DE3008858C2 - Fotoelektrische Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Halbleiteranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Eine fotoelektrische Halbleiteranordnung dieser Gattung ist aus der US-Patentschrift 39 73 146 bekannt. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist jedoch relativ begrenzt.

Wie aus der vorgenannten Druckschrift ist auch aus der US-Patentschrift 38 42 274 eine fotoelektrische Halbleiteranordnung mit einem Detektorelement zum Nachweis unterschiedlicher Signale bekannt. Dort werden eine Wandlerschicht als fotoleitende Schicht und ein Transistor als Feldeffekttransistor ausgebildet und ein Widerstandselement als Löschvorrichtung vorgesehen. Die Kombination von bipolaren und unipolaren Transistoren ist aus der US-Patentschrift 36 63 869 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fotoelektrische Halbleiteranordnung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß der Wirkungsgrad verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung zeichnet sich nicht nur durch einen hohen Wirkungsgrad aus.

Vorteilhafterweise kann mit ihr auch ein hohes Ausgangssignal erzeugt und eine ausgezeichnete spektrale Empfindlichkeit erreicht werden.

Weiterbildungen der fotoelektrischen Halbleiteranordnung nach dem Patentanspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1a, b und c Draufsicht, Schnittdarstellung und elektrisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2a bis 5b Schnitte durch den räumlichen Aufbau verschiedener weiterer Ausführungsformen bzw. deren elektrisches Schaltbild;

Fig. 6 das Schemabild des Grundaufbaus einer Festkörper-Fernsehkamera unter Verwendung einer fotoelektrischen Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 7a und 7b eine Schnittdarstellung und ein Schaltbild eines herkömmlichen fotoelektrischen Festkörperwandlers; und

Fig. 8 bis 18 schematische Schaltbilder in Blockform von verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen von Festkörper-Bilderzeugungseinrichtungen, bei denen eine fotoelektrische Halbleiteranordnung nach der Erfindung eingesetzt wird.

Zunächst soll der Grundaufbau eines photoelektrischen Halbleiterdetektorelements der erfindungsgemäßen Anordnung anhand von Fig. 1a und 1b beschrieben und am Schaltbild nach Fig. 1c erläutert werden. Dabei ist der Schnitt von Fig. 1b entlang der Linie A-A′ in Fig. 1a gelegt. In dem Element wird von einer auf die fotografische Wandlerschicht 5, die aus einem fotoleitenden Material besteht, durch eine transparente Elektrodenschicht 6 hindurch auftreffenden Lichtmenge unter der fotoelektrischen Wandlerschicht 5 eine Signalspannung indzuiert, wodurch ein Gate-Kanal 3 eines p-Kanals FET Q₀ erzeugt wird, der mit einer Drain-Elektrode 2, einer Gate-Elektrode 3′′ und einer Source- Elektrode 4 ausgestattet ist, die zum Beispiel auf einem n-Siliziumsubstrat durch eine dünne Isolationsschicht 3′ aus zum Beispiel Siliziumoxid herausgebildet sind. Die dabei auftretende Signalspannung, deren Höhe abhängig von der Eingangsinformation (unterschiedliche Stärke des auftreffenden Lichtes) schwankt, wird der Gate-Elektrode 3′′ des FET Q₀ dadurch zugeführt, daß die Drain-Elektrode 2 mit einer Spannungsquelle über einen Widerstand und die Source-Elektrode 4 mit Erdpotential verbunden sind, so daß ein elektrisches Informationssignal, das durch die Änderung des durch den Feldeffekt des FET Q₀ verstärkten Stroms hervorgerufen wird, von der Drain- Elektrode als Ausgangswert einer Abbildungseinrichtung abgenommen werden kann, die einen derartigen Wandler für das Umsetzen des auftreffenden Lichtbildes in ein Videosignal benützt.

Im obengenannten Fall läßt sich die Signalspannung auch durch eine kapazitive Verbindung zwischen der Unterfläche der fotoelektrischen Wandlerschicht 5 und der Oberfläche der Gate-Elektrode 3′′ auf die Gate-Elektrode 3′′ des FET Q₀ durch eine zwischen diese beiden Flächen eingefügte Isolationsschicht übertragen, von der diese beiden Flächen für Gleichspannungspotential voneinander isoliert werden. Dadurch läßt sich erreichen, daß beide Spannungen, die der transparenten Elektrodenschicht 6 vom photoelektrischen Wandlerabschnitt und den Elektroden des aus dem FET Q₀ bestehenden Verstärkerabschnitt aufgeprägt werden, voneinander getrennt gehalten werden.

Nachdem das elektrische Informationssignal in der oben beschriebenen Weise gewonnen worden ist, wird der Gate-Elektrode 3′′ des FET Q₀ durch Schließen eines Löschschalters S₁ im Ersatzschaltbild der Fig. 1c eine Löschspannung zugeführt, wodurch die Signalspannung, die auf der Unterfläche der Wandlerschicht 5 aufgrund des durch die transparente Elektrodenschicht 6 auftreffenden Lichtes induziert worden ist, d. h., die Potentialänderung aufgrund der auftreffenden Lichts, augenblicklich beseitigt wird und der Ausgangszustand für die folgende Lichtsignalumwandlung wiederhergestellt ist.

Bei dem in Fig. 1a gezeigten Element bilden zwei Leiterschichten, zum Beispiel zwei Aluminiumschichten 2′ und 4′, die mit den zwei p-Diffusionsschichten von Drain 2 und Source 4 in Verbindung stehen, welche in Fig. 1a gestrichelt angedeutet sind, die herausleitenden Elektrodenanschlüsse für Drain und Source, die dann gemeinsam für eine ganze Gruppe dieser Elemente vorgesehen sind, wie in Fig. 1c angedeutet.

In einem fotoelektrischen Halbleiterdetektorelement der erfindungsgemäßen Anordnung mit Grundaufbau gemäß Fig. 1 und den oben beschriebenen Eigenschaften wird die in der fotografischen Wandlerschicht 5 induzierte Signalspannung nicht direkt als Ausgangssignal abgenommen, sondern dem Verstärker FET Q₀ als Gate-Spannung unmittelbar zugeleitet, der das Signal dann in ausreichendem Maße verstärkt, womit ein Wandlerausgangssignal mit äußerst hohem Wandlerwirkungsgrad und hoher Ansprechempfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Fotodioden erhalten wird.

Halbleitervorrichtung nach der eingangs genannten US-PS 39 73 146 die Menge der elektrischen Ladung, die von einer Fotodiode während einer vorbestimmten Zeitspanne abgenommen werden kann, abnimmt und der Gesamtwert somit durch das Integral über den abnehmenden Ladungswert bestimmt ist, kann bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung am fotoelektrischen Halbleiterelement ein über die vorgenannte Zeitspanne konstanter Ladungswert abgenommen werden, so daß der Gesamtwert durch das Produkt aus diesem konstanten Wert und der Zeitdauer bestimmt wird.

Dabei kann auch bei der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Halbleiteranordnung ein Rücksetz- oder Löschvorgang durchgeführt werden, um den bis dahin konstanten Ausgangsstrom zu Null zu machen, so daß auch bei einer Hochgeschwindigkeits-Abtastung der Wandlereinrichtung für ein hochauflösendes Fernsehbild die nachteilige Einwirkung einer elektrischen Restladung auf den nachfolgenden Abtastzyklus hinreichend unterdrückt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Halbleiteranordnung kann ausgezeichnetes Verhalten der spektralen Empfindlichkeit insbesondere dann erreichen werden, wenn als Material für die fotoelektrische Wandlerschicht Se-As-Te-Chalkongenid, SbS₃-Chalkogenid oder amorphes Silizium verwendet wird.

