JPS6046177A - 固体撮像素子 - Google Patents
固体撮像素子Info
- Publication number
- JPS6046177A JPS6046177A JP59142322A JP14232284A JPS6046177A JP S6046177 A JPS6046177 A JP S6046177A JP 59142322 A JP59142322 A JP 59142322A JP 14232284 A JP14232284 A JP 14232284A JP S6046177 A JPS6046177 A JP S6046177A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- solid
- period
- conductive film
- scanning
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
Landscapes
- 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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は半導体基板〜ヒに多数の光電変換素子および各
素子の光学情報を取り出す走査回路を集積化した固体撮
像素子に関するものである。
素子の光学情報を取り出す走査回路を集積化した固体撮
像素子に関するものである。
固体撮像素子は、現行のテレビジョン放送で使用されて
いる掃像用電子管並みの解像力を備える必要があり、こ
のため５００Ｘ５００個の光電変換素子およびそれに相
当した（ｘ、ｙ）座標選択用のスイッチ、またスイッチ
を開閉する５００段ずつのＸ走査回路、Ｘ走査回路が必
要となる。したがって、通常は高集積化が比較的容易な
ＭＯＳ大規模集積回路（ＭＯＳ−ＬＳＩ）技術を用いて
作られる。固体撮像素子の有力な担手としてＭＯＳ型お
よびＣＣＤ型の２種類がある。第１図はＭＯＳ型を引用
した従来の固体撮像素子である。ｌは垂直走査回路（図
示せず）によって開閉するゲート２を備えたｙ座標選択
用スイッチとなる絶縁ゲート形電界効果トランジスタ（
以下ＭＯ８Ｔと略記する）、３（３−１，３−２）は絶
縁膜、４はスイッチ１のソース接合を利用したｎｐ（父
はｐｎ）接合光ダイオード、５は信号出力線６全通して
Ｘ座標選択用スイッチＭＯ８Ｔ（図示せず）につながる
スイッチｌのドレインである。また７はこれらの素子を
集積化するｐ型（又はｎ型）シリコン半導体基板である
。ここで、ＭＯ８ＴＩと光ダイオード４が光電変換の単
位、すなわち絵素を構成している。
いる掃像用電子管並みの解像力を備える必要があり、こ
のため５００Ｘ５００個の光電変換素子およびそれに相
当した（ｘ、ｙ）座標選択用のスイッチ、またスイッチ
を開閉する５００段ずつのＸ走査回路、Ｘ走査回路が必
要となる。したがって、通常は高集積化が比較的容易な
ＭＯＳ大規模集積回路（ＭＯＳ−ＬＳＩ）技術を用いて
作られる。固体撮像素子の有力な担手としてＭＯＳ型お
よびＣＣＤ型の２種類がある。第１図はＭＯＳ型を引用
した従来の固体撮像素子である。ｌは垂直走査回路（図
示せず）によって開閉するゲート２を備えたｙ座標選択
用スイッチとなる絶縁ゲート形電界効果トランジスタ（
以下ＭＯ８Ｔと略記する）、３（３−１，３−２）は絶
縁膜、４はスイッチ１のソース接合を利用したｎｐ（父
はｐｎ）接合光ダイオード、５は信号出力線６全通して
Ｘ座標選択用スイッチＭＯ８Ｔ（図示せず）につながる
スイッチｌのドレインである。また７はこれらの素子を
集積化するｐ型（又はｎ型）シリコン半導体基板である
。ここで、ＭＯ８ＴＩと光ダイオード４が光電変換の単
位、すなわち絵素を構成している。
この種固体撮像素子は、前述の絵素と同様走査回路にも
集積度の高いＭＯＳシフトレジスタが使用され、絵素の
配列ピッチを縮少できる。すなわち解像度が高いという
利点を有している。さらに、ＭＯ８Ｔを使用しているた
め製作歩留りが高い、低消費電力である等の利点も有し
ている。
集積度の高いＭＯＳシフトレジスタが使用され、絵素の
配列ピッチを縮少できる。すなわち解像度が高いという
利点を有している。さらに、ＭＯ８Ｔを使用しているた
め製作歩留りが高い、低消費電力である等の利点も有し
ている。
反面、欠点は、その動作が入射光によって放電した電荷
をホトダイオードから直接読み出す方式であるため出力
信号は本来非常に小さくなる。また、ＭＯＳスイッチの
