JPS6181087A - 固体撮像装置 - 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】

（技術分野） 本発明は、光電変換作用、増幅作用およびスイッチング
作用を併せ持つ静電誘導トランジスタを撮像素子として
用いる固体撮像装置に関するものである。 （従来の技術） 従来、固体撮像装置としてはＣＯＤ等の電荷転送素子を
用いるものや、ＭｏＳトランジスタを用いるものなどが
広く用いられている。しかし、これらの固体撮像装置は
電荷転送時に電荷の洩れがあること、光検出感度が低い
こと、集積度が上がらないことなどの問題がある。この
ような問題を一挙に解決するものとして、静電誘導トラ
ンジスタ　　　。 （５ｔａｔｉｃ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｉｓ
ｔｏｒの頭文字をとってＳＩＴと呼ばれている）を用い
たものが新だに提案されているっ例えば特開昭５５−１
５２２９号公報には、マトリックス状に配列したＳＩＴ
のソースを行ラインに接続し、ドレインを列ラインに接
続し、ゲートなり１１アラインに接続した固体撮像装置
が示されている。また、ＳＩＴとして零ゲートバイアス
下でオフ状態にあるノマリーオフ形のものを用いるもの
がある。このノーマリ−オフ形のＳＩＴを用いる固体撮
像装置においては、電荷注入域で信号を読出すため、振
幅の大きなスパイク状信号が得られるという特長を有す
るが、他方では読出し時のＳＩＴゲート電位の実行的使
用範囲が、ＳＩＴがオン状態になり始める正のピンチオ
フ電圧から、ゲートからソースへの電荷注入が起こるゲ
ート電圧才でと狭いため、扱える入射光量範囲が狭く、
一 ）　　　′−６６；”ｐ”ｃ＠、Ｈ露光量”′］゛さ゛
８′５間１゛８る。 このような問題を解決するものとして、ＳＩＴとして零
ゲートバイアス下でオン状態にあるノーマリ−オン形の
ものを用いる固体撮像装置が開発されている。第１０図
（Ａｌは本願人が、特願昭５８−１６５２３７号におい
て既に提案したノーマリ−オン形のＳＥＴを用いる固体
撮像装置の一画素を構成するＳＩＴの断面図、第１０図
ｆｉｌは、その全体の回路構成図、第１０図（０は、固
体撮像装置を動作させるための信号波形図である。 第１０回頭において、ノーマリ−オン形のＳＩＴとする
ため、ゲート領域間の間隔Ｗｇは比較的大きく形成する
ことができる。なお、各画素を分離する領域９は、絶縁
物ではなく、例えば、ｎ拡散層で形成することもできる
。 第１０図の）に示すように、該固体撮像装置は、上記構
成のノーマリ−オン形のＳ　Ｉ　Ｔ　２０−１１．２０
−１２、・・・・・・・・・２０−ｍｎが、マトリック
ス状に配列；１ され、ＸＹアドレス方式により信号を読出すよ　　ｌう
に構成されている。すなわち、各画素を構成　　　糞す
るＳＩＴのドレインは接地され、Ｘ方向に配列された各
行のＳＩＴ群のゲート端子は、行ライン２１−１１２１
−２、−・・・・・・・・２１−ｍにそれぞれ接続され
ている。またＹ方向に配列のＳＩＴ群のソースは、列ラ
イン２２−１．２２−２、・・・・・・・・・２２−ｎ
に接続され、これらの列ラインは、それぞれ列選択用ト
ランジスタ２３−１．２３−・２、・・・・・・・・・
