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Die
Erfindung bezieht sich auf eine aktive TFT-Matrix (thin film transistor
= Dünnschichttransistor)
für einen
optischen Sensor, von der Art, die aufweist:
- – ein Substrat;
- – eine
Matrix von TFT-Transistoren, die auf diesem Substrat ausgebildet
ist, wobei jeder Transistor ein Gate, eine Source und einen Drain
aufweist;
- – eine
Einheit von Zeilen, um die TFT-Transistoren über ihre Gates zu steuern,
wobei diese Einheit von Zeilen auf dem Substrat angeordnet ist;
- – eine
Leiterebene gemäß einem
bestimmten Muster, das eine Matrix von Elektroden bildet, wobei
jede Elektrode eine Pixel genannte Zone definiert;
- – eine
Einheit von Spalten, die eine Ladungsübertragung über die Transistoren zwischen
den Elektroden und einer externen Elektronik ermöglicht, wobei die Spalten mit
den Sourcen der TFT-Transistoren verbünden sind;
- – eine
isolierende Schicht zwischen den Elektroden und den Spalten, wobei
diese isolierende Schicht lokal an jedem Pixel offen ist, um die
Pixelelektrode und den Drain des Transistors in Kontakt zu bringen;
- – eine
fotoempfindliche Halbleiterschicht in Kontakt mit den Pixelelektroden,
um die elektromagnetische Strahlung in elektrische Ladungen umzuwandeln,
die von den Elektroden aufgefangen werden,
- – eine
Einheit von Speicherzeilen, die mit den Pixelelektroden oder Drains
Kondensatoren bilden,
- – und
Brücken
bildende Verbindungen, die vorgesehen sind, um die aufeinanderfolgenden
Speicherzeilen elektrisch zu verbinden und bei der Steuerung einer
Pixelzeile die Verteilung der Abführung der Ladungen der ganzen
Pixelzeile über mehrere
parallele Speicherzeilen zu ermöglichen,
und
die Speicherzeilen sind in einer Ebene vorgesehen, die sich auf
dem Substrat unterhalb der Ebene der Steuerzeilen befindet, und
eine dünne
Isolierebene befindet sich zwischen der Ebene der Speicherzeilen
und der Ebene der Steuerzeilen.
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Eine
aktive Matrix dieser Art kann in einem optischen Sensor verwendet
werden. Die elektromagnetische Strahlung, die auf die fotoempfindliche Halbleiterschicht
trifft, wird in elektrische Ladungen umgewandelt, die von den Pixelelektroden
aufgefangen werden. Diese elektrischen Ladungen werden in einer
elektronischen Schaltung analysiert, um Punkt für Punkt ein Bild wiederherzustellen,
zum Beispiel mit Hilfe von Flüssigkristallanzeigern
(LCD). Eine besondere Verwendung einer aktiven TFT-Matrix betrifft die
Herstellung von Bildern ausgehend von Röntgenstrahlen, wobei die Halbleiterschicht
vorteilhafterweise aus Selen gebildet wird.
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US 5 780 871 zeigt eine
aktive Matrix dieses Typs, die eine hohe optische Pixelöffnung hat,
die aber zu einer empfindlichen kapazitiven Kopplung zwischen Pixelelektroden
und Zeilen führt,
trotz einer isolierenden Schicht, die vorgesehen ist, um diese Kopplung
zu verhindern; eine solche kapazitive Kopplung wirkt der gewünschten
Bildqualität
entgegen.
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Die
Druckschrift JP-A-11 274446 beschreibt einen optischen Sensor mit
Pixeln, die mit einer Übertragungszeile
und mit Steuer- und Speicherzeilen verbunden sind, die mit den Pixelelektroden
Kondensatoren bilden.
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Es
ist ein erstes Ziel der Erfindung, das ausgehend von einem mit einer
wie oben definierten aktiven TFT-Matrix ausgestatteten optischen
Sensor wiedergegebene Bild zu verbessern.
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Gemäß einer
ersten Maßnahme
der Erfindung befindet sich hierzu eine Pixelelektrode vollständig innerhalb
eines Umfangs, der von zwei aufeinanderfolgenden Zeilen und zwei
aufeinanderfolgenden Spalten gebildet wird, wobei ein Schutzabstand zwischen
dem inneren Rand dieses Umfangs und der Peripherie des Pixels vorgesehen
ist, damit die Pixelelektrode weder die Zeilen noch die Spalten
bedeckt.