ドレインは共通に信号出力線に接続されるが、この出力
線に寄生する容量８は通常光ダイオードの備える蓄積容
量９に較べて５０〜１００倍大きいため、出力信号はこ
の容量分割によりさらに低下する。さらに問題となるの
は、スイッチング時のノイズである。感光素子の選択は
パルス電圧の印加あるいはスイッチングによって行うた
め、直流的には絶縁されている感光素子の各構成部分間
の静電容量あるいは配線相互□。＃Ｆ、、□、オ、１□
／（／Ｌ／ ：ｌ□７．１．オ、 ”力線に漏洩するこ
とに起因するスパイク雑音が発生し、出力信号のＳ／Ｎ
比（Ｍ号対雑音比）を著しく低下させる。
をホトダイオードから直接読み出す方式であるため出力
信号は本来非常に小さくなる。また、ＭＯＳスイッチの
ドレインは共通に信号出力線に接続されるが、この出力
線に寄生する容量８は通常光ダイオードの備える蓄積容
量９に較べて５０〜１００倍大きいため、出力信号はこ
の容量分割によりさらに低下する。さらに問題となるの
は、スイッチング時のノイズである。感光素子の選択は
パルス電圧の印加あるいはスイッチングによって行うた
め、直流的には絶縁されている感光素子の各構成部分間
の静電容量あるいは配線相互□。＃Ｆ、、□、オ、１□
／（／Ｌ／ ：ｌ□７．１．オ、 ”力線に漏洩するこ
とに起因するスパイク雑音が発生し、出力信号のＳ／Ｎ
比（Ｍ号対雑音比）を著しく低下させる。
本発明は、上記したＳ／Ｎ比の問題を解消するためにな
されたもので、光電変換素子を従来とは全く異なる構造
に改めることにより、高い信号出力を得ることにある。
されたもので、光電変換素子を従来とは全く異なる構造
に改めることにより、高い信号出力を得ることにある。
本発明は上記目的を達成するため、光をとおすＭＯＳ電
極の下に空乏層を形成し、本空乏層に蓄積される光電荷
の変化によって生ずるＭＯＳ電極下の表面電位の変化を
絵素毎に設けたＭＯ８Ｔのゲートに入力するようにした
ものである。
極の下に空乏層を形成し、本空乏層に蓄積される光電荷
の変化によって生ずるＭＯＳ電極下の表面電位の変化を
絵素毎に設けたＭＯ８Ｔのゲートに入力するようにした
ものである。
以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。
第２図（ａ）は、本発明の固体撮像素子を構成する光電
変換用絵素の構造を示す図である。１０はＭＯ８Ｔ等を
集積化する＠ｌ導電型（例えばｐ型）の半導体基板、１
１は絶縁酸化膜（例えば５ｉｏ２）１２を介して設けた
透明または半透明の電極、１３は基板とは異なる導電型
（例えばｎ型）の拡散層、１４はソース１５ドレイン１
６、ゲート１７から成るＭＯ８Ｔであり、本ゲートには
配線（例えばＡ／ ） ｌ ８により、該拡散Ｊｉｉ１
３に接続されている。１９は電極１１に所定の電圧を加
える電圧印加端子、また、２０は基板１０と配線１８等
を絶縁する酸化膜（例えばＳｉＯ□）である。
変換用絵素の構造を示す図である。１０はＭＯ８Ｔ等を
集積化する＠ｌ導電型（例えばｐ型）の半導体基板、１
１は絶縁酸化膜（例えば５ｉｏ２）１２を介して設けた
透明または半透明の電極、１３は基板とは異なる導電型
（例えばｎ型）の拡散層、１４はソース１５ドレイン１
６、ゲート１７から成るＭＯ８Ｔであり、本ゲートには
配線（例えばＡ／ ） ｌ ８により、該拡散Ｊｉｉ１
３に接続されている。１９は電極１１に所定の電圧を加
える電圧印加端子、また、２０は基板１０と配線１８等
を絶縁する酸化膜（例えばＳｉＯ□）である。
同図（ｂｌは同図（ａ）ｅ回路構成的に表わしたもので
、同図（ａｌに使用した番号にダッシュ（′）を付けて
示した（例えば、１５１は同図（ａ＞の１５に相当する
）。
、同図（ａｌに使用した番号にダッシュ（′）を付けて
示した（例えば、１５１は同図（ａ＞の１５に相当する
）。
電極１１に端子１９を介して所定の電圧Ｖ。
（基板がｐ型の場合は士、ｎ型の場合は−）を印加する
と、基板表面には空乏層２１が形成される。
と、基板表面には空乏層２１が形成される。
この状態で、電１ｆｌｌ？通して光が入射するさ。
基板内では電子−正孔対が発生し、基板がｐ型の場合は
少数キャリアである電子２２が空乏層内に蓄積される（
ｎ型の場合は正孔が蓄積される）。
少数キャリアである電子２２が空乏層内に蓄積される（
ｎ型の場合は正孔が蓄積される）。
本空乏層には垂直方向の走査方法に依存してｌフィール
ド（−秒ｚ １６ ｍ ５ｅｃ）あるいは１７Ｌ／０ 例した電子（あるいは正孔）が蓄積され、これに伴って
、ｌフィールド期間後（あるいはｌフレーム期間後）に