２３−ｎを介して、ビデオライン２４に共通に接続され
ている。ビデオライン２４には負荷抵抗２５を介して、
ビデオ電圧Ｖｓが加えられている。 そして、行ライン２１−１．２１−２、−・・・・・・
・・２１−ｍ＆！垂直走査回路２６に接続され、それぞ
れ信号φＧ＋。 φＧ２、・・・・・・・・・φＧｍが加わるようになっ
ている。また、列選択用トランジスタ２３−１１２３−
２ｑ・・・・・・・・・・・・２３−ｎのゲート端子は
、水平走査回路２７に接続され、信号φＳ】、φＳ２、
・・・・・・・・・φＳｎが加わるように構成されてい
る。 次に、第１０図（ｑに示した波形図に基づいて、垂直走
査信号φＧ及び水平走査信号φＳについて説明する。行
ラインに加えられる信号φＧ＋、　φＱ２゜・・・・・
・・・・は、小さい振幅電圧ＶφＧと、それより大きい
振幅電圧ＶφＲより成るもので、一つの行ラインの走査
期間ｔＨの間ハｖφＧ１次の行ラインの水平走査に移る
までのブランキング期間ｔＢＬにはＶφＢの値になるよ
うに設定されている。列選択用トランジスタのゲート端
子に加えられる水平走査信号φ８１、φＳ２＜・・・・
・・・・は、列ラインを選択するための信号で、低レベ
ルは列選択用トランジスタをオフ、高レベルはオンする
電圧値になるように設定されている。 第１１図は、各画素の動作を説明するための一画素に対
する回路図である。２０は７−マリ−オン形のＳＩＴで
あり、接地されたドレイン１、ゲート４、ゲート４とゲ
ート端子８間に形成されたコンデンサ７、及びソース３
からなる。ＳＩＴのゲート４とドレイン１とは点線で示
したようにｐｎ接合ダイオードＤＧを形成している。ダ
イオードＤＧの電圧・電流特性、すなわちゲート電位Ｖ
ｃとゲート・ドレイン間電流Ｉｃとの関係は、第１２回
頭に示すような特性であり、ダイオードＤＧ間の電圧、
すなわちｖＧがｐｎ接合のビルトイン障壁電圧φＢを越
えると、順方向電流が流れる、ＳＩＴのソース自ドレイ
ン間の電流ＩＤ＋ｚ、ケート電圧■Ｇにより定まる。美
形的なノーマリ−オン形ＳＩＴでは、ＩＤはＶＧの指数
関数に比例し、第１２図（Ｂｌに示すような特性になる
。 次に、第１１図に示したＳＩＴのゲート４に、コンデン
サ７を介して信号φＧが加わった時のゲート電位変化を
、第１３図を用いて説明する。時刻ｊｌに信号φＧがＶ
φＲとなると、コンデンサ７を介してＤＧｒｊＪＫ順方
向電流が流れ、コンデンサ７は急速に電圧（ＶφＲ−φ
Ｂ）！で充電される。このためゲート電圧Ｖｃは、ｖＧ
；φＢとなる。次に時刻ｔ２で信号φＧがＯｖとなると
、夕゛イオードＤＧは逆バイアスされるため電流ＩＧは
流れない。このためコンデンサ７間には電圧（ＶφＲ−
φＢ）が保たれ、Ｖｃ＝−ＶφＲ＋φＢとなる。この後
、信号φＧの次のＶφＧが加わる時刻ｔ２までに、光照
射のため、電荷ＱＬが蓄積し、ＶＧはΔｖＧ＝ＱＬ／Ｃ
Ｇだけ上昇して、Ｖｃ　＝−ＶφＲ＋φＢ＋へｌＶｃと
なる。時刻ｔ３において、■φＧが加わると、ゲート電
位ＶＧＧＸ上昇し、ＶＧ＝−ＶφＲ＋φＢ＋ΔＶＧ　＋
　ＶφＧとなる。この時に列選択この電流ＩＤＩにより
負荷抵抗（抵抗値をＲ，Ｌとする）２５間に′電圧降下
Ｖ＝ＩＤ１−ＲＬを生じ、ビデオライン２４ｉＣ信号出
力Ｖｏｕｔ　＝＝Ｖｓ　−ＩＤＩ　−Ｒ，Ｌが生じる。 ｔ　ａ　ＩＤ　１はΔＶＧにより変化するため、入射光
