JPS6028472B2 - 固体光像検出装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明‘ま固体光像検出装置の駆動方法、特に同一半導
体基板上に製作した光検出部と同光検出部からの出力を
時間順次的に選択読み出しをするための走査回路部とか
ら構成される固体光像検出装置の駆動方法に関するもの
である。

固体光像検出装置に要求される本質的な特性の一つは高
解像度であり、そのため通常は高集積化が比較的容易で
しかも光検出部と走査回路部とが一体化構造にできるＭ
ＯＳ−ＬＳＩ技術が用いられる。

第１図にＭＯＳ型固体光像検出装置の原理的構成図を示
す。

１は水平走査用の走査回路で、一般にクロックパルスに
より駆動するＭＯＢシフトレジスタが利用される。

２は垂直走査用の走査回路で、やはりＭＯＳシフトレジ
スタが利用される。

これらの走査回路１，２は通常２相のクロツクパルスに
より駆動され、初段回路に入力したスタートパルスがク
ロツクのもつ一定のタイミングずつシフトしたパルスを
、それぞれの走査パルス入力線３ーー，３一２，……，
３一ｎ，４一１，４一２，……，４一ｍに出力する。こ
のパルス列により水平ＭＯＳスイッチ５，垂直ＭＯＳス
イッチ６を順次開閉し、垂直ＭＯＳスイッチ６のソース
接合を利用したホトダィオード７からの信号を伝送線８
一１，８一２，……，８−ｎを通してビデオ出力線９に
取り出す。このビデオ出力線９に取り出された信号は、
１フレーム期間に入射した光により放電したダイオード
の電荷をビデオ電源１０より充電するときの充電電流で
あり、負荷抵抗１１を通して読み出されるものである。
各ホトダイオード７からの信号はその上に投影された光
学像に対応する。上記のような固体光像検出装置はその
構造の簡潔さから、高集積化には非常に有利である。

しかしながら、この装置を実際に作動させる場合には幾
多の不都合が発生する。その一つは第１図における伝送
線８一１，８−２，…・・・，８−ｎに関するものであ
り、各伝送線８一１，８一２，．・・．・・８一ｎにそ
れぞれＭ個の垂直ＭＯＳスイッチ６の全てのドレイン電
極が接続されるために発生する問題である。すなわち、
垂直ＭＯＳスイッチ６のドレィン領域はホトダィオード
７の構成要素であるソース領域と同様にサブストレート
との間にｐｎ接合を形成するもので、光学的にもホトダ
イオードと全く等価といえる。その結果、２次元行列の
集積度を高めるにつれて、実効的に光学しやへし・の因
難なドレィン領域で感知される光擬似信号（以下擬似信
号と呼ぶ）が本来のビデオ信号に混入してノイズ成分と
なること、さらには各伝送線８一１，８一２，・・・・
・・，８一ｎの容量成分が増大し、その時定数に関連し
た走査速度の上限が著しく低下することなどの問題が発
生する。本発明はこのような問題を解決するものであり
、伝送線に起因するノイズ成分の発生を防止するととも
に、同伝送線に起因する走査速度の低下を防止すること
のできる固体光像検出装置の駆動方法の提供を目的とす
る。

以下、図面の実施例により本発明を詳しく説明をする。

第２図は本発明の駆動方法によって駆動される２次元固
体光像検出装置を示す横成図である。本実施例では第１
図の従釆回路と比較して、行列状に配列された垂直ＭＯ
Ｓスイッチ２１をその列ごとに相互接続する伝送線２２
と各々伝送線２２に対応する水平ＭＯＳスイッチ２３と
の間に、転送用ＭＯＳトランジスタ２４と転送用コンデ
ンサ２５とからなる信号転送部、および水平ＭＯＳスイ
ッチ２３と並列に共通ソース接続および共通ドレイン接
続をとるＭＯＳスイッチ２６からなる擬似信号消去部を
付加した点に特長を有する。ホトダィオード２７とこれ
に接続する垂直ＭＯＳスイッチ２１からなる単位絵素が
Ｍ行Ｎ列の行列状に配置されている。

