DE69411914T2

DE69411914T2 - Pixelanordnung, welche die bilderzeugenden pixelelemente integral mit den peripheren schaltkreiselementen hat

Info

Publication number: DE69411914T2
Application number: DE69411914T
Authority: DE
Inventors: Donald J. Allentown Nj 08501 Sauer
Original assignee: Sarnoff Corp
Current assignee: Digital Imaging Systems GmbH
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: US5336879A; EP0700582B1; ES2119208T3; JP3552233B2; DE69411914D1; JPH08510883A; WO1994028583A1; EP0700582A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Pixelfelder bzw. Pixelarrays und genauer gesagt bezieht sie sich auf Pixelarrays für Abbildungseinrichtungen oder Displays, die einzelne bzw. individuelle Pixelelemente haben, welche extra konfigurierbare Transistoren haben, die so angeschlossen werden können, daß sie den Schaltkreis bilden, der erforderlich ist, um periphere Funktionen, wie zum Beispiel Verstärker und Schalter, zu realisieren.

Hintergrund der Erfindung

Die derzeitigen Abbildungseinrichtungen, wie zum Beispiel automatisierte Computer Tomographie Scanner (CAT) verwenden üblicherweise Abbildungsarrays, um Röntgenstrahlen zu erfassen. Ein typisches Abbildungsarray besteht im allgemeinen aus einer Matrix auf Bildelement-(Pixel)Sensoren, die Photodetektoren verwenden, um das von einem Szintillationsmaterial ausgesandte Licht zu detektieren, welches durch einen Röntgenstrahl angeregt wurde, sowie einer Ladungsspeichereinrichtung (zum Beispiel einen Kondensator), um eine Ladungsmenge zu erhalten bzw. zu speichern, die von der Intensität des erfaßten Lichtes abhängt.
Zusätzlich zu den Pixelelementen in den Abbildungsfeldern wird typischerweise auch eine andere periphere Beschaltung verwendet, um auf die von den individuellen Kondensatoren gespeicherte Ladung zuzugreifen und diese zu lesen. Diese andere Beschaltung beinhaltet typischerweise vertikale und horizontale Abtastschaltkreise, Verstärker und Schalter. Ein Hauptproblem mit dieser peripheren Beschaltung liegt darin, daß sie kostbaren Raum bzw. Platz auf den Abbildungsarrays beansprucht, der ansonsten für die Lichterfassungsschaltkreise verwendet werden könnte. Je weniger Lichterfassungsschaltkreise man hat, desto weniger genau und exakt ist das Ablesen der Detektion. Der Platz auf dem Array, der kein Licht erfaßt, wird als Totraum bezeichnet.
Beispiele von Abbildungseinrichtungen mit Totraum für die Verwirklichung von Abtastschaltkreisen schließen das US-Patent Nr. 5,184,018 (Conrads et al.) und das US-Patent Nr. 5,115,293 (Murayama et al.) ein. Conrads offenbart ein licht- oder röntgenstrahlempfindliches Sensorarray, bei welchem jeder Sensor einen Photodetektor parallel zu einem Speicherkondensator hat, der mit einem Schalt-FET in Reihe geschaltet ist. Conrads offenbart auch Verstärker, einen Analogmultiplexer und einen digitalen Encoder, die allesamt von den Sensorelementen getrennt und in dem Randbereich des Arrays realisiert sind. Murayama offenbart eine Abbildungseinrichtung mit einem Photodetektor, der in Reihe geschaltet ist mit zwei schaltenden MOS-Transistoren. Murayama offenbart auch einen vertikalen Abtastschaltkreis und einen horizontalen Abtastschaltkreis, die von Pixelelementen getrennt und in dem Randbereich des Arrays realisiert sind.
Die europäische Patentanmeldung 0.046.396 offenbart ein Pixelarray mit einer Mehrzahl von Auswahlleitungen, einer Mehrzahl von Signalleitungen, einer Photowandlereinrichtung, einer Schalteinrichtung, die zwischen einer aus der Vielzahl von Signalleitungen geschaltet ist. Die Schalteinrichtung spricht auf Signale auf einer der Mehrzahl von Auswahlleitungen an. Jede Pixelzelle weist auch einen Drei-Transistor-Schaltkreis auf, der verwendet wird, um das von der Pixelzelle erzeugte Signal zu verstärken und die Pixelzelle in einem vorbestimmten Zyklus zurückzusetzen.
Die europäische Patentanmeldung 0.253.391 offenbart eine Mehrzahl von Photozellen, die zweidimensional angeordnet sind. Jede Photozelle ist mit einer ersten und einer zweiten Ausgangsleitung für ein Summensignal verbunden. Jede Pixelzelle weist einen Verstärker mit variabler Verstärkung und einem einzelnen Transistor auf.
Die internationale Patentanmeldung WO 93/04384 offenbart einen Szintillator für das Umwandeln von auftreffenden Röntgenstrahlen in sichtbares Licht, ein Sensorarray, das zwei gegenüberliegende Flächen hat, eine Mehrzahl von Detektoren und eine Mehrzahl von Verarbeitungsschaltkreisen. Der Szintillator weist einen Schwingkreis aus konzentrierten Schaltelementen mit einer Verstärkungsstufe auf, in unmittelbarer Nähe zu den Sensoren.
