DE3839513A1 - Bildsensor - Google Patents

Bildsensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Bildsensor gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.
Halbleiterbildsensoren sind bekannt. Ihre Anwendung ist z.B. in einem Übersichtsaufsatz in der Zeitschrift Elektronik-Praxis Nr. 9 September 1978 Seite 12 ff. beschrieben.
Die Schwierigkeiten liegen in der Hochintegration und der anzuwendenden Technologie, die bewältigt werden muß.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Bildsensor zu schaffen, der unter Anwendung bekannter Halbleiterbauelemente und Technologien ein steuerbaren Sensor mit großem Nutzsignal ist und damit neue Anwendungen möglich werden.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 enthalten. Damit wird ein elektrischer Verschluß für ein Photoelement geschaffen, dessen Nutzsig­ nal gegenüber bekannten CCD-Anordnungen etwa 100-fach erhöht ist und bei dem der Verstärkungseffekt mit Hilfe einer steuerbaren Avalanche-Span­ nung einstellbar ist.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, daß ein CCD-Sensor geschaf­ fen wird, der auftastbar ist in der Größenordnung etwa 10 ns und darun­ ter (zwischen 1 und 10 ns). Eine Gesamtanordnung bzw. der Aufbau des Ge­ samtsystems mit Sender und Empfänger ist in Fig. 1 ersichtlich. Die Er­ findung gestattet die Anwendung eines Bildsensors für automatische Fahr­ zeugführung, -lenkung, -leitung oder mit besonderem Vorteil in KFZ-La­ ser-Abstandswarnsystemen, bei denen eine Laser-Entfernungsmessung zu dem Hindernis das stillsteht oder sich bewegt (Fahrzeug) mißt. Eine Abbil­ dung, wie sie mit dem neuen Bildsensor gewonnen wird, ist unter dem CCD-Array in Fig. 1 verkleinert dargestellt.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild mit den Funktionsblöcken selbstredend dargestellt.
In Fig. 3 ist der Aufbau einer einzelnen fotoempfindlichen Zelle im Querschnitt dargestellt, wobei der Strahlungseinfall, z.B. Licht, in Fig. 3 von unten kommt. Im wesentlichen weist das Bildsensorelement auf Halbleiterbasis eine pnp-Struktur auf. Auf der Unterseite im Grenzgebiet zwischen dem p-Silizium und dem n-Silizium über dem dann wieder eine p-Siliziumschicht und darauf eine Siliziumdioxyd-Schicht folgt, ist eine Avalanche-Diode mit Verstärker 10 ausgebildet. Die elektrische Steuerung dieses Bildsensors erfolgt, indem eine Raumladung für den CCD-Transport erzeugt wird in einem Gebiet 11, das wie Fig. 3 zeigt, räumlich mit Vor­ teil etwa in einem zentralen Bereich des p-Siliziums über der hochohmi­ ger n-Silizium-Schicht liegt. Über dem p-Silizium ist die transparente Schicht, z.B. Silizium-Dioxyd, angeordnet und in einer leichten Senke hierauf ebenso die CCD-Auslesestruktur z.B. Bereiche von Poly-Silizium oder ähnlich geeignetem Material, das in einer bekannten Technik für partielles Beschichten zum Herstellen einer Auslesestruktur hergestellt wurde. Das Auslesen und Auswerten ist an sich bekannt, daher nicht näher erläutert oder dargestellt.
Eine Einzelheit aus dem Bildsensorelement ist in Fig. 4 dargestellt. Im oberen Teil dieser Fig. 4 ist wieder der wesentliche Schichtaufbau zu erkennen mit der pnp-Struktur mit hochohmiger n-Schicht im mittleren Be­ reich (sandwichartig). Auf der Oberseite in Fig. 4 ist eine dünne SiO2-Schicht von Aluminium-Elektroden teilweise bedeckt für das Aus­ lesen der CCD-Struktur. Der Lichteinfall bei einer Wellenlängen 11 der zumessenden Strahlung kommt in Fig. 4 von unten. Der Avalanche-Effekt, insbesondere Verstärkungseffekt bis zu 100-facher Verstärkung, ist sym­ bolisch darunter dargestellt und das Anlegen einer negativen Steuerspan­ nung, durch Auftasten im Bereich von etwa 5 ns, ebenfalls angedeutet in Fig. 4 rechts unten, im Querschnitt neben der Schichtstruktur.
Das wesentliche am Aufbau des flächenhaften CCD-Sensors ist, daß an einer Seite des Halbleiters die flächenhafte CCD-Struktur und auf der entgegengesetzten Seite (Rückseite) des CCD-Sensors eine Avalanche-Diode ausgebildet ist, insbesondere durch Implantieren bzw. Dotieren mit an sich bekannten Stoffen. Wird bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau zwischen der hochohmigen n und der letzten p-Schicht eine hohe Spannung angelegt, dann entsteht bei Lichteinfall an der entsprechenden Stelle durch den Avalanche-Effekt eine hohe Feldstärke, die ihrerseits Ladungs­ träger in der p-Schicht unter der CCD-Struktur erzeugt (vgl. Fig. 3), welche mit Hilfe eines geeigneten Elektrodenaufbaus auslesbar sind. Da die Avalanchediode über die gesamte Fläche wirksam ist aber der Ladungs­ transport einzeln im Volumen des Halbleiters zu der CCD-Struktur hin er­ folgt entsteht ein flächenhaftes Kontrast-Bild zum Zeitpunkt des Auf­ tastens oder der Übertragung. Damit ist durch geeignete Wahl des Auf­ tastzeitpunktes und der Auftastdauer und Korrelation der Auftastimpulse mit den Sendeimpulsen ein Entfernungsbild darstellbar.
Der Erfindung wird ein elektrischer Verschluß für ein fotoempfindliches Element, wie Bildsensor geschaffen, das neben der großen Verstärkung oder Empfindlichkeitserhöhung etwa um den Faktor 100 einen elektrischen Verschluß insbesondere für eine CCD-Kamera schafft, die steuerbar ist in kurzen Zeiten einer Größenordnung, insbesondere unter 10 ns Auftastzeit, die bisher jedenfalls bei vergleichbarem Aufwand nicht erzielbar ist.
Die Anwendung der Erfindung ist bei einem Abstandswarnsystem und Entfernungssystem mittels Laser nach DE 36 40 449 A1 von Vorteil.
Die Anwendung bei einem automatischen Führungssystem "Prometheus" vgl. Bild der Wissenschaft 10-1988, S. 134 ist besonders vorteilhaft.

