JPH022294A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像素子に関するものであり、特に電子カ
メラ、ＶＴＲ用カメラ等に利用して好適なものである。

（従来の技術） 従来は、前記電子カメラ、ＶＴＲ用カメラの撮像素子と
して、撮像管が多用されていた。しかし、近年に至り、
小型軽量の固体撮像素子に代わりつつある。

固体↑最像素子は、（ＡＶ電子回路、日本放送出版境界
発行、ｐｐ４６〜５０）に示されているように、ＣＣＤ
、ＭＯＳの二種類があり、何れも基盤の目のように並ん
だ数十万個の受光素子（フォトダイオード）を有し、該
受光素子によって光電変換を行い、信号電荷を順次読み
出して撮像するものである。

前記電子カメラ等において、露光抑制を行う場合は、機
械的構造の絞り機構を設けるか、或は電子シャッターを
設けて露光時間を制御していた。

（発明が解決しようとする課題） 電子カメラ等において、前記露光抑制機能は必須の要件
であるため、固体撮像素子とは別に絞りＪＭＢＮや電子
シャッターを設けているのが実状である。従って、電子
カメラ等の機械的構造、及び回路構成が？′Ｊｉ雑にな
り、小型軽量化を図る上で障害になっていた。

前記問題点は、固体撮像素子自体が露光抑制機能を有し
ていれば解消されるものであるが、現在露光抑制機能を
有する固体撮像素子は開発されていない。

本発明は前記問題点を解消するものであり、その目的は
露光抑制を行い得る固体撮像素子を提供することにある
。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明に係る
前記目的は、マトリクス状に複数の受光エレメントを配
置し、各受光エレメントから得られる撮像用信号電荷を
関数制御回路の第１の出力端子に供給するとともに、前
記受光エレメントのうらの一部の信号電荷を補正用信号
電荷として関数回路に供給し、該関数回路から得られる
前記補正用信号電荷に対応した関数信号を前記関数制御
回路の第１の制御端子に供給し、該関数制御回路により
前記撮像用信号電荷を制御することにより達成される。

即ち、前記関数回路は補正用信号電荷に対応して、例え
ば逆極性の関数信号を発生ずるように構成されている。

そして、前記関数制御回路の第１の出力端子に撮像用信
号電荷を供給し、第１の制御端子に関数信号を供給する
と、撮像用信号電荷の信号電荷量が逆極性の関数信号に
より制御される。従って、関数制御回路の出力信号は、
前記関数信号に対応して変化するごとになり、前記関数
信号の前記第１の制御端子への供給と遮断の制御、及び
関数信号の関数変化を制御することにより、受光エレメ
ントの露光量を制御した場合と同様の効果が得られる。

（実施態様） 次に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

実施例の説明にあたっては、第１図及び第２図を参照し
て本発明の基本的概念を説明し、次いで具体例を説明す
る。なお、第１図は本発明の基本的概念を説明するため
の信号電荷と出力信号特性図、第２図は固体撮像素子の
回路構成を模式的に示す回路図である。

第１図に示す特性Ａは、受光エレメント１．２の露光量
対出力（信号電荷）特性を示すものである。受光エレメ
ント１の信号電荷は、撮像用の信号電荷として関数制御
回路５となるＭＯ３Ｉ−ランジスタＱｌのソース（第１
の出力端子）に供給される。受光エレメント２の信号電
荷は補正用信号電荷となるものであり、露光抑制を行う
場合は制御回路３を開回路に制御して関数回路４に供給
する。

関数回路４は、補正用信号電荷の変化とは逆極性の制御
信号Ｂを得るものであり、該関数信号Ｂは関数制御回路
５となるＭＯ３Ｉ−ランジスタＱ１のゲート（第１の制
御端子）にバイアス電圧ｖｂに重畳して供給される。

この結果、ＭＯ３）ランジスタＱ１のソースに表れる出
力信号は、特性へを特性Ｂによって制御（この場合は合
成）した出力特性Ｃとなり、露光量が所定値以上に変化
した場合にレヘル低下し、露光量が抑制された状態にな
る。