Ein Beispiel für den genauen Aufbau eines fotoelektrischen Halbleiterdetektorelements mit den erfindungsgemäßen Merkmalen, die in ihrer Grundstruktur in Fig. 1 wiedergegeben sind, zeigt die Fig. 2a mit dem dazugehörigen elektrischen Schaltschema in Fig. 2b. Das fotoelektrische Halbleiterdetektorelement in Fig. 2a besitzt eine Drain-Elektrode 12, einen Gate-Kanal 13 und eine Source-Elektrode 14, die in einem n-Siliziumsubstrat 11 ausgebildet sind. Eine gewöhnliche Gate-Elektrode 13′ und eine zusätzlich vorgesehene leitende Elektrode 17, die mit der Gate-Elektrode 13′ in Verbindung steht, liegen, durch eine dünne Isolationsschicht 15 getrennt, dem Gate-Kanal 13 gegenüber. Diese Isolationsschicht ist z. B. Siliziumdioxid (SiO₂). Eine fotoelektrische Wandlerschicht 18 aus einem Fotoleitermaterial überdeckt die leitende Elektrode 17, die nahezu über den gesamten Flächenbereich des Detektorelements ausgebreitet ist. Eine weitere, vorzugsweise lichtundurchlässige Isolationsschicht 16 befindet sich zwischen der Siliziumdioxidschicht 15 und der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 und trennt sowohl elektrisch als auch optisch die obere fotoelektrische Wandlerschicht und den darunter befindlichen Verstärkerabschnitt, welcher aus dem p-Kanal-FET besteht. In diesem Fall ist es möglich, auch die Gate-Elektrode 13′ und die leitende Elektrode 17 durch Einfügen einer weiteren dünnen Isolationsschicht galvanisch zu trennen, so daß deren Kopplung lediglich kapazitiv erfolgt, was den Vorteil hat, daß schädliche Kapazitäten verringert werden und die Herstellung einfacher wird. Durch das Einfügen dieser Isolationsschicht 16 kann die Streukapazität zwischen der Unterfläche der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 und den Elektroden 12 und 14 und dem Substrat 1 des FET Q₀ verringert werden, wodurch eine Herabsetzung des induzierten Spannungssignals und eine Verschlechterung der Spannung- zu-Frequenz-Eigenschaften vermieden werden.

Im Ersatzschaltbild nach Fig. 2b ist durch den gestrichelten Rahmen der schaltungsmäßige Anteil des fotoelektrischen Halbleiterdetektorelements nach Fig. 2a angedeutet. Die Gate-Elektrode 13′ des FET Q₀, die für die Verstärkung der in der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 hervorgerufenen Signalspannung sorgt, ist mit einer Drain-Elektrode eines FET Q₁ 24 verbunden, der dazu dient, mit einem ihm zugeleiteten Löschimpuls den Verstärker- FET Q₀ zu löschen. Die Drain-Elektrode 12 des Verstärker- FET Q₀ ist weiterhin mit einem FET Q₂ 25 verbunden, dessen Gate-Elektrode 21 ein Auslesesignal zugeleitet erhält, womit das Ausgangssignal aus dem gestrichelt umrahmten Detektorelement der Fig. 2b ausgelesen wird. Das dann an einem gewöhnlichen Abschlußwiderstand R₀ auftretende Ausgangssignal kann an einer Ausgangsklemme 22′ abgenommen werden.

In einem fotoelektrischen Halbleiterdetektorelement gemäß vorangehender Beschreibung, in welchem der transparenten Elektrode 19 und der Drain-Elektrode 12 des FET Q₀ geeignete Spannungen zugeführt werden, wird die Signalspannung auf der Unterfläche der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 in Abhängigkeit von der Stärke des in die Wandlerschicht 18 durch die transparente Elektrode 19 hindurch von einem abzubildenden Objekt her eindringenden Lichtes erzeugt, so daß sie dadurch der leitenden Elektrode zugeführt wird, die die gesamten Signalladungen sammelt, welche auf der gesamten Unterfläche auftreten, die zu dem Detektorelement gehört.

Wenn ein Ausleseimpuls auf die Gate-Elektrode 21 des Auslese- FET Q₂ gegeben wird, wird dieser FET Q₂ leitend, so daß der Verstärker-FET Q₀ mit seinen Drain-12, Gate-13′ und Source-Elektroden 14 so beeinflußt wird, daß der Signalstrom durch die FET Q₀ und Q₂ fließt, dessen Größe der Signalspannung entspricht, die der Gate-Elektrode 13′ von der unteren Fläche der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 durch die leitfähige Elektrodenschicht 17 zugeführt wird. Am Abschlußwiderstand R₀ wird von diesem Signalstrom dann eine Ausgangssignalspannung hervorgerufen, die an der Ausgangsklemme 22′ abgenommen werden kann. Danach wird aufgrund eines der Gate-Elektrode 23 des Lösch-FET 24 (Q₁) zugeführten Löschimpulses dieser FET 24 (Q₁) leitend und verbindet die Gate- Elektrode 13′ und die leitfähige Elektrodenschicht 17, die damit verbunden ist, mit Erde, wodurch der Verstärker-FET Q₀ gelöscht wird, so daß anschließend das Auslesen eines Ausgangssignals wiederholt werden kann, dessen Spannung um vieles höher als bei bisher bekannten Wandlerelementen ist.

In dem beschriebenen Aufbau des Detektorelementes dient der Lösch-FET 24 (Q₁) dazu, das Element wieder in seinen Ausgangszustand zu versetzen. Es ist jedoch auch möglich, als ein einfaches Mittel an dessen Stelle ein Widerstandselement anzuordnen, über das die auf der Unterfläche der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 sich ansammelnde elektrische Ladung abgeführt wird. In der ins einzelne gehenden Darstellung der Fig. 2a und 2b wird die Signalladung oder die durch die auftreffende Lichtmenge hervorgerufene Signalspannung nicht unmittelbar von der fotoelektrischen Wandlerschicht abgenommen, sondern mit Hilfe des Verstärker-FET, durch dessen Verstärkung ein überaus hoher Umwandlungswirkungsgrad und ein ausreichend starkes Ausgangssignal gewonnen werden.

Außerdem ist es aufgrund des beschriebenen Aufbaus möglich, die Signalspannung mit extrem hohem Verstärkungsfaktor zu verstärken, was auf die bemerkenswert verringerte Eingangskapazität des Verstärker-FET Q₀ zurückzuführen ist, der unmittelbar mit der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 verbunden ist, was einen erheblichen Vorteil im Vergleich zu einem FET-Verstärker darstellt, der üblicherweise außerhalb des fotoelektrischen Halbleiterdetektorelements angeordnet ist, so daß ein äußerst starker Ladungsstrom vom Verstärker-FET Q₀ abgenommen werden kann, dessen Gate nur von einer sehr kleinen Signalladung gesteuert wird. Zusätzlich können, wie es Fig. 2a erkennen läßt, die gesamten Signalladungen, die in der ganzen Fläche induziert werden, von der unteren Fläche der fotoelektrischen Wandlerschicht abgenommen und zusammengefaßt verstärkt werden, wofür die leitende Elektrodenschicht maßgebend ist, die die ganze Fläche einnimmt, so daß sich leicht mit einem ausgezeichneten Signal-zu-Rausch-Verhältnis unter effektiver Nutzung des gesamten Bereichs der das Licht auffangenden Fläche des Detektorelements ein äußerst hoher Umwandlungswirkungsgrad erzielen läßt. Diese das Licht auffangende Fläche ist jedem Bildelement des Targets der Bildröhre zugeordnet.

Schließlich läßt sich auch das fotoelektrische Halbleiteranordnung nach der Erfindung vergleichsweise leicht herstellen, indem die jeweiligen Schichten übereinander ausgebildet werden.

Eine weitere Ausführungsform eines fotoelektrischen Detektorelements, bei welchem der Verstärker-FET gemäß Fig. 1b durch einen bipolaren Transistorverstärker ersetzt ist, ist in Fig. 3a wiedergegeben; das zugehörige Ersatzschaltbild zeigt Fig. 3b.

Der grundlegende Aufbau der Siliziumoxidschicht 15, der Isolationsschicht 16, der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 und der transparenten Elektrodenschicht 19 ist dem in Fig. 1b und 2a gezeigten Aufbau gleich. Es wird jedoch anstelle des FET Q₀, der in den letztgenannten Figuren erscheint, ein bipolarer Transistor 30 verwendet, der aus einem Kollektor 32 aus n-Silizium, einer Basis 33 aus p-Silizium und einem Emitter 34 aus n-Silizium besteht.

