JPS5885677A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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Publication number
JPS5885677A
JPS5885677A JP56184601A JP18460181A JPS5885677A JP S5885677 A JPS5885677 A JP S5885677A JP 56184601 A JP56184601 A JP 56184601A JP 18460181 A JP18460181 A JP 18460181A JP S5885677 A JPS5885677 A JP S5885677A
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JP
Japan
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charge
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horizontal
solid
vertical
Prior art date
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Pending
Application number
JP56184601A
Other languages
English (en)
Inventor
Susumu Hashimoto
進 橋本
Kenro Sone
賢朗 曽根
Masanori Omae
大前 昌軌
Seiji Ishikawa
石川 清次
Yoshio Okubo
大久保 祥雄
Masao Hiramoto
政夫 平本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP56184601A priority Critical patent/JPS5885677A/ja
Publication of JPS5885677A publication Critical patent/JPS5885677A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

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】 本発明は固体撮像電子に関するものである。
最近、固体撮像素子の開発が進み、性能的にも、撮像管
に匹敵するものがすでに実相されるようになってきた。
固体撮像素子の構成において、〜光感頬部アレイにはP
M接合による多数個のフォトダイオードが2次元的に配
設されたものが用いられる。このフォトダイオードには
、あらかじめ、PM接合間に一定のバイアス電圧を印加
し、充電せしめておき、充電回路を切断のうえ、光照射
をおこなうと、光励起による担体によって放電がおこな
わnる。放電電荷を幾何学的配列の方向に沿って、時系
列信号に変換し出力することによって固体撮像素子の信
号が読み出される。
放電電荷を時系列信号に変換し出力する動作は、2次元
配列された電荷パターンの読み出し動作であって、メモ
リシステムにおける読み出し動作と基本的には同じであ
る。しかしながら、電荷信号め読み出しは、ランダムア
クセスにする必要は必ずしもない。通常のテレビジi?
システムに対しては、前記のごとく、時系列信号に変換
するために、読み出しはデジタル型のシフトレジスタや
、電荷転送などの方法を応用することができる。
第1図は、従来のMO8形向体撮像素子の構成例である
。光情報を電荷の形で蓄えるフォトダイオード部1.フ
ォトダイオード部1の信号を一定の順序で読み出すため
の水平および垂直のスイッチMO8)ランジスタ2、ス
イッチ回路を動作させるための、水平および垂直シフト
レジスタ部3゜4と映像増幅器5とで構成式れている。
第2図は上記固体撮像素子の信号亀荷取り出し部の要部
断面図であり、光感頬部であるフォトダイオード部と、
それらに対するスイッチ部の構成例を示している。
同図において、21はP型Si基板、22は水平スイッ
チMO8型トランジスタ、23は光電変換機能を有する
フォトダイオード、24は垂直スイッチMO8型トラン
ジスタである。いま、光が受光部であるフォトダイオー
ド23に入射するとP型Si基板21内で電子と正孔の
対が発生し、N型部内では、正孔がP型頭域に流出して
電子が残る。
P型頭域ではその逆になる。このようにして入方光に相
当して、蓄えら′nた光電子はNチャンネル型の場合は
で−ト電極に正のパルスを印加することにより、縦方向
の垂直信号線に引出さnる。さらに、信号電荷による垂
1信号緋の電位変動を第1図に示すように映像増巾器6
より出力する。
従来におけるこのような信号の読み出し形式のッチMO
3)ランジスタ22のスイッチング雑音が極めて大きく
、種々の差動法による消去法を施しても、残留分が固定
雑音として残る場合が多い。
そこで、垂直信号線に引出された信号電荷を、電荷検出
器が容易に接続でき、出方時のスイッチング雑音の影響
を回避できる重荷結合素子(can:charge c
oupled device)として広く知ら扛るCC
Dシフトレジスタを同一基板上に構成し、それによって
水平読出しをおこなう固体撮像素子が開発されている。
この固体撮像素子の場合垂直信号線に引出された信号電
荷を水平CCDシフトレジスタより読み出すために、垂
