JPH0254663B2

JPH0254663B2 -

Info

Publication number: JPH0254663B2
Application number: JP56117577A
Authority: JP
Inventors: Hiusetsupe Karatsuso Marino; Henrikasu Yozefu Koruneritsusen Berunarudasu; Heritsuto Fuan Santen Yohannesu
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1981-07-27
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2001-07-27
Also published as: DE3128091C2; FR2488085A1; AU7343181A; DE3128091A1; JPS5753980A; US4402014A; IT1138877B; AU546067B2; GB2081017A; FR2488085B1; CA1173520A; IT8123146A0; GB2081017B; NL8004328A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、信号を表わす量の電荷Q_sを第１の
容量C_sから第２の容量C_dまで有限の時間Ｔを有
する所定の時間間隔内に転送するスイツチ素子を
有する半導体基板を備えた半導体装置に関するも
のである。

この種半導体装置は、感光層に記録すべき光景
を比較的長い信号線を介して読出し部材まで転送
する電荷パケツトのパターンに変換する撮像カメ
ラに専用のものではないが、特に多用されてい
る。かるる撮像カメラは、就中、本願人の出願に
係る特開昭52−97624号公報に記載されており、
この従来装置においては、感光性ターゲツトが、
一方においては記録すべき光景に接することがで
き、他方においては列方向に延在した多数の信号
ストリツプ電極を備えている。それらの信号スト
リツプ電極は、電界効果トランジスタよりなるス
イツチ素子を介し、電荷転送レジスタ、例えば、
いわゆるBBDラインもしくはCCDラインの形態
の水平方向読出しレジスタに結合している。

その読出しレジスタ内の信号ストリツプ電極か
らの信号電荷Q_sの転送は、有限の時間間隔Ｔ内
に、好ましくは、水平走査帰線期間内に行なうこ
とができ、この時間間隔Ｔに対する特定の値は10
マイクロ秒である。

通常起り得る電流値に対して、通常の電界効果
トランジスタは、Ｉをそのトランジスタに流れる
電流とし、V_GSをそのゲート電極とソース領域と
の間の電圧として、一般に、ほぼ指数関数的なＩ
−V_GS特性を呈する。したがつて、そのトランジ
スタが閾値電圧V_th＝０を有する場合には、ゲー
ト・ソース間電圧V_GSが小さくなるほど、その電
流が指数関数的に零に近づく。その結果として、
電荷パケツトQ_sの転送は、その転送中にソース
領域の電圧、したがつて、ゲート・ソース間電圧
V_GSも変化するので、次第に緩慢になる。しかし
て、電荷の転送に用い得る時間間隔が有限である
ので、信号ストリツプ電極にはつねに電荷が残つ
ていることになる。信号ストリツプ電極上のこの
残存電荷、したがつて、電位は、信号の量に依存
するのであるから、画像一杯に一定の露出を行な
うと、信号ストリツプ電極が電位U゜_sに達して、
その電位U゜_sに重畳して印加した各信号電荷パケ
ツトQ゜_sが所定の時間間隔Ｔ内にて充分に転送さ
れるようになる。また、画像に、例えば低輝度領
域と高輝度領域との間におけるような急激な段階
があると、信号ストリツプ電極は、数ラインの走
査期間の後にはじめて、その新たな平衡状態に達
する。しかして、そのライン走査期間の数は、一
般に、信号の値に依存するが、特に、信号の値が
小さくなるに従つて大きくなり、特殊な例におい
ては25程度の大きさに達することができる。その
結果として、記録画像において輝度が変化してい
る走査ラインの間で、例えばテレビジヨン画面
に、特に、比較的低輝度で表示した場合に、精細
度の欠除が誘発される。

しかして、信号ストリツプ電極の平衡電圧U゜_s
が、信号電荷Q_s、したがつて、光強度に依存す
るという事実からして、上述したところから判る
ように、隣接した信号ストリツプ電極間における
浮遊容量を介したクロストークの結果として、水
平方向の精細度の欠除が生じ得ることになる。

同様の問題は、上述したところ以外の感光性タ
ーゲツトを指数関数的Ｉ−V_GS特性に従い、それ
に伴つて不完全な電荷転送を行なつた場合にも、
例えば、感光セルに光ダイオードと電界効果トラ
ンジスタを備えてその感光セルの選択および読出
しを行なうようにした撮像装置において生ずるの
と同様に生じ得るものであり、この種の撮像装置
においては、上述したと同様に、不完全で信号に
依存する信号電荷の結果として生ずる精細度欠除
の問題が生じ易い。

かかる問題が生じ易く、本発明による改良の対
象とした従来のこの種撮像装置の構成を第８図に
示して説明するが、この従来の構成については前
述した特開昭52−97624号公報に詳述してある。

しかして、第８図示の従来の撮像装置には、感
光性ターゲツト５に感光性要素４１₁₁，４１₁₂，
４１₁₃，４１₂₂，４１₃₃等からなる２次元パター
ンを設けてあり、そのターゲツト５は、そのター
ゲツト５の背面を電子ビーム６により走査し得る
ようにするとともに、その前面にて入射光L₁，
L₂，L₃等を受け入れ得るようにして撮像管内に
組込んである。

かかるターゲツト５の前面側には、信号電極ス
トリツプ４₁，４₂，４₃を設けてあり、図にはこ
の３本のストリツプしか示してないが、実際の具
体例では数百本とする。各列毎に感光性要素４１
₁₁，４１₁₂，４１₂₂等にそれぞれ結合したそれら
の信号電極ストリツプ４₁，４₂，４₃は、各スイ
ツチ素子１７₁′，１７₂′，１７₃′をそれぞれ介して
シフトレジスタ１９′に接続してあり、そのシフ
トレジスタ１９′は、図示の例ではバケツトブリ
ゲードすなわちいわゆるBBDからなつているが、
例えば、いわゆるCCDによつて構成することが
できる。このバケツトブリケードレジスタの出力
段は、電界効果トランジスタ６２および出力端子
２０を有するソースホロワからなつている。

