der jeder lichtempfindliche Punkt nur zwei Elemente aufweist,
- die geringe Kapazität der Spalten von lichtempfindlichen Punkten,
- die Schnelligkeit des Lesens,
- die gute Entkopplung zwischen den lichtempfindlichen Punkten benachbarter Zeilen oder Spalten,
- die Verringerung des parasitären Rauschens im Moment des Lesens, eines Rauschens, das in herkömmlichen Systemen durch den Durchlaß der lichtempfindliche Diode in direkter Richtung erzeugt werden kann; hier bleibt die Photodiode im Prinzip stets, selbst während des Lesens, entgegengesetzt vorgespannt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden eingehenden Beschreibung deutlich, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, von denen:
- die Fig. 1 eine erfindungsgemäße Matrix von lichtempfindlichen Punkten darstellt;
- die Fig. 2 eine Spannungs-/Stromkurve einer Lesediode einer erfindungsgemäßen Matrix darstellt;
- die Fig. 3 schematisch eine Lesediode darstellt, die als Struktur mit fünf Schichten zwischen zwei Elektroden aufgebaut ist;
- die Fig. 4 das Zeitablaufdiagramm der Potentiale des Zeilenleiters Li und des Schaltungspunkts A der Matrix von Fig. 1 in einer ersten Betriebsart dieser Matrix darstellt;
- die Fig. 5 das Zeitablaufdiagramm der Potentiale des Zeilenleiters Li und des Schaltungspunkts A der Matrix von Fig. 1 in einer zweiten Betriebsart dieser Matrix darstellt.
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schema einer Matrix von lichtempfindlichen Punkten gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Matrix umfaßt ein Zeilen- und Spaltengitter von lichtempfindlichen Punkten Pij.
Jede Zeile umfaßt einen Zeilenleiter Li, mit dem die lichtempfindlichen Punkte dieser Zeile verbunden sind; der Zeilenleiter Li dient der Lieferung einer Ruhespannung Vp während einer Integrationsphase, anschließend eines Leseimpulses während einer Lesephase und schließlich eines Pegelrückstellimpulses während einer Pegelrückstellphase vor einer neuen Integrationsphase. Die Zeilenleiter sind mit einem Zeilendekodierer DEL verbunden, der dazu geeignet ist, eine bestimmte Zeile, deren Punkte gelesen werden sollen, auszuwählen und die Lese- und Pegelrückstellimpulse an diese ausgewählte Zeile zu liefern, während die anderen Zeilen auf der Ruhespannung Vp gehalten werden.
Jede Spalte umfaßt einen Spaltenleiter Cj, mit dem die lichtempfindlichen Punkte dieser Spalte verbunden sind; der Spaltenleiter Cj ist mit einer Schaltung CL zum Lesen der Ladungen verbunden, die durch den lichtempfindlichen Punkt Pij erzeugt werden, der sich im Schnittpunkt dieser Spalte und der ausgewählten Zeile befindet.
In einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Leseschaltung für jede der Spalten der Punkte einen Integrator INT und einen Multiplexer MUX, der die Ausgänge des Integrators empfängt, um an seinen Ausgang S nacheinander Signale zu liefern, die die Beleuchtung der aufeinanderfolgenden Punkte der bezeichneten Zeile darstellen.
In anderen Fällen kann die Leseschaltung eine ladungsgekoppelte Schaltung und der Multiplexer ein ladungsgekoppeltes Schieberegister sein.
Erfindungsgemäß umfaßt jeder lichtempfindliche Punkt Pij ein lichtempfindliches Element DP, das im Prinzip eine Photodiode ist, jedoch auch anders, beispielsweise durch einen Photoleiter gegeben sein kann. Dieses Element ist mit einer Lesediode DL in Reihe geschaltet, außerdem ist diese Gesamtheit zwischen eine Zeile Li und eine Spalte Cj geschaltet. Im folgenden wird davon ausgegangen, daß das lichtempfindliche Element eine Photodiode DP ist.
Der Verbindungspunkt A zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Lesediode ist der Schaltungspunkt, an dem sich die durch die Beleuchtung im lichtempfindlichen Element erzeugten elektrischen Ladungen ansammeln.
Die Lesediode DL, die den Ladungstransport vom schwebenden Schaltungspunkt A zum Spaltenleiter Cj ermöglicht, besitzt erfindungsgemäß besondere Merkmale.
Zunächst muß sie eine gegenüber der Photodiode geringe Kapazität besitzen, wodurch es möglich ist, daß die von einer Spalte aus gesehene Gesamtkapazität deutlich geringer als die Summe der Kapazitäten der mit dieser Spalte verbundenen Photodioden ist.