量に対応した信号を読出すことができる。 第１３図において、時刻ｔ４で再び信号φＧがＶφＲと
なるゲート電位ＶｃはφＢとなり、それまでの蓄積電荷
ＱＬはクリアされる。時刻ｔ５において、信号φＧがＯ
Ｖになると、ゲート電位ＶＧは再び、ＶＧ＝−ＶφＲ十
φＢにリセットされ、次のフィールドの電荷蓄積が開始
される。 以上の説明かられかるように、信号φＧの大きい振幅電
圧ＶφＲの値は、ゲート電位Ｖｃ＝−ＶφＲ＋φＢに対
応する８”ＩＴのドレイン電流ＩＤ２が十分小さく、Ｓ
ＩＴがオフするような値に選ばれ、小さい部幅電圧Ｖφ
Ｇの値は、行選択時にゲート電流が流れないように、時
刻ｔ３Ｖｃおけるゲートｉｔ位、スナワチ、■Ｇ＝−ｖ
φＲ＋φＢ＋ΔｖＧ十■φＧが、φＢより小さいという
条件、−ｖφＲ＋φＢ＋Δ：ＶＧ　＋　ＶφＧくφＢか
ら、ＶφＧ−ΔＶＧを満足するような値に選ばれる。 次に、上記一画素の動作原理に基づいて、第１０図（Ｂ
ｌに示した固体撮像装置の動作を説明する。 垂直走査回路２６の作動により、信号φＧＩ　ＩＪ″−
ＶφＧになると、行ライン２１−１に接続されたＳＩＴ
群が選択され、水平走査回路２７より出力される信号φ
Ｓｌ、φＳ２、・・・・・・・・・φＳｎにより、行選
択用トランジスタ２３−１１２３−２、・・・・・・・
・・２３−ｎが順次オンすると、順次Ｓ　Ｉ　Ｔ２Ｏ−
１１１２０−リ、・・・・・・・・・２Ｏ−１ｎの信号
がビデオライン２４より出力される。続いて、このＳＩ
Ｔ群は信号φＧ］が高レベルＶφＲになった時にリセッ
トされる。次いで、信号φＧ２が■φＧとなると、行ラ
イン２０−２に接続されたＳＩＴ群が選択され、水平走
査信号φＳｌ、φＳ２、・・・・・・φＳｎにより、Ｓ
　Ｉ　Ｔ　２０−２１　、２０−２２、−・−・−・−
２Ｑ−ｚｎの光信号が順次読出され、続いてリセットさ
れる。 以下同様にしてＩＩ■次各画素の光信号が読出され、１
フイールドのビデオ信号が得られる。 以上の動作は、実験の結果、良好に行われることが確認
された。なお、第１０回頭において、ゲート領域４とド
レイン１との距離ＩＧＤが大きいと、エピタキツヤル層
２の抵抗のため、ゲート・ドレイン間電流が小さくなり
、ケートノリセットが不完全になるため、ＩＧＤは１〜
３μｍと小さめにした方が特性上好ましい。ＮＴＳＯ標
準テレビジョン方式の場合、ｔＢＬ−ｉ＝１２μｓであ
るが、上記の条件下ではその期間内に十分に良好にリセ
ットすることができる。 以上述べた既出の提案例は、連続して画像を撮像するテ
レビジョンカメラに有効であるが、画像を一画面毎に撮
像する、いわゆる電子カメラに使用するのに好適な既出
の提案例を次に示す。 第１４図（Ａｔは、かかる既出の提案例の回路構成の提
案例と同一であるが、第１４図（ＡＩに示すように、た
だ画素を構成するＳ　Ｉ　Ｔ　２０−１１　、２０−１
２、・・・・・・・・・２０−ｍｎの共通に接続された
ドレイン１が、リセット回路４０に接続され、す“セッ
ト信号φＢが加えられるように構成した点が異なってい
る。 第１４図（Ｉ３）において、φＲは各ＳＩＴのドレイン
１に加えられるリセット信号であり、各ＳＥＴのゲート
電位をリセットする期間のみ負電圧−ＶＲとなり、他の
期間はＯｖである。垂直走査信号φＧ＋　、　　φＧ２
、・・・・・・・・・は、対応する行ライン２１−１　