上述のシフトレジスタ１９′をなす各トランジ
スタ５０，５２，５４，５６，５８および６０
は、電界効果トランジスタ６２とともに、例え
ば、ｎ−チヤネル型の電界効果トランジスタであ
るとする。

しかして、バケツトブリゲード・レジスタ１
９′を構成する各電界効果トランジスタは、ソー
ス電極とドレイン電極とを順次に接続するととも
に、各ゲート電極をクロツク信号線S₅およびS₆に
接続してあり、それらのクロツク信号線を介して
クロツク電圧源２１′に接続されている。このシ
フトレジスタ１９′は、さらに、多数の並列入力
線１８₁，１８₂，１８₃等を備えており、それら
の並列入力線は、各スイツチ素子１７₁′，１７₂′，
１７₃′等をそれぞれ介して、各信号電極ストリツ
プ４₁，４₂，４₃等にそれぞれ接続し得るように
なつている。

しかして、感光性ターゲツト５に発生した画像
情報は、信号電極ストリツプ群４およびスイツチ
素子群１７′を介してバケツトブリゲード・レジ
スタ１９′の各コンデンサ５３，５７，６０に転
送される。

つぎに、第２図に、上述の撮像装置の各部信号
S₁乃至S₁₂および画像信号PSの電圧振幅波形を時
間ｔの関数として示す。

前述した撮像装置におけるターゲツト５の背面
側は、電子ビーム６の走査により電圧U_c、例え
ば−5Vに充電される。第２図における記号Ａは、
電子ビーム６によるターゲツト５の走査を制御す
る制御信号を表わし、また、記号THは、水平走
査周期を表わし、水平走査帰線期間TBおよび水
平走査期間TSからなつている。さらに、各信号
電極ストリツプ４₁，４₂，４₃等は、水平走査周
期THの始端においては、基準電位、例えば0V
になつているものとする。

入射光の蓄積期間においては、入射光が感光性
ターゲツト５に入射するので、各コンデンサ４１
₁₁，４１₁₂，４１₂₂等は、模式的に図示した各漏
洩抵抗４２₁₁，４２₁₂等をそれぞれ介して放電さ
れ、それら漏洩抵抗の値は、各入射光強度L₁，
L₂，L₃等によつてそれぞれ決まる。また、各時
点t₁，t₂，t₃における電子ビーム６の走査により、
各信号電極ストリツプ４₁，４₂，４₃には基準電
位に対する電位降下U₁，U₂，U₃がそれぞれ生
じ、それらの電位降下は、各浮遊容量４０₁，４
０₂，４０₃における信号電荷の降下Q₁，Q₂，Q₃
にそれぞれ対応している。ついで、時点t₄におい
ては、水平走査帰線期間TBが始まり、時点t₇に
て終わる。この水平走査帰線期間TBにおいて
は、時点t₅から時点t₆に亘る時間幅のパルスが信
号S₅に生じ、それと同時に、信号S₄に模式的に示
すパルスにより、通常の電界効果トランジスタよ
りなるスイツチ素子群１７′が閉路するので、各
コンデンサ４０₁，４０₂，４０₃中の信号電荷を
バケツトブリゲード・レジスタ１９′に転送する
ことができる。

一方、シフトレジスタ１９′においては、時点
t₄から時点t₅までの期間に各コンデンサ５１，５
３，５５，５７，５９および６０がそれぞれ3V
まで充電され、かかる充電は、信号S₅およびS₆に
おける−3Vの電圧の存在並びに信号S₇乃至S₁₂に
おける接地電位0Vの存在に引続いて行なわれる。

上述した従来周知の撮像装置においては、各信
号電極ストリツプ４₁，４₂，４₃が、各コンデン
サ４０₁，４０₂，４０₃からシフトレジスタ１
９′への信号電荷の転送によつて基準電圧にもた
らされ、その基準電圧は、スイツチ素子をなす電
界効果トランジスタの閾値電圧によつて与えられ
る。しかして、従来使用していた通常の電界効果
トランジスタ、例えば幅μA領域のMOS型トラン
ジスタは、第３図の曲線Ａにて示すように、多か
れ少なかれ、指数関数的な変化を呈する電流電圧
特性を示す。すなわち、図示の特性曲線において
は、横軸にとつたｎ−チヤネルMOS型トランジ
スタに対する閾値電圧を差引いたゲート電圧に対
して縦軸に電流値をプロツトしてあり、信号V_g
はソース領域に対するゲート電極の電圧を表わし
ている。しかして、電荷転送の期間中において
は、各電界効果トランジスタのソース電極の電位
が変化して、ゲート電圧と閾値電圧との差V_g−
V_thが零に近づく。このことは、電流も零に近づ
くことを意味し、また、各電界効果トランジスタ
が再びカツトオフになつたときに、電荷はその全
部が転送し終えてはいないことを意味する。した
がつて、信号電極ストリツプの基準電位は、その
ときには、最早、電界効果トランジスタの閾値電
圧には等しくなくなり、大なり小なり信号電荷の
量に依存することになる。そのうえ、各信号電極
ストリツプ４₁，４₂，４₃の相互間における浮遊
容量の作用により、各信号電極ストリツプにおけ
る基準電圧の変化が隣接ストリツプの影響も受け
ることになる。

本発明の目的は、上述した従来のこの種の半導
体装置の問題を解決し、信号電荷Q_sをあらかじ
め定めた時間間隔Ｔ内に完全に転送することがで
き、したがつて、信号電荷Q_s転送後における第
１のコンデンサの電位が原則とし信号には全く無
関係となるように改良した半導体装置を提供する
ことにある。

