DE1917324C3 - Schaltung zum Umwandeln eines optischen Musters in ein elektrisches Signal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaiiurig isi aus der ÄÜ-PS 4 09 328 bekannt, bei der die Umwandlung in der ersten Kapazität erfolgt und die dabei erzeugte Ladung danach durch Ansteuerung des ersten Halbleiterschaltelements auf beide Kapazitäten aufgeteilt wird. Die zweiten Kapazitäten sind über die zweiten Halbleiterschaltelemente mit einem Kreuzschienensystem verbunden, über das die zweiten Kapazitäten durch entsprechende Ansteuerung dieser zweiten Halbleiterschaltelemente nacheinander ausgelesen werden. Da die Umwandlung in der ersten Kapazität und die elektrische Speicherung in der zweiten Kapazität und damit getrennt erfolgt, wird eine elektronische Blendensteuerung möglich. Eine ähnliche Schaltung ist auch aus der Zeitschrift »Electronics«, 1. Mai 1967, S. 75 bis 78, bekannt.

Bei den bekannten Schaltungen sind die Halbleiterschaltelemente der Aufnahmeeinheiten als MOS-Transistoren ausgebildet. Von den MOS-Transistoren vom p-Kanaltyp ist ein in den gesperrten Zustand gebrachter pn-Übergang als photoempfindliche Kapazität wirksam. Auf diese Kapazität wird die von der zu beobachtenden Szene herrührende Strahlung geworfen. Abhängig von der Stärke der Strahlung werden in der Grenzschicht zwischen den halbleitenden p- und η-Schichten mehr oder weniger Löcher und Elektronen erzeugt, wodurch die aufgeladene Kapazität entladen wird. Dadurch, daß weiter mit Hilfe einer impulsförmigen Spannung die Kapazität wieder aufgeladen und die dazu erforderliche Ladung bestimmt wird, wird für eine Aufnahmeeinheit eine Information über die Stärke der auftreffenden Strahlung in Form eines elektrischen Signals erhalten.

Das Auslesen eines aus Aufnahmeeinheiten gebildeten Aufnahmepaneels mit Hilfe eines Kreuzschienensystems bietet viele Probleme und Nachteile. Dadurch,

daß die einander kreuzenden Leiter des Kreuzschienensystems nahe beieinander liegen, sind zwischen den Leitern verhältnismäßig große Streukapszitäten vorhanden. Da zum Auslesen der Aufnahmeeinheiten ein hochfrequentes Schaltsignal erforderlich ist, erzeugen diese Streukapazitäten ein störendes Übersprechen.

Da die Anforderung gilt, daß nur eine Aufnahmeeinheit einer Reihe oder einer Spalte ihre Information abgibt, ist die Folge, daß zwischen der betreffenden Aufnahmeeinheit und dem Leiter ein kleiner und zwischen der anderen Aufnahmeeinheit und dem Leiter ein großer Widerstand vorhanden sein muß. Dazu ist angegeben, daß jeder umwandelnden Kapazität ein als Schalter wirksamer MOS-Transistor zugeordnet werden muß. Zugleich gilt, daß der Widerstand eines Leiters sehr niederohmig sein muß, damit das Schaltsignal möglichst wenig vom Leiter gedämpft wird. Die Dämpfung und der beispielsweise sich darajs ergebende Spannungsabfall am Leiter kann nämlich dazu führen, daß auch eine andere als die betreffende Aufnahmeeinheit Informationen abgibt. Die Forderung nach einem langen niederohmigen Leiter führt zu Schwierigkeiten bei der Integration der Schaltung.

Außerdem sind zur Erzeugung der Scna'tsignale für die Reihen und die Spalten mindestens zwei Schieberegister erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die unvermeidlichen Streukapazitäten das Ausgangssignal nicht beeinträchtigen und bei der das Integrieren vereinfacht ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die erfindungsgemäße Schaltung bietet mit ihrer seriellen Übertragung signalabhängiger Ladungen eine völlig neue und vorteilhafte Art und Weise, die Aufnahmeeinheit auszulesen und ein einwandfreies elektronisches Ausgangssignal herzustellen.

Es sei bemerkt, daß in »Electronics Letters«, Dezember 1967, Band 3, Nr. 12, S. 544-546, ein mit elektronischem Ladungstransport arbeitendes Schieberegister beschrieben ist, das mit einer Reihe abwechselnd angeordneter Dioden, Widerständen und Transistoren gebildet ist. Die Basiselektroden der Transistoren liegen an Masse, und die Verbindungspunkte der Dioden und Widerstände sind über Kondensatoren wechselweise mit zwei Steuerleitungen verbunden. Zum Betrieb des auf diese Weise gebildeten Schieberegisters werden an die zwei Steuerleitungen zwei gegenphasige Taktimpulssignale gelegt.

Die Verwendung der Dioden ist erforderlich, um zu vermeiden, daß bei einer negativen Spannung an der Emitterelektrode eines Transistors die Basis-Kollektordiode des benachbarten, mit der Emitterelektrode verbundenen Transistors leitend wird. Weiterhin wirkt bei dem beschriebenen Aufbau die Kapazität der Basis-Kollektordiode als Streukapazität, die den Ladungstransport zwischen den Kapazitäten beeinträchtigt.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 15 41 954 ist bereits vorgeschlagen worden, für die Verzögerung von audio- bzw. videofrequenten Eingangssignalen eine Kondensatorumladevorrichtung zu verwenden, welche aufeinanderfolgende, in gleicher Weise aufgebaute Stufen aufweist, bei der jede Stufe einen ersten und einen zweiten Kondensator enthält, der zweite Kondensator der vorangehenden Stufe gleichzeitig der erste Kondensator der nachfolgenden Stufe ist, und zwischen jedem ersten und jedem zweiten Kondensator jeder Stufe ein Transistor angeordnet ist, wobei in jeder Stufe die Emitter-Koilektorstrecke des Transistors zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator angeordnet ist und die von der Emitter-Kollektorstrecke abgekehrten Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators alternierend mit den Polen einer das Umladen steuernden Schaltspannungsquelle angeschlossen sind, und in jeder Stufe die Basiselektrode des Transistors mit dem von der Kollektorelektrode abgekehrten Anschluß des zweiten Kondensators verbunden ist