。 ２１−２、−・・・・・・・・を走査する期間のみ高レ
ベル■φＧ、他はＯｖとなる信号である。水平走査信号
φＳ１、φＳ２、・・・・・・・・・Ｇ１列選択を行う
信号であり、ＳＨは電子カメラに設けられたツヤツター
の開閉動作を示すものであり、ＶＣ＆！ゲート電位の変
化を示す図である。 第１４図（Ｂｌに示した波形図により動作を説明する。 時刻ｔ１において、リセット信号φＲが−ＶＲと・、　
　　な６と・全一（ｆ１８ＩＴ（７）ゲー）−）’１ｚ
−１７間′＋ｌ　　　　電ａがａれ、ゲートを位＋ｔ、
ＶＧ＝　−ＶＲ＋　９５ＢＩＣＩ＋上セツトれろ。その
後、時刻ｔｚｖＣおいてシ゛ヤツターが開かれ、光が照
射されることにより、ゲート電位は、Ｖｃ　＝　−ＶＲ
＋φＢ＋ΔｖＧまで上昇する。 その後、時刻ｔ３において、垂直走査信号φＱｌが高レ
ベル■φＧになることにより、行ライン２１−１に接続
されたＳＩＴ群のゲート電位は、Ｖｃ　：　−ＶＲ＋φ
Ｂ＋ΔＶｃ＋ＶφＧに上昇し、水平走査信号φＳ１゜φ
Ｓ２、・・・・・・・・・により、列選択トランジスタ
がオンすることにより、Ｓ　Ｉ　Ｔ　２０−１１．２Ｑ
−ｔｚ、・・・・・・・・・２０−１　ｒｌの信号が読
出される。次いで時刻ｔ４において、信号φＧ１が■φ
Ｇから０ＶｉＣなると共に、信号φＧ２が高しヘルｖφ
Ｇトナリ、８　Ｉ　Ｔ　２０−２１゜２０−２２、・・
・・・・の信号が読出される。以下同様にし℃、Ｓ　Ｉ
　Ｔ　２０−３１１２０−３２、−−−２０−ｍｎの信
号が続出され、一画面のビデオ信号が得られる。 光入射により上昇したゲート電位は、時刻ｔ５において
、リセット信号φＲが、−ＶＲになることにより、全て
のＳＩＴのゲート・ドレイン間に電流が流れ、ゲート電
位は全て、Ｖｃ　＝−’ｈｔ＋φＢに　　１゜リセット
され、次の画面の露光が可能となる。　　）第１５回置
は、第１０図Ｂ）に示した既出の提案例の一部を変更し
たものである。第１０図（Ｂｌに示した各ＳＩＴの動作
回路は、他の既出の提案例と同様に、ドレインを接地し
、ソースに正電圧をかけて読出す、いわゆるドレイン接
地方式を用いたものであるが、この提案例は、ドレイン
に正電圧をかけ、ソースを負荷抵抗を介して接地する、
いわゆるソースフォロアにする動作方式％式％ この場合、ゲート電位のリセットを行うためには、ドレ
イン側に正電圧が印加されているため、ＳＩＴ群のソー
スが接続されている列ライン２２−１．２２−ζ・・・
・・・・・・２２−ｎを接地してやるための、リセット
トランジスタ５０−１．５０−２、・・・・・・・・・
５０−ｎが、列ライン毎に必要となる。５１は該リセッ
トトランジスタのゲートにリセットパルスを送るリセッ
ト制御回路である。また、各画素のドレインは基板上で
共通接続され、正のドレイン電圧ＶＤが印加されている
。行ライン及び列ラインに印加される選択走査信号φＧ
＋、φＧ＋、・・・・・・・・・及びφ３＋。 φＳ２、・・・・・・・・・は、第１０図（０に示した
既出の提案例のものと同様でこれを第１５図（Ｂｌに示
す。ただ界るのは、行選択信号φＱ＋　、φＧ２、・・
・・・・中のりセット時刻ｔ１で、振幅■φＲの電圧が
印加されるのに先立ち、各列ライン２２−＋、２２−２
、・・・・・・・・・に、そのドレインが接続されたリ
セットトランジスタ５０−１．５０−２、・・・・・・