本発明は、就中、つぎのような事実の認識に基
づいてなしたものである。すなわち、信号電荷
Q_sの急速かつ完全な転送は、例えば、電界効果
トランジスタの場合であれば、そのトランジスタ
に一定の電流i₀を流しておき、その一定電流i₀に
重畳して信号電流をそのトランジスタに流すよう
にし、しかも、関連した微係数dI／dV_GSが、小信号に対する入力インピーダンスによつて決めた場合
にも、なお、適切な値となるようにして、その一
定電流i₀の値を選定することによつて達成し得る
という事実に基づくものであるなお、光吸収の結果として生ずる信号電荷の発
生により撮像センサに生ずる信号電荷Q_sの形成
の態様そのものは本発明の関知するところではな
く、したがつて、本発明は、信号電荷を第１のコ
ンデンサから第２のコンデンサまで比較的短かい
時間間隔にて転送しなければならないようになつ
ている他の種類の装置によるカメラにも同様に適
用して同様の効果を得ることができる。すなわ
ち、上述した問題は、絶縁性電界効果トランジス
タ以外のスイツチ素子を用いた場合にも同様に生
じ得るのであるから、本発明は、かかる電界効果
トランジスタを用いた場合にのみ限定すべきもの
ではない。

本発明によれば、冒頭に述べた種類の半導体装
置において、所定の時間間隔内に一定量の電荷
Q_tが周波数ｎ／Ｔにて周期的に前記第１の容量
C_sに帰還転送されるのを助ける手段G₁，G₂，G₃
を前記スイツチ素子として設け、前記有限の時間
Ｔ（＝t₆−t₅）より短い周期ｔにて、前記第１の
容量C_sから順次の帰還転送の間の期間に前記第２
の容量C_dまで転送する電荷がその期間毎に平衡
状態に達して前記第１の容量C_sに帰還転送される
電荷に等しくなるとともに、前記第１の容量C_sの
電位が前記電荷Q_sにほぼ無関係となるようにｎ
およびQ_tの値を選定することを特徴とする。

しかして、信号電荷Q_sの転送に際しては、ス
イツチ素子に流れる電流が、零にならず、適切な
値i₀に調整し得るのであるから、その電流i₀のみ
に依存して電荷Q_sには依存しない平衡状態を達
成することができ、さらに、信号電荷Q_s自体を
電流i₀に用いることができるのであるから、別の
電流源を設ける必要はない。

本発明の重要な実施例においては、電荷の形態
の情態の発生および蓄積の少なくとも一方を行な
い得る要素を多数設けるとともに、前記第１の容
量C_sに前記要素を選択的に結合させる選択手段を
設けたことを特徴とする。

本発明は、原則としては、指数関数的な−
特性、少なくとも、これに類似の特性を有する他
の回路装置、例えばダイオードにまで拡張して適
用し得るものではあるが、本発明の重要な好適実
施例においては、前記スイツチ素子を電界効果素
子により構成し、前記半導体基板の表面に接する
とともに前記第１および前記第２の容量にそれぞ
れ結合した前記電界効果素子のソース領域および
ドレイン領域をなす２個の表面領域を設けて、そ
れら２個の表面領域を前記ソース領域から前記ド
レイン領域に向う電流の通路に沿つて順次に位置
する少なくとも２個のゲート電極G₁，G₂を前記
手段として設けたチヤネル領域によつて互いに分
離し、前記ゲート電極のうち、第１のゲート電極
G₁に前記チヤネル領域を介する電流の通路を制
御させるとともに、当該第１のゲート電極G₁に
引続く第２のゲート電極G₂に前記チヤネル領域
の下側部分にポテンシアル井戸を誘起させて、適
切な電圧の印加により前記ソース領域に帰還転送
し得る前記電荷Q_tを蓄積させるようにしたこと
を特徴としており、後述する図面の説明から明ら
かなように、帰還転送の機構は、いわゆるCTD
技術にほぼ類似した簡単な態様にて実現すること
ができる。

第２の容量C_dに結合した電界効果素子のドレ
イン領域は、その下にて帰還転送すべき電荷パケ
ツトが形成される第２のゲート電極のすぐ後に位
置させることができるが、通常の電界効果トラン
ジスタの利得係数は、無限大ではなく、10乃至
100の程度の値であるが故に生じ易い、第２のゲ
ート電極の下にある小容量のポテンシアル井戸が
空になることがソース領域に及ぼす反作用をかな
り低減し得るという利点を有する本発明の好適な
実施例においては、第２のゲート電極の下に位置
する前記ポテンシアル井戸を、前記ソース領域に
前記電荷Q_tを帰還転送した後であつて前記ソー
ス領域から前記ドレイン領域まで新たな電荷を転
送する前に、再び電荷により満たし得るようにす
るのを助ける電極手段を設けたことを特徴として
いる。

上述したような半導体装置は、原則として、有
限量の電荷Q_sを第１の容量C_sから第２の容量C_d
まで限られた時間間隔Ｔ内に転送すべき場合には
すべて適用して効果を挙げることができるが、本
発明半導体装置の格別の効果が得られる重要な適
用分野は撮像カメラの分野である。したがつて、
感光性セルを行列に配列したモザイクよりなる情
報蓄積要素に組合わせてストリツプ状の導体を設
けて撮像装置の一部とするとともに、そのストリ
ツプ状の導体を前記第１の容量C_sの電極としたこ
とを特徴としており、帰還転送の周波数および帰
還転送した電荷パケツト量Q_tなる各パラメータ
は、信号を水平走査帰線期間内に転送し得るよう
にして選定するのが好適である。

なお、本発明は、光学像を電気信号に変換する
カメラにも関するものであり、本発明によるこの
種のカメラは、上述したような半導体スイツチ素
子を用いたことを特徴とししている。

以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

本発明は、前述した従来装置の欠点あるいはそ
の他の起り得る欠点の少なくとも大部分を避ける
ために、従来の通常の電界効果トランジスタの代
わりに、第４図にその横断面を示し、本発明によ
る改良個所を破線で囲んで示す他は第８図示とほ
ぼ同じ回路構成を示す第１図に３ゲート電極を有
する電界効果素子としてそれぞれ示したような本
発明による半導体装置をスイツチ素子群１７′と
して用いたものである。