Die durch das auftreffende Licht in der Unterfläche der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 induzierte Signalladung wird der Basis 33 des bipolaren Transistors 30 zugeleitet. Ein mit dem Emitter 34 des Transistors 38 verbundener Emitter-Elektrodenanschluß 34′ erhält eine geeignete Spannung entsprechend der an der Basis 33 anliegenden Spannung, wodurch ein passender Basisstrom erhalten wird, und ferner wird ein Streukondensator, der auf dem Kollektor 32 ausgebildet ist, durch Anlegen einer Spannung von einer Ausgangsklemme 22′ über einen geschlossenen Schalter S₂ auf einen derartigen Zustand aufgeladen, daß der Kollektor 32 eine Gleichspannung hat, die ausreichend höher ist als die Gleichspannung der Basis 33 und des Emitters 34. Folglich wird die Änderung des Basisstroms entsprechend der Stärke des auftreffenden Lichtes durch die Signalladung hervorgerufen, die durch Umwandlung des auftreffenden Lichtes in der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 entsteht, so daß die Änderungen des Kollektorstroms, die sich um den Faktor β vom Basisstrom unterscheiden, wobei β der Stromverstärkungsfaktor ist, hervorgerufen werden, was zur Folge hat, daß die Stärke der Abnahme der in dem Streukondensator gespeicherten elektrischen Ladung abhängig von der Änderung des Kollektorstroms geändert wird. Wenn also der Schalter S₂ für eine kurze Zeitspanne in einem bestimmten Intervall geschlossen wird, dann entspricht die Veränderung des Ladestroms, der von der Ausgangsklemme 22′ durch den geschlossenen Schalter S₂ zum Streukondensator fließt, der Größe der während dieses bestimmten Zeitintervalls auftreffenden Lichtmenge, und wird vom Transistor 30 verstärkt, so daß die Menge des auftreffenden Lichtes mit hohem Umwandlungswirkungsgrad durch den beschriebenen Prozeß umgewandelt wird.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus hängen die Spektralempfindlichkeitseigenschaften des Detektorelementes hauptsächlich von den Eigenschaften der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 ab, so daß eine ausgezeichnete Spektralempfindlichkeit durch geeignete Materialwahl für die Wandlerschicht 18 erzielt werden kann.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus strömt die durch das auftreffende Licht in der Wandlerschicht 18 induzierte Signalladung so ab, daß sie den Basisstrom für den Transistor 30 bildet, so daß eine Löscheinrichtung zum Löschen der Signalladung gemäß des Lösch-FET, wie er beim Element nach Fig. 2a benutzt wird, welches mit einem Verstärker-FET arbeitet, überhaupt nicht benötigt wird, was eine erhebliche Vereinfachung im Aufbau der fotoelektrischen Halbleiteranordnung bedeutet.

Ein ins einzelne gehendes Ausführungsbeispiel des den bipolaren Transistorverstärker gemäß Fig. 3a und 3b verwendenden Grundaufbaus ist in den Fig. 4a und 4b in Schnittwiedergabe und Ersatzschaltbild gezeigt. Neben dem bipolaren Transistorverstärker, der bereits anhand der Fig. 3a beschrieben ist, ist dabei ein Verstärker-FET mit Drain 12, Source 14 und Gate 13′′ und ferner ein Lösch-FET 24 vorgesehen, der mit einem Löschanschluß 23 verbunden ist und als Löschschalter S₁ dient. Diese Elemente befinden sich unter der n-Siliziumschicht 32, die als Kollektor 32 des Transistors 30 ausgebildet ist, und sind miteinander verbunden, wie es die Fig. 4b zeigt.

Bei dem Aufbau gemäß Fig. 4a sind das Verhalten und die Arbeitsweise der Streukapazität aus Kollektor 32 und Transistor 30 und des Schalters S₂ gleich, wie in Verbindung mit den Fig. 3a und 3b beschrieben. Das Maß der Abnahme der in der Streukapazität gespeicherten Ladung in Beziehung zur Veränderung des Kollektorstroms jedoch wird der Gate-Elektrode 13′′ des Verstärker- FET als eine Veränderung der daran anliegenden Spannung zugeführt, so daß an der Ausgangsklemme 22′ die verstärkte Signalspannung auftritt.

Mit anderen Worten, in dem in den Fig. 3a und 3b beschriebenen Element dient der Schalter S₂ dazu, das Ausgangssignal zu gewinnen und das Detektorelement wieder zu löschen, während im Element gemäß Fig. 4a und 4b der aus FET 24 gebildete Schalter S₁ für das Aufladen der auf dem Kollektor 32 des Bipolar- Transistors 30 gebildeten Streukapazität sorgt, um damit das Detektorelement zu löschen, während das vom Bipolar-Transistor 30 gewonnene Ausgangssignal über den Verstärker-FET und den Schalter S₂ abgenommen wird.

Wenn das auftreffende Licht nur sehr schwach ist und deshalb auch nur eine sehr geringe Signalladung in der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 induziert wird, dann wird der Transistor 30 gezwungen, in einem äußerst engen Bereich seines Basisstroms zu arbeiten. Allgemein heißt das, daß der Stromverstärkungsfaktor β des Bipolar-Transistors in dem engen Bereich seines Basisstroms klein wird, so daß man dann befürchten muß, daß der Transistor 30 nicht die ausreichende Verstärkung bringen kann.

Aus diesem Grund enthält das in Fig. 4a gezeigte Verstärkerelement zusätzlich neben dem Bipolar-Transistorverstärker 30 den Verstärker-FET, wodurch aufgrund der Kombination dieser beiden Transistorverstärker ein hinreichend hoher Verstärkungsfaktor erreicht wird und damit das gewünschte fotoelektrische Detektorelement geschaffen ist, das den extrem hohen Umwandlungswirkungsgrad hat.

Ferner läßt sich durch geeignete Auswahl des als Fotoleiterschicht verwendeten Materials bei dem Element gemäß Fig. 4a und 4b eine sehr gute Spektralempfindlichkeitseigenschaft erreichen, wie dies bereits in Verbindung mit den Elementen nach den Fig. 2 und 3 erläutert wurde.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Verwendung eines Bipolar- Transistorverstärkers ist in Fig. 5a und 5b in Schnittdarstellung und Ersatzschaltbild gezeigt. Bei diesem Aufbau ist die fotoelektrische Wandlerschicht 18, die im Aufbau gemäß Fig. 4 enthalten war, weggelassen, während der Bipolar-Transistor, der aus Kollektor 42, Basis 43 und Emitter 44 besteht, sowohl als Transistorverstärker 30 als auch als Fototransistor 40 arbeitet.

In seiner Funktion als Fototransistor 40 können aufgrund des in den Bezirk der Basis eintretenden Lichtes Paare von Elektronen und Löchern erzeugt werden, und der Bipolar-Transistor verstärkt dann in seiner Funktion als Transistorverstärker 30 den den erzeugten Paaren entsprechenden Basisstrom, wodurch die Veränderung des Kollektorstroms aufgrund des auftreffenden Lichtes hervorgerufen wird. Äußerlich gesehen ist der Betrieb des Detektorelementes gemäß Fig. 5a dem des Detektorelementes nach Fig. 4a gleich; d. h., die Ausgangssignalspannung, die von dem aus Drain 12, Gate 13′ und Source 14 bestehenden FET verstärkt wird, kann am Ausgang 22′ abgenommen werden.

Dadurch, daß die photoelektrische Wandlerschicht entfallen ist, ist bei dem Detektorelement nach Fig. 5a und b der Aufbau merklich vereinfacht, so daß er sich auch leichter herstellen läßt.

Andererseits hängt die spektrale Empfindlichkeit des Elements von dem Material ab, aus dem der Fototransistor 40 hergestellt ist, was auch das Material für den Verstärkertransistor 30 ist, so daß das Element den Nachteil hat, daß eine gleichmäßige spektrale Empfindlichkeit in dem gewünschten Spektralbereich kaum herzustellen ist. Es läßt sich als Detektorelement deshalb nur in eingeschränktem Maße dort einzusetzen, wo es auf ausgezeichnete Spektralempfindlichkeitseigenschaften nicht ankommt.

Wie an früherer Stelle bereits erwähnt, unter Verwendung der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung soll eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung geschaffen werden, in der in einer Matrix die fotoelektronischen Halbleiterdetektorelemente benützt werden, die einen hohen Umwandlungswirkungsgrad und ausgezeichnete Spektralempfindlichkeitseigenschaften haben.

Es sind zahlreiche Konstruktionen und Gestaltungsformen von Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen beschrieben, von denen auch einige in der Praxis verwendet worden sind. Eine davon mit einer Matrix-Anordnung ihrer fotoelektrischen Detektorelemente, deren Ausgangswerte mit Hilfe einer elektronischen Schalteranordnung abgenommen werden, soll nachstehend kurz beschrieben werden.

Bei den bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtungen werden zwei Arten von Bildwandlereinrichtungen verwendet, die entweder aus einer eindimensionalen Anordnung oder aus einer zweidimensionalen Anordnung von photoelektrischen Detektorelementen bestehen. Von diesen Bildwandlereinrichtungen wird die zweidimensionale Anordnung der Detektorelemente nachstehend in Verbindung mit der Fig. 6 beschrieben, die den Grundaufbau einer sogenannten X-Y-adressierbaren Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zeigt, während in den Fig. 7a und 7b Schnitt und Ersatzschaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung aus Detektorelement und Schaltelement zeigen, die in der Bildplatte ein Bildelement darstellen.