・・・５０−ｎ力、リセットパルスφＲに　　　　−よ
ってオンとなり、各列ラインが接地され、リセット時刻
ｔｌにおいて、選択された行ラインにつながる全ての列
ラインのＳＩＴのソースは全て接地電位となり、ゲート
に電位ＶφＲが印加されることにより、順方向電流が、
列ライン及びリセットトランジスタを介してアースに流
れ、ゲート電位がリセットされる。ゲート電位の変化を
第１５図（０に示す。 第１０図Ｈに示した既出の提案例において＆工、ゲート
電位のリセットが、ゲートから接地されから、リセット
トランジスタ５０−１．５０−２、・・・・・・・・・
を介して接地された列ライン２２−１．２２−２、・・
・・・・・・・に接続されたソースに対する順方向電流
によりゲート電位のリセットが行われるようになってい
る点で相違しているが、他の点の動作は第１の既出の提
案例と全く同様である。 なお、この既出の提案例において、ゲート電位のリセッ
ト時に、リセットトランジスタ５０す、５０−ζ・・・
・・・・・・のドレイン・ソース間の電位降下分が大き
いと、ゲートリセットに要する時間が大となるので、該
トランジスタのオン抵抗を小さく仰える必要があり、そ
のため、リセットトランジスタの、（ゲート＋［）／（
ゲート長）にある程度以上の大きさが必要である。 以上説明した様に本願人が既に提案した固体撮像装置は
数々の利点を有するものであるが、該固体撮像装置には
一般的なＳＥＴを用いた固体撮像装置と同様に画素出力
にオフセット成いは暗出力が含まれている。それ故、従
来の固体撮像装置は上記オフセット成いは暗出力をキャ
ンセルする必要がある。第１６装置はＳ■Ｔを用いた従
来の固体撮像装置の全体の回路構成図、同図（′Ｂ）は
該固体撮像装置の信号波形図である。 ＠１６図囚装置いて、６１はＳＩＴ撮像素子群６２を備
えた固体撮像装置であり、第１ビツトラインの遮光画素
６３、垂直走査回路６４、列選択用トランジスタ群６５
、水平走査回路６６、ビデオライン６７、負荷抵抗６８
及びビデオ電源６９で構成されている。それぞれに回路
を構成する機能部材は上述の既出の提案例と同様である
のでその説明は省略する。 ７０はビデオライン６７に接続した切換スイッチであり
、同図Ｑ３＋に示すビデオ出力Ｖｌに含まれるオフセ゛
ノド或いは暗出力をサンプルホールド回路７１に保持さ
せるために切換える。すなわち、第１ビツトラインの遮
光画素の遮光画素出力は、水平走査周期ｔＨだけサング
ルホールド回路７１で保持され、次の第２ビツト以降の
ビデオ出力は差動増幅回路７２に送出される。同図（Ｂ
ｌのビデオ出力Ｖ２＆！、この様にしてオフセット及び
暗出力をキャンセルされた画素出力を示すものである。 然し乍ら、上述の固体撮像装置においては、暗出力が大
きい場合、例えば周囲温度が高い状態或いはツヤツター
機能を持たせた時、周囲が暗がある。 （発明の目的） 力が得られる固体撮像装置を提供することを目的とする
。 （発明の概要） 本発明はノーマリ−オン形誘電誘導トランジスタを用い
た固体撮像装置に遮光画素を設け、その遮光画素出力に
応じて行選択信号の電圧女レベルを制御する回路を設け
、上記遮光画素出力を零にするように行選択信号の電圧
レベルを自動制御することによりダイナミックレンジを
減少させることなくオフセット及び暗出力を含まないビ