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Unter
diesen Bedingungen ist die kapazitive Kopplung zwischen Pixelelektrode
und Zeilen und Spalten beträchtlich
verringert, was Störladungen vermeidet,
die zu einer Verschlechterung des Bilds führen.
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Die
Verringerung der optischen Öffnung,
die aus der Verringerung der Nutzfläche des Pixels entsteht, führt zu keiner
spürbaren
Verringerung der Wiedergewinnung der Ladungen und zu keiner Verringerung
der Bildqualität.
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Dieses
Ergebnis scheint auf das kinetische Verhalten der Ladungsträger zurückführbar zu
sein, die in einem fotoempfindlichen Halbleiter durch die elektromagnetische
Strahlung erzeugt werden. Aufgrund eines von den Ladungsträgern erzeugten
seitlichen Felds bewegen diese sich natürlich in Richtung der Pixelelektroden.
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Erfindungsgemäß führt daher
die Verringerung der kapazitiven Kopplung, die durch Verringerung
der Abmessungen der Pixelelektrode erhalten wird, nicht zu Nachteilen
bezüglich
der Wiedergewinnung der Ladungen. Die Qualität des wiederhergestellten Bilds
ist verbessert.
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Vorzugsweise
ist der mittlere Schutzabstand zwischen dem Umfang der Pixelelektrode
und dem von den Zeilen und den Spalten gebildeten Außenumfang
im Wesentlichen gleich dem Doppelten der Fluchtungstoleranz eines
Wafersteppers, der es ermöglicht,
die Bilder verschiedener Motive und Muster von Schaltungen und von Elektroden
auf dem Harz der Platte herzustellen.
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Die
mittlere Größe des Schutzabstands
kann zwischen 4 und 8 μm
liegen, vorzugsweise in der Größenordnung
von 6 μm.
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Vorteilhafterweise
wird in der oben definierten Matrix der jedem Pixel zugeordnete
TFT-Transistor von der Pixelelektrode bedeckt und ist somit geschützt.
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Die
zwischen den Elektroden und den Spalten vorgesehene isolierende
Schicht wird vorteilhafterweise von einem fotoempfindlichen oder
fotostrukturierbarem Harz gebildet.
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Gemäß einem
zweiten Ziel der Erfindung möchte
man den Kontrast der erhaltenen Bilder verbessern, indem man eine
hohe Kapazität
auf den Pixeln hat, um hohe Ladungen zu speichern. Je höher die
gespeicherten Ladungen sind, desto besser ist nämlich der Bildkontrast.
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Die
Durchführung
sollte aber einfach und die Fertigungsleistung hoch bleiben, insbesondere,
indem die Fehler von Kurzschlüssen
aufgrund von Verunreinigungen oder Staub so weit wie möglich vermieden
werden.
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Gemäß einer
zweiten Maßnahme
der Erfindung, die unabhängig
oder in Kombination mit der vorhergehenden Maßnahme verwendet werden kann,
weist die Matrix auf:
- – eine Einheit von Speicherzeilen,
die mit den Pixelelektroden oder Drains Kondensatoren bilden, wobei
diese Speicherzeilen parallel zu den Steuerzeilen sind,
- – und
Verbindungen parallel zu den Spalten, die Brücken bilden und vorgesehen
sind, um die aufeinanderfolgenden Speicherzeilen elektrisch zu verbinden
und es bei der Steuerung einer Pixelzeile zu ermöglichen, die Abführung der
Ladungen der ganzen Pixelzeile auf mehrere parallele Speicherzeilen
zu verteilen.
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Vorzugsweise
liegen die zu den Spalten parallelen Verbindungen auf der gleichen
Ebene wie die Spalten.
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Die
Speicherzeilen bilden mit den Pixelelektroden oder Drains oder mit
einer spezifischen Elektrode, die auf der gleichen Ebene wie die
Steuerzeilen hergestellt ist, einen Kondensator, und eine dünne Isolierebene
befindet sich zwischen der Ebene der Speicherzeilen und der Ebene
der Steuerzeilen.