は基板ｌＯの表面電位は入射光量を反映した値に変化す
る。この表面電位は基板表面に設けた該拡散層１３によ
り堆り出されるが、本拡散層はＭＯ８Ｔ］４のゲートに
接続されているので、実際には、ＭＯ８ＴＩ ４のソー
ス・ドレイン間を流れる電流として検出される。したが
って、ＭＯ８Ｔ１４は表面電位の検出トランジスタとし
ての役割を果す。表面電位φの入射光による変化範囲は
、電極（１１）−酸化膜（１２）一基板（ｌＯ）によっ
て決まるＭＯ８構造のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、
φ＝Ｏｖ〜（ｖｌＩ−ｖＩｈ）■である。ココテ、Ｏｖ
は光が入射しなかった場合、ｖａ−ｖＩｈは光の入射に
より空乏層に光電荷が満杯に蓄積された状態であり、検
出ＭＯ８Ｔを流れる電流Ｉｓ（これが信号電流となる）
は、検出ＭＯ８Ｔのドレイン電圧ＶＤ（１６に印加する
電圧）が十分低く非飽和領域で働く場合は（１１式、検
出Ｍ ＯＳ Ｔが飽和領域で働く場合には（２）式で与
えられることになる。
ド（−秒ｚ １６ ｍ ５ｅｃ）あるいは１７Ｌ／０ 例した電子（あるいは正孔）が蓄積され、これに伴って
、ｌフィールド期間後（あるいはｌフレーム期間後）に
は基板ｌＯの表面電位は入射光量を反映した値に変化す
る。この表面電位は基板表面に設けた該拡散層１３によ
り堆り出されるが、本拡散層はＭＯ８Ｔ］４のゲートに
接続されているので、実際には、ＭＯ８ＴＩ ４のソー
ス・ドレイン間を流れる電流として検出される。したが
って、ＭＯ８Ｔ１４は表面電位の検出トランジスタとし
ての役割を果す。表面電位φの入射光による変化範囲は
、電極（１１）−酸化膜（１２）一基板（ｌＯ）によっ
て決まるＭＯ８構造のしきい値電圧をＶｔｈとすれば、
φ＝Ｏｖ〜（ｖｌＩ−ｖＩｈ）■である。ココテ、Ｏｖ
は光が入射しなかった場合、ｖａ−ｖＩｈは光の入射に
より空乏層に光電荷が満杯に蓄積された状態であり、検
出ＭＯ８Ｔを流れる電流Ｉｓ（これが信号電流となる）
は、検出ＭＯ８Ｔのドレイン電圧ＶＤ（１６に印加する
電圧）が十分低く非飽和領域で働く場合は（１１式、検
出Ｍ ＯＳ Ｔが飽和領域で働く場合には（２）式で与
えられることになる。
上式において、βはチ・ヤンネルコンダクタンス、ｖ、
ｈ′は検出ＭＯ８Ｔのしきい値電圧であり、後で述べる
ように電極１１と１７を同一の工程で製作する場合はｖ
Ｉｈ−ｖＩｈ′ となる。
ｈ′は検出ＭＯ８Ｔのしきい値電圧であり、後で述べる
ように電極１１と１７を同一の工程で製作する場合はｖ
Ｉｈ−ｖＩｈ′ となる。
前述の（１） 、 （２）式で与えられる信号電流を抵
抗を介して読出した出力波形を第３図に示す。２３は第
４図の実施例で述べる水平走査パルス、２４は”１ルベ
ル水平走査パルスによって導通する水平スイッチを通し
て流れる電流（１）式あるいは（２）式を抵抗を介して
読出した出力波形である。一方、２５は従来の固体撮像
素子（第１図）の場合に得られる出力波形、２６．２６
’は走査パルスの立上り時（”０”→”１”）および立
下り時（”１”→“０″）に水平スイッチの寄生容量に
よって発生するスパイク状の雑音である。従来の固体撮
像素子では、入射光により光電変換された電圧が光分割
されるため、出力電圧は非常に小さくなり、高々数ｍＶ
（通常の抵抗値ＩＫΩの場合）である。
抗を介して読出した出力波形を第３図に示す。２３は第
４図の実施例で述べる水平走査パルス、２４は”１ルベ
ル水平走査パルスによって導通する水平スイッチを通し
て流れる電流（１）式あるいは（２）式を抵抗を介して
読出した出力波形である。一方、２５は従来の固体撮像
素子（第１図）の場合に得られる出力波形、２６．２６
’は走査パルスの立上り時（”０”→”１”）および立
下り時（”１”→“０″）に水平スイッチの寄生容量に
よって発生するスパイク状の雑音である。従来の固体撮
像素子では、入射光により光電変換された電圧が光分割
されるため、出力電圧は非常に小さくなり、高々数ｍＶ
（通常の抵抗値ＩＫΩの場合）である。
スパイク雑音は同一抵抗の場合で通常１００ｍＶ程度で
あり、信号対雑音比はｌ／１０と極端に小さくなる（抵
抗値を大きくしても、信号の読出し時間を長くするのみ
で、信号対雑音比は変らない）。
あり、信号対雑音比はｌ／１０と極端に小さくなる（抵
抗値を大きくしても、信号の読出し時間を長くするのみ
で、信号対雑音比は変らない）。
これに対し、本発明の光電変換素子を使用した固体撮像
素子では、光電変換された電圧をそのまま検出ＭＯ８Ｔ
のゲートで受け、さらに、検出ＭＯ８Ｔにより信号が増