In Anbetracht der Nachteile (zum Beispiel größere Abmessungen des Sensors), die durch Totraumschaltkreise bewirkt werden, wäre es vorteilhaft, ein Abbilderfeld zu haben, welches beispielsweise Verstärker und Abtastschaltkreise bereitstellt, jedoch den Betrag bzw. die Menge an Totraum auf dem Array minimiert, um die Genauigkeit und Exaktheit der Ablesungen der Lichterfassung maximal zu machen.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein Pixelarray, das ein Array von Bildpixelelementen, eine Mehrzahl von Auswahlleitungen und eine Mehrzahl von Signalleitungen beinhaltet. Jedes Pixelelement weist eine Photowandlereinrichtung auf, die entweder Licht erfaßt, Licht moduliert oder Licht aussendet. Jedes Pixelelement beinhaltet weiterhin eine Schalteinrichtung, die zwischen die Photowandlereinrichtung und eine vorbestimmte Signalleitung geschaltet ist. Die Schalteinrichtung reagiert auf Signale auf einer ausgewählten Auswahlleitung, um Signale zwischen der Photowandlereinrichtung und der vorbestimmten Signalleitung zu übermitteln. Schließlich beinhaltet das Pixelelement zumindest einen konfigurierbaren Transistor, wobei der konfigurierbare Transistor unabhängig von der Schalteinrichtung ist. Innerhalb des Pixelarrays haben die individuellen, konfigurierbaren Transistoren der verschiedenen Pixelelemente mehrere Anschlüsse, die durch Verbindungseinrichtungen zusammengeschaltet sind, um beliebige Multitransistorschaltkreise zu realisieren, die über das Pixelarray verteilt sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird am besten verstanden aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, von denen:
Fig. 1 eine schematische Wiedergabe eines einzelnen Pixelelementes zeigt, das zumindest einen extra Transistor hat,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Pixelelementes nach Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Ansicht von oben auf das Pixelelement nach Fig. 1 ist,
Fig. 4 eine schematische Wiedergabe mehrerer Pixelelemente zeigt, die für unterschiedliche Funktionen ausgestaltet sind,
Fig. 5 einen Entwurf eines Pixelelementes nach Fig. 4 zeigt, welches für die Verwirklichung einer Rückstellfunktion geeignet ist,
Fig. 6 einen Entwurf für ein Pixelelement nach Fig. 4 zeigt, welches für die Verwirklichung einer Verstärkerfunktion geeignet ist,
Fig. 7 einen Entwurf für ein Pixelelement nach Fig. 4 zeigt, welches für die Verwirklichung einer Analogschalterfunktion geeignet ist,
Fig. 8 einen Entwurf für ein Pixelelement nach Fig. 4 zeigt, welches für die Verwirklichung einer Inverterfunktion geeignet ist,
Fig. 9 eine schematische Wiedergabe eines grundlegenden Schieberegisterelementes ist, welches eine Mehrzahl von extra Transistoren von Pixelelementen aufweist, wie zum Beispiel den in Fig. 1 dargestellten,
Fig. 10 eine schematische Wiedergabe eines teilweisen Verbindungsentwurfes verschiedener Schieberegisterelemente, wie zum Beispiel der in Fig. 9 dargestellten, zeigt,
Fig. 11 einen als Matrix 20 aus Abbildearrays gebildeten Bildsensor zeigt, die jeweils aus Pixelzellen, wie zum Beispiel den in Fig. 1 dargestellten, gebildet sind,
Fig. 12 eine Seitenansicht des in Fig. 11 dargestellten Bildsensors ist, der für die Beschreibung eines Packungsschemas für den Bildsensor zweckmäßig ist, und
Fig. 13 eine Detailansicht des in Fig. 12 dargestellten Bildsensors ist, welche für die Beschreibung des Packungsschemas für den Bildsensor zweckmäßig ist.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar für das Aufbauen sowohl großer Abbildungs- bzw. Bilderfassungseinrichtungen als auch oder großer Bildanzeigefelder durch Verbinden vieler individueller, an vier Seiten aneinanderfügbarer Pixelarrays.
Fig. 1 zeigt eine schematische Wiedergabe eines Pixelelementes 10, welches für die Verwendung in einem Pixelarray geeignet ist. Die Photowandlereinrichtung in dem Element 10 ist ein Photodetektor 12. Der Photodetektor 12, wie zum Beispiel eine Photodiode, wird realisiert unter Verwendung eines N-Wells (N-Brunnens) in einem P-Substrat Photodetektor, um photoerzeugte Ladung zu integrieren bzw. aufzusummieren. Der Photodetektor 12 ist parallel zu einem Kondensator 14 geschaltet, um die maximale Ladungshandhabungskapazität des Elementes 10 zu vergrößern. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Kondensator 14 ein Zinnoxid(Tox)-Kondensator.
Zwischen den Photodetektor 12 und eine Signalleitung (HSIG) sind zwei Transistoren 16 und 18 in Reihe geschaltet. Die Transistoren 16 und 18 sprechen auf die Zeilenauswahlleitung (ROW SEL) bzw. die Spaltenauswahlleitung (COL SEL) an, so daß dann, wenn beide aktiviert sind, die Ladung des Elementes 10 in die HSIG ausgelesen wird. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Transistoren 16 und 18 NMOS-Transistoren.