Dann wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß die Lesediode in direkten Durchlaß versetzt werden kann, wenn die Spannung an ihren Anschlüssen größer als ein erster Spannungsschwellenwert Vsd wird, und daß sie in entgegengesetzten Durchlaß versetzt werden kann, wenn die Spannung an ihren Anschlüssen geringer als ein zweiter Spannungsschwellenwert Vsi wird.
Mit anderen Worten besitzt die Lesediode eine Strom-/Spannungs-Charakteristik einer in Fig. 2 dargestellten Art, die zu derjenigen einer Zenerdiode analog ist.
Die Spannungsschwellenwerte müssen mit der Funktion der Steuerschaltung in der Matrix kompatibel sein. Wenn die Matrix beispielsweise mit MOS-Transistoren arbeitet, ist es wünschenswert, daß die Schwellenwerte für den Durchlaß betragsmäßig nicht über 12 bis 15 Volt liegen.
Andererseits muß jedoch der Abstand zwischen dem ersten Schwellenwert und dem zweiten Schwellenwert ausreichend groß sein, weil durch ihn die Dynamik des Beleuchtungsmeßsignals begrenzt wird.
Beispielsweise können Dioden verwirklicht werden, deren Durchlaß in direkter Richtung bei einem ersten, positiven Spannungsschwellenwert von ungefähr + 1 Volt auftritt und deren Durchlaß in entgegengesetzter Richtung bei einem zweiten, negativen Spannungsschwellenwert, der zwischen ungefähr - 8 und - 15 Volt einstellbar ist, auftritt, indem die Dotierungen der Halbleiterschichten geeignet gewählt werden.
Vorausgesetzt, daß es äußerst wünschenswert ist, daß diese Schwellenwerte stabil und reproduzierbar sind, wird eine Verwirklichung der Lesediode DL durch eine Technik gewählt, die den Erhalt dieser Stabilität und dieser Reproduzierbarkeit erlaubt. Man hat beobachtet, daß eine Diode, deren Leitfähigkeit in entgegensetzter Richtung durch einen Lawinenübergang bewirkt wird, nicht sämtliche erwünschten Stabilitäts- und Reproduzierbarkeitsgarantien bietet; ein Transistor mit offener Basis vom NIPIN-Typ, dessen Leitfähigkeit in entgegengesetzter Richtung durch Absenken eines Potentialwalls bewirkt wird, kann jedoch als Lesediode dienen, die unter diesem Gesichtspunkt die besten Eigenschaften besitzt.
Ein NIPIN-Transistor ist eine Struktur mit fünf zwischen zwei Elektroden M1 und M2 übereinanderliegenden Halbleiterschichten, wie in Fig. 3 schematisch gezeigt ist; diese Struktur ist aus amorphem Silizium durch aufeinanderfolgende Ablagerung einer Siliziumschicht vom N-Typ, einer verhältnismäßig dicken Eigenleitungs-Siliziumschicht, einer sehr dünnen Schicht vom P-Typ, einer sehr dünnen Eigenleitungsschicht und einer Schicht vom N-Typ leicht zu verwirklichen. Den Kollektor stellt die Seite des Transistors dar, die mit dem Spaltenleiter verbunden ist (Seite mit der dicksten Eigenleitungsschicht), falls die Kathode der Photodiode DP mit dem Punkt A verbunden ist, und im umgekehrten Fall die andere Seite.
Die Photodiode kann eine PIN-Diode sein. Sie kann außerdem ein Phototransistor mit offener Basis vom NIPIN-Typ sein. Im Grenzfall kann sie durch einen einfachen Photoleiter wie etwa eine Eigenleitungsschicht aus amorphen Silizium ersetzt werden.
Die Photodiode DP besitzt eine verhältnismäßig große Oberfläche, damit ihre Empfindlichkeit ausreichend hoch ist; die Lesediode DL ist kleiner und vorzugsweise abgedunkelt angeordnet, beispielsweise mittels einer sie abdeckenden metallischen Schicht.
Nun wird die Funktion der Matrix von Fig. 1 zuerst in einem Fall, in dem die an den Zeilenleiter während der Ansammlung der photoelektrischen Ladungen angelegte Ruhespannung Vp größer als der Schwellenwert Vsi für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung der Lesediode ist, und anschließend in einem Fall, in dem die Ruhespannung geringer als dieser Schwellenwert ist, beschrieben, außerdem wird gezeigt, wie die Wahl der an die Zeilenleiter angelegten Potentiale mit den Schwellenwerten für den Durchlaß in direkter Richtung (Vsd) und entgegengesetzter Richtung (Vsi) der Lesediode oder der sie ersetzenden Struktur in Beziehung gesetzt werden muß.

