JPH04100383A - 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、ファクシミリ等の画素読メ取り用の固体撮像
素子に関するものであり、さらに詳述すれば、光電変換
特性の線形性の改善に関するものである。

〔従来の技術］ フォト・トランジスタに照射された光により励起され、
発生した電荷をヘース内に蓄積した後に外部に読め出す
従来の固体撮像素子は、以下のように構成されている。

フォト・トランジスタのベースは常に浮遊状態にあり、
エミッタはリセット用ＭＯＳ！−ランジスタと、外部へ
の光電変換された信号を送り出すスイッチ用ＭＯＳＩ−
ランジスタとに接続された構成になっており、これら３
つの素子で１ビツトを構成し、複数ビットを直線状に配
置し、それらを順次走査し制御する回路とでリニアイメ
ージセンサが構成される。

各フォト・トランジスタはリセット用トランジスタでエ
ミッタを介して順次初期状態にもどされたのち、光照射
されて発生した電荷をベース内に蓄積し走査周期に相当
するある一定時間の後に各スイッチ用ＭＯＳＩ−ランジ
スタを１頼次導通させ、各フォト・トランジスタで光電
変換されて得られた電気信号を信号線を通じて出力端子
から外部へ読み出すものである。この構成の場合、受光
素子が光ダイオードのものと比べるとフォト・トランジ
スタの方が増幅作用があるために大きな信号が得られ感
度が高いという利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、トランジスタの増幅作用を有する動作領
域はトランジスタのベース・エミッタ間がある一定の電
位差以上の順バイアス状態にあるときで、それ以下の時
は十分な増幅動作がなされない。よってイメージセンサ
の露光量と出力信号電圧の関係を示す充電変換特性は、
低露光量領域で感度の低い特性となり、全露光領域で一
定の感度とならない欠点があった。

そこで、本発明は、従来のこのような欠点を解決するた
めに、受光素子にフォト・トランジスタを用いている。

低露光領域では感度の低下が生じず、使用される全露光
条件下で感度が高く一定なイメージセンサを得ることを
目的としている。

〔！１！題を解決するための手段〕 上記問題点を解決するために、本発明は、受光素子とな
るフォト・トランジスタのベースに基準電位を与えるＭ
ＯＳ）ランジスタを接続し、そのＭＯＳＩ−ランジスタ
のゲート電極をフォト・トランジスタのエミッタに接続
した構成とし、動作する全露光蹟域で、一定の高い感度
を有するようにした。

〔作用〕

上記のように構成されたイメージセンサは、受光素子で
あるフォト・トランジスタのエミッタの電位を初期状態
に戻すと同時にベースの電位もフォト・トランジスタが
十分な増幅動作をする初期状態に戻され、その後番こベ
ース頭域に光電萄の蓄積がなされるため、低露光条件下
でも、ベース・エミッタ間の電位差は増幅動作をするた
めの十分な大きさを維持し、イメージセンサを使用する
全露光領域で一定の高い感度を示す光電変換特性をもつ
。この初期状態はベース電位が初期電位に設定されると
同時にベース・エミッタ間には、順バイアスの電圧が印
加された状態になり、エミッタ電位はベース電位に近づ
くと同時ζこ、ベースを初期状態にするＭＯＳ）ランジ
スタが非導通状態となって、初期状傅のベース・エミッ
タ間の電位差がある一定の大きさを安定して維持するよ
うに動作する。