デオ出力を得る固体撮像装置である。 （実施例） 本発明による固体撮像装置の実施例を添付図。 を参照して説明する。 第１図は本発明による固体撮像装置の基本の回路構成図
である。同図において、８０は例えば上述の本願人が既
に提案したノーマリ−オン形ＳＩＴ、すなわち、一方の
主電極と共通に接続された他方の主電極と、該主電極間
に配設されたチャネル領域とゲート領域とから成る画素
を構成するノーマリ−オン形ＳＩＴとゲート領域に設け
たコンデンサで構成した撮像素子群８１を備える固体撮
像装置である。撮像素子群８１の各画素は行ライン及び
列ライン（図示せず）に夫々にｍ　Ｘ　ｎ個マトリック
ス状に配列されＸＹアドレス方式により信号を読出すよ
うになっている。 ８２は第１ビツトの行ライン群に設けられ各画素を遮光
して構成した遮光画素である。なお、遮光画素８２は第
１の行ラインにｎ個配列することもできる。８３は垂直
走査回路で、ｍ個の行ライが接続され、それぞれ信号φ
Ｑｌ、　φＧ２、・・・・・・・・・φＧｍが各画素に
加わるようになっている。８４は行選択用トランジスタ
群で、各行選択用トランジス夕はそれぞれに対応する列
ラインに接続されている。８５は水平走査回路で各列選
択用トランジスタを介して、対応する各画素に信号φ３
１．φＳ２・・・・・・・・・φＳｎが加わるようにな
っている。８６＆エビデオラインで出力端子８７、負荷
抵抗が接続されたビデオ電源８８がそれぞれに接続され
ている。 ８９は固体撮像装置ｓｏの画素出力に含まれるオフセッ
ト及び暗出力をキャンセルするための検出部を構成し、
サンプルホールド回路または積分回路及び比較器（いず
れも図示せず）で構成されている。検出部８９の比較器
を介して制御回路９０が接続され、該制御回路９０には
垂直走査回路８３が接続されている。この様にして上記
遮光画素からの遮光画素出力をサンプルホールド回路で
サンプル・ホールドするか又は積分回路で積分した出力
を比較器において、予じめ設定された基準電圧と比較し
、この比較出力に基づいて糎　　　　垂直走査回路８３
１１？：供給さゎ□源電圧を毒制御すち るように構成されている。 上記回路構成に基づいて基本動作を説明する。 垂直走査回路８３の作動により、信号φＧｌがＶφＧに
なると第１の行ラインに接続されたＳＩＴ群が選択され
水平走査回路８５より出力される信号φＳ１、φＳ２、
・・・・・・・・・φＳｎにより、列選択用トランジス
タ８４が１１＠次にオンする。この時、遮光ｉｉ’ｉｉ
素８２の遮光画素出力

【工制御部８９のサンプルホール
ド回路またを工積分回路に供給され、この出力は比較器
で基準電圧と比較され、この出力信号は制御回路９０に
送出され制御回路９０からは垂直走査回路８３に制御信
号が加えられ、該廉直走査回路８３の電源電圧を制御し
て比較器の出力信号が零になるまで自４１制御される。 以上、説明したように、遮光画素出力はサンプルホール
ド回路又は積分回路及び比較器、更に制御回路９０を経
て垂直走査回路８３に至る自動制御ループにより垂直走
査回路８３の電源電圧を制御する制御信号に変換され、
比較器の出力信号が零になるまで　１制御することによ
り固体撮像装置８０の画素出力　　□）のオフセット及
び暗出力をキャンセルすることができる。 第２図は本発明の固体撮像装置の一実施例を示す全体の