幅されるため、信号出力は従来素子に較べると３０〜１
００倍以上になる。
素子では、光電変換された電圧をそのまま検出ＭＯ８Ｔ
のゲートで受け、さらに、検出ＭＯ８Ｔにより信号が増
幅されるため、信号出力は従来素子に較べると３０〜１
００倍以上になる。
この結果、１００ｍＶ〜３００ｍＶの高出力が得られる
ようになり、信号対雑音比は大きく改善されるこきにな
る。また、出力信号自体が同図に示したように走査期間
中一定の値に保持（以後、サンプルホールドき称する）
されるため、信号処理がし易くなる。さらには、高出力
が得られるため、本出力信号を受け入れる増幅器の増幅
率を高くする必要がない。本出力に較べると雑音は同程
度あるいは数分の１と小さいため、従来のように増幅器
のダイナミックレンジが雑音によって低下する問題がな
くなる等の副次的な利点も得られる。
ようになり、信号対雑音比は大きく改善されるこきにな
る。また、出力信号自体が同図に示したように走査期間
中一定の値に保持（以後、サンプルホールドき称する）
されるため、信号処理がし易くなる。さらには、高出力
が得られるため、本出力信号を受け入れる増幅器の増幅
率を高くする必要がない。本出力に較べると雑音は同程
度あるいは数分の１と小さいため、従来のように増幅器
のダイナミックレンジが雑音によって低下する問題がな
くなる等の副次的な利点も得られる。
本発明の光電変換絵素を使用した固体撮像素子の一例を
、第４図に示す。２７は第２図に示した本発明の光電変
換絵素、２８（２Ｂ−１，２８−２，２８−３，・・・
・・・）は垂直走査回路２９によって順次開閉する垂直
スイッチ、３０（３０−１゜３０−２．・・・・・・）
は水平走査回路３１によって順次開閉する水平スイッチ
である。また、３２は水平信号出力線、３３は垂直信号
出力線、３４は電極１１に”１”又は“０”レベルの電
圧を与える後述のクリアパルス（ＣＬ、、ＣＬ２．Ｃ′
ＬＩ３・・・）発生器である。
、第４図に示す。２７は第２図に示した本発明の光電変
換絵素、２８（２Ｂ−１，２８−２，２８−３，・・・
・・・）は垂直走査回路２９によって順次開閉する垂直
スイッチ、３０（３０−１゜３０−２．・・・・・・）
は水平走査回路３１によって順次開閉する水平スイッチ
である。また、３２は水平信号出力線、３３は垂直信号
出力線、３４は電極１１に”１”又は“０”レベルの電
圧を与える後述のクリアパルス（ＣＬ、、ＣＬ２．Ｃ′
ＬＩ３・・・）発生器である。
本撮像素子の動作を、第５図に示したパルスタイムチャ
ートに従って説明する。ここでは、ＭＯ８ＴがＮチャン
ネル（基板がｐ型）の場合を考え、十の高電圧を”１”
レベル、低電圧を”０″レベルとするが、Ｐチャンネル
ＭＯ８Ｔの場合には極性を−に変えればよい。垂直走査
回路は、各段の出力ｏ 、ｏ 、ｏ 、ｏ ・・・・・
・に、−ＶＩ Ｖ２ ＶＢ Ｖ４ 水平走査期間毎（６４ｐ ｓｅｅ； １５．７ ＫＨｚ
）に走査パルスｖ１１ ｖ２１ ｖ３ ＃ ｖ４ ・
・・・・・を出力し、水平走査回路は、各段の出力ＯＨ
１ｌ ＯＨ２１０Ｈ３１０Ｈ４・・・・・・に、水平方
向に並ぶ絵素によって決まる周波数（５００絵素の場合
〜９．５ＭＨｚ）で走査パルスＨ，、Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４
・・・・・・を出力する。
ートに従って説明する。ここでは、ＭＯ８ＴがＮチャン
ネル（基板がｐ型）の場合を考え、十の高電圧を”１”
レベル、低電圧を”０″レベルとするが、Ｐチャンネル
ＭＯ８Ｔの場合には極性を−に変えればよい。垂直走査
回路は、各段の出力ｏ 、ｏ 、ｏ 、ｏ ・・・・・
・に、−ＶＩ Ｖ２ ＶＢ Ｖ４ 水平走査期間毎（６４ｐ ｓｅｅ； １５．７ ＫＨｚ
）に走査パルスｖ１１ ｖ２１ ｖ３ ＃ ｖ４ ・
・・・・・を出力し、水平走査回路は、各段の出力ＯＨ
１ｌ ＯＨ２１０Ｈ３１０Ｈ４・・・・・・に、水平方
向に並ぶ絵素によって決まる周波数（５００絵素の場合
〜９．５ＭＨｚ）で走査パルスＨ，、Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４
・・・・・・を出力する。
始めに一列目の絵素の走査（１，１）（１，２）（１，
３）（１，４）・・・・・・（１，Ｍ）を考える。
３）（１，４）・・・・・・（１，Ｍ）を考える。
これらの絵素の電極１１は前回のフィールドあるいはフ
レームにおける走査完了後“１”レベルに保持されてい
たクリアパルスＣＬ１によりほぼ一フイールド期間（あ
るいはｌフレーム期間）光電荷の蓄積状態にあり、その