〔実施例〕

以下に、本発明の固体撮像素子の実施例を図面に基づい
て説明する。

第１図は、本発明による固体撮像素子の一実施例である
リニアイメージセンサの部分的回路図であり、第２図は
、その動作を説明するための信号波形図である。

第１図番こおいてフォト・トランジスタ１１は便宜上、
ＮＰＮタイプのバイポーラトランジスタとなっており、
フォト・トランジスタのコレクタは半導体基板の基板電
圧ｖ０が与えられ、フォト・トランジスタ１１のエミッ
タは、リセット用のトランジスタ１２のドレインに接続
され、トランジスタ１２のソースには、フォト・トラン
ジスタ１１のエミッタを初期状態に設定するため、第２
基準電１１０６が接続され、基準電圧Ｖｚが与えられて
いる。この場合便宜上、トランジスタ１２はＮチャネル
のＭＯＳ）ランジスタとする。トランジスタＩ２のゲー
ト電極にはリセットパルスＰ、！が印加される６フオト
・トランジスタ１１のベースは、ベースを初期状態にす
るためのトランジスタ１３のドレインが接続されており
、便宜上、トランジスタ１３はＰチャネルのＭＯＳトラ
ンジスタとする。トランジスタ１３のソースには、第１
基準電極１０５が接続され、基準電圧ｖ１が与えられ、
かつ、トランジスタ１３のゲート電極は、フォト・トラ
ンジスタ１１のエミッタに接続され、そのエミッタには
読み出しスイッチ用のトランジスタ１４のドレインが接
続されている。便宜上トランジスタ１４はＮチャネルの
ＭＯＳトランジスタとし、そのゲート電極には、選択パ
ルスＰＩ４が印加される。トランジスタ１４のソースは
、共通信号線１０１に接続され、その共通１３号線を介
して外部の負荷のコンデンサ１０２に信号電荷を蓄積し
、コンデンサ１０２の両端の電圧で信号電圧を検出する
。信号電圧を検出するために負荷に便宜上コンデンサを
使用したが、抵抗でも電圧検出は可能である。フォト・
トランジスタ１１と３つのＶＯ３）ランジスタ１２〜１
４とで、１ビツトに相当する光センサが構成され、光照
射により励起され発生した光電荷のうちこの場合、正孔
がフォト・トランジスタ１１のベースに蓄積され、トラ
ンジスタ１４を介して光電変換された信号電荷が外部へ
読みだされる。リセットパルスＰ１２や選択パルスＰ１
４はシフトレジスタ１１０から与えられる。

このように構成された固体撮像素子の駆動方法の一実施
例を第２図を用いて説明する。

まず期間ｔ、において、リセットパルずＰ２Ｏ３によっ
て、リセット用トランジスタ１０３を導通させ、コンデ
ンサ１０２に蓄積されている不要な電荷を除去し、信号
読み出し端子１０４の電位を基準電圧ｖ３にした後、期
間ｔ、でトランジスタ１４を導通させ、フす１・・トラ
ンジスタ１１を駆動し、そのベースに蓄積された光電荷
に比例し増幅された１６号電荷を、基準信号線１０１を
介して、負荷のコンデンサ１０２に蓄積し信号電圧を信
号読み出し端子１０４で検出する。このときフォト・ト
ランジスタ１１のエミッタ電位も露光量に合わせて変動
するが、そのエミッタ電位がゲート電圧となるトランジ
スタ１３が導通状態にならぬようトランジスタ１３の閾
Ｉ直Ｖア、３を設定しておく。信号電荷が読みだされた
後、期間ｔ３の間、リセット用トランジスタ１２を導通
させ、フォト・トランジスタ１１のエミッタを初期状態
に設定できるよう基準電圧Ｖ、が印加される。この基ｖ
Ｊｔ圧■１は、フォト・トランジスタエ１のエミッタだ
けでなく、トランジスタ１３のゲート電極にも印加され
、トランジスタ１３を導通状態にするように足る電圧に
設定する。トランジスタ１３が導通ずると、フォト・ト
ランジスタ１１のベースの電位は、すくに基準電圧■、
に近い値いになり、ベース・エミッタ間に順バイアスの
電圧が印加されるようになる。すると、フォト・トラン
ジスタ１１はバイポーラ動作を始め、導通状態のトラン
ジスタ１２に流れる電流と等しくなるようにフォト・ト
ランジスタ１１のエミッタ電位が決定する。この電位は
フォト・トランジスタＩｆのベース・エミ・７タ間に約
０．６■の順方向の電圧が印加される位が通しており、
その時、次の近似式が成り立つ。

Ｋ　ｅ−ＶＥ　　（ＶＯ−Ｖｔ　　　ＶＴＮ）＝　ｈ　
ｆ　ｅ−Ｋ　ｎ　（Ｖｚ　　Ｖｔ　−０，６ＶＴＰ）”
／２ここで、Ｋｅ、及びＫｐは、それぞれトランジスタ
１２及びトランジスタ１３０に４Ｍで、ｖＦはトランジ
スタ１１のエミッタ電位で、Ｖ　ＴＲ１，Ｖ　ＴＰはそ
れぞれトランジスタ１２及びトランジスタ１３の閾値で
、ｈｆｅは、フォト・トランジスタ１１のエミ・ンタ接
地電流増幅率を表している。