I. Fall, in dem Vp größer als Vsi ist: Fig. 4

Um die Erläuterungen zu vereinfachen, wird angenommen, daß die Kapazität der Lesediode gegenüber derjenigen der lichtempfindlichen Diode DP vernachlässigbar ist; wenn dem nicht so wäre, müßten die im Lauf der Erläuterungen angegebenen numerischen Werte der Potentiale und der Potentialschwankungen modifiziert werden, das Funktionsprinzip bliebe jedoch gültig.
Es wird außerdem angenommen, daß die mit den Spalten verbundene Leseschaltung das Potential derselben auf einem Referenzwert Null hält.
Die Fig. 4 stellt Zeitablaufdiagramme dar, die die Erläuterung der Funktion erlauben. Die Änderungen des an den Zeilenleiter Li angelegten Potentials VL sind im Diagramm 4a dargestellt; die Änderungen des Potentials VA des Schaltungspunkts A sind im Diagramm 4b dargestellt.
Der periodische Funktionszykuls dauert vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t'0.
Am Beginn, direkt nach dem Zeitpunkt t0, d.h. direkt nachdem das Potential des Zeilenleiters einer ausgewählten Zeile auf seinen Ruhewert Vp zurückgestellt worden ist, ist der Anfangszustand der folgende:
- das Potential VL im Zeilenleiter Li besitzt einen Ruhewert Vp, beispielsweise - 5 Volt; der Wert wird so gewählt, daß die Photodiode in entgegengsetzter Richtung vorgespannt bleibt, selbst wenn das Potential des Schaltungspunkts A in der Folge der Ankunft der Photoladungen absinkt;
- das Potential VA am Schaltungspunkt A besitzt den Wert Null oder einen Wert in der Umgebung von Null;
- vom Potential des Spaltenleiters Cj wird angenommen, daß es Null ist.
Es ist ersichtlich, daß dies genau die Situation ist, die am Ende des Lesezyklus vorhanden ist, der nun beschrieben wird.
Im Zeitpunkt t0 beginnt eine Phase der Ladungsintegration, die bis zum Zeitpunkt t1 dauert.
Die Beleuchtung erzeugt Ladungen, die sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes in der in entgegengesetzter Richtung vorgespannten Photodiode DP im Schaltungspunkt A ansammeln. Bei den gewählten Potentialrichtungen sind unter Berücksichtigung der Verbindungsrichtung der Photodiode die sich ansammelnden Ladungen Elektronen.
Das Potential des Schaltungspunkts A sinkt entsprechend den ankommenden Ladungen und daher mit einem zur Intensität der Beleuchtung proportionalen Abfall ab.
In dem Diagramm 4b sind vier verschiedene Beleuchtungsfälle dargestellt:
- Beleuchtung E0 Null oder fast Null;
- mittlere Beleuchtung E1;
- maximal meßbare Beleuchtung E2;
- starke Beleuchtung, die bewirkt, daß überschüssige Ladungen in den Zeilenleiter eingeleitet werden, wodurch eine Anti-Überhellungswirkung erzielt wird.
Im Zeitpunkt t1 endet die Integrationsperiode, außerdem wird an den ausgewählten Zeilenleiter ein Leseimpuls angelegt, wodurch sich dessen Potential von einem Ruhewert Vp zu einem Wert VL1 bewegt.
Der Wert VL1 ist negativ gewählt, um die Photodiode nicht in direkter Richtung in Durchlaß zu versetzen, aber ausreichend nahe bei Null, damit die Beleuchtungsmeßdynamik ausreichend erhöht wird. Diese Dynamik ist letztlich mit der Differenz des Potentials zwischen VL1 und Vp gekoppelt, wobei diese Differenz ausreichend sein muß.
In dem gewählten Beispiel wird VL1 gleich - 1 Volt gesetzt.