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Gemäß einer
zweiten Möglichkeit
befinden sich die Speicherzeilen im Wesentlichen auf der gleichen
Ebene wie die Steuerzeilen.
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Man
kann eine Anzahl von Verbindungen parallel zu den Spalten gleich
der Anzahl von Spalten vorsehen, d.h. eine Brücke pro Pixel. Es ist auch möglich, eine
geringere Anzahl von parallelen Verbindungen als die Anzahl von
Spalten und somit eine geringere Anzahl von Brücken als die Anzahl von Pixeln
vorzusehen. Insbesondere kann man alle sechzehn Spalten eine Verbindung
parallel zu den Spalten vorsehen.
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Die
Zonen hoher Kapazität,
die durch die Stapelung von drei Schichten, nämlich "Speicherzeilenebene", "dünne Isolierung" und "obere Leiterebene" definiert werden,
definieren planare Kondensatoren, bei denen die dünne Isolierung
niemals alleine verwendet wird, um elektrisch eine Stufe oder einen Absatz
der "Speicherzeilenebene" von einer "oberen Leiterebene" zu trennen. Dadurch
kann die Fertigungsleistung verbessert werden.
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Vorzugsweise
enthält
das Pixel eine Schutzvorrichtung gegen zu hohe Spannungen, die in
den Transistor integriert ist, wenn mit negativer Spannung gearbeitet
wird, oder besitzt eine Diode und einen spezifischen Transistor,
wenn mit positiver Spannung gearbeitet wird.
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Die
Erfindung betrifft auch einen optischen Sensor, insbesondere für Röntgenstrahlen,
der mit einer wie oben definierten aktiven Matrix ausgestattet ist.
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Abgesehen
von den oben erläuterten
Maßnahmen
besteht die Erfindung aus einer gewissen Anzahl weiterer Maßnahmen,
die nachfolgend ausführlicher
anhand von Ausführungsbeispielen
aufgezeigt werden, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben werden, aber keineswegs einschränkend zu verstehen sind.
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1 dieser
Zeichnungen ist eine Ansicht eines Pixels einer erfindungsgemäßen aktiven
Matrix in der Ebene.
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2 ist
eine Ansicht eines Pixels und einer Verbindung parallel zu den Spalten
in der Ebene und in verkleinertem Maßstab.
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3 ist
ein Schnitt, der sich gemäß der Linie
III–III
in 2 entwickelt.
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4 ist
ein Schema eines Pixels, das von zwei aufeinanderfolgenden Steuerzeilen
und zwei aufeinanderfolgenden Spalten umgeben ist.
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5 ist
ein Schema einer Speicherzeile in der Ebene, die zwischen zwei Steuerzeilen
enthalten ist.
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6 ist
ein schematischer Schnitt gemäß der Linie
VI–VI
der 5 in anderem Maßstab.
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7 ist
ein elektrisches Schaltbild, das die Speicherzeilen darstellt.
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8 ist
ein senkrechter Schnitt durch eine Ausführungsvariante der 3.
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9 ist
schließlich
ein senkrechter Schnitt, der eine Stapelung darstellt, die die Herstellung
eines planaren Kondensators ermöglicht.
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Nun
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, insbesondere auf 3,
in der sieben parallele senkrechte Striche den sieben Richtungsänderungen der
Schnittlinie der 2 entsprechen.
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Ein
Aufbau einer aktiven TFT-Matrix enthält gemäß 3 von unten
nach oben ein Substrat 1, allgemein aus Glas, eine Gate-Isolierschicht 2 aus
Siliciumnitrid oder einem äquivalenten
Werkstoff, die auf diesem Substrat ausgebildet ist; eine Einheit
von Zeilen 3 zur Steuerung der TFT-Transistoren, indem sie
ihr Gate bilden, wobei diese Einheit 3 auf dem Substrat 1 unter
der Schicht 2 angeordnet ist. Wie in den 1 und 2 zu
sehen, sind die Zeilen 3 parallel und waagrecht. Die Zeilen 3 können von
einer Doppelschicht aus Titan und Molybdän gebildet werden.