Damit wird eine andere Aufgabe gelöst, nämlich audio- bzw. videofrequente Eingangssignale in verzögerte Ausgangssignale umzusetzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltung, bei der die Aufnahmeeinheiten mit als MOS-Transistoren ausgebildeten Halbleiter-

"Ό schaltelementen versehen sind

F i g. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 und einige schematische Diagramme als Funktion der Zeit,

F i g. 3 eine mit mehreren Reihen von Aufnahmeeinheiten versehene Schaltung,

F i g. 4 eine Ausführungsform der in Integrationstechnik ausgebildeten Aufnahmeeinheiten.

In Fi g. 1 sind von einer Schaltung mit Aufnahmeeinheiten Sn bis ßindie ersten drei Aufnahmeeinheiten Sn, B_n und Bn detailliert dargestellt. Da die Aufnahmeeinheiten Sn bis Bi_n auf gleiche Weise ausgebildet sind, genügt eine detaillierte Beschreibung der Aufnahmeeinheit S_n. Die Aufnahmeeinheit Bn enthält zwei Halbleiterschaltungselemente 71 und TJ, die als Metall-Oxyd-Halbleiter (MOS)-Transistoren vom n-Kanaltyp ausgebildet sind. Eine mit einem 5 und mit einem die Stromrichtung andeutenden Pfeil bezeichnete Eingangselektrode des MOS-Transistors Tl ist mit einer durch ein D bezeichneten Ausgangselektrode des MOS-Transistors T2 verbunden, während von den MOS-Transistoren Γι und T₂ eine am Substrat jedes einzelnen angeordnete Masseelektrode B mit einer ein negatives Potential — V₃ führenden Klemme verbunden ist. Eine Torelektrode G des MOS-Transistors Γι bzw. Γ2 ist über eine als Kondensator Q bzw. C₂ dargestellte Kapazität mit der Ausgangselektrode Dgekoppelt.

Die Aufnahmeeinheiten Sn bis Bj_n sind dadurch aneinander angeschlossen, daß von jeder Aufnahmeeinheit, ausgenommen die letzte Aufnahmeeinheit B\„, die Eingangselektrode S des MOS-Transistors T₂ mit der Ausgangselektrode D des MOS-Transistors Ti in der nachfolgenden Aufnahmeeinheit verbunden und die Torelektrode C der MOS-Transistoren T\ bzw. Γ2 jeweils miteinander verbunden sind. Die Eingangselek-

M trode Sdes MOS-Transistors T₂ in der nicht dargestellten Aufnahmeeinheit B\„ kann sowohl an eine ein positives Potential führende Klemme gelegt werden, oder nicht weiter verbunden sein, d. h. schwebend gehalten werden. Die Ausgangselektrode D des MOS-Transistors Ti in der Aufnahmeeinheit Bw ist mit der Eingangselektrode S eines MOS-Transistors T₀ verbunden, dessen Elektrode B an der das negative Potertia! — V₃ führenden Klemme liegt, und dessen Torelektrode C mit der der MOS-Transistoren T2 verbunden ist. In den Aufnahmeeinheiten Bn, Bn und Bn sind die Potentiale an den Ausgangselektroden D der MOS-Transistoren Ti bzw. TJ mit Vu, V12 und Vn bzw. Vn', Vu'und V_n'bezeichnet.

Die verbundenen Torelektroden G der MOS-Transistoren Γι bzw. MOS-Transistoren T₂ und des MOS-Transistors To sind jeweils über eine Spannungsquelle P\/Pi mit Masse verbunden, die gemeinsam eine Spannungsquelle für eine Gegentakt-Rechteckspannung bilden. Die Spannungsquelle PiZP₂ erzeugt die in F i g. 1 daneben angegebenen Spannungen U\ und U₂ als Funktion der Zeit, welche Spannungen zwischen dem durch eine Null angegebenen Massepotential und einem Potentialwert + E wechseln. Die Spannung U₂ eilt um eine halbe Periode der Spannung U\ nach. Die Ausgangselektrode D des MOS-Transistors T₀ ist über einen Kondensator CJ an Masse gelegt. Parallel zum Kondensator Cb ist eine Spannungsquelle P₃ geschaltet, die über eine mit ihrer Kathode an den Kondensator CJ gelegte Diode D₃ die dabei angegebene Spannung U₃ liefert. Die Rechteck-Spannung U$ wechselt zwischen dem Potentialwert +fund einem Bezugswert +2£ Die ein Potential V₀ führende Klemme des Kondensators CJ ist mit der Torelektrode G eines MOS-Transistors Ti vom n-Kanaltyp verbunden, dessen Elektrode B an ein Potential - V_a und dessen Ausgangselektrode D an ein Potential + Vt gelegt sind. Die Eingangselektrode S des MOS-Transistors T₃ liegt über einen Widerstand R₃ an Masse. Die am Widerstand R₃ erzeugte Spannung in Abhängigkeit vom Wert des Potentials VO erscheint an einer Ausgangsklemme Zder Schaltung.

An Stelle von MOS-Transistoren sind auch Germanium- oder Siliziumtransistoren in der Schaltung verwendbar. Dabei entspricht die genannte Eingangselektrode 5 oder Ausgangselektrode D einer Emitter- oder Kollektor-Elektrode. Die genannte Torelektrode C entspricht der Basiselektrode, wobei beide als Steuerelektroden betrachtet werden können.