Zusätzlich zu den Transistoren 16 und 18 und unabhängig von diesen können einer oder mehrere "konfigurierbare" Transistoren 20a (mit einem optionalen Transistor 20b) in dem Element 10 eingeschlossen sein. Der bzw. die extra Transistor(en) ist bzw. sind zusammen mit ähnlichen extra Transistoren innerhalb jedes der verbleibenden Pixelelement in dem Pixelarray entweder mit Polysilizium und/oder Metallisierungsverbindungen je nach Erfordernis ausgestaltet, um den Schaltkreis zu bilden, der benötigt wird, um wünschenswerte Funktionen zu verwirklichen. Dies Funktionen können beispielsweise Zu- bzw. Aufhaltungen der Signalleitungsquelle, Analogschalter und Zeilen- und Spaltenabtastregister sein. Diese Transistoren können vom NMOS- oder PMOS-Typ oder eine Mischung dieser beiden Typen sein.
Für diejenigen Funktionen (wie zum Beispiel Source-Nachlaufverstärker mit niedrigem Rauschpegel), die wünschenswerterweise unter Verwendung relativ breiter Transistoren verwirklicht werden, kann eine Anzahl der extra Transistoren von mehreren Pixelelementen parallel verbunden werden, um eine zusammengesetzte Einrichtung zu bilden, welche die gewünschte Größe der Einrichtung hat.
Da die peripheren Funktionen über viele Pixelelemente auf einem Pixelarray verteilt sind, wird die Fläche an den Rändern des Pixelarrays nicht benötigt, um die oben erwähnten peripheren Funktionen zu bilden (zum Beispiel Abtastregister und Leseverstärker). Bei früheren Modellen von Abbildungseinrichtungen sind diese Elemente typischerweise entlang der Ränder des Arrays der Abbildungseinrichtung angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß das Pixelarray an den Rändern bzw. Kanten einen sehr kleinen Totraum hat (d.h. den Raum bzw. Platz, der nicht auf Lichtphotonen empfindlich ist). Dementsprechend können mehrere Arrays von Abbildungseinrichtungen entlang ihrer Ränder bzw. Kanten miteinander verbunden werden, um größere Arrays zu bilden. Jegliche Verzerrung, die durch die schmalen Spalte an den verbundenen Rändern bewirkt werden, können unter Verwendung von Bildverarbeitungstechniken korrigiert werden. Das Ergebnis ist ein nahtloses Array einer Gesamtabbildungseinrichtung unter Verwendung von mehreren Bauteilen aus an vier Seiten miteinander verknüpfbaren Pixelarrays. Da jedes Bauteilarray getrennt hergestellt wird, ist die Ausbeute bei der Herstellung einer Matrix von Bauteilarrays typischerweise viel größer als für ein entsprechendes monolithisches Array. Ähnliche Techniken können verwendet werden, um Bildanzeigeeinrichtungen zu bilden.
In einer typischen Anzeigeeinrichtung würde der Photodetektor beispielsweise durch eine Flüssigkristalleinrichtung (LCD) oder eine Licht emittierende Einrichtung, wie zum Beispiel eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine andere elektrolumineszierende Einrichtung ersetzt werden. Wenn die Photowandler LCDs sind, so sind die aktiven Komponenten dieser Arrays typischerweise Dünnfilmtransistoren (TFTs). In diesem Fall kann es wünschenswert sein, die extra Transistoren als TFTs zu verwirklichen. In irgendeiner Bildanzeigeeinrichtung kann es wünschenswert sein, diese Transistoren so zu verbinden, daß sie unter Verwendung eines durchsichtigen Leiters, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid, die gewünschten peripheren Schaltkreise bilden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Entwürfe für die Hauptkomponenten eines Pixelelementes ebenso wie den bzw. die extra Transistor(en). Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Entwurfs eines Hauptpixelelementes mit dem extra Transistor. In Fig. 2 schließt der Photodetektor 12 in einem P-Substrat 42 einen N-Well 40 ein. Ein Tox-Kondensator 14 mit einem Picofarad (pF) ist parallel zu den Schichten des Photodetektors 12 geschaltet. Außerdem sind die Reihentransistoren 16 und 18 mit dem N-Well 40 des Photodetektors 12 verbunden.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht von oben auf einen Entwurf des Pixelelementes in Fig. 1. Fig. 3 zeigt den Umriß des Photodetektors 12, der seinerseits mit den Reihentransistoren 16 und 18 verbunden ist. Zwei extra Transistoren 20a und 20b sind ebenfalls in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Wiedergabe von drei Paaren von Pixelelementen, deren jeweiliger extra Transistor für drei verschiedene Funktionen ausgestaltet ist. Der Klarheit halber wird im folgenden nur ein Pixelelement von jedem Paar beschrieben. Das Pixelelement 210 ist so ausgestaltet, daß es eine Rückstellfunktion verwirklicht. Das Pixelelement 230 ist so ausgestaltet, daß eine Verstärkerfunktion verwirklicht. Schließlich ist das Pixelelement 250 so ausgestaltet, daß es eine Analogschalterfunktion verwirklicht.