しかして、スイツチ群を構成するトランジスタ
群１７′のゲート電極に供給される信号S₄中の上
述したパルスおよび時点t₅とt₆との間において信
号S₅に現れるパルスは、いずれも、＋0Vの電圧を
有しており、各トランジスタ１７′のゲート電極
に加わる0.7Vの電圧により、それらのトランジ
スタのドレイン電極に加わる充分に高い電圧に対
して、そのソース電極に現れる電圧、すなわち、
それらのソース電極に接続された各信号電極スト
リツプ４₁，４₂，４₃に現れる電圧、さらに換言
すれば、各コンデンサ４０₁，４０₂，４０₃に現
れる電圧は、接地電位までは上昇し得るが、接地
電位を超えることはない。また、トランジスタ群
１７′の電極に加わる0.7Vの電圧は、実際には、
トランジスタ群１７′のゲート電極とソース電極
との間に現れるべき閾値電圧であるので、それら
のトランジスタ群１７′を導通状態にして保持す
ることになる。一方、信号S₅における−3Vから
＋0.7Vまでの電圧ステツプに伴つて時点t₅にて生
ずる尖鋭なパルスは、コンデンサ５３，５７およ
び６０をそれぞれ介して、トランジスタ１７₁′，
１７₂′のドレイン電極に互いに等しい3.7Vの電圧
ステツプを与えることになる。したがつて、ゲー
ト電極に加わる0.7Vの電圧とともに、信号S₈，
S₁₀およびS₁₂に現れる電圧によつて、各信号電極
ストリツプ４₁，４₂，４₃の浮遊容量４０₁，４０
_２，４０₃が、第２図の信号波形S₁，S₂およびS₃に
ついて時点t₅に示すように、各コンデンサ５３，
５７および６０からの信号S₈，S₁₀およびS₁₂によ
つて接地電位まで充電される。また、それらの浮
遊容量４０₁，４０₂，４０₃における電圧降下U₁，
U₂，U₃に対応する充電状態は、各コンデンサ５
３，５７および６０からの電荷によつて再度補充
され、それらの電圧降下U₁，U₂，U₃にそれぞれ
対応した電圧降下U₁′，U₂′，U₃′となる。

つぎに、時点t₆において信号S₄およびS₅に生ず
る電圧ステツプにより、各スイツチ素子１７₁′，
１７₂′，１７₃′が遮断され、信号S₈，S₁₀および
S₁₂には互いに等しい大きい電圧ステツプがそれ
ぞれ生ずる。

つぎに、時点t₇においては、水平走査時間TS
が始まり、一方においては電子ビーム６′による
感光ターゲツト層５′の水平走査が開始され、他
方においては、信号S₅およびSS₆に現れた各パル
スの影響をうけて各コンデンサ５１，５３，５
５，５７，５９および６０相互間における信号電
荷U₁′，U₂′，U₃′の転送が開始される。かくして、
各信号電荷U₁′，U₂′，U₃′は、それ自体は周知の
態様によりシフトレジスタ１９′中を転送されて、
出力端子PSから取出される。

しかして、ここで注意すべきは、本発明による
スイツチ素子は、撮像カメラに適用すれば特に好
適ではあるが、撮像カメラに専用のものではない
ことであり、同様に電荷の急速転送を必要とする
他の装置に適用しても同様の作用効果が得られる
ことである。

つぎに、本発明半導体装置の構成例の横断面を
第４図に示す。図示の構成による半導体装置は、
一般に、撮像カメラの例においては水平走査帰線
期間とする短かい時間間隔内にて、容量C_sからの
信号電荷を容量C_dに転送し得るようにしたスイ
ツチ素子を備えた半導体基板１を有しており、必
ずしも半導体基板１上の集積する必要のないそれ
らの容量C_sおよびC_dを、第４図においては破線
にて示してある。

しかして、上述したスイツチ素子は、それらの
容量C_sおよびC_dにそれぞれ接続されているか、
あるいは、接続し得る２個の端子２および３を備
えており、それら２個の端子は、それぞれ、３個
の絶縁制御電極G₁，G₂，G₃を備えた電界効果素
子のソース電極およびドレイン電極をなしてい
る。本発明半導体装置の特別の構成例において
は、シリコンよりなるＰ型の半導体基板を備えて
いるが、ｎ型の半導体基板からも出発し得ること
は明らかであり、また、本発明は、いずれの場合
においてもシリコンの使用に限定されるものでは
なく、他の半導体材料を使用しても同様の作用効
果を得ることができる。

しかして、通常の集積化MOST回路装置に一
般の0.3乃至５オーム・cmの比抵抗を有するシリ
コン基板１は、その表面４にｎ型の表面領域５お
よび６を設けてそれぞれソース領域およびドレイ
ン領域を形成してある。

さらに、２個の端子２および３を、それぞれソ
ースおよびドレインの電極７および８を介して、
上述のソース領域およびドレイン領域にそれぞれ
接続してあり、それらの電極７および８は、例え
ばアルミニウムにより形成してそれぞれソース領
域およびドレイン領域をなす帯域５および６に接
続してある。

また、半導体基板１の表面４は絶縁層９により
覆つてあり、その絶縁層９は、慣用の酸化シリコ
ン層として設け得るも、窒化シリコンあるいは酸
化アルミニウムのような他の誘電体材料によつて
構成することもできる。しかして、少なくとも、
これらの帯域５と６とによつて区切られた領域に
おいては、絶縁層９が約700Å乃至1000Åの厚み
を有しており、電界形成用酸化物層の機能を有す
る第４図示の活性領域以外においては、この酸化
物絶縁層９は、通常の電界効果トランジスタを構
成する半導体装置におけると全く同様に、上述し
た値より格段に大きい厚みを程することができ
る。