Die Ausbildung der genannten Transistoren als MOS-Transistoren 7J, 71, Ti und T₃ bietet bekanntlich gegenüber normalen Germanium- oder Siliziumtransistoren für dieselbe Aussteuerung den Vorteil eines bedeutend geringeren Stromes in die Torelektroden G als in die Basiselektroden der normalen Transistoren. Selbstverständlich könnten zum Erhalten desselben Effektes normale Transistoren in der bekannten Darlington-Schaltung verwendet werden.

In der gegerenen Ausführung beeinflußt das in ein elektrisches Signal umzuwandelnde optische Muster durch eine physikalische Wechselwirkung, die mit durch strichpunktierte Linien dargestellten Pfeilen schematisch angegeben ist, die Spannungen an den Kondensatoren C\ und C₂ und dadurch die Werte der Potentiale Vn, V_n'. V₁₂. V₁₂' usw. Die Kondensatoren Q und C₂ umfassen jeweils die Kapazität zwischen Substrat und Ausgängseiekiroden D (PN-Übergang in den MOS-Transistoren Γι und T₂) und die zwischen den Torelektroden C und den Ausgangselektroden D vorhandene Kapazität. In den dargestellten Kondensatoren Cj und C₂ sind die Streukapazitäten in die MOS-Transistoren Tj und T₂ aufgenommen, und diese werden somit ausgenutzt

Auch ist es möglich, die Kondensatoren Ci und C₂ als gesonderte Komponenten mit einem Leckwiderstand auszubilden, dessen Wert von der Anzahl der auf beispielsweise das Dielektrikum oder einen parallelgeschalteten Photowiderstand einfallenden Photonen abhängig ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 wird an Hand der in Fig.2 dargestellten Diagramme näher erläutert Die in Fig.2 schematisch dargestellten Diagramme als Funktion der Zeit zeigen die von den Spannungsquellen P₃, P\ und P₂ gelieferten Spannungen U₃, U₁ und U₂ und die Potentiale V₀, Vn, V_n', Ki₂, V₁₂', Vi3 und Vn, die an den bereits bei F i g. 1 angegebenen Stellen auftreten. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 reicht es aus, nur drei Aufnahmeeinheiten B\\,B\₂ und B\₃ zu betrachten. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Eingangselektrode 5 des MOS-Transistors T₂ in der Aufnahmeeinheit Bn schwebend gehalten ist. Zur Erklärung der zyklischen Wirkungsweise der Schaltung wird von einem bestimmten Zustand ausgegangen. Es wird sich herausstellen, daß nach der zu erläuternden Periode auf automatische Weise der vorausgesetzte bestimmte Zustand wieder erreicht wird. Die Periode der Rechteckspannung LZ₃ ist in Fig.2 mit einigen Zeitintervallen ta bis in, in bis /_]2 und ii2 bis t\₃ angegeben.

in F i g. 2 ist ein Zeitpunkt to-AtRangegeben, wonach die gezeichneten Potentiale Vn, Vn', Vi₂, Vj₂', Vi₃ und Vn' alle den Wert +£" haben, während das Potential V₀ dem Wert +2E gleich ist Ausgehend vom Zeitpunkt to-AtR folgt ein Zeitintervall At_R, das für Fernsehen in der Größenordnung von einigen 10 Millisekunden liegt. Im Zeitintervall At_R tritt folgendes auf: Der Wert der während des Zeitintervalls At_R durch die Spannungsquellen P₁ und P₂ den Torelektroden G der MOS-Transistoren T₀, T₁ und T₂ zugeführten Spannungen U\ und U₂ entspricht dem Massepotential, so daß diese Transistoren durch das höhere Potential an den Eingangselektroden S während des Zeitintervalls AtR gesperrt sind. Im Zeitintervall Δ Ir wechselt der Wert der von der Spannungsquelle P₃ abgegebenen Spannung U₃ zwischen den Potentialen +2E und +£ Da das Potential V₀ den Wert +2E hat und diesen während des Zeitintervalls AtR beibehält wenn Leckverluste vernachlässigbar sind, wird die Diode D₃ nichtleitend sein. Um anzugeben, daß beispielsweise für Fernsehen das Zeitintervall AtR gegenüber der Wiederholungsperiode der Spannung U₃ verhältnismäßig lang ist, ist die Spannung U₃ während der mit einer gestrichelten Linie angegebenen verkürzten Zeitachse gegenüber der, die mit einer ausgezogenen Linie dargestellt ist mit einer scheinbar schneller sich ändernden Rechteckspannung abermals gezeichnet Während des verhältnismäßig langen Zeitintervalls AtR beeinflußt das umzuwandelnde optische Muster die Spannung an den Kondensatoren G und C₂ und läßt diese je nach der Größe der Information abnehmen. Da die Information in Form von Photonen eine aufzunehmende Szene darstellt bei der das von der Szene herrührende Licht in seiner Helligkeit von Maximalweiß über Grau nach Schwarz verläuft, kann angenommen werden, daß beispielsweise das heiiweiße Licht auf den Kondensator Ci der Aufnahmeeinheit Bu und kein Licht auf den Kondensator C₂ der Aufnahmeeinheit Bn fällt während die zwischenliegenden Werte gleichmäßig über die anderen Kondensatoren Ci und C₂ verteilt sind. Das Ergebnis ist, daß während des Zeitintervalls AtR die Potentiale Vj₁, Vn', V)₂, V₁₂' und V]₃ sinken, während das Potential Vn für vernachlässigbaren Dunkelstrom konstant bleibt. Die Potentialsenkung während des Zeitintervalls AtR ist in F i g. 2 linear dargestellt, was jedoch nicht erforderlich ist Auch eine nichtlineare, beispielsweise exponentiell Senkung ist durchaus möglich. Wie sich im Laufe der Beschreibung herausstellen wird, darf der minimal auftretende Potentialwert für den Maximalwert der Helligkeit des Lichtes nicht kleiner sein als +'/2£ Dieser Wert wird für Maximalweiß durch das Potential Vn am Ende des Zeitintervalls A f«, d. h. im ZeitDunkt in.

erreicht. Es stellt sich heraus, daß die Potentiale Vn bis einschließlich Vi₃' am Ende des Zeitintervalls Alu Werte aufweisen, die je nach der Helligkeit des Lichtes zwischen + W2Efür Maximalweiß und + Efür Schwarz liegen.