Wie dargestellt, beinhaltet das Element 210 den Photodetektor 12 mit dem parallelen Kondensator 214. Die Transistoren 216 und 218 sind zwischen dem Photodetektor 212 und der horizontalen Signalleitung (HSIG) in Reihe geschaltet. Die jeweiligen Gates der Transistoren 216 und 218 sind mit der ROW SEL-Leitung und der COL SEL-Leitung verbunden, so daß .rann, wenn beide Auswahlleitungen aktiv sind, die Ladung des Elementes 210 (die von dem Kondensator 214 gehalten wird) auf der bzw. über die HSIG ausgelesen wird.
Im allgemeinen ist die Ausgestaltung des Photodetektors, des Kondensators und der beiden Schalttransistoren für jedes Pixelelement dieselbe. Jedoch ist es die Ausgestaltung des extra Transistors 220, 240 oder 260, welche sich verändert und dadurch ermöglicht, daß eine periphere Schaltung innerhalb der Pixelarrays verwirklicht wird.
In dem Element 210 ist für die Realisierung der Rückstellfunktion der extra Transistor 220 zwischen eine Signalleitung, welche eine Quelle eines Bezugspotentials (zum Beispiel VDD) leitet, und die HSIG geschaltet, so daß dann, wenn die RESET/VSIG-Leitung aktiviert und das Element 210 ausgewählt wird, das Element 210 zurückgesetzt wird. Dieses Zurücksetzen bzw. Zurückstellen des Elementes 210 wird begleitet durch das Laden des Kondensators 214 auf VDD bezüglich des Massepotentials. Während des Abbildungsvorganges vermindert der Photodetektor 12, wenn er beleuchtet wird, das Ladungsniveau auf dem Kondensator 214 und vermindert das Potential bezüglich Masse.
Ein Entwurf eines Elementes 210, welches für die Verwendung mit der Rückstellfunktion geeignet ist, ist in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 5 schließt der Umriß des Photodetektors 212 einen laschenartigen Fortsatz ein, der mit dem Transistor 216 verbunden ist. Der Transistor 216 ist seinerseits in Reihe mit dem Transistor 218 geschaltet. Wie dargestellt sind die ROW SEL und die COL SEL-Leitungen für die Steuerung des Zugriffes auf den Zustand des Photodetektors 212 und des Kondensators 214 (d.h. die Menge an elektrischer Ladung auf dem Kondensator 214) mit den Gates der Transistoren 216 und 218 verbunden. Der extra Transistor 220 ist zwischen die VDD und die HSIG-Signal-Leitungen geschaltet, wobei sein Gate mit RESET/VSIG verbunden ist, so daß dann, wenn ein positiver Impuls auf der RESET/VSIG-Leitung auftritt und die Transistoren 216 und 218 durch die COL SEL und ROW SEL-Signale leitfähig gemacht werden, das Element 210 zurückgestellt wird.
Wieder gemäß Fig. 4 ist der extra Transistor 240 des Pixelelementes 230 so ausgestaltet, daß er die Verstärkerfunktion verwirklicht. Der Transistor 240 ist zwischen die VDD- und BUF SIG-Signalleitungen geschaltet und seine Gateelektrode ist mit der Signalleitung HSIG verbunden. Wenn also HSIG aktiv ist, so moduliert sie die Leitfähigkeit des Transistors 240, der effektiv eine gepufferte (d.h. verstärkte) Version des Signals auf der HSIG-Leitung auf die BUF SIG-Leitung bringt.
In Fig. 6 ist ein Entwurf eines Elementes 230 für die Verwirklichung der Verstärkerfunktion dargestellt, welcher im wesentlichen derselbe ist wie derjenige für das Element 210. Der einzige signifikante Unterschied liegt darin, wie der extra Transistor 240 angeschlossen ist. In Fig. 6 sind die Drain- und Sourceelektroden des Transistors 240 mit den Signalleitungen VDD bzw. BUF SIG verbunden, während seine Gateelektrode mit der Signalleitung HSIG verbunden ist. In dieser Ausgestaltung moduliert das Signal auf HSIG die Leitfähigkeit des Transistors 240, was im Ergebnis bewirkt, daß er als ein Verstärker arbeitet. In diesem Fall wird eine verstärkte Version des Signals auf HSIG (d.h. ein Signal, welches dieselben Charakteristiken wie HSIG hat) auf die BUF SIG-Leitung gegeben.
Wiederum gemäß Fig. 4 ist in dem Element 250 ein Transistor 260 zwischen die Signalleitungen RESET/VSIG und BUF SIG geschaltet, um die analoge Schalterfunktion zu verwirklichen. In dieser Ausgestaltung wird, wenn die ROW SEL-Signalleitung aktiviert ist, das Signal auf der BUF SIG-Signalleitung über ein Gatter auf die RESET/VSIG-Signalleitung geführt.
In Fig. 7 ist der Entwurf eines Elementes 250, welches für die Verwendung mit der Analogschalterfunktion geeignet ist, im wesentlichen derselbe wie derjenige für die Pixelelemente 210 und 230. Erneut besteht der einzige signifikante Unterschied darin, wie der extra Transistor 260 angeschlossen ist. In Fig. 7 sind die Source- und Drainelektroden des Transistors 260 zwischen die BUF SIG- und die RESET/VSIG-Signalleitungen geschaltet und die Gateelektrode ist mit der ROW SEL-Signalleitung verbunden. In dieser Ausgestaltung schaltet das Signal auf der ROW SEL-Signalleitung den Transistor 260 ein, welcher effektiv als ein Schalter wirkt, indem er das Signal auf der BUF-SIG-Leitung auf die RESET/VSIG- Leitung führt, von welcher es darin gelesen werden kann.