結果、電極１１Ｆの表面電位は絵素（１，１）はφ、、
１．（１，２）はφ、、、（１，３）はφ１．．（１，
４）はφ８，４゜・・・・・・になったものとし、電位
の相対関係は各絵素に入射した入射光量を反映して仮に
φ１ 、〉φ１３〉φ１□〉φ１４であるとする。第１
段目の垂直走査パルスｖ１に”ｌ”レベルにあるので、
垂直スイッチ２８−１は導通状態にあり、水平走査パル
スＨ，、Ｈ２，馬、 Ｈ，、、、、、、により水平スイ
ッチ３０−１ 、３０−２ 、３０−３ 、３０−４・
・・・・・が順次開閉すると、検出ＭＯ８Ｔのゲート電
圧φ１１１φ１□、φ１８．φ、４によって決まる信号
電流ＳＩ １ １ Ｓｌ □ｌ Ｓｌ ３１ Ｓｌ ４
”０．”カ；流れる。ここで、流れの方向は水平信号
出力線の一端Ｓ。にビデオ電源電圧ηを与え、垂直スイ
ッチ共通線４０１の一端をＯｖ（アース電圧）にＩ置い
た場合は出力線３２→スイッチ３０→検出ＭＯ８Ｔ１４
→スイ、チ２８→共通線４０１の方向きなり、逆に出力
端Ｓ。をＯＶ、共通線４０１の一端にビデオ電源電圧を
与えた場合には（図示せず）、共通線４０１→スイッチ
２８→検出ＭＯ８Ｔ１４→スイッチ３０→出力線３２の
方向となる。ここで、信号電流Ｓ１１ ＠ Ｓｌ □、
Ｓ１３゜Ｓ、４ ・・・・・・は前述のように出力線の
一端に接続し １゜た読み出し抵抗Ｒ２を介して電圧の
形で読出してもよいし、電流の形でそのまま読出しても
よい。
レームにおける走査完了後“１”レベルに保持されてい
たクリアパルスＣＬ１によりほぼ一フイールド期間（あ
るいはｌフレーム期間）光電荷の蓄積状態にあり、その
結果、電極１１Ｆの表面電位は絵素（１，１）はφ、、
１．（１，２）はφ、、、（１，３）はφ１．．（１，
４）はφ８，４゜・・・・・・になったものとし、電位
の相対関係は各絵素に入射した入射光量を反映して仮に
φ１ 、〉φ１３〉φ１□〉φ１４であるとする。第１
段目の垂直走査パルスｖ１に”ｌ”レベルにあるので、
垂直スイッチ２８−１は導通状態にあり、水平走査パル
スＨ，、Ｈ２，馬、 Ｈ，、、、、、、により水平スイ
ッチ３０−１ 、３０−２ 、３０−３ 、３０−４・
・・・・・が順次開閉すると、検出ＭＯ８Ｔのゲート電
圧φ１１１φ１□、φ１８．φ、４によって決まる信号
電流ＳＩ １ １ Ｓｌ □ｌ Ｓｌ ３１ Ｓｌ ４
”０．”カ；流れる。ここで、流れの方向は水平信号
出力線の一端Ｓ。にビデオ電源電圧ηを与え、垂直スイ
ッチ共通線４０１の一端をＯｖ（アース電圧）にＩ置い
た場合は出力線３２→スイッチ３０→検出ＭＯ８Ｔ１４
→スイ、チ２８→共通線４０１の方向きなり、逆に出力
端Ｓ。をＯＶ、共通線４０１の一端にビデオ電源電圧を
与えた場合には（図示せず）、共通線４０１→スイッチ
２８→検出ＭＯ８Ｔ１４→スイッチ３０→出力線３２の
方向となる。ここで、信号電流Ｓ１１ ＠ Ｓｌ □、
Ｓ１３゜Ｓ、４ ・・・・・・は前述のように出力線の
一端に接続し １゜た読み出し抵抗Ｒ２を介して電圧の
形で読出してもよいし、電流の形でそのまま読出しても
よい。
−水平走査期間内に絵素（１，Ｍ）までの走査を完了す
ると、各絵素の電極１１にはこれまで”ｌ”レベルに在
ったクリアパルスＣＬ、を水平帰線期間内（ＴＢＬＩ）
に“０−レベルに戻すことにより、“０″レベルが加え
られ、空乏層２１は消滅する。
ると、各絵素の電極１１にはこれまで”ｌ”レベルに在
ったクリアパルスＣＬ、を水平帰線期間内（ＴＢＬＩ）
に“０−レベルに戻すことにより、“０″レベルが加え
られ、空乏層２１は消滅する。
本消滅により、蓄積電荷２２は基板内に注入され電荷の
掃除（クリア）が行われる。クリアパルスは、同一の水
平帰線期間ＴＢＬＩの間に再び”ｌ”レベルに戻され、
電極１１の下には次のフィールド（あるいはフレーム）
に入射する光閂に相当する光電荷を蓄積するための空乏
層が新しく形成される。次に、走査は垂直走査パルスｖ
２により２列目の絵素に入る。ここで、前回のフィール
ドあるいはフレームにおける走査完了以後、”ｌ”レベ
ルに保持されていたクリアパルスにより電極１１の下に
蓄積されてきた電荷による表面電位の大きさを、仮にφ
８〉φ２＝φ４〉φ１ とすれば、水平走査パルス列Ｈ
１，Ｈ２，Ｈ，、Ｈ４・・・・・・により信号電流Ｓ２
□、Ｓ２□Ｉ Ｓ２３．１ Ｓ２４・・・が流れる。−
水平走査期間に二列目の絵素の走査を完了すると、水平
帰線期間内（ＴａＬ２ ） にクリアパルスＣＬ２は″
０ルベルに戻り第１列目の説明と同様の動作により蓄積
電荷２２は基板内に注入され電荷のクリアが行われ、そ