Im Zeitpunkt ίο springt der Wert der von der Spannungsquelle P\ abgegebenen Spannung U\ von Massepotential 0 auf + E. Dies hat zur Folge, daß dieser Potentialsprung den Torelektroden G der MOS-Transistoren 71 und den damit verbundenen Klemmen der Kondensatoren Ci aufgeprägt wird. Dadurch wird der Potentialsprung um einen Wert Eüber die Kondensatoren C\ gleichzeitig in den Potentialen Vn, Vn und V]₃ auftreten, so daß diese im Zeitpunkt ίο Werte erreichen, die zwischen +VhE und etwa +2E liegen. Der Potentialsprung von 0 auf +fan der Torelektrode G eines MOS-Transistors Γι bringt diesen, wenn das Potential an der Eingangselektrode 5 niedriger ist als + E in den leitenden Zustand. Dadurch werden die Kondensatoren Q und C₂ in den Aufnahmeeinheiten B\ 1 und B\2 aneinander angeschlossen, bis, abgesehen von Schwellenspannungen, der Wert des Potentials an der Eingangselektrode S gleich dem an der Torelektrode G des MOS-Transistors Ti geworden ist. Die dazu erforderliche Ladung kann nicht über die Torelektrode G zugeführt werden, sondern muß aus dem Kondensator Ci über die Ausgangselektrode D und die Eingangselektrode S dem Kondensator C2 zugeführt werden. Ausgehend von nahezu gleichen Werten der Kondensatoren Ci und C2 ergibt sich, daß, wie in F i g. 2 im Zeitintervall fo bis ii 1' dargestellt ist, die entsprechenden Potentiale Vu'und V\2 steigen werden.

Da auf den Kondensator C? in der Aufnahmeeinheit B13 kein Licht gefallen ist, ist die Ladung des Kondensators C2 konstant geblieben. Der Potential-Sprung von 0 auf +E an der Torelektrode G des MOS-Transistors Ti in der Aufnahmeeinheit Bi₃ wird dadurch diesen nicht in den leitenden Zustand bringen.

Das Ergebnis des Potentialsprungs in der Spannung U\ im Zeitpunkt ίο ist, daß in einer Aufnahmeeinheit der Ladungsverlust in den Kondensatoren C₂ durch die Aufladung bis zum Potential + Eüber die Eingangselektrode S und die Ausgangselektrode D des leitenden MOS-Transistors Ti an den Kondensator Ci weitergeleitet ist. Die Potentiale Vn, V_]2 und Vi₃ erhalten somit einen bestimmten Wert gegenüber dem Wert +2E, wobei dieser Differenzwert der Helligkeit des Lichtes, das auf die Aufnahmeeinheiten Sn, Bn und Bm gefallen ist, entspricht.

Im Zeitpunkt in' springt der Wert der von der Spannungsquelle P₁ bzw. Pz abgegebenen Spannung Uy bzw. U₁ vom Wert +F bzw. + 2E auf Massepotential bzw. den Potentialwert + £ zurück. Gleichzeitig springt die von der Spannungsquelle P₂ abgegebene Spannung Ui von Massepotential auf den Wert + £. Der Potentialsprung in der Spannung U\ bzw. LZ₂ im Zeitpunkt in' hat zur Folge, daß die Potentiale Vn, V_]2 tind Vn bzw. Vn', Vi₂'und V13' einen Potentialsprung E abwärts bzw. aufwärts aufweisen. Dabei können in den Aufnahmeeinheiten Bn, Bn und Bu an Stelle der MOS-Transistoren Γι die bisher gesperrten MOS-Transistoren T₂ in den leitenden Zustand gelangen, was auch für den MOS-Transistor T₀ gilt Dadurch wird über den MOS-Transistor T₀ die ein Potential V₀ gleich Λ-2Ε führende Klemme des Kondensators Cq an die ein Potential Vj 1 führende Klemme des Kondensators Ci in der Aufnahmeeinheit Bn angeschlossen. Da das Potential Vn niedriger ist als +E, welcher Wert von der Spannungsquelle P₂ mit der Spannung LZ₂ der Torelektrode G des MOS-Transistors T₀ gegeben ist, wird das Potential Vu auf den Wert +E steigen. Wie bereits obenstehend angegeben ist, wird die dazu erforderliche Ladung vom Kondensator Co geliefert. Für einen Kapazitätswert des Kondensators Co gleich dem des Kondensators Ci in der Aufnahmeeinheit Bw wird die Anhebung des Potentials Vn der Senkung des Potential Vo entsprechen.

Derselbe Vorgang erfolgt zwischen den Aufnahmeelementen Bw, Bn und Bn, wobei der Ladungsverlust in den Kondensatoren Ci in den Aufnahmeeinheiten Bn und Bi₃ an die Kondensatoren C₂ in die Aufnahmeeinheiten Bn bzw. Bi₂ weitergeleitet wird. In Fig. 2 ist dies während des angegebenen Zciiintervails in' bis in bei dem Vergleich der Potentiale V_omit Vn, Vn'mit Vi₂und Vi₂' mit V13 zu erkennen. Während dieses Zeitintervalls ii 1' bis ii 1 bleibt dadurch, daß der Wert der Spannung Uj gleich + Eist, die Diode Eh gesperrt.