Die in der Fig. 6 gezeigten Bildplatte weist eine Matrix aus vielen fotoelektrischen Halbleiterdetektorelementen auf, die in den Kreuzungspunkten von Zeilen und Spalten angeordnet sind und mit Hilfe einer vertikal angeordneten Y-Abtasttreiberschaltung 52 und einer horizontalen X-Abtasttreiberschaltung 51 abgetastet werden, womit ein Ausgangsbildsignal nach Verstärkung durch einen Verstärker 53 an der Ausgangsklemme abgenommen werden kann. Bis eine sehr schwache Signalladung, die im fotoelektrischen Detektorelement induziert worden ist, den Verstärker 53 erreicht, der sich normalerweise außerhalb der Bildplatte befindet, hat diese Signalladung durch den Prozeß des Abtastens eine beträchtliche Verfälschung oder Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses erfahren, wofür unter anderem die große Kapazität der Signalleitung ausschlaggebend ist, die mit zahlreichen Detektorelementen in Verbindung gebracht werden muß, während außerdem auch Schaltstörungen aufgrund der Schaltvorgänge in der X-Treiberschaltung 51 Einfluß nehmen. Mit anderen Worten, die fotoelektrische Halbleiterdetektorelemente nach den Fig. 7a und 7b, aus derselben die Festkörper-Bildplatte aufgebaut ist, enthalten eine Fotodiode mit einem p-Bereich 4 und einem n-Substrat 1 und einen p-Kanal MOS FET Q₂, der aus dem p-Bereich 4 als Source, einem Gate 13′ und einem Drain-Bereich 2 gebildet ist und dazu dient, die in der Fotodiode erzeugte Signalladung abzuführen. Damit wird am Abschlußwiderstand R₀, der mit dem p-Drain-Bereich 2 des FET verbunden ist, in Abhängigkeit von der Stärke des auf die Fotodiode D auftreffenden Lichtes ein Ausgangssignal erzeugt, das über einen Schalt- FET Q₂ für die Y-Abtastung und einen weiteren Schalt-FET Q₃ für die X-Abtastung als Ausgangssignal in einer Bildsignalfolge aus der Bildfolge abgeleitet wird. Die geringe Menge der Signalladung, die nach ihrem Entstehen in der Fotodiode D kaum verstärkt werden kann, wird mit einem schlechten Umwandlungsfaktor der Fotodiode und dem bereits erläuterten verschlechternden Signal-zu-Rausch-Verhältnis über diese Schalt-FETs herausgeleitet.

Im Gegensatz dazu besitzt eine mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgestattete fotoelektrische Festkörper-Bildplatte, die eine unmittelbare Kombination aus fotoelektrischen Detektorelementen mit Verstärker-FETs enthält, um ein Vielfaches bessere fotoelektrische Wandlereigenschaften, d. h. einen überaus hohen Wandlerwirkungsgrad und ein sehr hohes Signal-zu-Rausch- Verhältnis. Spezielle dieses sehr hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird anschließend noch näher beschrieben.

Es wurde bereits erwähnt, daß in einer Festkörper-Bildplatte, die aus einer Matrix vieler fotoelektrischer Detektorelemente besteht, die Signalladung, die in der Umwandlungsvorrichtung induziert wird, unweigerlich durch die große Kapazität der Ausgangsleitungen gedämpft und zusätzlich mit Schaltstörungen aus der X-Treiberschaltung überlagert wird. Bezeichnet man die von einer herkömmlichen Wandlervorrichtung abgeleiteten Signale mit S₁ und die entsprechenden Signale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit S₂, ferner die schließlich von der herkömmlichen Bildplatte gewonnenen Signale mit S′₁ und die von der erfindungsgemäßen mi S′₂, die den ursprünglich abgeleiteten Ausgangssignalen S₁ bzw. S₂ überlagerten Rauschsignale mit N′₁ bzw. N′₂ und den an den ursprünglichen Ausgangssignalen S₁ und S₂ wirksamen Dämpfungsfaktor mit K, so lassen sich folgende Gleichungen aufstellen:

S′₁ = S₁ - KS₁
S′₂ = S₂ - KS₂

Entsprechend früherer Erläuterungen über die Wandlervorrichtungen gilt folgende weitere Beziehung:

S₂ = 100 × S₁.

Andererseits kann man bei einer herkömmlichen Abbildungsvorrichtung ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von etwa 40 dB in der Praxis erzielen, so daß die Größe des obengenannten Rauschens N′₁ durch nachstehende Gleichungen wiedergegeben werden kann:

Der Rauschwert aus obiger Gleichung ist praktisch dem der erfindungsgemäßen Abbildungseinrichtung gleich. Folglich läßt sich das in letzterer erzielbaren Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit nachstehenden Gleichungen wiedergeben:

Die obige Gleichung macht deutlich, daß das aus der erfindungsgemäßen Einrichtung zu gewinnende Ausgangssignal ein extrem hohes Signal- zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu dem Signal aus einer konventionelen Einrichtung hat. Außerdem kann man die mit der X-Abtastung in Verbindung stehende Streukapazität durch Gestaltung der Abbildungsplatte in einer Weise, wie sie in Verbindung mit den Fig. 12 und 17 noch gezeigt wird, beträchtlich vermindern, so daß es mit Hilfe der Erfindung zusätzlich noch möglich wird, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis noch weiter über das oben angegebene Verhältnis hinaus zu verbessern.

Es werden nun mehrere Ausführungsbeispiele von zweidimensionalen Festkörper-Bildwandlervorrichtungen beschrieben, die in ihrer Matrix die bereits genannten fotoelektrischen Detektorelemente enthalten und einen n-Kanal-FET als Festkörperverstärker verwenden.

In der Bildwandlervorrichtung nach Fig. 8 sind in einer Matrix die Detektorelemente entsprechend der Fig. 2b als Einzelbildelemente angeordnet. Ferner ist eine X-Abtasttreiberschaltung 51 in Gestalt eines Schieberegisters oder dergleichen vorgesehen, mit der in Folge eine Horizontal-Abtastimpulskette mit den Horizontal-Abtastintervallen des Fernsehens erzeugt wird. Eine Y-Abtasttreiberschaltung 52 in Gestalt eines Schieberegisters oder dergleichen dient zur Erzeugung einer Vertikal- Abtastimpulskette in wiederholter Folge mit der Vertikal- Fernsehabtastfrequenz, und eine Löschabtasttreiberschaltung 54 in Form eines Schieberegisters oder dergleichen erzeugt eine Löschimpulskette mit der Folge der Vertikal-Abtastfernsehfrequenz. In der Matrix sind die in den FET 25 des Ersatzschaltbildes der Fig. 2b enthaltenen Drain-Elektroden 22 gemeinsam mit den X-Abtastschalt-FET Q_X1, Q_X2, Q_X3, usw. in jeder Matrixspalte verbunden, wobei diese Schalt-FET der Reihe nach durch die X-Abtastimpulse aus der X-Abtasttreiberschaltung 51 mit einer Wiederholungsfrequenz getrieben werden, die gleich der Punktfolge der Bildelemente ist, so daß einer Ausgangsleitung jeder Spalte Elementarbildsignale aufeinanderfolgend in der X-Richtung, d. h. in horizontaler Richtung, zugeführt werden.

Die Source-Elektroden 14 der Verstärker-FET Q₀ und die Source-Elektroden der Lösch-FET 24 sind geerdet, und außerdem sind die Gates 21 der Auslese-FET 25 gemeinsam an die Y-Abtastschalt-FET Q_Y1, Q_Y2, Q_Y3, usw. einer jeden Zeile der Matrix angeschlossen, die nacheinander durch die Y-Abtastimpulse von der Y-Abtasttreiberschaltung 52 mit der Abtasttreiberschaltung getrieben werden, die dem Zeilenintervall eines Fernsehbildes entspricht, so daß die Source-Spannung E_Y mit dem Zeilenintervall geschaltet wird und die Spannung den Gates 21 der Auslese-FET 25 gemeinsam in jeder Zeile zugeführt wird, so daß als Ergebnis daraus ie Einzelbildpunktsignale der Ausgangsklemme in jeder Zeile nacheinander in Y-Richtung, d. h. in vertikaler Richtung, zugeleitet wird. Außerdem sind die Gates 23 der Lösch-FET 24 gemeinsam mit den Löschabtastschaltungs-FET Q_R1, Q_R2, Q_R3, usw. in jeder Zeile der Matrix verbunden. Die FET werden nacheinander durch die von der Löschabtasttreiberschaltung 54 erzeugten Löschabtastimpulse mit einer Folgefrequenz getrieben, die der Horizontal-Abtastfolge eines Fernsehbildes gleich ist, so daß die Lösch-Source-Spannung E_R bis zu dem Horizontal-Intervall geschaltet wird und die Spannung den Gates 23 der Lösch-FET 24 gemeinsam in jeder Zeile zugeführt wird, so daß dadurch das Potential der Gate-Elektrode 13′ des Verstärker-FET Q₀ über das Substrat auf Erdpotential gebracht wird. Dadurch sind für eine bestimmte Zeitspanne unmittelbar nach dem aufeinanderfolgenden Auslesen der Elementarbildsignale die Elementardetektorelemente durch die Zuführung der Löschspannung E_R gelöscht und damit bereit für den nächsten Speichervorgang der induzierten Signalladung.