Durch kapazitive Kopplung wird die plötzliche Zunahme der Spannung im Zeilenleiter an den Schaltungspunkt A übertragen; die Photodiode DP ist faktisch in Gegenrichtung polarisiert, wobei dann, wenn ihre Kapazität viel höher als diejenige der Lesediode ist, am Schaltungspunkt A der wesentliche Teil der Amplitude der Anstiegsflanke des Leseimpulses auftritt.
Das Potential des Schaltungspunkts A, das während der Phase der Integration einen Wert besaß, der desto niedriger war, je stärker die Beleuchtung war, steigt plötzlich um einen Wert (VL1 - Vp) an.
Die vier in Fig. 4 dargestellten Beleuchtungsfälle erzeugen die folgenden Wirkungen:
- minimale Beleuchtung E0: das Potential im Schaltungspunkt A bewegt sich im wesentlichen von Null auf VL1 - Vp. Die Lesediode wird leitend und das Potential des Schaltungspunkts A wird auf den Wert Vsd (Schwellenwert für den Durchlaß in direkter Richtung der Diode) zurückgestellt. An den Spaltenleiter Cj wird eine Ladungsmenge übertragen, um das Potential des Schaltungspunkts A auf den Wert Vsd zurückzustellen. Es ist diese Ladungsmenge, die von der Leseschaltung gelesen wird und die die Beleuchtung Null darstellt, der die Photodiode während der Integrationsphase t0, t1 unterliegt;
- mittlere Beleuchtung E1: das Potential im Schaltungspunkt A liegt unterhalb von Null und bewegt sich zum Zeitpunkt t1 über Vsd. Die Lesediode wird leitend, außerdem wird eine Ladungsmenge zum Spaltenleiter abgeführt; diese Menge ist geringer als im vorhergehenden Fall, weil das Potential im Schaltungspunkt A weniger hoch ansteigt; sie stellt dennoch ein Maß der Beleuchtung dar, der die Photodiode zwischen t0 und t1 unterliegt;
- Sättigungsbeleuchtung E2: das Potential im Schaltungspunkt A ist auf einen Wert abgefallen, derart, daß bei Anlegen des Leseimpulses mit der Amplitude VL1 - Vp dieses Potential nur auf den Wert Vsd ansteigt. Die Lesediode ist im wesentlichen nichtleitend oder sie wird ohne Ladungsübertragung erneut gesperrt. Im Spaltenleiter wird die Ladung Null gelesen, wobei diese Ladung Null eine Sättigungsbeleuchtung darstellt;
- Beleuchtung jenseits von E2: das Potential im Schaltungspunkt A steigt im Moment des Leseimpulses nicht mehr genug an, um die Lesediode leitend zu belassen; es wird stets die Ladung null gelesen;
- Beleuchtung E3: das Potential im Schaltungspunkt A kann während der Integrationsphase nicht unter das Potential Vp abfallen; wenn fortgesetzt photoelektrische Ladungen erzeugt werden, während das Potential im Schaltungspunkt A bereits den Wert Vp angenommen hat, werden diese über die Photodiode zum Zeilenleiter abgeführt. Außerdem ist die in der Spalte während des Leseimpulses gelesene Ladung ebenso wie im vorhergehenden Fall Null.
Es wird daher in der Spalte eine Ladungsübertragung angetroffen, die um so geringer ist, je größer die Beleuchtung ist, was zum Lesen schwacher Beleuchtungen von Vorteil sein kann. Außerdem tritt ein Sättigungseffekt und durch die Abführung der überschüssigen Ladungen ein Anti-Überhellungseffekt auf. Der Sättigungsschwellenwert ist übrigens nicht derselbe wie der Anti-Überhellungs-Schwellenwert.
Der Leseimpuls dauert ausreichend lang, damit sämtliche im Schaltungspunkt A vorhandenen Ladungen abgeführt werden. Er endet im Zeitpunkt t2.