よって、期間ｔ、で、フォト・トランジスタ１１のベー
ス・エミッタ間は、増幅動作をするに十分な順方向の電
圧が印加された状態となり、そのｔ３の期間を過ぎると
トランジスタ１２が非導通状態となり、それによりトラ
ンジスタ１３も非導通状態となるが、フォト・トランジ
スタのベース・エミッタ間の電位差はほぼ一定の電位差
を保持する。この状態がほぼ保持されながら、続く期間
ｔ４でフォト・トランジスタが光照射されると、フォト
・トランジスタのベースに、光励起されて発生した光電
荷（この場合、正孔）が蓄積され、ベース電位ＶＥ１１
　も」二昇する。

期間ｔ４の最後に前述の期間ｔ、ｌ　が重なり、その間
で共通信号線１０１及び真向コンデンサ１０２に残って
いる不要な信号電荷を除去する動作が前述の期間ｔ１の
ように繰り返される。

期間ｔ４の経過後、期間ｔ２°において、選択パルスＰ
１４が立ち上がり、トランジスタ１４が導通状態となる
。共通信号線１０１及び負荷コンデンサは、期間ｔｔｌ
　の初めに初期の基準電圧Ｖ、に保持されていたから、
トランジスタ１４が導通すると同時にフォト・トランジ
スタ１１のベース・エミ、り間に順バイアスの電圧が印
加され、ベースに蓄積された電荷量に応じ増幅された信
号電荷がフＡト・トランジスタ１１のエミッタから出力
され、トランジスタ１４を介し共通信号線１０１を通し
、負荷コンデンサ１０２を充電し、その充電電圧を信号
読み出し端子１０４で信号電圧として検出する。光が照
射されなかった時も、期間ｔ３の時、前述のようにフォ
ト・トランジスタ１１のベースとエミッタは、それらの
間に０．６Ｖ位の順バイアスの電圧がかかるようリセツ
トされていたため、期間ｔ２°でその順バイアスが平衡
状態になるまで、暗時の信号として出力され、負荷コン
デンサ１０２を充電する。光が照射されない暗状態にお
いても、フォト・トランジスタ１１がバイポーラトラン
ジスタとしての増幅機能をもつ動作領域で働（ため、暗
時から低露光条件下をも含め、入射光量に応じて発生、
蓄積された光電荷の量にほぼ比例し増幅された信号電荷
が外部に読み出される。

これらの繰り返しで、ある一定期間中にある受光素子に
照射された光の露光量を電気信号に変換された形で外部
へ決まった周期で読み出すことが可能になる。よって、
この受光素子をライン状に複数個配列し、シフトレジス
タ１１０で、選択パルスＰＩ４やりセットパルすｐ＋ｚ
を走査することで、ラインーにの光情報を充電変換後の
電圧として読み出すことが可能になる。

〔発明の効果〕 本発明は、以上の説明のようにフォト・トランジスタの
ベースに初期状態を設定するためのＭＯＳトランジスタ
を接続し、そのＭＯＳ）ランジスタのゲート電極を、フ
ォト・トランジスタのエミッタに接続するというだけで
簡単な構成で、フォト・トランジスタが受光素子として
動作する全ｎ１光領域で、はぼ一定の高い感度の充電変
換機能をもたす効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を用いた固体撮像素子の回路図の一部で
、第２図は本発明を用いた固体撮像素子を駆動する信号
波形図である。 １１・・・フォト・トランジスタ １２・・・　（第１ＭＯＳ型）トランジスタ１３・・・
　（第２ＭＯＳ型）トランジスタ１４・・・　（第３Ｍ
ＯＳ型）トランジスタ１０５・・第１基準電極 １０６・・第２基準電極 以 一部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板をコレクタとするフォト・トランジスタと該
   フォト・トランジスタのエミッタにドレインが接続され
   た第１ＭＯＳ型トランジスタとからなる画素を有する固
   体撮像素子において、前記フォト・トランジスタのベー
   スが第２ＭＯＳ型トランジスタのドレインに接続され、
   該第２ＭＯＳ型トランジスタのドレインに接続され、該
   第２ＭＯＳ型トランジスタのゲートと第３ＭＯＳ型トラ
   ンジスタのドレインが前記フォト・トランジスタのエミ
   ッタに接続され、前記第２ＭＯＳ型トランジスタのソー
   スは第１の基準電位を与える第１基準電極に接続され、
   そして前記第３ＭＯＳ型トランジスタのソースは、第２
   の基準電位を与える第２基準電極に接続されていること
   を特徴とする固体撮像素子。