Es sei noch erwähnt, daß die Anzahl der Schalt-FET logischerweise der Zahl von Zeilen und Spalten der Matrix entspricht, in denen die Elemente angeordnet sind.

Als nächstes sollen das Verhalten und der Betriebsablauf der Festkörper-Bildumwandlungsvorrichtung im Hinblick auf die aufeianderfolgenden Zeitpunkte t₁, t₂, . . . , t_n+1, . . . , T_2n+1, erläutert werden, wobei die Zeitabstände zwischen diesen Zeitpunkten den Abständen der Bildelemente angepaßt sind. Im Anfangspunkt t₁ der X-Y-Abtastung eines Bildrahmens des Fernsehbildes sind nur der X-Abtastschalt-FET Q_X1 und der Y-Abtastschalt- FET Q_Y1 leitend, während alle übrigen Schalt-FET abgeschaltet sind. Demnach erhalten über die Leitung Y₁ die Gates 21 der Auslese-FET 25, die gemeinsam mit der Horizontalleitung Y₁ der ersten Zeile verbunden sind, gemeinsam die Auslese- Source-Spannung E_Y, so daß diese Auslege-FET 25 leitend werden, während die Source-Elektroden 14 der Verstärker-FET Q₀ der Wandlerelemente in der ersten Spalte der Matrix sämtlich mit der Vertikalleitung X₁ über die dazugehörigen Auslese-FET 25 verbunden werden können. Andererseits erhalten alle transparenten Elektroden 19 der entsprechenen Detektorelemente stets gemeinsam eine geeignete Gleichspannung, so daß sämtliche entsprechenden Detektorelemente betätigt werden. Damit werden die Elementsignalladung, die aufgrund des auftreffenden Lichtes erzeugt werden, ständig an alle Gate-Elektroden 13′ der Verstärker-FET Q₀ über die zugehörigen Kollektorelektroden 17 geleitet. Dadurch wird in allen Detektorelementen in der Matrix die Signalladung stets angesammelt mit Ausnahme der durch das Löschen in Anspruch genommenen Zeit.

Im Anfangspunkt t₁ der X-Y-Abtastung sind, wie bereits gesagt, nur der X-Abtastschalt-FET Q_X1 und der Y-Abtastschalt-FET Q_Y1 leitend, so daß nur die Vertikalleitung X₁ der ersten Spalte die Signal-Source-Spannung E_x aufgedrückt erhält, wie auch nur die Horizontalleitung Y₁ der ersten Zeile mit er Auslege- Source-Spannung E_Y versehen wird. Somit wird im Anfangszeitpunkt t₁ das in der oberen linken Ecke der Matrix angeordnete Detektorelement, das zur ersten Spalte und zur ersten Zeile der Matrix gehört, in seiner Gesamtheit betätigt, so daß sein Verstärker- FET Q₀ aktiviert ist, die an der Gate-Elektrode 13′ gespeicherte Signalladung in eine Bildausgangssignalspannung umzuwandeln, die dann von der Ausgangsklemme über die Vertikalleitung X₁ und den X-Abtasttreiber-FET Q_X1 ausgelesen wird.

Im nächsten, auf den Anfangszeitpunkt t₁ folgenden Zeitpunkt t₂ der X-Y-Abtastung bleibt der Y-Abtastschalt-FET Q_Y1 weiterhin leitend, während der X-Abtastschalt-FET Q_X2 anstelle des FET Q_X1 nun leitend wird, wodurch das Fortschreiten in der horizontalen X-Richtung berücksichtigt wird. Dadurch wird im Zeitpunkt t₂ das zweite Detektorelement in der oberen Zeile Y₁ und der zweiten Spalte X₂ als einzige in ihrer Gesamtheit angesteuert und liefert die Elementbild- Signalspannung, die an der Ausgangsklemme ausgelesen werden kann.

Im Zeitpunkt t_n+1, in dem alle Detektorelemente der ersten Zeile nacheinander in der beschriebenen Weise angesteuert worden sind, so daß alle Elementbild-Signalspannungen nacheinander ausgelesen wurden, werden dann nur der X-Abtastschalt-FET Q_X1 und der Y-Abtastschalt-FET Q_Y2 leitend, so daß in gleicher Weise, wie dies in Verbindung mit der ersten Zeile Y₁ beschrieben wurde, nun alle Detektorelemente, die zur zweiten Zeile gehören, nacheinander von links nach rechts abgetastet werden und man nacheinander ihre Elementbildsignale erhält. Wenn die Zahl der Leitungen in vertikaler Richtung, d. h. die Anzahl der Spalten der Matrix, mit n bezeichnet wird, welche bei der in Fig. 8 dargestellten Bildumwandlungsfläche gleich vier ist, dann wird im Zeitpunkt t_n+1 die Horizontalabtastung an den Detektorelementen, die zur zweiten Zeile Y₂ gehören, eingeleitet, und es wird aufgrund des zugeführten Löschimpulses von der Löschabtasttreiberschaltung 54 gleichzeitig der Löschabtastschalt- FET Q_R1 leitend, so daß sämtliche Gate-Elektroden 23 der Lösch-FET 24, die zu den Detektorelementen der ersten Zeile gehören, von denen die Elementbildsignale entnommen worden sind, gemeinsam mit der Lösch-Source-Spannung E_R beaufschlagt, wodurch diese Lösch-FET 24 leitend werden. Die noch an den Kollektor-Elektroden dieser Detektorelemente vorhandenen Restsignalladungen werden dadurch über die Lösch-FET 24 zur Erde abgeleitet, so daß die Detektorelemente der ersten Zeile, von denen die Elementbildsignale bereits abgenommen worden sind, alle zugleich gelöscht werden.

Im Zeitpunkt t_2n+1, in dem die Horizontalabtastung der zweiten Zeile in der beschriebenen Weise durchgeführt ist, werden der Y-Abtastschalt-FET Q_Y2A, der X-Abtastschalt-FET Q_X1 und der Löschschalt-FET Q_R2 leitend, beginnt die Horizontalabtastung der Detektorelemente der letzten Zeile Y_m, die in der Abbildung der Fig. 8 Y₃ ist, und wird der Löschvorgang der Detektorelemente der vorhergehenden Zeile Y_m-1 (in Fig. 8 die Zeile Y₂) durchgeführt. Es sei erwähnt, daß für den Fall, daß die Widerstände R₁, R₂, die für die Ableitung der nach dem Auslesen noch verbliebenen Signalrestladungen vorgesehen sind, durch FET wie der FET Q_Y3B für die letzte Zeile Y₃ ausgetauscht sind, die Ableitung der Signalrestladungen sehr schnell erfolgt, so daß sich eine überaus schnelle Abtastung der gesamten Bildplatte durchführen läßt.

Das in der Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Bildumwandlungsplatte mit erfindungsgemäßen Detektorelementen entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 mit Ausnahme der folgenden Veränderungen.

Der mit 25 in dem Ersatzschaltbild des Detektorelements der Fig. 2b bezeichnete Auslege-FET Q₁ ist durch eine Diode 26 ersetzt, die verhindert, daß das Bildsignal in umgekehrter Richtung fließt, wobei die Horizontalleitung Y, die jeweils mit der Gate-Elektrode 21 des Auslege-FET 25 in Fig. 8 verbunden ist, nun gemeinsam mit der Drain-Elektrode 24 des Verstärker-FET Q₀ und der Drain-Elektrode des Lösch-FET 24 verbunden ist. Ferner sind die Signalspannungsquelle E_x und der Abschlußwiderstand R₀, die den X-Abtastschalt-FET Q_x zugeordnet sind, durch die Signalspannungsquelle E_y, die auch als Auslesespannungsquelle dient, und den mit den Y-Abtastschalt- FET Q_y verbundenen Abschlußwiderstand R₀ ersetzt, während die Source-Elektroden der X-Abtastschalt-FET Q_X sämtlich an Erde gelegt sind. Darüber hinaus sind die für die Ableitung der Signalrestladungen in Fig. 8 verwendeten Widerstände R durch die FET Q_YOB bis Q_Y3B ersetzt, womit eine schnelle Ableitung der Signalrestladungen möglich wird.