の後クリアパルスの“ｌ”レベルへの復帰により次のフ
ィールドに対する電荷を蓄積するための空乏層が形成さ
れる。同様にして、垂直走査パルスＶ３．ｖ４ ・・・
、。
掃除（クリア）が行われる。クリアパルスは、同一の水
平帰線期間ＴＢＬＩの間に再び”ｌ”レベルに戻され、
電極１１の下には次のフィールド（あるいはフレーム）
に入射する光閂に相当する光電荷を蓄積するための空乏
層が新しく形成される。次に、走査は垂直走査パルスｖ
２により２列目の絵素に入る。ここで、前回のフィール
ドあるいはフレームにおける走査完了以後、”ｌ”レベ
ルに保持されていたクリアパルスにより電極１１の下に
蓄積されてきた電荷による表面電位の大きさを、仮にφ
８〉φ２＝φ４〉φ１ とすれば、水平走査パルス列Ｈ
１，Ｈ２，Ｈ，、Ｈ４・・・・・・により信号電流Ｓ２
□、Ｓ２□Ｉ Ｓ２３．１ Ｓ２４・・・が流れる。−
水平走査期間に二列目の絵素の走査を完了すると、水平
帰線期間内（ＴａＬ２ ） にクリアパルスＣＬ２は″
０ルベルに戻り第１列目の説明と同様の動作により蓄積
電荷２２は基板内に注入され電荷のクリアが行われ、そ
の後クリアパルスの“ｌ”レベルへの復帰により次のフ
ィールドに対する電荷を蓄積するための空乏層が形成さ
れる。同様にして、垂直走査パルスＶ３．ｖ４ ・・・
、。
水平走査パルスＨ，、ｆ−１２，Ｈ，、Ｈ４・・・によ
り信号電流Ｓ３１ ＠ Ｓｌ □＃ Ｓｌ ３１ Ｓｌ
４・・・。
り信号電流Ｓ３１ ＠ Ｓｌ □＃ Ｓｌ ３１ Ｓｌ
４・・・。
Ｓ４１ ＃ Ｓ４２１Ｓ４ Ｂ Ｉ ”４４・・・が得
られる。ここで、前回のフィールドあるいはフレームに
蓄積された電荷による表面電位は、３列目は仮にφ１〉
φ２；φ４〉φ３ ・・・、４夕１１目はφ４〉φ１〉
φ２〉φ３ ・・・とじた。また、クリアパルスＣＬ３
、ＣＬ４が各々の水平帰線期間ＴＢＬ１３１ ｅ Ｔ
ａＬ（４に＠ ｌ Ｗ＋→”０”、”０”→“ｌ”にな
ることにより、蓄積電荷のクリアおよび次のフィールド
あるいはフレームのための空乏層が形成される動作は前
述の通りである。
られる。ここで、前回のフィールドあるいはフレームに
蓄積された電荷による表面電位は、３列目は仮にφ１〉
φ２；φ４〉φ３ ・・・、４夕１１目はφ４〉φ１〉
φ２〉φ３ ・・・とじた。また、クリアパルスＣＬ３
、ＣＬ４が各々の水平帰線期間ＴＢＬ１３１ ｅ Ｔ
ａＬ（４に＠ ｌ Ｗ＋→”０”、”０”→“ｌ”にな
ることにより、蓄積電荷のクリアおよび次のフィールド
あるいはフレームのための空乏層が形成される動作は前
述の通りである。
前述の実施例においては、垂直スイッチ２８を各列に１
個設ける構成を示したが、絵素当りの構成素子数が増え
ることをいとわなければ、第６図に示すように垂直スイ
ッチ２８′を絵素毎に設け、検出ＭＯ８Ｔ１４’と直列
に接続する構成を考えることもできる。ここで、３５は
スイッチ２８′のドレイン、３６はスイッチ２８′のゲ
ートであり、例えば垂直走査パルスＶ、 、 Ｖ２．
Ｖ３ ・・・・・・により開閉する。また、前述の実施
例では走査径不要になった電荷を基板側へ除去したが、
やはり絵素当りの構成素子数の増加をいとわなければ第
７図に示すようにクリア用のＭＯ８Ｔ３７を１つ設け、
ＭＯ８Ｔ３７の一端（ドレイン）３８を１３’に、一端
（ソース）３９を接地あるいは所定の低電圧に固定し、
ＭＯ８Ｔ３７のゲー）４０に第５図に示したクリアパル
スＣＬの反転パルスを印加し、ＭＯ８Ｔ３７が水平帰線
期間毎に導通するようにしてもよい。また、クリアパル
スは特に設けないで、ＭＯ８Ｔ３７のゲートは１段後の
垂直走査パルスにより開閉してもよい（例えば、ｖ２に
より２列目の絵素の走査に入った時点で、１列目のクリ
アＭＯ８Ｔ３７のゲートにも垂直走査パルスｖ２を印加
する）。第６図に示した絵素を使用した固体撮像素子の
一例を第８図に示す。
個設ける構成を示したが、絵素当りの構成素子数が増え
ることをいとわなければ、第６図に示すように垂直スイ
ッチ２８′を絵素毎に設け、検出ＭＯ８Ｔ１４’と直列
に接続する構成を考えることもできる。ここで、３５は
スイッチ２８′のドレイン、３６はスイッチ２８′のゲ
ートであり、例えば垂直走査パルスＶ、 、 Ｖ２．
Ｖ３ ・・・・・・により開閉する。また、前述の実施
例では走査径不要になった電荷を基板側へ除去したが、
やはり絵素当りの構成素子数の増加をいとわなければ第
７図に示すようにクリア用のＭＯ８Ｔ３７を１つ設け、
ＭＯ８Ｔ３７の一端（ドレイン）３８を１３’に、一端
（ソース）３９を接地あるいは所定の低電圧に固定し、