Im Zeitpunkt t2 wird der Pegelrückstellimpuls angelegt. Zwischen dem Ende des Leseimpulses und dem Beginn des Rückstellimpulses kann indessen ein Trennungszeitintervall vorgesehen sein, wobei das Potential VL des Zeilenleiter während dieses Intervalls vorübergehend seinen Ruhewert annimmt.
Der Pegelrückstellimpuls besteht darin, das Potential VL des Zeilenleiters auf einen Wert VL2 zu bewegen, derart, daß das Potential im Schaltungspunkt A aufgrund einer kapazitiven Kopplung auf einen Wert abnimmt, der kleiner als der Schwellenwert Vsi für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung der Lesediode ist.
Da die Photodiode eine Kapazität aufweist, die viel größer als die Kapazität der Lesediode ist, wird dort außerdem die Veränderung des Potentials VL2 - VL1 im wesentlichen vollständig an den Schaltungspunkt A zurückübertragen.
Im gewählten Beispiel wird das Potential von VL1 = - 1 Volt auf VL2 = - 11 Volt bewegt.
Es ist unerläßlich, daß VL1 - VL2 größer als der Abstand Vsd - Vsi zwischen den Schwellenwerten für den Durchlaß in direkter und entgegengesetzter Richtung der Diode ist, damit sich das Potential im Schaltungspunkt A vom Wert Vsd zu einem Wert, der kleiner als Vsi ist, bewegt.
Die Lesediode wird daher leitend (aber mit entgegengesetzter Polarisation), außerdem kehrt das Potential im Schaltungspunkt A schnell auf den Wert Vsi zurück, bei dem die Leitfähigkeit der Diode nachläßt. Der Pegelrückstellimpuls muß für eine ausreichende Zeit andauern, um diese Rückkehr des Potentials im Schaltungspunkt A auf den Wert Vsi zu ermöglichen. Der Beginn einer neuen Integrationsphase ist durch das Ende (im Zeitpunkt t'0) des Pegelrückstellimpulses definiert. In diesem Moment wird das Potential des Zeilenleiters auf seinen Ruhewert Vp zurückgesetzt.
Der Abstand der Spannung VL2 - Vp wird vorzugsweise genau gleich Vsi gewählt, damit das Potential im Schaltungspunkt A, das im Moment t'0 durch die kapazitive Kopplung um einen Wert Vp - VL2 ansteigt, vom Wert Vsi nach Null zurückkehrt. Das Potential im Schaltungspunkt A kehrt daher zum Ausgangswert zurück, der bei Beginn der Integrationsphase vorgesehen war. Der Zyklus ist beendet.
Es kann dennoch dafür gesorgt werden, daß der Spannungsabstand VL2 - Vp betragsmäßig etwas kleiner als der Absolutwert von Vsi gewählt wird. Es ist jedoch besser, wenn das Potential im Schaltungspunkt A so hoch wie möglich zum Schwellenwert Vsd ansteigt, um eine maximale Lesedynamik zu nutzen. Es kann außerdem in Betracht gezogen werden, daß der Spannungsabstand VL2 - Vp betragsmäßig größer als der Absolutwert des Abstandes Vsd - Vsi gewählt wird; in diesem Fall kehrt die Lesediode im Moment t'0 zum Durchlaß in direkter Richtung zurück, außerdem kehrt das Potential im Schaltungspunkt A progressiv zum Wert Vsd (und nicht Null) zurück, indem die Ladungen in der Spalte abgeführt werden; in diesem Fall beginnt jede Integrationsphase bei einem Ausgangspotential Vsd im Schaltungspunkt A.
Gemäß der Erfindung werden daher die Potentiale VL1, VL2 und Vp so gewählt, daß
- einerseits VL1 - VL2 größer als Vsd - Vsi ist, und
- andererseits VL2 - Vp nahe bei Vsi liegt.