しかして、かかる絶縁層９上には、ソース領域
５とドレイン領域６との間に第１のゲート電極
G₁を設けてあり、この第１のゲート電極G₁の機
能は通常の電界効果トランジスタにおけるゲート
電極の機能と同等であつて、この第１のゲート電
極G₁によりスイツチ素子を任意に開閉すること
ができる。

つぎに、第２のゲート電極G₂は、互いに接続
した２部分G_2aおよびG_2bからなつており、電極
部分G_2aの下には、第２のゲート電極G₂に電圧を
印加したときに、その電極部分G_2aの下に位置す
るポテンシアル井戸を伴つた非対称の電位配分を
生じさせて、そのポテンシアル井戸に帰還転送す
べき電荷Q_tを蓄積するとともに、電極部分G_2bの
下に電位障壁を形成するように作用する手段１０
を設けてある。

しかして、第２のゲート電極G₂の下に形成さ
れる非対称の電位配分は、それ自体は通常の電荷
結合素子の技術により周知の種々の態様、例え
ば、電極部分G_2aとG_2bとの下における酸化物絶
縁層の厚みを異ならせるなどして、得ることがで
きる。第４図示の構成例においては、電極部分
G_2aの下にｎ型の帯域１０を設けることによつて
得られた、電極部分G_2aとG_2bとの下における半
導体基板１のドープの程度の相違によつてかかる
電位配分の非対称性を得ている。しかして、帯域
１０のドープ濃度は、イオンの注入によつて適切
に選定することができ、その結果として、所望の
深さ、したがつて、所望の量、例えば10¹²乃至
10¹⁴アトム／cm²の電荷Q_tを有するポテンシアル井
戸を形成することができる。

また、第２のゲート電極G₂とドレイン領域６
との間に備えるそれら余分の手段としては、第３
の絶縁ゲート電極G₃を設ける。図示の構成例に
おいては、この第３のゲート電極G₃を第２のゲ
ート電極G₂に対応させ、第２のゲート電極G₂と
同様に、互いに接続された２電極部分G_3aおよび
G_3bを設けてあり、電極部分G_3aの下には、帯域
１０と同程度のドープ濃度を有するｎ型領域１１
を設けてある。また、電極部分G_3aおよび帯域１
１の横方向の寸法は、第２のゲート電極における
構成要素G_2a、１０の横方向寸法に対して少なく
とも等しいか大きく選定するのが好適であり、そ
の結果として、電極部分G_3aに適切な電圧を加え
たときに、その電極部分G_3aの下に、電荷Q_tを供
給するための溜まりとして用い得る満たされたポ
テンシアル井戸が形成される。

本発明によるスイツチ素子には、時点t₅から時
点t₆に到る電荷転送期間Ｔ秒内に納まる時間周期
ｔ秒にて単位時間（秒）当り第１の容量C_sから転
送される電荷が同じ単位時間にその容量C_sに帰還
転送される電荷の量に等しくなる平衡状態に達す
るような周波数ｎ／Ｔにて周期的に一定量の電荷
Q_tが第１の容量C_sに帰還転送されるようにする
ための各手段G_2a，G_2b，１０を設けてある。し
かして、かかる平衡状態においては、第１の容量
C_sをなすコンデンサの電位は、最早や、初期の信
号電荷Q_sの量には依存せず、主として上述のパ
ラメータｎおよびQ_tに依存するようになる。

なお、多くの適用例においては前述した各帰還
転送手段G_2a，２_2b，１０のみで足りるのである
から、余分の手段G₃を設ける必要がない。

しかして、第１図に示したように、各ゲート電
極G₁，G₂およびG₃は、各信号線S₄₁，S₄₂および
S₄₃をそれぞれ介してクロツク電圧源２１に接続
してあり、第５図には、第２図における信号S₄の
代わりに各信号S₄₁，S₄₂およびS₄₃を示してある。

第５図においては、第２図におけると同様に、
水平走査帰線期間TB内に位置して、信号電荷が
各信号電極ストリツプ４₁，４₂，４₃からバケツ
トブリゲード・レジスタ１９′に転送される時間
間隔を決める各時点t₅およびt₆を示してあり、本
発明による撮像装置における第２図示の信号S₄
を、第５図においては、第１のゲート電極G₁に
供給する信号S₄₁に替えてある。しかして、この
信号S₄₁の変化の態様から明らかなように、電荷
の転送は連続的には行なわれず、以下に説明する
ように間欠的に行なわれる。

しかして、第５図においても、、時点t₅にては
信号S₄₂およびS₄₃は正になつているが、各信号
S₄₁，S₄₂およびS₄₃の電圧値は、半導体基板１中
にて第６図の信号波形ａに示すような電位配分が
得られるようにして当業者が単純に選定すること
ができる。なお、第６図において、信号ｓおよび
ｄは、それぞれ、第４図示の構成におけるソース
領域５およびドレイン領域６に対応するものであ
り、また、第６図に記号G₁，G₂およびG₃にて示
した各領域は、各ゲート電極G₁，G₂およびG₃の
下にそれぞれ位置する半導体基板１の各部分に対
応するるものである。さらに、第６図示の各領域
G₂およびG₃において陰影を施した部分は、それ
ぞれ、第４図示の構成におけるｎ型ドープ領域１
０および１１に対応するものであり、ドープによ
り得られた各ポテンシアル井戸に蓄積されている
電荷パケツトをそれぞれ表わしている。