ＭＯ８Ｔ３７のゲー）４０に第５図に示したクリアパル
スＣＬの反転パルスを印加し、ＭＯ８Ｔ３７が水平帰線
期間毎に導通するようにしてもよい。また、クリアパル
スは特に設けないで、ＭＯ８Ｔ３７のゲートは１段後の
垂直走査パルスにより開閉してもよい（例えば、ｖ２に
より２列目の絵素の走査に入った時点で、１列目のクリ
アＭＯ８Ｔ３７のゲートにも垂直走査パルスｖ２を印加
する）。第６図に示した絵素を使用した固体撮像素子の
一例を第８図に示す。
ここで、記号の説明は第４図、第６図に記載した通りで
ある。本素子の動作は第４図に示した素子と同様であり
、タイムチャートも第５図とほぼ同様であるので、動作
の詳細については省略する。
ある。本素子の動作は第４図に示した素子と同様であり
、タイムチャートも第５図とほぼ同様であるので、動作
の詳細については省略する。
本発明の撮像素子は、透明電極として半透明の多結晶シ
リコンを用いた場合には、本電極は本素子を構成する他
のＭＯ８Ｔのゲート電極き同一の工程で製作することが
できるので、従来の撮像素子き全く同様のＭＯＳ−ＬＳ
Ｉプロセス技術を利用して製作することができる。また
、透明電極としてＳｎＯ□ 膜あるいはＩｎＯ２等を用
いる場合は、他のＭＯ８Ｔのゲート電極を形成する前あ
るいは後に別の工程を１つ設けて製作すればよい。
リコンを用いた場合には、本電極は本素子を構成する他
のＭＯ８Ｔのゲート電極き同一の工程で製作することが
できるので、従来の撮像素子き全く同様のＭＯＳ−ＬＳ
Ｉプロセス技術を利用して製作することができる。また
、透明電極としてＳｎＯ□ 膜あるいはＩｎＯ２等を用
いる場合は、他のＭＯ８Ｔのゲート電極を形成する前あ
るいは後に別の工程を１つ設けて製作すればよい。
以上、実施例を用いて詳細に説明したように、本発明の
撮像素子では、（１１光電変換電圧が分割されることな
く高電圧のまま取出すこ吉ができるので、従来に較べて
数十倍〜二桁高い信号対雑音比を得ることが可能になる
、（１１）信号がサンプルホールドされた形で抽出され
るので信号処理が容易になるという利点を有している。
撮像素子では、（１１光電変換電圧が分割されることな
く高電圧のまま取出すこ吉ができるので、従来に較べて
数十倍〜二桁高い信号対雑音比を得ることが可能になる
、（１１）信号がサンプルホールドされた形で抽出され
るので信号処理が容易になるという利点を有している。
したがって、従来、撮像素子の問題点とされてきた信号
対雑音比は著しく改善され（あるいは、低照度光での撮
像が可能となり）、本発明はアイデア、実用上ともに極
めて優れた価値を有している。
対雑音比は著しく改善され（あるいは、低照度光での撮
像が可能となり）、本発明はアイデア、実用上ともに極
めて優れた価値を有している。
第３図および第５図の実施例では本発明の趣旨を明確に
説明するため、原理的な構成について述べたが、インタ
レース機能を加えた場合には垂直走査回路各段の出力に
インタレーススイッチ用ＭＯ８Ｔが加えられる、またカ
ラー撮像素子の場合には、信号出力線の数が２本以上に
増える等構成が若干変わってくる。これらの場合におい
ては、水平および垂直の走査の方式が若干具なるのみで
、本発明の光電変換絵素の動作については前述と変りは
ない。また、前述の実施例においては、撮像素子の構成
素子としてＭＯ８Ｔを使用したが、本発明の趣旨を逸脱
しない範囲で走査回路あるいはスイッチ等にＣＣＤ （
Ｃｈａｒｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）、Ｂ
Ｂ Ｄ （Ｂｕｃｋｅｔ ＢｒｉｇａｄｅＤｅｖｉｃｅ
ｓ）、接合型電界効果トランジスタあるいはバイポーラ
トランジスタ等を使用できることは自明である。
説明するため、原理的な構成について述べたが、インタ
レース機能を加えた場合には垂直走査回路各段の出力に
インタレーススイッチ用ＭＯ８Ｔが加えられる、またカ
ラー撮像素子の場合には、信号出力線の数が２本以上に
増える等構成が若干変わってくる。これらの場合におい
ては、水平および垂直の走査の方式が若干具なるのみで
、本発明の光電変換絵素の動作については前述と変りは
ない。また、前述の実施例においては、撮像素子の構成
素子としてＭＯ８Ｔを使用したが、本発明の趣旨を逸脱
しない範囲で走査回路あるいはスイッチ等にＣＣＤ （
Ｃｈａｒｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）、Ｂ
Ｂ Ｄ （Ｂｕｃｋｅｔ ＢｒｉｇａｄｅＤｅｖｉｃｅ