Zusätzlich zu den obigen Ausgestaltungen der extra Transistoren ist es außerdem wünschenswert in der Lage zu sein, eine Invertereinrichtung zu verwirklichen, die beispielsweise zur Verfügung steht, um die Verwirklichung von Abtastschaltkreisen zu vereinfachen. In Fig. 8 beinhaltet ein Pixelelement 610 extra Transistoren 622 und 624, die so verbunden sind, daß sie einen CMOS-Inverter-Schaltkreis verwirklichen. In diesem Schaltkreis erzeugt ein Eingangssignal, welches auf die IN-Leitung gelegt wird, eine invertierte Version des Signales auf der OUT-Leitung.
In Fig. 9 hat ein Hauptschieberegisterelement 710, welches verwirklicht wird, um ein Ausleseschema zu verwirklichen, ein positives Signal (d.h. logisch "high") an dem Eingangsanschluß A (1), welches unter Ansprechen auf einen Impuls des Taktsignales PH1 durch den Transistor 712 weitergeleitet wird. Eine durch Torsteuerung des Potentials bewirkte elektrische Ladung wird auf der Kapazität der Gateelektroden der Transistoren gespeichert, die den Inverterschaltkreis 714 bildet. Die Quelle dieser Kapazität wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 10 beschrieben.
Das positive Potential (logisch "high") am Eingangsanschluß des Inverters bewirkt, daß der Inverter seinen Ausgangsanschluß torgesteuert auf eine Quelle eines Bezugspotentials (zum Beispiel Masse) legt. Als nächstes wird unter Ansprechen auf einen Impuls eines Taktsignales PH2 jegliche an den Eingangsanschlüssen der Inverter 718, 720 und 722 gespeicherte Ladung auf Masse abgeleitet (d.h. logisch "low"), was bewirkt, daß die Ausgangsanschlüsse der Inverter logisch "high" werden.
Am Ende des auf A (1) aufgebrachten Impulses bringt, wenn das Eingangssignal logisch "low" wird, ein Impuls des Taktsignales PH1 den Eingangsanschluß des Inverters 714 auf logisch "low", was bewirkt, daß er ein logisch "high"-Signal auf die Eingangsanschlüsse der Inverter 718, 720 und 722 legt, und zwar unter Ansprechen auf einen Impuls des Taktsignales PH2. Dieses logisch hochliegende Eingangssignal wird an den Ausgangsanschlüssen der Inverter 718, 720 und 722 ein logisch tiefliegendes Signal. Das Ausgangssignal des Inverters 722 läuft durch den Schaltkreis weiter, der die Transistoren 724 und 728 und die lnverterschaltkreise 726, 730, 732 und 734 aufweist, und zwar in derselben Weise wie oben unter Bezug auf die entsprechenden Transistoren 712 und 716 sowie die lnverterschaltkreise 714, 718, 720 und 722 beschrieben wurde.
Ein Abtastregister für eine oder beide der Reihen und Spalten des Pixelarrays wird verwirklicht durch Verbinden einer Mehrzahl von Schaltkreisen 710 in Reihe mit dem A (2)-Ausgang eines Schaltkreises, der mit dem A (1)-Eingang des nächsten Schaltkreises verbunden ist. Die Treiberleitungen für die jeweiligen Reihen oder Spalten sind die Ausgangsleitungen OUT1 und OUT2.
In dem Schaltkreis 710 sind die Inverter 718 und 719 parallel geschaltet, um einen ausreichenden Strom bereitzustellen, um eine Zeilen- oder Spalten-Leitung der Anzeigeeinrichtung zu treiben. Die beispielhaften Taktsignale PH1 und PH2 sind zwei einander wechselseitig ausschließende Phasen eines einzelnen Mehrphasentaktsignales. Die Frequenz dieses Signales ist wünschenswerterweise viel größer als die Abtastfrequenz des Pixelarrays.
In Fig. 10 beinhaltet ein teilweiser Entwurf mehrerer miteinander verbundener Schieberegisterelemente nur einen Teil eines Zeilen-Abtastschieberegisters und einen entsprechenden Teil eines Spalten-Abtastschieberegisters, die dargestellt sind. Die Schaltkreiselemente 712 bis 734 verwirklichen denselben Schaltkreis wie die entsprechenden Elemente in Fig. 9. In Fig. 10 ist jedes Schaltkreiselement in einer entsprechenden, unterschiedlichen Abbildungszelle der Matrix 810 verwirklicht, wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet wird. Beispielsweise ist der Transistor 712 in der Abbildungszelle 812 implementiert, während der Inverter 714 in der Zelle 814 implementiert ist.
Es versteht sich, daß die Eingangssignalleitungen zu den Invertern, beispielsweise zum Inverter 714, relativ lang sind. Die Kapazität dieser Leitungen vergrößert die Eingangskapazität zu den Invertern, was es ermöglicht, elektrische Ladung an den Eingangsanschlüssen der jeweiligen Inverter während der Zeit zwischen den Taktphasen PH1 und PH2 zu speichern.