II. Fall, in dem Vp kleiner als Vsi ist

Die Funktion ist völlig analog zum vorhergehenden Fall, mit einer Integrationsphase (t0 bis t1), gefolgt von einem Leseimpuls (t1 bis t2) und anschließend einem Pegelrückstellimpuls (t2 bis t'0).
Die Erläuterungen sind im wesentlichen gleich denen, die vorher gegeben worden sind, wobei jetzt auf Fig. 5 Bezug genommen wird, um die Unterschiede der Funktion zu erkennen.
Das Zeitablaufdiagramm von Fig. 5a stellt die an den Zeilenleiter während des Zyklus der Integration/des Lesens/ der Pegelrückstellung angelegten Potentiale dar. Das Zeitablaufdiagramm von Fig. 5b stellt die Potentialpegel dar, die sich daraus im Schaltungspunkt A ergeben.
Im dargestellten Beispiel wird angenommen, daß der Ausgangspunkt des Potentials im Schaltungspunkt A im Zeitpunkt t0 gleich Vsd ist, dem Schwellenwert für den Durchlaß in direkter Richtung der Lesediode; es könnte jedoch auch dafür gesorgt werden, daß das Ausgangspotential Null ist.
Während der Integrationsphase ist das Potential im Zeilenleiter Vp, beispielsweise - 8 Volt, außerdem fällt das Potential im Schaltungspunkt A von Vsd auf einen Wert ab, der von der Beleuchtung abhängt. Die Kurve der Veränderung des Potentials VA wird dargestellt durch:
- eine Beleuchtung E0 von Null
- eine mittlere Beleuchtung E1 (durchgezogene Linie)
- eine Sättigungsbeleuchtung E2
- eine Beleuchtung E3 jenseits des Sättigungsschwellenwertes.
Für die Beleuchtung E2 und darüber nimmt das Potential im Schaltungspunkt A im Verlauf der Integrationsperiode den Wert Vsi an; es kann jedoch weiter negativ werden, weil dann die Lesediode zum leitenden Zustand neigt (im Durchlaß in entgegengesetzter Richtung) und verhindert, daß sich die Ladungen weiterhin im Schaltungspunkt A ansammeln. Es gibt eine Sättigung; die überschüssigen Ladungen fließen in die Spalte Cj ab.
Im Zeitpunkt t1 wird ein Leseimpuls ausgegeben: das Potential des Zeilenleiters der zu lesenden Zeile bewegt sich von Vp nach VL1. VL1 ist in dem Fall, in dem das Photodetektorelement eine Photodiode ist, leicht negativ, weil diese Photodiode entgegengesetzt polarisiert bleiben muß. Beispielsweise ist wie in Fig. 4 VL1 = - 1.
Das Potential im Schaltungspunkt A steigt plötzlich um einen Wert VL1 - Vp an. Da es selbst bei einer maximalen Beleuchtung zwischen Vsi und Vsd liegt, bewegt es sich in jedem Fall über Vsd, vorausgesetzt, daß VL1 - Vp größer als Vsd - Vsi ist, was unter der Bedingung möglich ist, daß VL1 ausreichend nahe bei Vsd gesetzt ist. Die Potentialdifferenz VL1 - Vp kann dennoch etwas geringer als Vsd - Vsi sein, in welchem Fall die Sättigung in der Umgebung der Beleuchtung E2 stärker zunimmt.
Dann wird die Lesediode in direkter Durchlaßrichtung leitend und führt eine Ladungsmenge ab, die vom Wert des Potentials im Schaltungspunkt im Zeitpunkt t1 abhängt.
Es wird festgestellt, daß die Ladungsmenge umso größer ist, je schwächer die Beleuchtung ist, wodurch das Lesen geringer Beleuchtungen erleichtert wird.