ｓ）、接合型電界効果トランジスタあるいはバイポーラ
トランジスタ等を使用できることは自明である。
第１図は従来の固体撮像素子を構成する光電変換素子を
示す図、第２図は本発明の光電変換素子を示す図、第３
図は本発明の光電変換素子の信号出力波形を示す図、第
４図は本発明の光電変換素子を使用した固体撮像素子を
示す図、第５図は第４図の固体撮像素子の動作タイムチ
ャートを示す図、第６図、第７図は本発明の光電変換素
子の別の実施例を示す図、また第８図は第６図の光電変
換素子を使用した固体撮像素子を示す図である。
示す図、第２図は本発明の光電変換素子を示す図、第３
図は本発明の光電変換素子の信号出力波形を示す図、第
４図は本発明の光電変換素子を使用した固体撮像素子を
示す図、第５図は第４図の固体撮像素子の動作タイムチ
ャートを示す図、第６図、第７図は本発明の光電変換素
子の別の実施例を示す図、また第８図は第６図の光電変
換素子を使用した固体撮像素子を示す図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、同一半導体基板上に複数の光電変換素子、複数の走
査回路および該走査回路によって開閉するスイッチ群を
備えた固体撮像素子において、該半導体基板上に形成し
た絶縁膜を介してモザイク状に分離した透明または半透
明の導電性膜を積層し、該導電膜に所定の電圧を印加す
ることにより該半導体基板の主表面に形成した空乏層中
に１フレ一ム期間あるいはｌフィールド期間で発生した
光電荷を蓄積し該蓄積電荷により変化する基板表面電位
を該透明導電性膜毎に設けた第１の絶縁ゲート形電界効
果トランジスタのゲートに入力し、該第１のトランジス
タと直列に接続した第２の絶縁ゲート形電界効果トラン
ジスタのゲートを該走査回路により順次開閉し、第１の
ＭＯＳ ）ランジスタに流れる電流を順次映像信号とし
て検出することを特徴とする固体撮像素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子において
、所定の列の映像信号の検出を一水平走査期間で完了Ｌ
７た後、該列の該透明導電性膜にほぼ１フレ一ム期間あ
るいはＪフィールド期間印加していた該電圧をパルス的
に所定の低電圧に落とし、該列の該透明導電性膜下の空
乏層に蓄積されていた光信号電荷を基板裏面に向って排
除し、同一水平帰線期間内に該列の該透明導電膜に印加
する電圧を所定の電圧にり帰させることにより、新しい
フレームあるいはフィールドに対する光電荷蓄積用の空
乏層を形成し、該動作を列毎に順次繰返すこきを特徴と
する固体撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59142322A JPS6046177A (ja) | 1984-07-11 | 1984-07-11 | 固体撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59142322A JPS6046177A (ja) | 1984-07-11 | 1984-07-11 | 固体撮像素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6046177A true JPS6046177A (ja) | 1985-03-12 |
Family
ID=15312653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59142322A Pending JPS6046177A (ja) | 1984-07-11 | 1984-07-11 | 固体撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6046177A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01243462A (ja) * | 1988-03-25 | 1989-09-28 | Hitachi Ltd | 固体撮像素子 |
-
1984
- 1984-07-11 JP JP59142322A patent/JPS6046177A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01243462A (ja) * | 1988-03-25 | 1989-09-28 | Hitachi Ltd | 固体撮像素子 |
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