Die Erfindung betrifft eine Abbildungseinrichtung, welche eine Mehrzahl von Pixelarrays mit Einrichtungen für das Verbinden mehrerer der Pixelarrays aufweist, um die Abbildungseinrichtung zu bilden. Die Arrays weisen eine Mehrzahl von konfigurierbaren Pixelelementen auf, um den Platz in dem Array, der nicht durch Pixelelemente besetzt wird, minimal zu machen, wobei jedes aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Pixelelementen Photowandlereinrichtungen aufweist und wobei Schalteinrichtungen zwischen die Photowandlereinrichtungen und einer der Mehrzahl von Signalleitungen angeschlossen sind, wobei die Schalteinrichtung auf Signale auf eine aus der Mehrzahl von Auswahlleitungen anspricht, um Signale zwischen dem Photowandler und der einen Signalleitung zu transportieren, mit mindestens einem konfigurierbaren Transistor, wobei der konfigurierbare Transistor von der Schalteinrichtung unabhängig ist, und mit Einrichtungen für das Verbinden einer Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren auf einer entsprechenden Mehrzahl von Pixelelementen, um die periphere Schaltung innerhalb des Arrays von Pixelelementen zu bilden. Die konfigurierbaren Pixelelemente weisen Photodetektoreinrichtungen für die Erfassung von Licht auf, sowie für das Halten einer Ladung, die der Erfassung zugeordnet ist, Auswahleinrichtungen für den Transport eines Signales, welches sich auf eine gehaltene Ladung bezieht, und zwar von einem Pixelelement zu Schaltkreisen, die außerhalb des Abbildungsarrays liegen, Einrichtungen, die mit der Photodetektoreinrichtung verbunden sind und auf die Auswahleinrichtungen ansprechen, um einen Zugriff auf eine gehaltene Ladung zu ermöglichen, zumindest einen konfigurierbaren Transistor, der von der Auswahleinrichtung unabhängig ist und Einrichtungen für das Verbinden des konfigurierbaren Transistors mit einer Mehrzahl von anderen konfigurierbaren Transistoren aus anderen der konfigurierbaren Pixelelemente, um innerhalb des Abbildungsarrays eine periphere Schaltung zu bilden.
Die Fig. 11, 12 und 13 zeigen Packungs- bzw. Anordnungs- oder Schichtschemata für ein Abbildungsarray, welches mehrere an vier Seiten verbindbare Pixelarrays einschließt. In Fig. 11 sind 20 (4 · 5) Pixelarrays 920 auf einer Glasplatte 922 montiert dargestellt. Die Pixelarrays sind mit X- und Y-Bahnen 926 und 928 verbunden, die auf der Glasplatte 920 ausgelegt sind und die hermetisch abgedichtet sind. Fig. 13 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 12, wobei vor allem die X- und Y-Bahnen 926 und 928 hervorgehoben sind, die Lötpunkte für die Verbindung mit den Pixelarraymodulen aufweisen. Außerdem ist das isolierende Dielektrikum 924 dargestellt, welches die horizontal ausgerichteten X-Bahnen 926 von den vertikal ausgerichteten Y-Bahnen 928 trennt.
In Fig. 13 bestehen die Pixelarrays aus Siliziumwafern 924, die mit Epoxid auf einem Glassubstrat 925 aufgebracht sind (vorzugsweise auf phosphorbeschichteten Glassubstraten). Vor dem Befestigen des die Pixelelemente enthaltenden Siliziumwafers auf dem Glassubstrat wird jedoch das Siliziumwafer von der Rückseite her auf etwa 15 um in der Nähe der P&spplus; zu P&supmin;-Grenze ausgedünnt. Es versteht sich, daß ein Implantieren von der Rückseite nicht notwendig sein sollte, um die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit auf der Rückseite zu steuern. Die Wellenlänge von 550 nm sollte eine angemessene Quanteneffizienz liefern.
Die ausgedünnten Siliziumwafer 924 werden dann mit Epoxid auf dem Glassubstrat 925 befestigt. Nachdem das Glassubstrat in Kacheln geschnitten worden ist, werden diese Kacheln gekippt und mit Indium an einem Träger eines gedruckten Schaftkreises angebondet. Die Rückseite des ursprünglichen Siliziumwafers 924, die mit der Glasplatte 925 verbunden bzw. verklebt ist, bildet nun die obere Seite des gedruckten Schaltkreisträgers und wirkt als die Abbildungseite der Einrichtung. Dies ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
In der vorliegenden Erfindung wird jedes Pixelarray (oder jede Kachel) unter Verwendung eines Zweiniveaumetallverfahrens mit einfachem CMOS-Polysiliziumgate verwirklicht. Ein Fachmann in der Herstellung von Halbleiterabbildungsarrays erkennt, daß dies ein standardmäßiges Gießverfahren ist. Es wird eine epitaktische Schicht vom P&supmin;-Typ mit einer Dicke von näherungsweise 15 um auf einem P&spplus;-Typ Substrat verwendet. Eine Kachel kann je nach Ausbeute näherungsweise 250 · 250 Pixel enthalten, wobei jedes Pixelelement näherungsweise 85 um · 85 um mißt.
Zusätzlich ist jede Kachel an vier Seiten anschließbar bzw. verknüpfbar, mit einem Spalt oder einer Lücke von weniger als 20 u entlang des Verknüpfungsrandes. Wie bereits erwähnt, erstrecken sich die Pixelelemente bis zum Rand bzw. Kante der Kachel, wobei die Abtastregister, die Signalverstärker und Multiplexer unter Verwendung der extra konfigurierbaren Einrichtungen aufgebaut sind. Der Rand jeder Kachel wird unter Verwendung eines P&spplus;- und Metallkontaktes mit dem P&spplus;-Substrat abgedichtet, um jegliche nicht passivierte Übergänge entlang des Randes bzw. der Kante der Kachel zu vermeiden. Einige Auslegungskriterien der Einrichtung für ein Pixelarray sind die folgenden:

Kapazitätskomponenten der Signalleitung

1. N&spplus; bis P&supmin; Substrat (Vpn = -3V)
Ca = 0,31 fF/um² @ 0V
Ca = 0,16 fF/um² @ -3V Fläche = 16 um² Ca = 2,6 fF
Cp = 0,2 fF/um² @ 0V
Cp = 0,17 FF/um² @ -3V Umfang = 12 um Cp = 2,0 fF
mj = 0,5 msj = 0,1
2. Cgd Überlappung für Q2 Drain
(Col Select NMOS Device)
Cp = 0,25 fT/um Umfang = 4,0 um Cp = 1,0 fF
3. Poly zu Feld
Wpoly = 2 um
Ca = 0,06 Ft/um² Fläche = 40 um² Ca = 2,4 fF
Cp = 0,05 fF/um Umfang = 40 um Cp = 2,0 Ff
4. Metall 1 zu Feld
Wml = 3,0 um
Ca = 0,04 fF/um² Fläche = 260 um² Ca = 10,4 fF
Cp = 0,048 fF/um Umfang = 170 um Cp = 8,2 fF
5. Metall 1 zu Metall 2
Wm2 = 3,0 um
Ca = 0,033 fT/um² Fläche = 9,0 um² Ca = 0,3 fF
Cp = 0,048 fF/um Umfang = 12,0 um Cp = 0,6 Ff
Gesamtkapazität der Signalleitung/Pixel C/Pixel = 29,5 fF
Gesamt-C1 für eine Leitung mit 50 Pixeln CI = 1,5 pF
6. Eingangskapazität des Sourcefollowergates der Signalleitung.
Cg = 1,0 fF/um² (Cox = 350 A)
Cgd Überlappung = 0,25 fF/um
W = 200 um L = 1,0 um Av = 0,85
Cin = 200 um · 2,0 um x [(1-Av) · 0,65 + 0,33] · 1,0 fF/um²
+ 200 um · 0,25 fF/um = 0,22 pF
Gesamtkapazität der Signalleitung Ctot = CI ü Cin
Ctot = 1,5 p F + 0,22 pF = 1,72 pF
Komponenten des Dynamikbereichs
Pixelspannungsausschlag für 40 Me-Signal, Photodetektor Cpx = 1,5 pF
dVpx = Qpx/Cpx = 3,4 V
Spannung der Ausgangssignalleitung
dVsig = Qpx/(Cpx + Ctot) = 2,0V
Pixel kTC-Rauschgrenze
Vnpx = 400/1,5 = 490 e-rms @ 25 C
Rauschabschätzung des Sourcefollowers (W = 200 um, L = 2 um, Ids = 2 mA,
BW = 5 MHz)
Vnt = 3 nV/Hz (äquivalenter Eingangsrauschpegel des Transistors)
Vn = 6,7 uV
Qn = 2,16 E-17C = 135 e-
Gesamter RMS-Ausleserauschpegel
qQntot = 508 e-
Linearer Dynamikbereich (Spitzensignal zu RMS-Rauschen)
S/N = 40 Me-/508e- = 78,740 (98 dB)
Die Erfindung ist anwendbar auf eine Abbildungseinrichtung, die ein Abbildungsarray gemäß der Erfindung mit einer zugehörigen Einrichtung für das Erzeugen von Licht aufweist, wenn sie durch elektromagnetische Strahlung erregt wird, die eine andere Wellenlänge hat, wie zum Beispiel durch Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen, wie zum Beispiel ein Szintillationsmaterial. Das Szintillationsmaterial bedeckt vorzugsweise eine Oberfläche des Abbildungsarrays in unmittelbarer Nähe zu den Photodetektoren der Pixelarrays. Das Szintillationsmaterial kann ein gleichförmiger Korpus aus einem Material sein oder es kann entsprechend der Größe der Pixelarrays, welche das Abbildungsarray bilden, oder mit kleineren Maßen aufgeteilt sein, um die Streuung der Szintillationsstrahlung zu reduzieren und die Auflösung der Abbildungseinrichtung zu verbessern. Ein geeignetes Szintillationsmaterial für die Erfassung von Röntgenstrahlen ist Gadoliniumoxysulfid, Europium, Gadoliniumoxid, Europium und Lanthanoxidbromid, Terbium. Die Ausgangswellenlänge des Szintillationsmaterials wird vorzugsweise auf die Detektorempfindlichkeit angepaßt.
Es versteht sich, daß, auch wenn die vorliegende Erfindung in der Anwendung eines Abbildungspixelarrays (Bildaufnahmepixelarrays) beschrieben worden ist, sie auch verwendet werden kann in der Anwendung eines Anzeigepixelarrays. Anzeigearrays unterliegen denselben Problemen wie Abbildungsarrays insoweit, als Schaltungen benötigt werden, um auf die Pixelelemente zuzugreifen, welche, anstatt Licht zu erfassen, Licht modulieren oder aussenden, um ein insgesamt großes Anzeigebild zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung ist also auch in Verbindung mit jedem Typ von Photowandlerelement zweckmäßig, welches entweder Licht erfaßt oder Licht aussendet und welches in einer Arrayeinrichtung angewendet wird.
Auch wenn die Erfindung hier in der Ausführungsform als ein Abbildungspixelarray dargestellt und beschrieben worden ist, in welchem jedes Pixelelement typischerweise zumindest eine extra konfigurierbare Einrichtung aufweist, soll die Erfindung dennoch nicht auf die dargestellten Details beschränkt werden.

Claims

1. Pixelarray (10) mit:

einer Mehrzahl von Auswahlleitungen (ROW SEL, COL SEL),

einer Mehrzahl von Signalleitungen (HSIG),

einem Array aus Pixelelementen, wobei jedes Pixelelement aufweist:

einen Photowandler (12),

eine Schalteinrichtung (16, 18), die zwischen den Photowandler und eine der Mehrzahl von Signalleitungen geschaltet ist, wobei die Schalteinrichtung auf Signale aus einer der Mehrzahl von Auswahlleitungen anspricht, um Signale zwischen dem Photowandler und der einen Signalleitung zu transportieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Array weiterhin aufweist:

eine Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren, die aus zumindest einem konfigurierbaren Transistor (20) in jedem der Mehrzahl von Pixelelementen besteht, wobei jeder konfigurierbare Transistor eine Mehrzahl von Anschlüssen hat, wobei die Anschlüsse dafür ausgelegt sind, Verbindungen zwischen den jeweiligen Transistoren der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren bereitzustellen, und

eine Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen (BUF SIG, IN, OUT) welche ausgewählte Anschlüsse aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren so verbinden, daß ein Multitransistorschaltkreis (710) gebildet wird, der auf eine Mehrzahl der Pixelelemente in dem Pixelarray verteilt ist,

wobei zumindest einige der konfigurierbaren Transistoren so angeordnet sind, daß sie Funktionen des Multitransistorschaltkreises ausführen, die von den Funktionen der Pixelelemente, welche diese Transistoren enthalten, unabhängig sind.