多数の垂直ＭＯＳスイッチ群は各行ごとにそのゲートを
共通接続し、垂直走査パルス入力線２８として垂直走査
回路２９に接続する。垂直ＭＯＳスイッチ群の各ドレィ
ンは列ごとに共通接続されて伝送線２２を形成する。こ
の伝送線２２の一端にソース部を介して転送用ＭＯＳス
イッチ２４が接続される。転送用ＭＯＳスイッチ２４の
各々のゲートは相互接続され転送パルス入力線３０とな
る。転送用ＭＯＳスイッチ２４のドレイン部には、それ
ぞれその他端を共通接続して転送補助パルス入力線３１
を形成する転送用コンデンサ２５が接続される。また転
送用ＭＯＳスイッチ２４のドレインにはソースおよびド
レインを共通する一対のＭＯＳスイッチ２３，２６が接
続される。一つは水平ＭＯＳスイッチ２３であり、他は
擬似信号消去用ＭＯＳスイッチ２６である。水平ＭＯＳ
スイッチ２３のゲートは水平パルス入力線３２を通じて
水平走査回路３３に接続される。擬似信号消去用ＭＯＢ
スイッチ２６のゲートは共通接続して、擬似信号消去パ
ルス入力線３４となる。水平ＭＯＳスイッチ２３および
擬似信号消去用ＭＯＳスイッチ２６の共通ドレィンはビ
デオ出力線３５に接続され、外部のビデオ電源３６につ
ながった構成となっている。なお、３７は出力を取り出
すための負荷抵抗である。なお本発明の構成では擬似信
号消去用電源ラインをわざわざ設けることなく、ビデオ
出力線３５と共用させ高集積化しやすいものとしている
。第３図は上記の構成からなる固体光像検出装置を駆動
する本発明の駆動方法を説明するためのタイミング図で
あり、駆動に必要なパルス波形と出力波形の一例を示す
。ここでの各ＭＯＳスイッチは全てＰチャンネル，ェン
ハンスメント型について述べるが、Ｎチャンネル型でも
共通の原理により同様に説明される。また各絵素の作動
については全く同様であるから、第１行に並列配置され
た絵素群に注目しておこなう。なお、以下の説明では第
１図で述べた公知な基本動作をふまえ、本発明の特徴的
な動作部分を中心に述べる。本発明の動作原理は、水平
婦線期間内に、まず各伝送線２２に蓄積された擬似電荷
を転送用ＭＯＳスイッチ２４のドレィン部Ｎｓ，（蓄積
部）に転送し、擬似信号消去用ＭＯＳスイッチ２６を介
して完全に除去してクリアせしめ、つづいてクリアされ
た伝送器２２を通して行方向に並ぶホトダィオード２７
群の信号電荷を同時に上記蓄積部ＮｓＴに転送し、しか
る後水平走査パルスによって上記蓄積部ＮｓＴに転送さ
れている信号電荷を水平ＭＯＳスイッチ２３を介して読
みだしていくところに特徴がある。

まず、第１ステップは伝送線２２のクリアである。

各伝送線２２の電位は、それぞれに直結する垂直ＭＯＳ
スイッチ２１のドレィン群が一水平走査期間内に検知し
た擬似電荷分△○，，△○２，……，△Ｑｎにより充電
時のそれより上っている。これをクリアするため、転送
パルス入力線３０および転送補助パルス入力線３１に対
して、第３図に示す水平帰線期間内の初期の方の所定時
刻りこて負のパルスＶＴＧおよびＶＴｃを加える。パル
スの電圧値については転送用ＭＯＳスイッチ２４が常に
飽和領域で作動するよう選ぶことが必要である。このパ
ルスＶ，Ｇ，ＶＴｃの印加により蓄積部ＮｓＴの電位は
転送用コンデンサ２５のブートストラップ効果によって
初期電位Ｖ＄（ビデオ電源３６の電位に等しい）からＶ
３６十ａ・Ｖ，ｃの大きな負の電位（ここでａは○＜ａ
く１の定数で、各転送用コンデンサ２５の容量と蓄積部
ＮｓＴの容量で決まる）になるとともに、転送用ＭＯＳ
スイッチ２４を通じて伝送線２２の電位をＶＴｃ−ＶＴ
まで充電する。ここでＶＴは転送用ＭＯＳスイッチ２４
のしきい値電圧である。続いて水平帰線期間内の次の時
刻ら‘こてパルスＶＴＧおよびＶＴｃを零電位にもどす
と、転送用ＭＯＳスイッチ２４の各ゲートが閉じ蓄積部
ＮｓＴの電位は上る。このとき伝送線２２への電荷補充
分△○，，△０２・・…・，△Ｑｎが蓄積部ＮｓＴでの
電荷不足分△○，，△○２・・・・・・，△Ｑｎという
形で現われ、蓄積部ＮｓＴの電位は初期電位Ｖ蝋より上
る。すなわち伝送線２２の擬似電荷△○，，ＡＱ２・・
・・・・，△Ｑｎが蓄積部ＮｓＴへ転送されたことにな
る。転送原理はバケットブリゲードデバィス（ＢＢＤ）
と類似なものであり、ＶＴｃ＝ＶＴｃの場合にはＢＢＤ
の一転送部分そのものである。ここで蓄積部Ｎｓｒの容
量は擬似電荷分あるいはホトダィオード２７による信号
電荷分を補充するだけのものがあればよく、伝送線２２
のそれに比べてはるかに小さなもので充分である。一方
、転送用コンデンサ２５の容量はプートストラツプ効果
を発揮して転送用ＭＯＳスイッチ２４を飽和領域で動作
させる値であればよく、設計値にも依存するが蓄積部Ｎ
ｓＴの容量の２倍もあれば十分である。なお、端子３１
に印加する転送補助パルスを小さくする必要のあるとき
には、転送用コンデンサ２５の容量を蓄積部の容量Ｎｓ
Ｔと同等もしくはこれ以上の大きさとすればよい。試作
した２５４×２４４ビットの２次元固体光像検出装置で
は蓄積部ＮｓＴの容量はホトダィオード２７の５個分で
完全な転送能力を発揮した。つぎに擬似信号消去用ＭＯ
Ｓスイッチ２６のゲート端子に時刻ｔ３に示すタイミン
グ時刻ｔ４までの期間員のパルスＶＰＧを加えると、蓄
積部ＮｓＴに移された擬似電荷分はビデオ出力線３５に
擬似信号Ｎとして読み出される。