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Eine
Leiterebene 4, die gemäß einem
bestimmten Muster oder Motiv hergestellt wird, bildet eine Elektrodenmatrix.
Jede Elektrode 5 von im Wesentlichen rechteckiger oder
quadratischer Form definiert eine Pixel genannte Zone. Jede Elektrode 5 steht
in einer den Boden einer Schale bildenden Zone 6 mit einer
leitenden Metallplatte 7, zum Beispiel aus Molybdän, in Kontakt,
von der ein Rand 8 über
und in Kontakt mit einer Schicht 9 aus amorphem Silicium
kommt, die einen TFT-Transistor bildet. Die Schicht 9 bedeckt
eine Zone der Schicht 2 oberhalb des von der Zeile 3 gebildeten
Gates. Die Platte 7 bildet den Drain des Transistors.
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Eine
Spalte 10, die aus einem leitenden Band besteht, liegt
ebenfalls gegen die Schicht 9 in Abstand zum Rand 8 an.
Die Zone 11 der Schicht 9, die sich oberhalb des
Gates 3 befindet und zwischen der Spalte 10 und
dem Rand 8 liegt, bildet den Kanal des Transistors. Die
Spalte 10 bildet die Source des Transistors. Die verschiedenen
Spalten 10 sind parallel zueinander, senkrecht gemäß der Darstellung der 2.
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Eine
Isolierschicht 12 ist zwischen den Pixelelektroden 5 und
den Spalten 10 vorgesehen. Die Schicht 12 weist
lokale Öffnungen
auf, so dass jede Pixelelektrode 5 mit der Platte 7 über ihren
mit 6 bezeichneten Bereich in Kontakt steht.
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Eine
fotoempfindliche Halbleiterschicht 13, die mit den Elektroden 5 in
Kontakt steht, ist vorgesehen, um die Röntgenstrahlen in elektrische
Ladungen umzuwandeln, die von den Elektroden 5 aufgefangen
werden. Die Schicht 13 wird vorzugsweise aus Selen hergestellt.
Diese Schicht 13 ist von einer oberen Elektrode 24 bedeckt,
die unter hoher Spannung steht.
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Wie
in 4 gezeigt, befindet sich der mittlere Umfang jeder
Pixelelektrode 5, im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch,
vollständig
innerhalb eines Umfangs, der von zwei aufeinanderfolgenden Spalten 10 und
zwei aufeinanderfolgenden Zeilen 3 gebildet wird.
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Schutzabstände g1 und
g2 sind zwischen den Rändern
der Elektrode 5 bzw. den benachbarten Rändern der Zeilen 3 und
der Spalten 10 vorgesehen. Diese Abstände g1, g2 sind vorzugsweise
gleich und entsprechen im Wesentlichen dem Doppelten der Fluchtungstoleranz
eines Wafersteppers, der durch Belichtung eines Harzes die verschiedenen Bilder
herstellt, die den Motiven der Zeilen, der Spalten und der Elektroden
entsprechen.
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Der
Mittelwert von g1 und g2 liegt vorteilhafterweise zwischen 4 und
8 μm, vorzugsweise
im Wesentlichen gleich 6 μm
für Pixel 5,
die gemäß einem Schritt
der Größenordnung
von 150 μm
verteilt sind (der Schritt entspricht dem Abstand zwischen den Mitten
der Pixel 5).
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Bei
einer solchen Konfiguration bedeckt die Elektrode 5 des
Pixels weder die Zeilen 3 noch die Spalten 10,
so dass die Störkapazitäten zwischen
der Pixelelektrode 5 und den Zeilen und Spalten deutlich reduziert
sind.
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Obwohl
die Oberfläche
der Pixelelektrode 5 verringert ist, sind die von dieser
Elektrode aufgefangenen elektrischen Ladungen praktisch genauso
gut, als wenn ihre optische Öffnung
wesentlich größer und
nahe 100 wäre,
aufgrund des seitlichen Felds, das von den Ladungsträgern erzeugt
wird, wie oben erläutert.
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Daraus
entsteht eine gute Qualität
des ausgehend von den elektrischen Ladungen erhaltenen Bilds, die
von den Pixeln aufgefangen werden.