Das nächste Ausführungsbeispiel einer Festkörper-Bildumwandlungsvorrichtung unter Verwendung der Halbleiterdetektorelemente gemäß der Erfindung ist in der Fig. 10 dargestellt. Die Einrichtung unterscheidet sich durch folgende Veränderungen von derjenigen nach Fig. 8. In der Festkörper-Bildumwandlungseinrichtung nach Fig. 10 sind die Auslesespannungsquelle E_y und die Signalspannungsquelle E_x, die in der Einrichtung nach Fig. 8 auf Gate 21 bzw. Drain 22 des Auslege-FET 25 geführt sind, entgegengesetzt auf Drain 22 bzw. Gate 21 gelegt, und der Abschlußwiderstand R₀, an dem das Ausgangsbildsignal erzeugt werden soll, ist in den Grad eingefügt, über den die Auslesequellenspannung E_y an die Drain-Elektrode 22 des Auslese- FET 25 geführt wird.

Es sei hier noch erwähnt, daß die mit dene X-Abtastschalt-FET Q_x verbundenen Widerstände R_x zum Ableiten der Signalrestladungen ähnlich wie der FET Q_XnB, der mit dem letzten X-Abtastschalt- FET Q_XnA verbunden ist, durch FET ersetzt werdene können, um einen sehr schnellen Betrieb der Abbildungseinrichtung zu ermöglichen.

Die nachfolgenden Ausführungen richten sich auf eine Fetskörper- Abbildungseinrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wie sie in der Fig. 11 dargestellt ist. Die Horizontalleitungen Y₁ bis Y_m, die für das Anlegen der Auslesequellenspannung E_y an die Detektorelemente vorgesehen sind, wirken genauso wie die für das Zuführen der Löschspannung E_R an jene Vorrichtungen anstelle der Horizontalleitungen R₁ bis R_m in Fig. 8. D. h., die Horizontalleitungen Y₁, Y₂ und Y₃ sind jeweils mit den Gates 23 der Lösch-FET 24 der Detektorelemente verbunden, die zu der vorhergehenden Zeile gehören, und mit den Gates 21 der Auslese-FET 25 der Detektorelemente der nachfolgenden Zeile, und außerdem sind die Spannungswerte der Auslesespannungsquelle E_y und der Löschspannungsquelle E_R derart unterschiedlich voneinander, daß die richtige Verteilung der von den beiden Spannungsquellen stammenden Spannung aufgrund der unterschiedlichen Pegelwerte der Gate-Spannungen zwischen den Auslese-FET 25 und dem Lösch-FET 24 möglich ist. Wenn beispielsweise die Detektorelemente, die zur zweiten Zeile Y₂ gehören, in der Horizontalrichtung abgetastet werden, dann wird das Y-Abtastschalt- FET Q_Y2B leitend gemacht, damit die Auslesespannungsquelle E_y mit den Gates 21 des Auslese-FET 25 jener Detektorelemente, die zur zweiten Reihe Y₂ verbunden wird, wie auch der Y-Abtastschalt-FET Q_YOA gleichfalls leitend gemacht wird, so daß die Spannung der Löschspannungsquelle E_R, die höher gewählt wird als die Spannung der Auslesespannungsquelle E_y, den Gates 23 der FET 24 der Detektorelemente zugeführt wird, die zur ersten Zeile Y₁ gehören, so daß diese zur gleichen Zeit gelöscht werden.

Die Festkörper-Abbildungseinrichtung nach Fig. 11 ist mit Ausnahme der nachfolgenden Abweichungen genauso ausgebildet wie diejenige nach Fig. 8. Die X-Abtastschalt-FET Q_x, mit denen die Vertikalleitungen X₁, X₂, X₃, usw. der Reihe nach mit der Ausgangsklemme verbunden werden, sind aus Paaren von X-Abtastschalt-FET Q_XnA und Q_XnB gebildet, um dadurch einen schnellen X-Abtastschaltvorgang sicherzustellen.

Als nächstes wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Festkörper- Abbildungseinrichtung beschrieben, das die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung enthält und aufgebaut ist, wie es Fig. 12 zeigt, die sich von Fig. 8 nur durch folgend aufgeführte Abwandlungen der X-Abtastschaltung unterscheidet. Die Vertikalleitungen X der Abbildungseinrichtung nach Fig. 12 sind stets mit der Signalquellenspannung E_x über die Widerstände R_X verbunden, welchen Widerständen nacheinander Teile der Elementbildsignalspannungen aufgeprägt werden, die von den zu den jeweiligen Zeilen gehörenden Detektorelementen abgeleitet sind, denen der Reihe nach über die Y-Abtastschaltung die Auslesespannung E_Y zugeführt wird. Diese Teilspannungen treten an den Widerständen R_x der Reihenschaltung aus den Widerständen R_x, den Innenwiderständen der Auslese-FET 25 und den Innenwiderständen der Verstärker-FET Q₀ auf und werden nacheinander durch die X-Abtastschalt- FET Q_xA an die Ausgangsklemmen abgegeben, was eine schnelle Auslesung des Ausgangsbildsignals ermöglicht.

Es wird jetzt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Festkörper-Abbildungseinrichtung beschrieben, die Detektorelementen nach der Erfindung enthält. Die Einrichtung nach Fig. 13 unterscheidet sich von der nach Fig. 11 durch folgende Veränderungen: In der Festkörper-Abbildungseinrichtung von Fig. 13 werden die Auslesespannung E_y und die Signalspannung E_x, die der Gate-Elektrode 21 bzw. der Drain- Elektrode 22 des Auslese-FET 25 in Fig. 11 zugeführt werden, in umgekehrter Weie, also der Drain-Elektrode 22 bzw. der Gate-Elektrode 21 zugeleitet, so daß die am Abschlußwiderstand R_YO, der in den Pfad eingefügt ist, durch den die Auslesespannung E_Y den Detektorelementen aufgeprägt wird, erscheinenden Elementarbildsignale an der Ausgangsklemme als Ausgangsbildsignalspannung der Abbildungseinrichtung ausgelesen werden. Wenn darüber hinaus die Widerstände R_Y, die in Fig. 11 für das Ableiten der Restsignalladungen vorgesehen sind, um die Quellenspannungen E_y und E_R, die auf die Horizontalleitung Y aufgeprägt werden, auf Erdpotential abzubauen, wenn die Y-Abtastschaltung durchgeführt worden ist, durch FET Q_YC ersetzt worden sind, wie dies in der vierten Zeile in der Fig. 13 durch den FET Q_Y4C dargestellt ist, dann ist mit einem größeren Ausgangsbildsignal zu rechnen, und es läßt sich ein noch schnellerer Betrieb der Abbildungseinrichtung verwirklichen.

Das nun beschriebene Ausführungsbeispiel einer Festkörper- Abbildungseinrichtung, in der Halbleiterdetektorelemente gemäß der Erfindung verwendet werden und das in der Fig. 14 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Abbildungseinrichtung nach Fig. 11 folgendermaßen. Die Source-Elektroden des Lösch-FET 24 und des Verstärker-FET Q₀ sind geerdet, d. h. gemeinsam mit dem Substrat der Umwandlungsvorrichtung in Fig. 11 und ebenfalls gemeinsam mit den Vertikalleitungen X verbunden, die während der Austastperiode der X-Abtastung über die X-Abtastschalt-FET Q_XB geerdet sind, wodurch die Detektorelemente, welche zur vorhergehenden Zeile gehören und deren Elementbildsignale ausgelesen worden sind, gelöscht werden, so daß die Restsignalladungen schneller auf Erdpotential abgebaut werden können, als dies durch direkte Erdung oder Verbindung mit dem Substrat möglich ist, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, was einen besonders schnellen Betrieb der Abbildungseinrichtung ermöglicht.

In dem früher erwähnten Zeitpunkt t₂ jedoch, wenn der zweite X-Abtastschalt-FET Q_X2A leitend wird, nachdem der erste X-Abtastschalt- FET Q_X1A leitend gemacht worden ist, dann ist der letztere FET Q_X1A noch nicht augenblicklich abgeschaltet und bleibt noch leitend, bis die Horizontalabtastung der zweiten Zeile Y₂ beendet ist. Wenn in diesem Zusammenhang die Diode 26 zwischen die Vertikalleitung X und die Source-Elektroden des Lösch-FET 24 und des Verstärker-FET Q₀ in jedem der Detektorelemente eingefügt ist, dann kann die gewöhliche Abtastung in gleicher Weise wie bei der Abbildungseinrichtung aus Fig. 9 durchgeführt werden.