Claims (5)

1. Bildsensor auf Halbleiterbasis insbesondere in CCD-Struktur mit einem zeilenförmigen oder flächenhaften (zweidimensionalen) Array und einer parallelen oder seriellen Auslesung dadurch gekennzeichnet, daß
  • - auf der einen Seite des Halbleiters, eine Avalanchediode angeordnet ist,
  • - durch die ein bei Lichteinfall von außen erzeugter Photostrom ver­ stärkt wird,
  • - eine Raumladung im anschließenden Halbleitergebiet erzeugt wird und ein Ladungsträgertransport zur CCD-Struktur über eine steuerbare Elektrode erfolgt,
  • - in der auf der anderen Seite des Halbleiters angeordneten CCD-Aus­ lesestruktur mit Auslese-Elektroden ein Kontrast- oder Entfernungs­ bild ausgegeben wird.
2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Anlegen einer Spannung zwischen einer p-dotierten Schicht auf der Seite für den Lichteinfall und einer anschließenden hochohmigen n-do­ tierten Schicht elektrisch steuerbar ist.
3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zugleich als Verschluß (shutter) angewendet wird.
4. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem KFZ-Abstandswarnsystem mit Laser-Sender und -Empfänger angewandt wird.
5. Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in automatischen Fahrzeugführungssystem (mit ISDN-Leitspur) mit automa­ tischer Abstandseinhaltung (gegenseitig) angewandt wird.
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