さて、第６図の信号波形ａに示したようにソー
ス領域ｓからドレイン領域ｄに向けて電位が順次
に低下した電位配分の状態になる水平走査帰線期
間TBの始端においては、電子の形態をなす信号
電荷Q_sが、矢印にて模式的に図示するように、
ソース領域ｓからドレイン領域ｄに向け流れて信
号電荷Q_sの転送が行なわれる。かかる信号電荷
転送の期間においては、信号電荷Q_sの転送に伴
つてソース領域ｓの電位レベルが低下するので、
信号電荷Q_sの転送が次第に緩慢になる。かかる
信号電荷転送緩慢化の現象およびそれに伴う諸問
題の発生を防止するためには、第６図の信号波形
ｂ，ｃに順次に示すように、第２、第３のゲート
電極G₂，G₃の下に蓄積される電荷パケツトの全
電荷Q_tがソース領域ｓに順次に帰還転送されて
ソース領域ｓの電位が回復するまで、信号電荷
Q_sの転送を中断するとともに、第２、第３のゲ
ート電極G₂，G₃の電位を、信号S₄₂，S₄₃により、
それぞれ一旦上昇させた後に低下させる。なお、
信号電荷Q_sの最大値は、周知のとおり、第１の
ゲート電極G₁の下に信号S₄₁により生ずる電位障
壁によつて決まるが、煩雑を避けて図示しない。

しかして、次の水平走査帰線期間TBの始端近
傍の時点t₅においては、第６図の波形ａに示すよ
うに、領域ｓから領域ｄに向う電荷の転送が連続
して行なわれ、かかる状態においては、第２のゲ
ート電極G₂の下に位置する空のポテンシアル井
戸が、再び、電荷によつて満たされるので、その
ポテンシアル井戸の電位が再び変化する。しかし
て、ソース領域として作用する帯域５、ゲート電
極として作用する第１のゲート電極G₁およびド
レイン領域として作用するポテンシアル井戸によ
つて形成されるトランジスタの利得係数（V_ds／V_gs）ｉ＝ｃは無限大ではないのであるから、かかる電
圧変化は領域ｓに反作用を及ぼすことになり、そ
の利得係数を特定の値10とし、領域ｓと第２のゲ
ート電極G₂の下のポテンシアル井戸との間にお
けるキヤパシタンスの比を約100とすると、その
約100の値の1/10に第２のゲート電極G₂の下にお
ける比較的大きい電圧変化の値を掛算したもの
が、上述したトランジスタの入力側に反作用を及
ぼすことになる。かかる反作用および領域ｄから
領域ｓに及ぼす反作用の少なくとも大部分を防止
するためには、第３のゲート電極領域G₃を第２
のゲート電極領域G₂とドレイン領域ｄとの間に
設けることになる。しかして、時点t₅において
は、第５図示のような正の電圧信号S₄₃が第３の
ゲート電極に加わるので、第３のゲート電極G₃
の下では、第６図の波形ａに示すような電位配分
が得られ、第３のゲート電極G₃の下における電
位が、第２のゲート電極G₂の下における電位よ
りわずかに低くなり、かかる第３のゲート電極
G₃の下に位置するｎ型ドープ帯域１１の区域に
おいては、電荷によつて満たされたポテンシアル
井戸が形成される。第６図の波形ａには、かかる
電荷パケツトを陰影を施して示してある。

つぎに、水平走査帰線期間TBにおける第１の
中間時点t₈においては、第６図の波形ｂに示すよ
うに、第２のゲート電極G₂の下における蓄積電
荷Q_tの帰還転送が矢印にて模式的に示すように
行なわれた後においては、領域ｓから領域ｄに向
う信号電荷Q_sの転送は再開されず、まず、第２
のゲート電極G₂には正の電圧が印加され、一方、
第３のゲート電極G₃に加わる電圧信号S₄₃は低下
する。ついで、水平走査帰線期間TBにおける第
２の中間時点t₉においては、第６図の波形ｃに示
すような電位配分の状態になり、かかる状態にお
いては、矢印にて模式的に図示するように、第３
のゲート電極G₃の下に位置した電荷パケツトが
第２のゲート電極G₂の下に位置するポテンシア
ル井戸に流れ込んで、そのポテンシアル井戸を満
たすことになる。

さらに水平走査帰線期間TBにおける第３の中
間時点t₁₀においては、第６図の波形ａに示した
ように、各信号S₄₁，S₄₂およびS₄₃が時点t₅におけ
ると同等の状態に回復するので、再び、領域ｓか
ら領域ｄに向う電荷の転送が、始端近傍の時点t₅
におけると同様な態様にて行なわれる。なお、か
かる電荷転送の期間中においては、第２のゲート
電極G₂の下における電位が、少なくとも、領域
ｓに対する帰還結合がほぼ避けられる程度に変化
することはなく、したがつて、第３のゲート電極
G₃から領域ｓに及ぶ帰還結合があり得るとして
も、その影響は一段低いものとなるので無視する
ことができる。

つぎに、各信号電極ストリツプ４₁，４₂，４₃
からシフトレジスタ１９′に向う信号電荷Ｑの転
送は、前述した態様にて連続して行なわれるとと
もに、電荷の帰還転送によつて周期的に中断され
る。

しかして、領域ｓからの転送電荷量と領域ｓへ
の帰還電荷量とが釣合う平衡状態においては、帰
還転送される電荷の量が順次の帰還転送の間の期
間に領域ｓから領域ｄに向けて流れる電荷の量と
等しくなるのであるから、帰還転送の繰返し周波
数を適切に選定すれば、第３図示の電流電圧特性
における電流I_O、電圧V_Oの平衡状態を得て、スイ
ツチ素子のインピーダンスを充分に低くし、ライ
ン走査抑制時間内にて、電荷量には無関係に、任
意の信号電荷を転送し得るようにすることができ
る。しかして、かかる帰還転送の繰返し周波数
は、実際の状態に則したそれぞれ特定の条件のも
とに、当業者が容易に選定し得るものであり、第
１の容量C_sを約1pFとし、帰還転送する電荷量を
常時10fcとした具体例においては、帰還転送の繰
返し周波数1MHzのとき、すなわち、第５図にお
ける時点t₅とt₆との間の期間に、約10回、領域ｓ
に対する電荷の帰還転送が行なわれるようにした
ときに、極めて満足すべき結果が得られた。しか
して、時点t₅からt₆までの周期内に領域ｓから領
域ｄに向けて全信号電荷パケツトを転送し得るの
であるから、垂直方向の輝度変化を有する画像を
優れた精細度をもつて電気信号に変換し得るとと
もに、水平方向の精細度についてもかなりの改善
が得られ、各信号電極ストリツプ４₁，４₂，４₃
を、その都度、容易に設定し得る出力電圧V_Oに
調整することができるので、各信号電極ストリツ
プ相互間における寄生的なクロストーク効果がほ
とんど生じないようにすることができた。