直信号線の信号電荷を水平CCDシフトレジスタに直接
注入する構成を用いる。その場合の構成tlJを第3図
に示した。
第3図において、31は垂直信号線、32は水平シフト
レジスタ、33は垂直シフトレジスタ、33ij  は
受光部逅なるフォトダイオード、34は垂直信号線31
上の信号′FM、荷を水平シフトレジスタ32へ注入す
るための電荷注入部、35は垂直スイッチMO8l−ラ
ンジスタ、PGl、PG2゜PGCは外部よりパルス電
圧を印加するための外部印加電圧端子(ゲート)である
第4図は輩3図の固体撮像素子において垂直信号線31
から、水平CCDシフトレジスタ32に信号電荷を注入
するときの電荷転送用パルスのタイミング図である。
第4図において、も□は水平CCDシフトレジスタ32
の転送りロックパルスであり、τHBLKは水平ブラン
キング期間(水平消去時間)を示している。pcは垂直
信号線31の信号電荷をコンテンサCBiニ移スハルス
、PG2はコンデンサCB。
の電荷を水平CCDシフトレジスタ32に移スタめのパ
ルスである。すなわち、PGI LPG2 。
PGCは垂直信号線31の電荷を水平CLODシフトレ
ジスタ3に転送するためのゲート群である。
この場合には、明らかに、垂直信号′−31に移ちれた
信号電荷を、一旦CB工に移し更に水平CCDシフトレ
ジスタ32に注入するためには、垂直信号線31の終端
は、PM接合のN型拡散層に接続することが必要となる
。PGC端子から与えるクロックによるプートストラツ
フー効果を除けば定常状態で垂直信号線31、光感頬部
であるフォトダイオード31コの電位は水平CCDシフ
トレジスタ32のチャンネル電位の値までしかならない
。また、垂直信号線31と拡散1−からの電荷転送は、
拡散層内に、電界が作用しないために、電子の拡散プロ
セスのみによっておこなわれる。99.9%以上の電荷
転送をおこなうためには、第4図のτ、。
τ2は0.1111sec程度を必要とする。これは、
垂直転送に使用できる。水平消去時間τHBLKの約1
8.6μ式と比較して長すぎる時間である。このため、
撮像特性において、色分離特性、解像特性に障害を生ず
ることになる。
本発明は、上記欠点を除去するものであり、垂直信号電
荷による電位変動分に比例した電荷を水平CCDシフト
レジスタに注入することによって、電荷の転送に必要な
時間を大巾に短縮しようとするもので第6図に本発明の
固体撮像装置の基杢構成を示す。
第5図において、61は電位変動を電荷量に変換する電
荷注入部(変換部)62は垂直走査用シフトレジスタ、
63はフォトダイオードのアレイ等よりなる光感加部、
64は光感加部と同一構造で、光学的入力をなくシタフ
ォトダイオード列、66は水平出力用CODシフトレジ
スタ、67は水平出力用CCDシフトレジスタの出力部
、68は差動出力アンプ、69はムーDコンバータ、6
0はデジタルメモリ、61はD−ムコンバータである。
電位変動を電荷量に変換する動作は、垂直転送線の電荷
を拡散層に移し、そ扛を水平canシフトレジスタに完
全転送をするのと異なり、極めて高速の10””see
程度の動作が可能である。
これを第6図+IL1 、 fbl 、 (C1に示す
ポテンシャル図を用いて説明する(第6図の具体的な構
成は後で説明する第7図に示さ扛ている。)。
第6図+ILI 、 (bJ 、 ((l)lにおいて
、D4は拡散層の上に設けらnfc端子、P2 * P
3i 、 P+は図示すシタ順位で配列されたゲート電
極、φH2は水平capミルシフトレジスタゲート電極
である。時刻t、。
t2 は垂直信号線の電位をそれに相当する電荷へ変換
する時刻を示”(、、t、はこの電荷を水平CODシフ
トレジスタへ注入する時刻を示す。
ゲート電極φH2下の水平CCDK注入すべき電荷量は
、ゲート電極P3、に加える電圧によって、ゲート電極
P2とゲート電極Phiのチャンネル電位差に比例して
、ゲート電極Psiの下にと9こむことができる。すな
わち、第6図(2L)における時刻t1で適当にバイア
スさfたゲート電極P2に対し。
パルス駆動で設定でれた端子D4の拡散層電位vdLが
その流入電荷によるPsiゲート電極電極クチヤンネル
電位位の平衡を達成するのに要する時間は10””2s
ec程度である。時刻t2−’(第6図(b)テ拡散層
電位をvdHにした後、と9込まれたゲートP5iの下
の電荷を、時刻t5(第6図(C))でゲート電極を開
いて、水平OCDのゲート電極φH2下に移すのは、い
わゆる電荷転送によるものであって、10secの時間
で99.99%以上の転送効率で転送するのは容易であ
る。したがって、垂直信号線の電位変動を、水平can
への注入電荷量に変換するのは全体として十数マイクロ
秒でおこない得る。
しかしながら、水平シフトレジスタに、外部から電荷注
入をおこなう場合には、電荷の注入量が注入量を制御す
るためのゲート電極Pi 、 P2およびP3iの部分
のしきい値電圧のバラツキによって変化することがある
。その場合は、映像における垂直方向に信号出力差を生
じ、縦方向のパターンが映1埃面に現われる。これは固
定パターンノイズとも呼ばれ、映像画質を低下させる。
これを解決するために、第6図で示す固体撮像素子にお
いて信号処理を外部でおこなう。すなわち、同装置では
ダイオードの2次元アレイ部よりなる光感加部63、変
換部61、水平シフトレジスタ部66で要部を構成し、
光電変換をおこなわない、すなわち光入力のない、フォ
トダイオード列64を設けておく。
第7図は、第6図に示す構成の固体撮像素子の一実施例