Im Zeitpunkt t2, d.h. nach einer Zeit, die ausreicht, damit die Ladungen zur Spalte abgeführt werden können, wird an den Zeilenleiter der Pegelrückstellimpuls angelegt: das Potential VL wird vom Wert VL1 zum Wert VL2 bewegt, der sehr viel kleiner als VL1 ist, mit den folgenden Kriterien für die Wahl von VL2:
- das Intervall VL1 - VL2 ist größer als das Intervall Vsd - Vsi, derart, daß das Potential im Schaltungspunkt A im Moment t2 unter Vsi abfällt;
- das Intervall Vp - VL2 ist gleich oder fast gleich Vsd - Vsi, derart, daß im Zeitpunkt t3, in dem der Pegelrückstellimpuls endet, das Potential im Schaltungspunkt A schnell vom Wert Vsi zum Wert Vd oder zu einem Wert in dessen nächster Umgebung zurückkehrt.
Im Zeitpunkt t2 bewegt sich folglich das Potential im Schaltungspunkt A plötzlich unter Vsi, wird die Lesediode in entgegensetzter Durchlaßrichtung leitend und kehrt das Potential im Schaltungspunkt A zum Wert Vsi zurück.
Im Zeitpunkt t3 endet der Pegelrückstellimpuls aufgrund der Zurückführung des Zeilenleiters auf das Potential Vp. Das Potential VA steigt erneut plötzlich vom Wert Vsi auf einen Wert Vsi + (Vp - VL2), d.h. auf einen Wert, der gleich oder fast gleich Vsd ist, an.
Wenn sich das Potential VA nach Vsd bewegt, kann unmittelbar ein neuer Integrationszyklus beginnen; wenn es sich etwas darüber hinaus bewegt, wird die Lesediode leitend und führt die Ladungen in der Spalte ab, außerdem muß beachtet werden, daß der neue Integrationszyklus erst im Zeitpunkt t'0, d.h. einen kurzen Augenblick nach dem Zeitpunkt t3 beginnt, damit das Potential VA Zeit hat, zum Wert Vsd zurückzukehren.
Wenn das Potential VA auf einen Wert leicht unterhalb von Vsd zurückkehrt, weil Vp - VL2 etwas geringer als Vsd - Vsi ist, dann ist dies der Wert, auf den das Potential VA zurückkehrt und der den neuen Ausgangspunkt der Integration festlegt. Das System kann in den drei Fällen arbeiten.
Somit ist die Funktion des Ladungsintegrationszyklus und des Lesens dieser Ladungen für eine Zeile der Matrix vollständig beschrieben worden. Die verschiedenen Zeilen empfangen nacheinander jeweils einen Leseimpuls, gefolgt von einem Pegelrückstellimpuls, wobei diese Impulse von einer Zeile zur nächsten zeitlich verschoben sind, damit nicht gleichzeitig zwei Zeilen zum Lesen/zur Pegelrückstellung adressiert werden.
Die Integratoren der Leseschaltung CL müssen außerhalb des Leseimpulses (und insbesondere während der Pegelrückstellimpulse) kurzgeschlossen werden, damit sie nur diejenigen Ladungen integrieren, die tatsächlich einer Messung der Beleuchtung entsprechen, d.h. die Ladungen, die während des Leseimpulses abgeführt werden. Folglich muß Vorsorge getroffen werden, daß der Leseimpuls einer Zeile nicht nur in bezug auf den Leseimpuls der vorhergehenden Zeile, sondern auch in bezug auf den Pegelrückstellimpuls der vorhergehenden Zeile verzögert ist. Beispielsweise ist es im Fall von Fig. 5 am besten, den Zeitpunkt t'0 abzuwarten, um mit dem Leseimpuls einer folgenden Zeile zu beginnen.