2. Pixelarray nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Auswahlleitungen eine Mehrzahl von Spaltenauswahlleitungen (COL SEL) aufweist,

die Schalteinrichtung zwei in Reihe geschaltete Transistoren (16, 18) aufweist, von denen einer auf eine ausgewählte Spaltenauswahlleitung anspricht, und

die Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen Ausgewählte der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren verbindet, um als der Multitransistorschaltkreis ein Spaltenauswahlschieberegister (710) zu verwirklichen.

3. Pixelarray nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Photowandler ein Photodetektor (12) ist.

4. Pixelarray nach Anspruch 3, welches weiterhin eine Ladungsspeichereinrichtung (14) aufweist, die parallel zu dem Photodetektor geschaltet ist, um eine elektrische Ladung zu halten, die eine Größe hat, welche durch die Lichtintensität bestimmt wird.

5. Pixelarray nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Auswahlleitungen eine Mehrzahl von Zeilenauswahlleitungen (ROW SEL) und eine Mehrzahl von Spaltenauswahlleitungen (COL SEL) aufweist, wobei das Pixelarray weiterhin eine Mehrzahl von Hilfsleitungen (BUF SIG, IN, ouT) aufweist,

der Photowandler ein Photodetektor (12) ist,

die Schalteinrichtung auf Signale auf einer Ausgewählten der Zeilenauswahlleitungen und auf eine Ausgewählte der Spaltenauswahlleitungen anspricht, um Signale zwischen dem Photodetektor und der vorbestimmten Signalleitung zu transportieren, und die Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen weitere Verbindungseinrichtungen einschließt, die zumindest einen ersten aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren (20) des Multitransistorschaltkreises mit einer Ausgewählten dieser Leitungen verbindet.

6. Pixelarray nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von Hilfsleitungen eine gepufferte Signalleitung (BUF SIG) aufweist, wobei ein zweiter aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren (20) zwischen die gepufferte Signalleitung und eine Quelle eines Bezugspotentials (VDD) geschaltet ist, wobei der zweite aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren auf die vorbestimmte Signalleitung derart anspricht, daß dann, wenn die vorbestimmte Signalleitung beansprucht ist, die gepufferte Signalleitung eine verstärkte Version des Signales trägt, welches durch die vorbestimmte Signalleitung transportiert wird.

7. Pixelarray nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von Signalleitungen eine erste Mehrzahl von Signalleitungen und eine zweite Mehrzahl von Signalleitungen aufweist, wobei zumindest ein zweiter der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren (20) zwischen eine aus der ersten Mehrzahl von Signalleitungen und eine aus der zweiten Mehrzahl geschaltet ist, wobei der zumindest eine zweite aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren auf die ausgewählten Zeilenauswahfleitung derart anspricht, daß dann, wenn die ausgewählte Zeilenauswahlleitung beansprucht ist, der zumindest eine zweite aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren die eine aus der ersten Mehrzahl von Signalleitungen mit der einen aus der zweiten Mehrzahl von Signalleitungen verbindet.

8. Pixelarray nach Anspruch 1, wobei der Wandler ein Photodetektor ist und das Pixelarray weiterhin aufweist:

eine Einrichtung für das Halten einer Ladung (14), welche dem Licht entspricht, das von dem Photodetektor erfaßt wurde,

eine Einrichtung, die mit der Einrichtung zum Halten der Ladung verbunden ist und auf die Schalteinrichtung anspricht, um einen Zugriff zu der gehaltenen Ladung zu gewähren, und

eine Einrichtung, um zumindest einen aus der Mehrzahl von konfigurierbaren Transistoren mit einer Mehrzahl aus anderen konfigurierbaren Transistoren zu verbinden, um als den Multitransistorschaltkreis einen Umfangsschaltkreis zu verwirklichen, der in erfolgreicher Weise Zugriff auf die gehaltene Ladung auf die jeweils Unterschiedlichen der Mehrzahl von Pixelelementen erlaubt.

9. Pixelarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, wobei jedes Pixelelement nur einen konfigurierbaren Transistor aufweist, der ein Metall-Oxidhalbleiter (MOS)-Transistor ist.

10. Pixelarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jedes Pixelelement zumindest zwei konfigurierbare Metall-Oxidhalbleiter (MOS)-Transistoren aufweist, die entgegengesetzte Kanalpolaritäten haben.

11. Pixelarray nach Anspruch 10, wobei die beiden konfigurierbaren MOS-Transistoren in einer Zelle als komplementäre Metalloxidhalbleiter (CMOS)-Inverter ausgestaltet sind und die Verbindungseinrichtungen verwendet werden, um die Inverter in ausgewählten Pixelelementen mit individuellen konfigurierbaren Transistoren in anderen ausgewählten Pixelelementen zu verbinden, um ein Spaltenauswahlschieberegister zu bilden.

12. Matrix aus einer Mehrzahl von Pixelarrays (920), wie sie in irgendeinem der vorstehenden Ansprüche beansprucht sind, wobei die Arrays miteinander verbunden sind (926, 928).

13. Matrix nach Anspruch 12, wobei die Arrays entlang ihrer Kanten aneinander anliegen.