ただしＶＰｃの電圧値は擬似信号消去用ＭＯＳスイッチ
２６が３極管モード動作をするよう選ふくのが望ましく
、その結果蓄積部ＮｓＴは全て、ビデオ電源電位Ｖ３６
まで再充電される。第２ステップはホトダィオード２７
で検知された信号電荷を蓄積部ＮｓＴに転送させるもの
である。

第１ステップで転送用ＭＯＳスイッチ２４のゲートを閉
じた後、再びそのゲートが開く時亥Ｕｔ５までの期間内
（ら＜ｔくｔ５）に立下り期間が存在する垂直走査パル
スＶＧを垂直パルス入力線２８に加えると、パルスＶｃ
が印加された行の垂直ＭＯＳスイッチ２１は導適状態と
なり、ホトダィオード２７の信号電荷はクリアされた伝
送線２２上に流れ込む。伝送線２２上に分配された信号
電荷を蓄積部ＮｓＴに転送させるのは第１ステップで述
べた擬似電荷の転送と全く同じものである。ただし、第
２ステップではタイミング図からも明らかなように転送
用ＭＯＳスイッチ２４を通して伝送線２２だけでなくホ
トダイオード２７もＶＴｃ−ＶＴの電位まで充電され、
時亥＆６以後、再び光電変換作用が繰り返えされる。上
記動作説明のごとく、伝送線２２の擬似電荷および信号
電荷の転送は第１行１列のホトダィオード２７のみ単独
でおこなわれるものでなく、その行を同じくするホトダ
イオード２７群全て同時に並行してなされる。

したがって、ホトダイオ−ド２７群により検知された信
号電荷は各行ごとに水平帰線期間内にダイオードマトリ
ックス部から各々に対応した蓄積部ＮｓＴに転送される
。続いて水平走査パルス入力線３２に順次走査パルスを
印加すれば各ホトダィオードに対応したビデオ信号列が
順次取り出され、蓄積部ＮｓＴは再び電源電位Ｖ３６に
戻る。ビデオ出力線３５に現われる波形Ｖｃを第３図の
最下段に示すが水平婦線期間内に現われる擬似信号Ｎは
プランキング動作により完全に除去されて信号としては
取り出されない。本発明では伝送線２２のクリアを信号
読みだしと全く同一の操作方法でしかもタイミング的に
信号読みだしの直前に行うので、走査期間中のビデオ出
力線からは擬似信号成分を全く含まない信号をとりだす
ことができる。

また、本発明ではホトダィオード２７の充電電位は転送
用ＭＯＳスイッチ２４のゲートにかける電位のみに依存
し、ビデオ出力線３５の電源電位に無関係とすることが
できる。したがってビデオ出力線３５の電源電圧３６を
周辺回路の便宜性から汎用の−５Ｖとしてもホトダィオ
ード２７には、実質最適光電変換特性が得られるような
任意のバイアス値（一３〜一１５Ｖ）をかけることがで
きる。さらに同一の転送用ＭＯＳスイッチ２４を介して
擬似信号消去および信号読み出しの両者を行なう本発明
では、素子製作上避けることが困難なプロセスパラメー
タの不均一に起因したＭＯＳスイッチ群のＶＴ値のバラ
ッキの影響を極力小さくすることができ、その結果、わ
ずかな電荷変動分もより正確に検出することができる。