Das von +2E auf etwa -f fabgenommene Potential Vo verursacht über den MOS-Transistor Γ3 einen kleineren Strom durch den Widerstand R₁, so daß gegenüber Masse an der Ausgangsklemme Z der Schaltung eine dem Potential Vo entsprechende Spannung auftritt. Die an der Ausgangsklemme Z auftretende Spannungssenkung entspricht somit der Helligkeit des Lichtes, das auf die Aufnahmeeinheit Bn gefallen ist.

Im Zeitpunkt in tritt in den Spannungen Uu Vi und Uj ein Potentialsprung auf, wonach diese Spannungen dieselben Werte erhalten wie kurz nach dem Zeitpunkt ίο. Dies führt zu derselben Wirkung der Schaltung wie bereits beim Zeitpunkt (0 beschrieben worden ist. Ein Unterschied ist jedoch, daß im Zeitintervall in bis ii₂' das Potential Vo auf den Wert +2E steigen wird, da dieser über die leitende Diode EH von der Spannungsquelle P₁ verursacht wird.

Zur Erläuterung ist in Fi g. 2 ein Teil der Potentialänderungen, die der Helligkeit des auf die Aufnahmeeinheit Bi₂ geworfenen Lichtes entsprechen, schraffiert dargestellt. Es ist ersichtlich, daß während des Zeitintervalls ίο bis in' die Differenz des Potentials V]₂' gegenüber + E auf das Potential Vi₂ übertragen und damit dem Wert +2E überlagert wird. Während des Zeitintervalls in'bis tu wird die Gesamtinformation, die während des Zeitintervalls Δ Ir der Aufnahmeeinheit Bi₂ zugeführt ist, zum Kondensator C₂ in der Aufnahmeeinheit Bu weitergeschoben, und dadurch ändert sich das Potential Vn' gegenüber dem Wert +2E Während der Periode tu bis ii₂' wird die Information der Aufnahmeeinheit Bi₂ in der Aufnahmeeinheit Bu vom Kondensator C₂ mit dem Potential Vu' zum Kondensator Q mit dem Potential Vn weitergeschoben. Das Ergebnis ist, daß im Zeitintervall ii₂' bis ii₂ die von der Aufnahmeeinheit B12 abgegebene Information zum Kondensator Co und somit zur Ausgangsklemme Z weitergeschoben wird. Die Information der Aufnahmeeinheit B13 steht im Zeitintervall tu' bis ta zur Weiterverarbeitung an der Ausgangsklemme Zzur Verfugung.

Zum Auslesen einer mit drei Aufnahmeeinheiten versehenen Schaltung müssen die von den Spannungsquellen P] und P₂ abgegebenen Spannungen U\ und LZ₂ drei rechteckförmige Impulse während des Zeitintervalls ίο bis i_I3 aufweisen. Dabei stellt es sich heraus, daß unmittelbar nach dem Zeitpunkt i_]3 der Wert der Potentiale V₁₁, V,,', V₁₂, V₁₂', V,₃und V₁₃'gleich +Eist während der des Potentials V₀ gleich +2E ist Wie obenstehend angegeben ist, stellt es sich heraus, daß nach dem Auslesen der Schaltung auf automatische

Weise der Zustand erreicht ist, von dem für Erläuterung ausgegangen worden ist. Dies hat zur Folge, daß der Zeitpunkt tu für einen zyklischen Betrieb der Schaltung demZeitpunkt ίο—4f/?entspricht.

Für eine mit π Aufnahmeeinheiten Bn, Bu, Si3 bis B\„ versehene Schaltung folgt, daß ein Zeitintervall AtR, in dem das Licht der aufzunehmenden Szene die Potentiale Vu, V,,', V₁₂, K₁₂', K₁₃', V₁₃ bis V_1n, V_1n' beeinflußt, gegenüber dem Zeitintervall ίο bis Z_1n verhältnismäßig groß sein muß.

Aus dem Verlauf der Potentiale V₁₁ und Vn' geht deutlich hervor, daß die Potentialsenkung unter dem Einfluß des von der Szene herrührenden Lichtes maximal nicht mehr als ^xliE betragen darf. Wenn auf beide Kondensatoren C₁ und C₂ in der Aufnahmeeinheit S₁₁ das Licht mit maximaler Helligkeit fällt, so wird im Zeitintervall ίο bis in'das Potential V₁₁ von l'/^fauf + E abnehmen. Dies hat zur Folge, daß unmittelbar vor dem Zeitpunkt T₁₁' das Potential K₁₁ an der Ausgangselekt rode D, das Potential V₁₁ an der Eingangselektrode Sund das Potential an der Torelektrode C des; MOS-Transistors T₁ in der Aufnahmeeinheit S₁₁ alle den Wert + E aufweisen. Wenn jedoch die Potentiale K₁₁ und V₁₁'eine größere Senkung als um ^xhEerfahren und beispielsweise den Wert +²hE erreichen wurden, so wird im Zeitintervall ίο bis in das Potential V₁₁ von +l²/s£auf + fabnehmen. Das Potential V₁₁' kann dadurch nur um ²IiE bis zum Wert -t-Vsf zunehmen. Da es für eine einwandfreie Wirkung der Schaltung erforderlich ist, daß das Potential V₁₁' an der Eingangselektrode 5 bis zum Bezugswert + F zunimmt, folgt die bereits gestellte Grenze.

Die gegebene Grenze von ¹Z₂EfUr eine Potentialsenkung gilt für den Fall, wo in jeder Aufnahmeeinheit die Spannungen an beiden Kondensatoren Ci und C₂ durch die optische Information beeinflußt werden. Wenn die Spannung an einem dieser Kondensatoren Ci oder C₂ konstant gehalten wird, gilt diese Grenze nicht. Der andere Kondensator in der Aufnahmeeinheit kann dadurch eine Spannungssenkung um den Wert E erfahren, also nahezu entladen werden, ohne daß die einwandfreie Wirkung der Schaltung beeinträchtigt wird. Dies läßt sich dadurch verwirklichen, daß beispielsweise das Dielektrikum eines Kondensators C₁ oder C₂ in jeder Aufnahmeeinheit gegen die optische Information abgeschirmt und dadurch unempfindlich gemacht wird.