一方、前記露光抑制を行わない場合は、制御回路３を閉
回路に制御し、補正用信号電荷の関数回路４への伝達を
遮断する。この結果、トランジスタＱ１のゲートは、バ
イアス電圧ｖｂに固定され、出力信号は撮像用の信号電
荷に対応するごとになる。従って、出力信号のレヘル変
化は、前記特性Ａと同様に、露光量に対応して変化する
ようになる。

次に、第３図から第８図を参照して前記固体撮像素子の
具体例を説明する。

受光エレメント１．２は、同一半導体基板にＭＯＳ　Ｆ
　ＥＴ構造にて構成され、信号電荷を蓄積するコンデン
サＣ１も接合容量にて構成されている。

露光抑制を行う場合は、制御回路３となるＭＯＳトラン
ジスタＱ２のゲートにリセットパルス■１を供給せず、
またソースにもリセットバイアス■２を供給せず、ｌ−
ランジスタＱ２をオフに制御する。

この結果、補正用信号電荷は、関数回路４を構成するＭ
　ＯＳ　トランジスタＱ３のデー１に供給され、その電
荷量に対応してコンデンナＣ２からトランジスタＱ３に
流れる電流！ｄを制御する。

この際、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタＱ４のゲート
電圧Ｖ３、バイアス電圧■４は遮断されているので、前
記電流１ｄはコンデンサＣ２に蓄積されていた電荷を電
源とする放電電流になり、その電流量は補正用信号電荷
の量、換言すれば受光エレメント２の露光量に比例する
。

第４図は補正用信号電荷の電荷量と電’ｄ＋ｉ　Ｉ　ｄ
との関係を示すものであり、露光量が大になって補正用
信号電荷量が大（０点に近づく）になるにつれて、電流
１ｄが大に変化する。電流１ｄの変化は、第５図に示す
ように で決定される。

一方、関数制御回路５はＮチャネルのデプリショントラ
ンジスタＱ１にて構成され、そのゲート電圧Ｖｐ（関数
信号）は前記電流１ｄによって関数変化する。

電流１ｄは、第４図に示すように露光量が大になるにつ
れて負方向に大になるので、トランジスタＱ１の電流Ｉ
は第５図に示すように露光量に比例して犬になる。

電？Ａｉは、コンデンサＣＩに印加されるのであるが、
撮影時におけるコンデンサＣ１の端子電圧は第６図に示
すように変化する。

即ち、コンデンサＣＩは後述する差動増幅器６に印加さ
れているビデオバイアス電圧Ｖｖによって一定電圧Ｖｖ
に充電されている。

そして、撮影開始にともなって、受光エレメント１が露
光すると、その露光量に対応して電荷の放電が行われる
。ここで説明の便宜のため、前記電流ｉによる充電が行
われない場合を想定すると、受光ニレメンｌ−１の露光
量に対応した放電によって端子電圧が特性ａで示すよう
に低下する。

しかし、本実施例では、受光エレメント１による放電が
行われると同時に、前記電流ｉによる充電が行なわれる
ので、端子電圧は特性ａのように急激に低下せず、特性
すのように低下することになる。そして、ａ−ｂの差分
が露光制御量に相当し、この露光抑制量が電流ｉ、換言
すれば前記関数信号Ｖｐによって制御される。

撮影時には、↑最影用信号電荷をＹ方向に読み出すＭＯ
３Ｉ−ランジスタＱ５、更にＸ方向に読み出すＭＯＳト
ランジスタＱ６の何れもオン状態に制御されている。

この結果、バイアス抵抗Ｒ１の端子電圧、言い換えれば
差動増幅器６の非反転入力端子→−の端子電圧は、前記
特性すに示したようにレベル変化する。従って、プリア
ンプとして設けられた差動増幅器６の出力信号Ｖｏｕｔ
も前記特性すと同様に変化し、露光抑制された場合と同
様の出力信号が得られる。

次に、第７図を参照して前記固体撮像素子のデバイス構
造を説明する。図中の１．２は前記受光エレメントに相
当し、斜線で示したｎウェル１１上にはトランジスタＱ
１のソース及びトランジスタＱ３のドレインとなるＰ′
層が形成されている。

そして、受光エレメント１と受光エレメント１との間に
トランジスタＱ１が形成され、受光エレメント２とＰ′
層との間にトランジスタＱ３が形成されている。

一方、ＶＳＲとして示した垂直シフトレジスタ１２は、
スイッチ信号によりｌフィールド分の垂直選択線１３を
選択するものであり、ＩＩ　Ｓ　Ｒとして示した水平シ
フトレジスタ１４は、水平読み出し線１５を選択するも
のである。