そのうえ、上述した撮像管の例における本発明
によるスイツチ素子は、他の種類の撮像カメラ、
例えば、第７図に模式的に示すような構成の撮像
装置にも使用することができる。図示の撮像装置
には、それぞれダイオードＤおよび電界効果トラ
ンジスタＴよりなる感光性要素７０を行および列
に配置した周知のマトリツクスを設けてあり、ト
ランジスタＴにおける一方の主たる電極領域をダ
イオードＤに接続するとともに、他方の主たる電
極領域を読出し信号線７１にそれぞれ接続してあ
り、さらに、各トランジスタＴのゲート電極は、
シフトレジスタ７３により駆動する各選択信号線
７２にそれぞれ接続してある。かかる構成におい
て、各選択信号線７２のうちの１本が選択される
と、該当する行のダイオードＤに蓄積されていた
信号電荷が組合わせたトランジスタＴを介して読
出し信号線７１に転送される。しかして、各列の
読出し信号線７１から総合の読出し信号線７４に
信号電荷を転送するためには、それらの読出し信
号線間にスイツチ素子７５を設けてあり、このス
イツチ素子７５は、その構成および作用に関して
は、前述の構成例における各スイツチ素子１７
₁′，１７₂′，１７₃′に相当するものであつて、クロ
ツク電圧源７６に接続してあり、そのクロツク電
圧源７６は、スイツチ素子群７５のゲート電極に
第５図に示した種類の電圧を供給している。

なお、各スイツチ素子７５は、前述の構成例に
おけると同様に、CCDシフトレジスタに並列に
接続することもでき、その場合には、各信号電荷
を各列の読出し信号線に同時に転送することがで
きる。しかしながら、図示の構成例においては、
各スイツチ素子群７５が総合の読出し信号線７４
に共通に接続してあるので、順次に駆動する必要
がある。

以上の説明から明らかなように、本発明は、上
述した各実施例に限定されるものではなく、本発
明の範囲を逸脱しない限り、幾多の変更を施して
実施することができる。例えば、シリコンの代わ
りに、他の半導体装置材料、例えば、ゲルマニウ
ムや他のＡ−Ｂ族元素化合物、例えばGaAs
を用いることができる。また、注入帯域１０およ
び１１の代わりに、いわゆるCTD技術によつて
既知の他の手段を用いて、所望の深さのポテンシ
アル井戸を得ることもでき、その他の手段として
は、例えば、第２のゲート電極G₂における各電
極部分G_2aとG_2bとの間および第３のゲート電極
G₃における各電極部分G_3aとG_3bとの間で、酸化
物絶縁層９の厚みを異ならせ、あるいは、印加電
圧値を異ならせるなどすることができ、さらに、
それらの各電極部分間において別個のクロツク電
圧を印加するようにすることもできる。

また、上述の各構成例においては、各スイツチ
素子の表面チヤネルを設けたが、その代わりに、
埋込みチヤネルを用いた構造にすることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により付加するスイツチ素子群
を破線で囲んで示した撮像装置の構成例を示す回
路図、第２図は同じくその回路装置の動作中にお
ける各部電圧信号波形を示す波形図、第３図は
MOSトランジスタの電圧電流特性を示す特性曲
線図、第４図は本発明による半導体装置の構成例
を示す断面図、第５図は第１図示の回路装置の動
作中における各部電圧信号波形の他の例を示す波
形図、第６図は第４図示の半導体装置の動作中に
おける電位配分を示す線図、第７図は本発明によ
る撮像装置の他の構成例を示す回路図、第８図は
撮像装置の従来構成を示す回路図である。１……半導体基板、２，３……端子、４₁，４
_２，４₃……信号電極ストリツプ、５，６……表面
領域、５，５′……感光性ターゲツト、６，６′…
…電子ビーム、７……ソース電極、８……ドレイ
ン電極、９……絶縁層、１０，１１……ｎ型領
域、１１′……電圧源、１６₁，１６₂，１６₃……
接点、１７₁′，１７₂′，１７₃′，７５……スイツチ
素子、１８₁，１８₂，１８₃……入力信号線、１
９′，７３……シフトレジスタ、２０……出力端
子、２１′，７６……クロツク電圧源、４０₁，４
０₂，４０₃……浮遊容量、４１₁₁，４１₁₂，４１
₁₃，４１₂₂，４１₃₂，４１_n，７０……感光性要
素、４２₁₁，４２₁₂，４２₂₂，４２₃₂，４２_n……
漏洩抵抗、５０，５２，５４，５６，５８，６２
……電界効果トランジスタ、５１，５３，５５，
５７，５９，６０……コンデンサ、６３……抵
抗、７１，７４……読出し信号線、７２……選択
信号線、C_s，C_d……容量、Ｄ……ダイオード、
G₁，G₂，G_2a，G_2b，G₃，G_3a，G_3b……ゲート電
極、L₁，L₂，L₃……入射光。