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Um
ein Maximum an elektrischen Ladungen auf dem Pixel zu speichern,
um einen bestmöglichen Bildkontrast
zu erhalten, versucht man, auf dem Pixel 5 eine hohe Kapazität zu erzeugen.
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Hierzu
werden Speicherzeilen 14 (2, 3 et 5)
vorgesehen, die von einer leitenden Metallfläche, zum Beispiel aus Titan,
gebildet werden, die einen Massebus bildet. Eine Zeile 14,
wie sie in 5 gezeigt ist, besteht aus einer
Folge von rechteckigen Flächen 15,
die sich auf einer anderen Ebene, aber gegenüber einer Pixelelektrode befinden,
um die beiden Platten eines Kondensators zu bilden. Die Flächen 15 sind
durch schmalere Bänder 16 verbunden,
die auf halber Breite angeordnet sind.
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Wie
gut durch den Schnitt der 3 gezeigt, liegt
der Massebus oder die Speicherzeile 14 vorzugsweise nicht
in der gleichen Ebene wie die Steuerzeilen 3 und überlagert
diese Zeilen nicht, auch nicht zum Teil. Die Kurzschlussfehler,
die von Staub oder Verunreinigungen erzeugt werden könnten, sind beträchtlich
verringert im Vergleich mit dem Fall, in dem es einer übereinander
liegende Anordnung oder eine nebeneinander liegende Anordnung gäbe.
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Die
Abführung
der Ladungen über
die Speicherzeilen 14 (15, 16) wird von
den Transistoren 9, die in 5 schematisch
durch Kreise dargestellt sind, als Reaktion auf ein Signal gesteuert,
das auf einer geeigneten Steuerzeile 3 geliefert wird.
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Wenn
auch die Anordnung der Speicherzeilen 14 parallel zu den
Steuerzeilen 3 und in Abstand zu diesen den Vorteil hat,
die Gefahren von Kurzschlüssen
zu reduzieren, die wesentlich höher
wären,
wenn die Speicherzeilen lotrecht zu den Zeilen 3 wären und
sie mehrfach kreuzen würden,
so erzeugt sie aber das folgende Problem.
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Da
die Lesesteuerung der Pixel waagrechte Zeile für waagrechte Zeile erfolgt,
wenn ein Lesesignal an eine Zeile 3 gesendet wird, muss
die zugeordnete Gesamtheit der von den Pixeln der Zeile akkumulierten
Ladungen vom Massebus 14 abgeführt werden, der von den Flächen 15 und
den Bändern 16 gebildet
wird, die der entsprechenden Pixelzeile zugeordnet sind (siehe 5).
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Der
elektrische Widerstand des Massebusses 14 ist aber zu hoch,
um ein zufrieden stellendes Abfließen der akkumulierten Ladungen
zu erlauben.
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Um
diese Schwierigkeit zu überwinden,
sieht man Verbindungen 17 parallel zu den Spalten 10 und im Wesentlichen
in der gleichen Ebene vor; die Verbindungen 17, die in 7 schematisch
dargestellt sind, verbinden die aufeinanderfolgenden Speicherzeilen 14 elektrisch
miteinander. Wie in den 2 und 3 zu sehen,
wird ein elektrischer Kontakt zwischen einer Verbindung 17 und
einer Speicherzeile 14 über
einen Vorsprung 18 in Form eines umgedrehten Pyramidenstumpfs
hergestellt, der gegen eine leitende Platte 19 anliegt.
Diese Platte 19 ist selbst auf einen Vorsprung 20 in
Form eines umgedrehten Pyramidenstumpfs aufgebracht, der in einer Schicht 21 einer
dünnen
Isolierung ausgebildet ist, um mit einer Fläche 15 einer Speicherzeile 14 in
Kontakt zu kommen.
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Unter
diesen Bedingungen können
die Ladungen einer Pixelzeile 5 über mehrere parallele Speicherzeilen 14 abgeführt werden,
wie in 7 gut zu sehen ist, in der die zwischen den Zeilen 14 und den
Pixelelektroden 5 gebildeten Kondensatoren schematisch
dargestellt sind. Die Zeilen 14 sind mit einer Bezugsspannung
verbunden.