いま仮に、第８図中の上段の垂直選択線１３（前記トラ
ンジスタＱ６に相当）が選択されたとすれば、前記よう
に露光制御された信号電荷が垂直選択線１３、水平選択
線１５、トランジスタＱ５を介して差動増幅器６に供給
されることになる。

なお、露光抑制を行わない場合は、トランジス夕Ｑ２を
オンに制御し、補正用信号電荷の関数回路４への伝達を
遮断する。更に、トランジスタＱ４をオンに制御し、電
圧ｖ４によりコンデンサＣ２を所定電圧に充電して、ト
ランジスタＱｌのゲート電圧を固定する。即ち、この場
合は、関数信号が供給されない。従って、トランジスタ
Ｑ１による前記関数制御動作は行われず、撮像用信号電
荷がそのまま差動増幅器６に供給されることになる。

なお、前記受光エレメント１．２の配列について説明す
ると、受光エレメント２の数は受光ニレメンＩ−１と同
数にする必要はな（、第８図に示すように１フイールド
中（１／６０ｓｅｃ）に１個以上を配置すればよい。

以上に本発明の詳細な説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、コンデンサＣ２の容量値、トランジスタＱ３の
特性を選択することにより、前記特性すを任意に可変す
ることができ、例えば特性ａの飽和点Ｘをなだらかにし
て高照度側に移動させることもできる。

また、前記実施例では、関数回路としてＭＯＳＦＥＴを
用いた場合について記載したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えばジャンクションＦＥＴ、バイ
ポーラ・トランジスタ、０ＭＯ３，ｉ分回路、積分回路
、インバータ等を組合せて種々の出力特性を得ることが
できる。

また、本発明は負特性を回路に持たせることにより、ブ
ルーミング抑制にも利用することができる。

（発明の効果） 本発明は前記のように、受光エレメントから得られる補
正用信号電荷に対応した関数信号を得て、該関数信号に
より受光エレメントから得られる撮像用信号電荷を制御
するものである。依って、前記関数信号の関数変化を選
択することにより、前記撮像用信号電荷の特性を可変す
ることができ、該可変によって固体撮像素子の露光を抑
制した場合と同様の出力特性を得ることができる。

故に、固体撮像素子を適用した電子カメラ等にいては、
機械的構造の絞り機構、電子シャッター等を設ける必要
がなく、構造を大幅に簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的概念を説明する信号電荷対出力
特性図、第２図は本発明の基本的概念を説明する模式的
回路図、第３図は具体例を示す回路図、第４図及び第５
図は関数信号の発生を示す電流特性図、第６図は関数信
号による撮像用信号電荷の制御を示す特性図、第７図は
固体撮像素子のデバイス構造を示す一部切り欠き平面図
、第８図は受光エレヘメントの配置を示す要部の平面図
である。 図中の符号 １．２・・・受光エレメント、３・・・制御回路、４・
・・・・・関数回路、５・・・関数制御回路、６・・・
インハークを構成する差動増幅器、Ｑｌ、Ｑ６・・・Ｍ
Ｏｓトランジスタ、Ａ、Ｂ、Ｃ，ａ、ｂ・・・特性。 第　　１ 図 第　　２ 図 第 第 図 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）マトリクス状に配置された複数の受光エレメントと
   、該受光エレメントから発生した信号電荷をクロック信
   号に対応してＹ方向に読みだす第１のスイッチング回路
   と、該第１のスイッチング回路により読み出された信号
   電荷をクロック信号に対応してＸ方向に読み出す第２の
   スイッチング回路とを具備した固体撮像素子において、
   少なくとも１フィールド分の信号電荷を得る前記複数の
   受光エレメントのうちの所望数を補正用受光エレメント
   に設定するとともに、該補正用受光エレメントから発生
   した補正用信号電荷の伝達及び遮断を任意に制御する制
   御回路と、前記補正用信号電荷の伝達時にその伝達量に
   対応した関数信号を得る関数回路と、第１の制御端子に
   印加される前記関数信号に基づき、第１の出力端子に印
   加される撮像用信号電荷を制御する関数制御回路とを設
   けた固体撮像素子。