Als nächstes wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Festkörper- Abbildungseinrichtung mit Verwendung der Halbleiterdetektorelemente nach der Erfindung anhand der Fig. 15 betrachtet, die sich von derjenigen aus Fig. 13 nur durch folgende Veränderungen unterscheidet. Bei der in Fig. 15 gezeigten Festkörper-Abbildungseinrichtung sind die Source-Elektroden des Lösch-FET 24 und des Verstärker-FET Q₀, die verbindend mit den Substraten der Detektorelemente geerdet sind, mit der Horizontalleitung Y der vorhergehenden Zeile über die Diode 26 verbunden, um einen Rückfluß der Signalleitungen zu unterbinden, während weiter die Gate-Elektrode 23 des Lösch-FET 24 mit der Horizontalleitung Y zusammen mit der Drain-Elektrode des Auslese-FET 25 verbunden ist, was bedeutet, daß ein schneller und zuverlässiger Löschvorgang durchgeführt werden kann, als dies bei der Einrichtung nach Fig. 14 möglich ist. Durch die Abwandlung in der Anordnung der Detektorelemente ist die Leitfähigkeit des Y-Abtastschalt-FET Q_YA, über den die Löschspannung E_R auf eine bestimmte Horizontalschaltung Y gegeben wird, um zwei X-Abtastperioden gegenüber der Leitfähigkeit des anderen Y-Abtastschalt- FET Q_YB zum Anlegen der Auslesespannung E_Y an dieselbe Horizontalleitung Y verzögert, so daß die Zeitdifferenz von zwei X-Abtastperioden zwischen Anlegen der Löschspannung E_R und Anlegen der Auslesespannung E_Y erreicht wird, die ansonsten gemeinsam derselben Horizontalleitung Y zugeführt werden. Bei den Detektorelementen der zweiten Zeile der Matrix beispielsweise sind die Elementarbildsignale aufgrund der Zuführung der Auslesespannung E_Y an die Drain- Elektrode des Auslese-FET 25 ausgelesen worden, und dann ist in der nachfolgenden X-Abtastperiode das Auslesen der Elementarbildsignale der Detektorelemente, die der dritten Zeile angehören, beendet, wobei die Detektorelemente in der zweien Zeile sämtlich auf einmal dann gelöscht werden, wenn dem Gate 23 des Lösch-FET 24 in der sich daran weiter anschließenden X-Abtastperiode die Löschspannung E_R zugeleitet wird, also zwei X-Abtastperioden nach dem Auslesen ihrer Elementarbildsignale.

Als nächstes folgt die Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Festkörper-Abbildungseinrichtung mit Verwendung erfindungsgemäßer Halbleiteranordnung anhand von Fig. 16, die sich dadurch von Fig. 15 unterscheidet, daß die Gate-Elektrode 23 des Lösch-FET 24 und die Drain-Elektrode 12 des Verstärker-FET Q₀ in den einzelnen Detektorelemente miteinander verbunden sind, wobei die Abbildungseinrichtung in Fig. 16 praktisch genauso betrieben wird, wie die aus Fig. 15.

Da jedoch das Gate 23 des Lösch-FET 24 in seinem Detektorelement mit dem Drain 12 des Verstärker-FET Q₀ verbunden ist, d. h., die Source-Elektrode des Auslese-FET 25, wie oben erwähnt, werden, auch wenn auf die Horizontalleitung Y die Löschspannung E_R, wie in Fig. 15 gegeben ist, nicht alle Detektorelemente, die zu dieser Horizontalleitung Y gehören, sämtlich gleichzeitig gelöscht, sondern es wird aus dieser Gruppe der Detektorelemente nur diejenige, bei der die Gate-Elektrode 21 des Auslese-FET 25 mit der Vertikalleitung X verbunden ist, der die Signalspannung E_X zugeführt wird, aufgrund der Zuführung der Löschspannung E_R gelöscht. Als Folge davon werden die Detektorelemente, die zur Horizontalleitung Y gehören, der die Löschspannung E_R zugeführt wird, nacheinander aufgrund der aufeinanderfolgenden Leitfähigkeit der X-Abtastschalt-FET Q_X gelöscht.

Als nächstes wird ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Festkörper-Abbildungseinrichtung unter Verwendung einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung anhand der Fig. 17 beschrieben, welche sich von der Einrichtung nach Fig. 15 dadurch unterscheidet, daß die Diode 26, die den Fluß der Signalladung in Rückwärtsrichtung verhindern soll, und der Lösch-FET 25 weggelassen sind, während weiterhin der Vorgang der Y-Abtastung, der X-Abtastung und des Auslesens der Ausgangsbildsignale so vorgenommen wird, wie in Verbindung mit Fig. 14 beschrieben. In diesem Zusammenhang ergibt sich der Betrieb der Abbildungseinrichtung nach Fig. 17 folgendermaßen.

Im Anfangspunkt der Bildrahmenabtastung erhalten die Vertikalleitungen X₁, X₂, X₃, usw. die Signalspannung E_X über die Widerstände R_X1, R_X2, R_X3, usw. zugeführt, während lediglich der Y-Abtastschalt-FET Q_Y1A leitend ist, so daß die Horizontalleitung Y nur über diesen geerdet ist, so daß sämtliche Verstärker-FET Q₀ in den Detektorelementen, die zur Horizontalleitung Y₁ gehören, in Betrieb sind. Dadurch sind die Hauptteile der Elementarbildsignale, die durch den Innenwiderstand des Verstärker-FET Q₀ und den Widerstand R_X aufgeteilt sind, auf die Vertikalleitungen X geleitet. Diese Hauptteile der Elementarbildsignale auf den Vertikalleitungen X werden nacheinander durch die X-Abtastung der ersten Zeile in den Zeitpunkten t₁-t_n an der Ausgangsklemme abgenommen.

Während der Horizontal-Austastzeit, die der obengenannten X-Abtastung der ersten Zeile folgt, wird der Y-Abtastschalt- FET Q_Y1A leitend gehalten, und nur während dieser Zeitspanne wird der nächste Y-Abtastschalt-FET Q_Y2B leitend, wodurch den Gate-Elektroden 23 der Lösch-FET 24 in den Detektorelementen, die der Horizontalleitung Y₁ angehören, gleichzeitig die Löschspannung E_R zugeführt wird. Daraus ergibt sich, daß diese Detektorelemente sämtlich gleichzeitig nur durch Zuführung der Löschspannung E_R gelöscht werden, da die Schwellwertspannung des Lösch-FET 24 höher gewählt ist als die Auslesespannung E_X, die gemeinsam der Vertikalleitung X₁ zugeführt wird.

Danach werden im Anfangszeitpunkt t_n+0 der Horizontalabtastung der zweiten Zeile die Y-Abtastschalt-FET Q_Y1A und Q_Y2B gesperrt, und es wird ein weiterer Y-Abtastschalt-FET Q_Y2A leitend, wonach die Horizontalabtastung der zweiten Zeile in den Zeitpunkten von t_n+1 bis t_2n in der bereits beschriebenen Weise ausgeführt wird.

Ein letztes Ausführungsbeispiel einer Festkörper-Abbildungseinrichtung mit einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist in der Fig. 18 wiedergegeben, die eine der Fig. 9 vergleichbare Anordnung mit Abwandlungen in der Weise zeigt, daß das Lösch-FET 24 in den einzelnen Detektorelementen durch einen Widerstand 27 ersetzt ist. Dieser Widerstand 27 in der Abbildungseinrichtung nach Fig. 18 liegt zwischen der leitenden Elektrode, an der die induzierten Signalladungen gesammelt werden, und Erdpotential, d. h., dem Substrat der Wandlervorrichtung, und nimmt dort den Platz des Lösch-FET 24 der Einrichtung nach Fig. 9 ein. Folglich wird der Hauptteil des Elementarbildsignals, welches aus den gesammelten Signalladungen besteht, der durch Aufteilung am Widerstand 27 und am Innenwiderstand der fotoelektrischen Wandlerschicht 18 gebildet ist, welcher Innenwiderstand abhängig von der Größe des auftretenden Lichtes schwankt, der sammelnden leitfähigen Elektrodenschicht 17 aufgeprägt. Aufgrund der Zuführung dieses Hauptteils des Elementarbildsignals, der abhängig vom auftreffenden Licht unterschiedlich ist, zur Gate-Elektrode 13′ des Verstärker-FET Q₀ kann die Bildausgangssignalspannung, die aus dem Teil der Signalspannung E_Y besteht, welche vom Widerstand R_X, der mit der Vertikalleitung X verbunden ist, und dem Innenwiderstand des Verstärker-FET Q₀ aufgeteilt ist, der wiederum schließlich der Größe des auftreffenden Lichtes entspricht, von der Vertikalleitung X als Element-Ausgangsbildsignal ausgelesen werden. Die jeweiligen Elementarausgangssignale, die den Vertikalleitungen X aufgeprägt sind, können nacheinander durch aufeinanderfolgendes Leitendmachen der X-Abtastschalt- FET Q_X über die Ausgangsklemme abgenommen werden.