Bei der Inbetriebnahme der Schaltung erfolgt die Aufladung der Kondensatoren C₁ und C₂ in den Aufnahmeeinheiten S₁₁, S₁₂, Bu bis S_1n auf einfache Weise mit Hufe der bereits in Fig. 1 dargestellter·. Spannungsquellen P„ P₂ und P₃. Die von der Spannungsquelle P₃ abgegebene rechteckförmige Spannung Uz lädt bei dem Wert +2E über die Diode D₃ den Kondensator Co, so daß das Potential V₀ den Wert +2E erhält. Die von der Spannungsquelle Pi abgegebene Spannung LZ₂ bringt danach beim Wert +E den MOS-Transistor 7ö in den leitenden Zustand, so daß auf die bereits beschriebene Weise die Potentiale Vo und V_n den Wert +E erhalten. Die von der Spannungsquelle P\ abgegebene Spannung U\ bringt danach beim Wert + E den MOS-Transistor 71 in den leitenden Zustand. Selbstverständlich läßt sich die Aufladung dadurch beschleunigen, daß die Frequenz der Spannungen LZ₁, LZ₂ und U] erhöht wird.

Zur Analyse der optischen Erscheinungen, die sich in einem eindimensionalen Muster darstellen, ist es möglich, wie in Fi g. 1 dargestellt ist, eine einzige Reihe von Aufnahmeeinheiten zu verwenden, um das optische Muster in ein elektrisches Signal als Funktion der Zeit umzuwandeln. Wenn es erwünscht ist, auf zweidimensionale Weise die Information umzuwandeln, ist die Schaltung nach Fig. 3 eine Lösung.

In Fig.3 Lt eine Schaltung dargestellt, die mit m Reihen mit η Aufnahmeeinheiten versehen ist. Da in Fig. 1 bereits eine Reihe Aufnahmeeinheiten Bn, S₁₂, S|3 bis B_1n beschrieben worden ist, und in Fig.3 die Reihen auf entsprechende Weise ausgebildet sind, sind die Bestandteile der Aufnahmeeinheiten nur summarisch angegeben. Weitere bereits in Fig. 1 dargestellte Bestandteile sind in Fig.3 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Der zur Reihe in F i g. 1 gehörende MOS-Transistor To, der zum Auslesen einer Reihe von Aufnahmeeinheiten diese an den Kondensator Co anschließt, ist in Fig. 3 m-fach ausgebildet und für die Reihen 1, 2, 3 ... m mit To₁, To₂, 7"oj... To_n, bezeichnet. Statt der bei der Erläuterung der Fig. I schwebend angenommenen Eingangselektrode S des MOS-Transistors 7"₂ in der letzten Aufnahmeeinheit B₁J, sind in Fig. 3 die entsprechenden Eingangselektroden S der MOS-Transistoren T₂ in den letzten Aufnahmeeinheiten Bin, B_2n. B₃ η bis B_n, „ miteinander verbunden und an eine das Potential + V* führende Klemme gelegt. Beides ist für die Erfindung nicht wesentlich.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung kann beispielsweise in einer Fernsehkamera verwendet werden, wobei das von einer aufzunehmenden Szene herrührende Licht auf die Aufnahmeeinheiten B₁₁ bis S_n, _n fällt. Damit an der Ausgangsklemme Zdas durch die Kamera erzeugte Bildsignal erhalten wird, ist bei einer Eingangsklemme der Kamera die Spannung LZ₃ dargestellt, die von einer nicht dargestellten Spannungsquelle P₃ erzeugt wird. Zum Erzeugen der Spannungen U\ und LZ₂ ist eine kombinierte Spannungsquelle (P₁, P₂) dargestellt, die beispielsweise eine symmetrisch ausgebildete bistabile Triggerschaltung enthalten kann, die durch die Spannung Ui angeregt wird. Die Spannung Us wird ebenfalls einem mit »:n« bezeichneten n-Teiler zugeführt. Die Ausgangsspannung des η-Teilers wird einem mit »:m« bezeichneten m-Teiler und jeder der ein Schieberegister bildenden Schieberegisterstufen K\, K?, Ki bis K_n, zugeführt. Die vom /η-Teiler abgegebene Spannung wird der ersten Schieberegislerstufe /C₁ zugeführt. Die Ausgänge der Schieberegisterstufen K\. /C₂, K₃ bis K_n, sind mit einem Eingang der Tore (U, L₁'), (L₂, L₂'), (L₃, L₃') bis (L_n,. L_n,') verbunden, wobei einem zweiten Eingang der Tore L die Spannung LZ₁ und einem zweiten Eingang der Tore L 'die Spannung LZ₂ zugeführt wird. Der Ausgang eines Tores L bzw. L'liefert je nach der von der zugehörenden Schieberegisterstufe K abgegebenen Spannung einer Reihe der Aufnahmeeinheiten die Spannung LZ₁ bzw. LZ₂.

Die vom /η-Teiler abgegebene Spannung hat eine Wiederholungsperiode, die m-n Perioden der Spannungen U], U₂ und LZj gleich ist, und ist für die erste Schieberegisterstufe K als Startspannung wirksam. Diese gibt danach während η Perioden den Toren L₁ und L\ eine Spannung, wodurch die Spannungen LZ] und U₂ an die Aufnahmeeinheiten Sn bis B_in weitergegeben werden. An der Ausgangsklemme Zerscheint während der η Perioden das durch die erste Reihe von Aufnahmeeinheiten Bn bis S_1n gelieferte Bildsignal.