回路構成図、第３図は該固体撮像装置の画素出力にオフ
セットが存在する場合の説明図、第４図は該固体撮像装
置の画素出力に暗闘に提案したノーマリ−オン形Ｓ　Ｌ
　’ｌ’で構成した固体撮像装置で各画素１０１−口、
１ｏ１−１２、・・・・・・・・・１０１０ｌ−ガマト
リックス状に配列されＸＹアドレス方式により信号を読
出すようになっている。 すなわち、各画素を搾成するＳＩＴのドレインは接地さ
れ、Ｘ方向に配列された各行のＳＩＴ群のゲート端子は
、行ライン１０２−１．１０２−２、・・・・・・・・
・１０２−ｍにそれぞれ接続されている。また、各画素
の内・麻１ビットライン、すなわち１０１−　＋　１．
１０１−２１．・・・・・・・・・１０１−ｍｌは遮光
され遮光画素を構成している。更に、Ｙ方向に配列され
た各行のＳ■１゛群のソースに、列ライン１０３−１１
１０３−２、・・・・・・・・・１０３−ｎ　Ｋ接続さ
れ、これらの列ラインは、それぞれ列選択用トランジス
タ１０４−１．１０４−２、・・・・・・・・・１０４
−ｎを介して、ビデオライン１０５に共通に接続されて
い・る。ビデオライン１０５には負荷抵抗１０６を介し
て、ビデオ霜；圧（Ｖｓ）１０７が加えられ、該ビデオ
ライン１０５には出力端子１０８が設けられている。そ
して行ライン１０２す、１０２−２、・・・・・・・・
・１０２−ｍは垂直走査回路１０９に接続され、それぞ
れ信号φＧＬ、φＧ２、・・・・・・・・・φＧｍが加
わるようになっている。また、列選択用トランジスタ１
０４−１．１０４−２　、・・・・・・・・・１０４−
ｎのゲート端子に、水平走査回路１１０に接続され、信
号φＳ１、φＳ２、・・・・・・・φ釦が加わるように
構成されている。 １１１はサンプルホールド回路でビデオライン１０５及
び、列選択用トランジスタ１０４−１と水平走査回路１
１０に接続されているう上記サンプルホールド回路１１
１ハビデオライン１０５からのビデオ出力信号をサンフ
゛ル及びホールドし、これを比較器１１２の一方の入力
側に送出する。比鮫器毘の他方の入力側には基準％を源
１１３より予じめ設定した基準電圧（Ｖｒｅｆ、）が人
力されている。 １１４レエ比較器１】２の出力信号を受け、咳出力乍号
に基づいて上記垂直走査回路１０９に供給される電源電
圧を制御する制御信号を送出するようになっている。な
お、電源電圧のレベル制御については後述する。 次に、上述の一画素の動作原理に基づいて、第２図に示
した固体撮像装置の動作を説明する。 上記回路構成において、垂直走査回路１０９の作動によ
り、信号φＧｌがＶφＧになると行ライン１０２−１に
接続されたＳＩＴ群が選択され、水平走査回路１１０よ
り出力される信号φＳ１、φＳ２、・・・・・・・・・
φＳｎにより、列選択用トランジスタ１０４−１．１０
４−２、・・・・・・・・・１０４−ｎが順次オンする
。この時、画素１０１−１＋、１０１−１２、−−−１
０１−　Ｉｎの画素信号が１帆次ビデオライン１０５よ
り出力される訳であるが、先ず第１ビツトラインの遮光
画素１０１−１１の遮光画素出力はサンプルホールド回
路１１１に取込まれる。すなわち、信号φＳ１により行
選択用トランジスタ１０４−１がオンされると同時に信
号φＳ１がサンプルホールド回路１１１に供給されるた