Wenn hier ein zusätzlicher FET-Verstärker 28 für die Verstärkung der Ausgangsbildsignale eingesetzt wird, ist es möglich, ein größeres Ausgangsbildsignal zu bekommen, das ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis besitzt. Dieser zusätzliche FET- Verstärker 28 kann bei allen vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen der Abbildungseinrichtung in ähnlicher Weise wie bei Fig. 18 eingesetzt werden.

Die an der sammelnden leitfähigen Elektrodenschicht 17 verbleibende Signalspannung in den einzelnen Detektorelementen wird über den Widerstand 27 allmählich abgeleitet. Man kann außerdem die Diode 26 weglassen, die ein Rückwärtsfließen des Elementbildsignals verhindert, wie dies in der Fig. 18 in der letzten Zeile der Matrix dargestellt ist, wobei dann die übrigen Betriebsbedingungen der Detektorelemente in geeigneter Weise ausgewählt werden müssen.

Aus der Beschreibung wird deutlich, daß es mit den Mitteln der Erfindung möglich ist, von einer Festkörper-Abbildungsdeinrichtung eine Bildsignal-Ausgangsspannung zu erhalten, die im Vergleich mit herkömmlichen Einrichtungen ein- bis zweihundertmal größer ist und ein hervorragendes Signal-zu-Rausch- Verhältnis besitzt. Außerdem ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Ausgangsbildsignals, das mit Hilfe der Festkörper- Abbildungseinrichtung erhalten wird, im Vergleich zu allen bekannten Einrichtungen einschließlich der sogenannten Kamera-Bild-Röhre wesentlich verbessert.

Claims (19)

1. Fotoelektrische Halbleiteranordnung, umfassend

• (a) mehrere gleichwirkende Transistoren (Q₀; 30), die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (1; 11) angeordnet sind,
• (b) wenigstens eine Isolationsschicht (3′; 15), welche die Oberfläche des Halbleitersubstrats (1; 11) im wesentlichen bedeckt,
• (c) eine Steuerelektrode (3′′; 13′; 33) für jeden Transistor (Q₀; 30),
• (d) eine über den Steuerelektroden (3′′; 13; 33) der Transistoren (Q₀; 30) angeordnete fotoelektrische Wandlerschicht (5; 18) zur Umwandlung einfallender Strahlung in elektrische Signale,
• (e) eine zwischen den Steuerelektroden (3′′; 13′; 33) und der Wandlerschicht (5; 18) angeordnete Zwischenschicht (17) mit einem elektrischen Widerstand, der geringer ist als der elektrische Widerstand der Wandlerschicht (5; 18), und
• (f) eine transparente Elektrode (6; 19), die auf der Wandlerschicht (5; 18) angeordnet ist,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• (g) die Zwischenschicht (17) über jedem Transistor (Q₀; 30) gesondert ausgebildet und flächenmäßig größer ist als die Steuerelektrode (3′′; 13′; 33) des zugeordneten Transistors (Q₀; 30),
• (h) die gesonderten Abschnitte der Zwischenschicht (17) jeweils einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen und als Sammelelektrode dienen für die in der Wandlerschicht (5; 18) bei auftreffender Strahlung über dem jeweiligen Transistor (Q₀; 30) erzeugten Ladungsträger und
• (i) die gesonderten Abschnitte der Zwischenschicht (17) jeweils mit der Steuerelektrode (3′′, 13′; 33) des zugeordneten Transistors (Q₀; 30) elektrisch gekoppelt sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Transistor ein Feldeffekttransistor (Q₀, 12, 13, 13′, 14) ist, daß eine Löschvorrichtung vorgesehen ist und daß die Drain-Elektrode (12) des Feldeffekttransistors (25) mit einem Ausgang (22′) verbunden ist, wobei an die Gate-Elektrode (21) des weiteren Feldeffekttransistors ein Auslesesignal anlegbar ist (Fig. 2).

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschvorrichtung aus einem Lösch-Feldeffekttransistor (24) besteht, an dessen Gate-Elektrode (23) ein Löschsignal anlegbar ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (24) der Löschvorrichtung auf dem Halbleitersubstrat (1; 11) des Transistors (Q₀) ausgebildet ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (24) der Löschvorrichtung über die Zwischenschicht (17) an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (Q₀) angeschlossen ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschvorrichtung aus einem Widerstand besteht.

7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (17) unmittelbar mit der Gate-Elektrode (13′) des Feldeffekttransistors (Q₀) verbunden ist.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gate-Elektrode (13′) des Feldeffekttransistors (Q₀) und der Zwischenschicht (17) eine dünne Isolationsschicht angeordnet ist, so daß die Zwischenschicht und die Gate-Elektrode kapazitiv gekoppelt sind.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Transistor ein bipolarer Transistor (30) ist, dessen Kollektor (32) mit einem Ausgang (22′) über einen Schalter (S₂) verbunden ist, der jeweils in einem Zeitintervall für kurze Zeit geschlossen wird und eine Aufladung der Streukapazität des Kollektors bewirkt, während der Lichteinfall auf die Wandlerschicht (18) über den verstärkten Basisform des bipolaren Transistors (30) eine Entlastung der Streukapazität herbeiführt (Fig. 3).

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Transistor ein bipolarer Transistor (30) ist, dessen Kollektor (32) mit der Gate-Elektrode (13′′) eines Verstärker-Feldeffekttransistors (12, 13′′, 14) verbunden ist, daß der Verstärker-Feldeffekttransistor über einen Schalter (s₂) mit einem Ausgang (22′) verbunden ist und daß ein Lösch-Feldeffekttransistor (24) die Aufladung der Streukapazität des Kollektors (32) des bipolaren Transistors (30) bewirkt (Fig. 4).

11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlerschicht (5; 18) eine lichtempfindliche Halbleiterschicht ist.

12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlerschicht (5; 18) aus einem Se-As-Te-Chalkogenid besteht.

13. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlerschicht (5; 18) aus einem SbS₃-Chalkogenid besteht.

14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinigung der Funktionen des Transistors (30) und der fotoelektrischen Wandlerschicht (18) der Transistor als Fototransistor (40) ausgebildet ist (Fig. 5).

15. Verwendung der Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8 als Bildwandlerelemente in einer Bildwandlervorrichtung, in der die Bildwandlerelemente matrixförmig angeordnet sind.

16. Verwendung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwandlervorrichtung umfaßt:

• - mehrere erste Schaltelemente, die anzahlmäßig der Anzahl der Zeilen von Bildwandlerelementen entsprechen und diesen nacheinander Spannung zum Abtasten in Spaltenrichtung zuführen,
• - mehrere zweite Schaltelemente, die anzahlmäßig der Anzahl der Spalten von Bildwandlerelementen entsprechen und diesen nacheinander Spannung zum Abtasten in Zeilenrichtung zuführen,
• - eine erste Abtastschaltung (51) zum Steuern der ersten Schaltelemente in einer Folge und
• - eine zweite Abtastschaltung (52) zum Steuern der zweiten Schaltelemente in einer Folge.

17. Verwendung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwandlervorrichtung ferner umfaßt:

• - mehrere Löschschalter (Q_R1 bis Q_R3), die anzahlmäßig der Anzahl der Zeilen der Bildwandlerelemente entsprechen und diesen nacheinander eine Löschspannung zuführen, und
• - eine Löschabtastschaltung (54) zum Steuern der Löschschalter.

18. Verwendung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zum Abtasten in Zeilen- bzw. Spaltenrichtung und die Spannung zum Löschen abwechselnd mehreren Leitungen zugeführt werden, welche die Bildwandlerelemente mit Paaren der Schaltelemente entsprechend der Steuerung durch die Abtastschaltungen verbinden, wobei die Spannung zum Abtasten der Bildwandlerelemente und die Spannung zum Löschen der Bildwandlerelemente unterschiedlich sind.

19. Verwendung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Bildwandlerelement ein Widerstand vorgesehen ist, der zwischen der Gate-Elektrode des Transistors (Q₀) und Masse liegt.