である。水平シフトレジスタ76はφ)itsφH21
φH51φH4による4相駆動を行ない、実線の区切り
はCODの1段を表わす。垂直シフトレジスタ72は2
相のグイナミックンフトレクスタであり、スタートパル
スSPvにより、フォトダイオード3 ij’をi列の
垂直信号線V工に移すスイッチパルスφvjを与える。
P+、P2.D4は、第6図における注入部61の垂直
信号電位変動を注入電荷量に変換するためのゲート群の
制御端子であり、R、D4の駆動タイミング例は第8図
に示すとおりである。0FCG、OFDはフォトダイオ
ードに対する過大光により、溢れる=Uの排出を制御す
る端子である。67は水平gcnの電荷を検出し出力す
る出力部である。
2次元フォトダイオードアレイ部のフォトダイオード行
30iへの読出しパルスφ7Q sフォトダイオード行
311への読出しパルスφ7.が順次第8図示のタイミ
ング図で示すように垂直シフトレジスタより与えられる
と、垂直信号線Vエ の電位変動△Vに相当した基準電
荷列q。i +m。工が水平CODシフトレジスタ76
より読み出さnる。このΔqo工には、水平CLODの
各段での注入電荷量のバラツキのすべてと、1水平期間
τ□に発生する垂直信号線viへの疑似電荷分が含まれ
る。擬似電荷は、光入射により発生した電荷が、フォト
ダイオードに収′容されずに、直接に垂直信号?fsV
iに入る電荷である。フォトダイオードアレイ部からの
信号電荷列Δqpijを読み出す前に、上記△qoiを
読み出し、これを、第6図で示すように外部回路でム/
D変換しデジタルメモリに記憶する。
フォトダイオード列3oiは光入力がないが第1行以降
3□、 、 3i2#・・・3ijでの光信号を含む信
号列の読み出しの場合には、フォトダイオードからの信
号型荷分Δqpijが含まれるので水平のCCDシフト
レジスタの出力ではq。i+△qoi+Δqp ijが
排出される。したがって、第1行以降では、そのフィー
ルド期間は、基準の電荷列q。1+m。iとの差をとる
ことによってΔqpijのみをと9出すことができる。
以上のように、本発明の固体撮1球素子の構造によって
、2次元光感知部を、フォトダイオードアツチMO8T
を付した垂直続出し線、スイッチMO8Tに対する垂直
MOSンフトレジスタの構成を水平読み出し用CCDシ
フトレジスタと結びつけることによって、読み出し全体
の高い転送効率が実現でき、2−次元固体撮像素子の低
照度時の特性を改善することができる。このため、撮像
素子のダイナミックレンヂが維持され、画質の向上がお
こなわれる。
【図面の簡単な説明】
′第1図は従来のMos爾固体撮像素子の構成を示す図
、第2図は同固体撮像素子の信号電荷取り出し部の要部
断面図、第3図は従来の他の固体撮像素子の構成を示す
図、第4図は同固体撮像素子における駆動パルスを示す
図、第6図は本発明の固体撮像素子の構成を示す図、第
6図(L) 、 (b) 、 (C1は電位変動を電荷
量に変換する動作を説明するためのポテンシャル−1第
7図は本発明の一実施例における固体撮像素子の構成を
示す図、第8図は同固体撮像素子における駆動パルスを
示す図である。 61・・・・・・電位変動を電荷量に変換する電荷注入
部(変換部)、62・・・・・・垂直走査用シフトレジ
スタ、63・・・・・・光感細部、64・・・・・・光
学的入力をなくしたフォトダイオード列%66・・・・
・・水平出力用CCDシフトレジスタ、67・・・・・
・出力部。 第1図 第3図 第4図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 多数の光感頬部と、同光感知部の信号電荷を読み出すそ
    れぞれのスイッチトランジスタと、前記感知部の信号電
    荷を共通に読み出す垂直信号線と、各垂直信号線の電位
    変動分を注入゛〜荷量の変化に変換する電荷注入部と、
    すぐなくとも−組の水平読出し用OCDシフトレジスタ
    とを半導体基板上に備えてなること−を特徴とする固体
    撮像素子。
JP56184601A 1981-11-17 1981-11-17 固体撮像素子 Pending JPS5885677A (ja)

Priority Applications (1)

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JP56184601A JPS5885677A (ja) 1981-11-17 1981-11-17 固体撮像素子

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JP56184601A JPS5885677A (ja) 1981-11-17 1981-11-17 固体撮像素子

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JPS5885677A true JPS5885677A (ja) 1983-05-23

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ID=16156057

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JP56184601A Pending JPS5885677A (ja) 1981-11-17 1981-11-17 固体撮像素子

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