Claims

【特許請求の範囲】１信号を表わす量の電荷Q_sを第１の容量C_sか
ら第２の容量C_dまで有限の時間Ｔ（＝t₆−t₅）を
有する所定の時間間隔内に転送するスイツチ素子
を有する半導体基板を備えた半導体装置におい
て、前記所定の時間間隔内に一定量の電荷Q_tが
周波数ｎ／Ｔにて周期的に前記第１の容量C_sに帰
還転送されるのを助ける手段G₁，G₂，G₃を前記
スイツチ素子として設け、前記有限の時間Ｔ（＝
t₆−t₅）より短い周期ｔにて、前記第１の容量C_s
から順次の帰還転送の間の期間に前記第２の容量
C_dまで転送する電荷がその期間毎に平衡状態に
達して前記第１の容量C_sに帰還転送される電荷に
等しくなるとともに、前記第１の容量C_sの電位が
前記電荷Q_sにほぼ無関係となるようにｎおよび
Q_tの値を選定することを特徴とする半導体装置。２特許請求の範囲第１項記載の半導体装置にお
いて、前記電荷Q_tが前記電荷Q_sの最大値の多く
とも0.1となることを特徴とする半導体装置。３特許請求の範囲第１項または第２項記載の半
導体装置において、電荷の形態の情報の発生およ
び蓄積の少なくとも一方を行ない得る要素を多数
設けるとともに、前記第１の容量C_sに前記要素を
選択的に結合させる選択手段を設けたことを特徴
とする半導体装置。４特許請求の範囲第１項、第２項または第３項
に記載の半導体装置において、前記スイツチ素子
を電界効果素子により構成し、前記半導体基板の
表面に接するとともに前記第１および前記第２の
容量にそれぞれ結合した前記電界効果素子のソー
ス領域およびドレイン領域をなす２個の表面領域
を設けて、それら２個の表面領域を前記ソース領
域から前記ドレイン領域に向う電流の通路に沿つ
て順次に位置する少なくとも２個のゲート電極
G₁，G₂を前記手段として設けたチヤネル領域に
よつて互いに分離し、前記ゲート電極のうち、第
１のゲート電極G₁に前記チヤネル領域を介する
電流の通路を制御させるとともに、当該第１のゲ
ート電極G₁に引続く第２のゲート電極G₂に前記
チヤネル領域の下側部分にポテンシアル井戸を誘
起させて、適切な電圧の印加により前記ソース領
域に帰還転送し得る前記電荷Q_tを蓄積させるよ
うにしたことを特徴とする半導体装置。５特許請求の範囲第４項記載の半導体装置にお
いて、前記第２のゲート電極G₂に電圧を印加し
たときに、前記ソース領域の側に位置した前記第
２のゲート電極G₂の下側近傍にポテンシアル井
戸を有する非対称の電位配分が前記半導体基板の
前記第２のゲート電極G₂の下に位置する部分に
得られるようにした領域手段を設けたことを特徴
とする半導体装置。６特許請求の範囲第５項記載の半導体装置にお
いて、前記ポテンシアル井戸の区域に位置すると
ともに、前記半導体基板の隣接した表面部分とは
ドープ濃度の異なる領域を前記領域手段として設
けたことを特徴とする半導体装置。７特許請求の範囲第６項記載の半導体装置にお
いて、前記第２のゲート電極の下に位置する前記
ポテンシアル井戸の区域に設けた前記領域手段を
不純物を注入した帯域により形成したことを特徴
とする半導体装置。８特許請求の範囲第４項乃至第７項のいずれか
に記載の半導体装置において、前記第２のゲート
電極の下に位置する前記ポテンシアル井戸を、前
記ソース領域に前記電荷Q_tを帰還転送した後で
あつて前記ソース領域から前記ドレイン領域まで
新たな電荷を転送する前に、再び電荷により満た
し得るようにするのを助ける電極手段を設けたこ
とを特徴とする半導体装置。９特許請求の範囲第８項記載の半導体装置にお
いて、前記第２のゲート電極の下に位置する前記
ポテンシアル井戸を満たす前記電極手段として、
前記第２のゲート電極と前記ドレイン領域との間
に位置して少なくとも前記量Q_tの電荷を蓄積し
得る第２のポテンシアル井戸を前記半導体基板の
下側の部分に誘起させ得る第３のゲート電極G₃
を設けたことを特徴とする半導体装置。１０特許請求の範囲第９項記載の半導体装置に
おいて、前記半導体基板の前記第３のゲート電極
G₃の下に位置する部分に、前記第３のゲート電
極G₃に電圧を印加したときに、前記ソース領域
の側に位置する前記第３のゲート電極G₃の下側
近傍にポテンシアル井戸を伴つた非対称の電位配
分が形成されるようにした他の領域手段を設けた
ことを特徴とする半導体装置。１１特許請求の範囲第１０項記載の半導体装置
において、前記ポテンシアル井戸の区域に位置す
るとともに、前記半導体基板の隣接した表面部分
とはドープ濃度の異なる領域を前記他の領域手段
として設けたことを特徴とする半導体装置。１２特許請求の範囲第３項記載の半導体装置に
おいて、感光性セルを行列に配列したモザイクよ
りなる情報蓄積要素に組合わせてストリツプ状の
導体を設けて撮像装置の一部とするとともに、そ
のストリツプ状の導体を前記第１の容量C_sの電極
としたことを特徴とする半導体装置。１３特許請求の範囲第１２項記載の半導体装置
において、前記撮像装置に前記スイツチ素子を備
えるとともに、前記ストリツプ状導体を前記モザ
イクの列の方向に延在させて当該スイツチ素子に
それぞれ個別に接続したことを特徴とする半導体
装置。１４特許請求の範囲第１３項記載の半導体装置
において、前記スイツチ素子の一方の電極をそれ
ぞれ容量C_sを形成する前記ストリツプ状導体に接
続するとともに、当該スイツチ素子の他方の電極
を電荷転送レジスタのそれぞれ容量C_dを形成す
る入力端子に接続し、前記信号電荷Q_sを、前記
スイツチ素子を介し、各信号線毎に前記電荷転送
レジスタ内にて並列に転送し得るようにするとと
もに、当該電荷転送レジスタを介し、出力端子に
転送して直列に取出し得るようにしたことを特徴
とする半導体装置。１５特許請求の範囲第１２項乃至第１４項のい
ずれかに記載の半導体装置において、前記周期ｔ
が水平走査帰線期間を超えないように前記パラメ
ータｎおよびQ_tを選定したことを特徴とする半
導体装置。