以上説明してきたように本発明によれば、水平帰線期間
内に擬似信号消去用ＭＯＳスイッチを動作させることに
より、従来では除去できなかったＭＯＳスイッチ素子の
ドレィン領域が構成する多数のｐｎ接合に不必要な光擬
似信号を除去して、光検出素子のビデオ信号のみを取り
出すことができ、高集積化された二次元固体光像検出装
置におけるビデオ信号の大幅なＳ／Ｎ比改善を行なうこ
とができる。

さらに、Ｓ／Ｎ比の改善に加えて、本発明によれば、ビ
デオ信号を読み出す際には、転送用ＭＯＳスイッチによ
りビデオ出力線と伝送線とが分離されるため、走査速度
の上限は伝送線にかかわる大きな容量が直接関係しなく
なり、水平走査速度を大幅に高めることができる。さら
に、従来装置では各行において垂直スイッチング素子が
すべて導通して順次光信号の検出が行なわれるものであ
るため、光検出に対する非有効期間が１水平走査期間と
なり、また検出信号もそれぞれ異なる時刻のものとなっ
ていたが、本発明によれば、各行の光信号が水平帰線期
間内に同時に検出されるため、上記非有効期間が著しく
短くなるとともに、同一時刻の光信号が同時に検出され
、画像の歪が少なくなる。実際に第２図に示す回路構成
を持つ２５４×２４４ビットの２次元固体光像検出装置
を試作し、第３図に示す駆動方法で動作させたところ、
ブルーミング特性が大幅に改善され、信号対雑音比（Ｓ
／Ｎ比）も４戊旧以上のものが得られた。

また走査速度についても虫ＭＨＺの高速で充分動作する
ことが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は従釆のＭＯＳ型２次元光像検出装置を示す回路
図、第２図は本発明にかかる固体光像検出装置の一実施
例を示す回路図、第３図は同実施例装置を駆動する際の
各部の電圧波形を示す図である。 ２ １……垂直ＭＯＳスイッチ、２２……伝送線、２３
・・・・・・水平ＭＯＳスイッチ、２４……転送用スイ
ッチ、２５・・・・・・転送用コンデンサ、２６・・・
・・・擬似信号消去用ＭＯＳスイッチ、２７・・・・・
・ホトダィオード、２８・・・・・・垂直パルス入力線
、２９・・・…垂直走査回路、３０・・・・・・転送パ
ルス入力線、３１・・・・・・転送補助パルス入力線、
３２・・…・水平パルス入力線、３３・・・・・・水平
走査回路、３４・・・・・・擬似信号消去パルス入力線
、３５・・・・・・ビデオ出力線、３６・・・・・・ビ
デオ電源、３７・・・・・・負荷抵抗、ＮｓＴ・・・・
・・蓄積部。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 行列状に配列された光検出素子群と、各々の第１主
   電極が前記各光検出素子に接続された垂直スイツチング
   素子と、各行ごとに前記垂直スイツチング素子の制御電
   極を共通接続する垂直走査パルス入力線と、各列ごとに
   前記垂直スイツチング素子の第２主電極を共通接続する
   伝送線と、前記各伝送線に各々の第１主電極が接続され
   る転送用スイツチング素子と、前記転送用スイツチング
   素子の制御電極を共通接続する転送パルス入力線と、前
   記転送用スイツチング素子の各々の第２主電極に接続さ
   れる容量素子と、前記容量素子の各々の他端を共通接続
   する転送補助パルス入力線と、各々の第１主電極が各列
   ごとで共通接続されて前記転送用スイツチング素子の各
   々の第２主電極に接続される水平スイツチング素子およ
   び光擬似信号消去用スイツチング素子と、前記水平スイ
   ツチング素子および前記光擬似信号消去用スイツチング
   素子の第２主電極を共通接続するビデオ出力線と、前記
   水平スイツチング素子の各々の制御電極に接続された水
   平走査パルス入力線と、前記光擬似信号消去用スイツチ
   ング素子の各々の制御電極に接続された光擬似信号パル
   ス入力線とを具備する固体光像検出装置の、前記転送パ
   ルス入力線および前記転送補助パルス入力線の双方に対
   して、１水平帰線期間内に２個のパルスを印加し、第１
   のパルスの印加時に前記伝送線上にある擬似信号を前記
   容量素子へ転送し、第２のパルスの到来までの期間にこ
   れを排出し、次いで前記第２のパルスの印加時に前記垂
   直スイツチング素子を介して前記光検出素子での検出信
   号を前記容量素子へ転送し、この転送信号を水平走査期
   間に出力させることを特徴とする固体光像検出装置の駆
   動方法。