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Man
kann eine Verbindung oder Brücke 17 pro
Bildelement oder Pixel vorsehen, aber die Anzahl von Verbindungen 17 kann
unter der Anzahl von Bildelementen oder Pixeln liegen.
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Man
kann so eine Brücke 17 für N Spalten vorsehen.
Insbesondere sieht man alle sechzehn Spalten 10 eine Brücke 17 vor.
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Gemäß einer
ersten Möglichkeit,
die in 3 gezeigt ist, befinden sich die Speicherzeilen 14 auf dem
Substrat 1 unter der Ebene der Steuerzeilen 3. Eine
spezifische Elektrode 22, zum Beispiel aus dem gleichen
Metall wie die Zeilen 3, ist auf der gleichen Ebene wie
die Steuerzeilen 3 vorgesehen, von denen sie isoliert ist.
Die Elektrode 22 befindet sich unter dem größten Bereich
der Pixelelektrode 5 und ist von der Platte 19 und
den Brücken 17 isoliert.
Ein elektrischer Kontakt wird zwischen dem Boden 23 einer Schale,
die in der Platte 7 oder dem Drain vorgesehen ist, und
der Elektrode 22 hergestellt. Die Schicht dünner Isolierung 21 trennt
die Elektrode 22 von der Speicherzeile 14.
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Ein
Speicherkondensator wird so zwischen der spezifischen Elektrode 22,
die elektrisch mit der Pixelelektrode 5 verbunden ist,
und der gegenüberliegenden
Zone der Zeile 14 gebildet.
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Natürlich ist
es möglich,
den Speicherkondensator direkt zwischen der Pixelelektrode 5 oder dem
Drain 7 und der Zeile 14 herzustellen, ohne auf die
spezifische Elektrode 22 zurückzugreifen.
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Gemäß einer
zweiten Möglichkeit,
die in 8 gezeigt ist, liegen die Speicherzeilen 14a auf der
gleichen Ebene wie die Steuerzeilen 3 und sind parallel
zu ihnen. Der Speicherkondensator wird dann direkt zwischen der
Pixelelektrode 5 oder dem Drain 7 und der Zeile 14a gebildet.
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Die
Zonen hoher Kapazität
(9), die von der Stapelung von drei Schichten definiert
werden, nämlich
einer leitenden Schicht 14, die eine "über dem
Substrat befindliche Ebene" bildet,
einer Schicht 21 einer "dünnen Isolierung" und einer oberen
leitenden Ebene B, definieren planare Kondensatoren, d.h., dass
die dünne
Isolierung 21 nie alleine verwendet wird, um eine Stufe
oder einen Absatz wie M und eine obere leitende Ebene elektrisch
zu trennen. Dadurch können
die Fertigungsleistung verbessert und die Gefahren von durch Staub
oder Verunreinigungen erzeugten Kurzschlüssen vermieden werden.
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Das
Pixel 5 kann außerdem
eine Schutzvorrichtung gegen zu hohe Spannungen aufweisen. Diese
Schutzvorrichtung ist in den Transistor 9 integriert, wenn
man mit einer negativen Spannung arbeitet, die an die obere Elektrode 24 über der
Selenschicht angelegt wird.
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Wie
in den 1, 2, 4 und 7 zu sehen,
ist der TFT-Transistor 9 jedes
Pixels von der Elektrode eines Pixels bedeckt: Jede Elektrode 5 weist
in ihrer unteren linken Ecke gemäß den 1 und 2 oder
ihrer oberen linken Ecke gemäß den 4 und 7 eine
Art von rechteckiger Lasche 5a, 5b auf, die seitlich
und quer vorsteht und den Transistor bedeckt. Daraus folgt ein Schutz
des Transistors vor Überspannungen.
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Wenn
eine positive Spannung an diese Elektrode 24 angelegt wird,
kann die Schutzvorrichtung eine Diode oder einen spezifischen Transistor
aufweisen, der die an das Pixel angelegte Spannung auf einen bestimmten
Wert begrenzt.
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Ein
mit einer erfindungsgemäßen aktiven Matrix
versehener optischer Sensor ist besonders leistungsfähig aufgrund
der Optimierung des Elementarpixels 5 bezüglich seines
Musters und seiner Fertigung.