Nach den η Perioden ändert sich die von der Schieberegisterstufe K\ abgegebene Spannung, wodurch sich die Tore L\ und L/ schließen und die Schieberegisterstufe K₂ angeregt wird, so daß sich durch

die von der Stufe A^ abgegebene geänderte Spannung die Tore Li und L-ϊ für die zweite Anzahl η Perioden öffnen. Nach der m-ten Anzahl η Perioden hat die Reihe der Aufnahmeeinheiten B„,\ bis B_n,„ ihr Bildsignal der Ausgangsklemme Zzugeführt.

Bei der Beschreibung der Fig. 1 und 2 ist das Zeitintervall AtR angegeben, das zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslesevorgängen einer Reihe von Aufnahmeeinheiten Bu bis B\„ auftritt. Für die in der Fig.3 dargestellte Schaltung mit m Reihen von Aufnahmeeinheiten stellt es sich heraus, daß bei zyklischem Betrieb das Zeitintervall AtR etwa dem (m-l)-fachen des Ausleseintervalls einer Reihe von Aufnahmeeinheiten entspricht Für ein Fernsehsystem mit 25 Bildern in der Sekunde und 625 Bildzeilen ist das Zeitintervall Δ f« etwa gleich 40 ms minus 64 μ5.

Es dürfte einleuchten, daß auf einfache Weise das bekannte Zeilensprungverfahren mit zwei Teilbildern erhalten werden kann, wenn die von der Schieberegisterstufe K.2 abgegebene Spannung den Toren Lj und Lz zugeführt wird, während die Tore Li und L₂' mit einer Schieberegisterstufe verbunden werden, die diese nach etwa '/2 m· π Perioden öffnet.

Zugleich dürfte es einleuchten, daß zum Erzeugen eines Videosignals mit der sogenannten Zeilenaustastzeit aus dem an der Ausgangsklemme Z auftretenden Bildsignal sowohl ein Teil der durch die Reihen von Aufnahmeeinheiten abgegebenen Informationen unbenutzt gelassen werden kann, als auch das Schieberegister dadurch angepaßt werden kann, daß in den Stufen K beispielsweise eine der Zeilen- oder Teilbildaustastzeit entsprechende Verzögerung vorgesehen wird.

Eine drei- oder zweifache Ausbildung der in Fig. 3 dargestellten Schaltung führt durch die Spaltung des von der Szene herrührenden Lichtes in drei oder zwei Grundfarben zu einer für Farbfernsehen geeigneten Kamera.

Untenstehend wird ein als Halbleiterbauelement ausgebildetes Aufnahmepaneel, bei dem die Aufnahmeeinheiten vorzugsweise in nur einem Halbleiterkörper integriert sind, an Hand der F i g. 4 beschrieben. F i g. 4a zeigt schematisch einen Teil einer Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines derartigen Halbleiterbauelementes, während Fig.4b schematisch einen Schnitt gemäß der Linie IVb-IVb nach F i g. 4a darstellt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig.4 enthält ein Substrat 40, das beispielsweise aus isolierendem Material bestehen kann, wobei das Substrat dann mit einem oder mehreren Oberflächengebieten aus Halbleitermaterial versehen ist oder, wie im vorliegenden Beispiel, selbst aus Halbieiierinaieriai, beispielsweise aus p-leitendem Silizium, bestehen kann. Auf in der Halbleitertechnik durchaus übliche Weise, beispielsweise mit Hilfe üblicher Photoätz- und Diffusionstechniken, sind in einem Oberflächengebiet des Substrats 40 Oberflächenzonen 41 entgegengesetzten Leitungstyps angebracht, beispielsweise mit Abmessungen von 64 χ 64 (im. Diese Oberflächenzonen 41 bilden zusammen mit den zwischenliegenden Gebieten 42 die Halbleiterzonen einer Anzahl MOS-Transistoren. Diese MOS-Transistoren sind in Reihen gegliedert, wobei jede der dargestellten Zonen 41 die Ausgangs- oder Drainelektrode eines MOS-Transistors einer Reihe und zugleich die Eingangs- oder Sourceelektrode des nachfolgenden MOS-Tranistors jener Reihe bildet, Die zwischenliegenden Gebiete 42, die beispielsweise etwa 6 μίτι breit sind, bilden die Kanalgebiete zwischen der Source- und der Drainelektrode jedes MOS-Transistors. Weiter sind die MOS-Transistoren mit Torelektroden 47 mit Abmessungen von etwa 60 χ 60 μιη versehen, die durch eine Isolierschicht 43', beispielsweise durch eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von 0,1 μίτι, gegen die Halbleiteroberfläche isoliert sind. Die Torelektroden 47 sind wechselweise mit nur einer der Leiterbahnen 43 und 44 bzw. 45 und 46 verbunden. Vorzugsweise ist die Dicke der Isolierschicht unter den Leiterbahnen 43 bis 46 größer als unter den Torelektroden 47 (beispielsweise etwa 0,5 μηι), dies zur Vermeidung unerwünschter Kanalbildung. Auch sind Kanalunterbrecher, beispielsweise diffundierte Kanalunterbrecher, ν erwendbar.

Die Torelektroden 47 und die Metallbahnen 43 bis 46 bestehen beispielsweise aus Gold und weisen eine Dicke von etwa 25 nm auf. Derartige Goldelektroden sind durchsichtig, so daß auf die Oberfläche fallende Strahlung im Halbleiterkörper absorbiert und die Photoempfindlichkeit der pn-Übergänge zwischen den Oberflächenzonen 41 und dem umliegenden Oberflächengebiet des Substrats 40 benutzt werden kann. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Halbieiterkörpers und den genannten pn-Übergängen beträgt vorzugsweise etwa 1 μιη. Im Betriebszustand sind die genannten pn-Übergänge in Sperrichtung vorgespannt. Dazu wird das umliegende Oberflächengebiet, in diesem Fall über einen nicht dargestellten, mit dem Substrat 40 verbundenen Anschlußleiter an ein negatives Potential gelegt.