Claims

1. Matrix von lichtempfindlichen Punkten, mit einem Gitter von lichtempfindlichen Punkten (Pij), die in Zeilen (wenigstens eine Zeile) und Spalten (wenigstens eine Spalte) angeordnet sind, wobei sich jeder lichtempfindliche Punkt auf der Kreuzung einer Zeile und einer Spalte befindet, dadurch gekennzeichnet, daß jeder lichtempfindliche Punkt ein lichtempfindliches Element (DP) aufweist, das zwischen einem Zeilenleiter (Li) und einem Spaltenleiter (Cj) mit einer Lesediode (DL) in Reihe geschaltet ist, wobei die Lesediode einen ersten Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in direkter Richtung (Vsd) und einen zweiten Spannungsschwellenwert für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung (Vsi) aufweist, wobei die Matrix außerdem zum Lesen der im Verbindungspunkt (A) des lichtempfindlichen Elementes und der Lesediode akkumulierten Ladungen ein Mittel umfaßt, um an den Zeilenleiter (Li):

- zuerst während einer Phase der Integration der Ladungen einen Ruhespannungspegel (Vp) für den Zeilenleiter;

- dann einen Spannungsimpuls mit einem ersten Vorzeichen, einen sogenannten Leseimpuls;

- und schließlich einen Spannungsimpuls mit entgegengesetztem Vorzeichen, einen sogenannten Pegelrückstellimpuls, anzulegen, wobei die Amplitude (VL1 - VL2) der Differenz zwischen den Spannungspegeln des Leseimpulses und des Pegelrückstellimpulses betragsmäßig größer als der Abstand zwischen den Schwellenwerten für den Durchlaß in direkter und entgegengesetzter Richtung der Lesediode ist.

2. Matrix gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Differenz zwischen dem Ruhespannungspegel (Vp) und dem Spannungspegel des Pegelrückstellimpulses (VL2) in der Nähe des Abstandes zwischen den Spannungsschwellenwerten für den Durchlaß in direkter (Vsd) und entgegengesetzter (Vsi) Richtung der Lesediode liegt.

3. Matrix gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Differenz zwischen dem Ruhespannungspegel (Vp) und dem Spannungspegel des Pegelrückstellimpulses (VL2) im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Spannungsschwellenwerten für den Durchlaß in direkter (Vsd) und entgegengesetzter (Vsi) Richtung der Lesediode ist.

4. Matrix gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Differenz zwischen dem Ruhespannungspegel (Vp) und dem Spannungspegel des Pegelrückstellimpulses (VL2) etwas geringer als der Abstand zwischen den Spannungsschwellenwerten für den Durchlaß in direkter (Vsd) und entgegengesetzter (Vsi) Richtung der Lesediode ist.

5. Matrix gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Differenz zwischen dem Ruhespannungspegel (Vp) und dem Spannungspegel des Pegelrückstellimpulses (VL2) etwas größer als der Abstand zwischen den Spannungsschwellenwerten für den Durchlaß in direkter (Vsd) und entgegengesetzter (Vsi) Richtung der Lesediode ist.

6. Matrix gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungschwellenwert der Lesediode für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung kleiner als die Ruhespannung ist.

7. Matrix gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsschwellenwert der Lesediode für den Durchlaß in entgegengesetzter Richtung größer als die Ruhespannung ist.

8. Matrix gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lesediode in Form eines Transistors mit offener Basis vom NIPIN- oder PINIP-Typ, d.h. mit einer Struktur aus zwei Elektroden und fünf übereinanderliegenden Halbleiterschichten verwirklicht ist, wobei die fünf Schichten durch eine N- (oder umgekehrt P-) dotierte Schicht, eine verhältnismäßig dicke Eigenleitungsschicht, eine sehr dünne P- (oder umgekehrt N-) Schicht, eine sehr dünne Eigenleitungsschicht und schließlich eine N- (oder umgekehrt P-) dotierte Schicht gegeben sind.

9. Matrix gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine radiologische Anwendung einen Scintillator umfaßt, um Röntgenstrahlung (oder Gammastrahlung oder Neutronenstrahlung usw.) in Lichtstrahlung eines Wellenlängenbandes umzuwandeln, in dem die lichtempfindlichen Punkte ansprechen.

10. Matrix gemäß einem der vorangehenden Anpsrüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Punkte durch Überlagerung von Schichten aus amorphem Silizium gebildet sind.