Die Aufnahmeeinheiten des Aufnahmepaneels werden je durch zwei aufeinanderfolgende MOS-Transistoren gebildet. Die beiden Kapazitäten, zwischen denen ein von der Information des optischen Musters abhängiger Ladungstransport auftreten kann, befinden sich zwischen der Torelektrode und der Drainelektrode der beiden MOS-Transistoren der Aufnahmeeinheit. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden diese Kapazitäten durch die Innenkapazität zwischen der Torelektrode und der Drainelektrode für jeden MOS-Transistor gebildet, wobei diese Innenkapazität dadurch vergrößert ist, daß die Toreiekiroden 47 sich über einen wesentlichen Teil ihrer Oberfläche über den Oberflächenzonen 41 erstrecken. Der genannte Ladungstransport läßt sich mit Steuersignalen, die über die Leiterbahn 43 bis 46 den Torelektroden 47 der MOS-Transistoren zugeführt werden können, steuern.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zur Umwandlung eines optischen Musters, in ein elektrisches Signal dienende Schaltung mit einer Anzahl in einer Reihe angeordneter, das optische Muster in elektrische Signale umwandelnder Aufnahmeeinheiten, die je eine erste und eine zweite Speicherkapazität sowie zwei steuerbare Halbleiterschaltelemente enthalten, wobei die Steuerelektroden entsprechender Halbleiterschaltelemente aller Aufnahmeeinheiten der Reihe miteinander verbunden sind und jeweils die eine Kapazität mit der Ausgangselektrode des einen Halbleiterschall elements und die andere Kapazität mit der Eingangselektrode des einen und der damit verbundenen Ausgangselektrode des anderen Halbleiterschalielementes verbunden ist und eine der Kapazitäten in Abhängigkeit von den optischen Informationen entladen wird und so eine von der optischen Information abhängige Spannung führt, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem bekannten Prinzip eines elektronischen Ladungstransports die Aufnahmeeinheiten in Reihe geschaltet sind, wobei die Eingangselektrode (S) des einen Halbleiter-Schaltelements (T₂) in einer Aufnahmeeinheit (Sn; B\2 ■ ■.) mit der Ausgangselektrode (D) des anderen Halbleiterschaltelements (71) in der vorangehenden Aufnahmeeinheit (Bn; ßn ...) verbunden ist und die eine Kapazität (Q) zwischen der Ausgangselektrode (D) und der Steuerelektrode (G) des einen Halbleiterschaltelements (Ti) und die andere Kapazität (C₂) zwischen der Ausgangselektrode (D) und der Steuerelektrode (G) des anderen Halbleiter schaltelemente (Γ2) vorhanden ist, und daß die untereinander verbundenen Steuerelektroden (G) der einen Halbleiterschaltelemente (Ti) über eine eine Gegentakt-Rechteckspannung liefernde Spannungsquelle (P\IP₂) mit den untereinander verbundenen Steuerelektroden (G) der anderen Halbleiterschaltelemente (T₂) verbunden sind und die Spannungsquelle (P\/Pi) nach der Erzeugung der von dem optischen Muster abhängigen Spannungen eine Folge von die beiden Halbleiterschaltelemente (Ti, T₂) aller Aufnahmeeinheiten (Bu, Bn ...) der Reihe « abwechselnd sperrenden und leitend machenden Gegentaktimpulsen mindestens entsprechend der Anzahl der Aufnahmeeinheiten (B_n, R_]2 ■ ■■) der Reihe liefert, derart, daß ein Transport der dem optischen Muster entsprechenden Ladungen der anderen Kapazität (C₂) der Aufnahmeeinheiten zeitlich nacheinander an den Ausgang erfolgt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen der elektrischen Signale aus der Schaltung diese ein Halbleiterschaltelement (T₀) enthält, dessen Steuerelektrode (G) bzw. Eingangselektrode (S) mit der Steuerelektrode (G) des einen (T2) bzw. der Ausgangselektrode (D) des anderen Halbleiterschaltelementes (T₁) in der letzten Aufnahmeeinheit (Bu) verbunden ist und <>o dessen Ausgangselektrode (D) mit einer Klemme eines Kondensators (Co) verbunden ist, dem eine Bezugsspannungsquelle (Pi), die eine periodische Spannung liefert, parallel geschaltet ist (F ig. 1).

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Reihen von Aufnahmeeinheiten (Bu... B_1n; B₂₁... B_2n; B_1n ,... B_m„) enthält, die zum Auslesen je über ein zur betreffenden Reihe von Aufnahmeeinheiten gehörendes Halbleiterschaltelement (Toi; 7J₂; ... 70m) mit dem genannten Ausgangskondensator (Co) verbunden sind (Fig. 3).

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Reihen von Aufnahmteinheiten (B_n ■■■ B\„; B₂I ... B_2n; ß-ni ·-- B_mn) enthält, die zum Auslesen mit Hilfe der erstgenannten Spannungsquelle (PiZP₂) über zwei zu einer Reihe von Aufnahmeeinheiten gehörende Tore (Lu Li'; L₂, L₂';...; L_m L_m') angeregt werden, wozu zwischen einem Eingang des einen (Ly, L₂;...; L_m) und einem Eingang des anderen Tores (L)'; L₂; ...; Lm) die erstgenannte Spannungsquelle (P\IPi\ angeordnet ist und ein zweiter Eingang beider Tore (Li, Li'; L2, L2';...; L_m L_n,') mit einem eine die Tore öffnende oder schließende Spannung abgebenden Schieberegister (Ky, K₂; K_n,) verbunden ist, so daß das Auslesen der Reihe von Aufnahmeeinheiten (Bu ... Bin; B₂] ... B_2n; ...; B_mi ... B_mn) wechselseise erfolgt (F ig. 3).

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinheiten (Bu, B\2...) in einem oder mehreren Halbleiterkörpern integriert sind.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer i emsehkamera.