め、該サンプルホールド回路１１１内のゲートが信号φ
Ｓｌだけ開かれる。この時、遮光画素出力はサングルホ
ールド回路１１１でサンプル・ホルトされ、比較器１１
２により基準電圧（Ｖｒｅｆ、）と比較される。比較器
１１２の出力信号レエ制御回路１１４ｉＣフィードバッ
クされ、制御回路１１４からの制御信号は垂直走査回路
１０９の電源電圧を制御して、比較器１１２の出力信号
が零となる様にする。この様にして、比較器１１２の出
力信号が零になると、上記固体撮像装置１００のオフセ
ット及び暗出力はキャンセルされることになり、その後
、順次各画素１０１−１２．１０１−１３、＋−・＋＋
＋＋＋−１０１−Ｉｎの画素信号がビデオライン１０５
に出力される。 続いて、この画素群は信号が高レベルＶφＲになった時
にリセットされる。この場合、制御回路１１４において
は、垂直走を回路１０９の電源電圧を遮光画素１０１−
１ｔの遮光画素出力に基づいて制御するものであるが、
この第１回目の制御を以下の行ライン１０２−２．１０
２−３、・・・・・・・・・１０２−ｍに接続された各
遮光画素１０１−２＋、　１０１−３＋、−−１０１−
ｍ＋に対して継続して制御する。上記制御回路１】４は
各画素１０１−２１．１０１−２２、−１０１−ｍｎ毎
のＳＩＴ素子の特性バラツキが無視できる場合は、遮光
画素１０１−２１．１０１−３１、・・・・・・＝４０
１−ｒｒ＋＋毎の制御動作を省略することがでる。次い
で、信号φＧ２がＶφＧになると、行ライン１０２−２
に接続された画素群が選択され、水平走査信号φＳｌ、
φＳ２、・・・・・・・　φＳｎにより画素１０１−２
２．１０１−２３、−　”・−１０ｉ−２ｎの光信号が
順次読出され、続いてリセットされる。 以下同様にして順次各画素の光信号が読出され、１フイ
ールドのビデオ信号が得られる。なお、だが、各遮光画
素１０１−＋＋、１０１−２１、・・−・−−−−１０
１−ｍ１毎の遮光ｉ７素出力を用いて、対応する行ライ
ン１ｏ２−２．１ｏ２−３、・・ｍ１・１ｏ２−ｎＩ毎
ノ制御回路１１４カらの制御信号を垂直走査回路１０９
に送出して制御することもできる。 次に、該固体撮像装置】００の画素出力にオフセ゛／ト
がある場合、このオフ七′／トのキャンセルについて駿
明する。第３図において、上述の第１０図（０）に示す
ような垂直走査信号φＧを印加した場合、遮光画素のド
レイン電流ＩＤが図示のＩＤ’とすると、これが画素出
力のオフセットに対応する。該オフセットが生じる原因
は、振幅電圧ＶφＲ，ＶφＧの設定が不適当であるから
である。 すなわち、ＳＩＴのゲート４とドレイン１とはｐｎ接合
ダイオードＤＧを形成しており、ダイオードＤＣの電圧
・電流特性は、ダイオードＤＧ間の電圧すなわちＶｃが
ｐｎ接合のビルトイン障壁電圧φＢを越えると順方向電
流が流れることになる（第４図参照）。ＳＩＴのソース
・ドレイン間の電流ＩＤ＆エゲート電圧Ｖｃによって定
まる。美形的なノーマリ−オン形ＳＩＴでは、■Ｄはｖ
Ｇの指数関数になることは既に説明した通りである。第
１１図に示したＳＩＴのゲート４にコンデンサ７を介し
て信号φＧが加わった時のゲート電位変化は、第１３図
で示した通りである。時刻１．に信号φＧがＶφＲとな
ると、コンデンサ７を介してＤｃ間に１！頁方向電流が
流れ、コンデンサ７は急速に電圧（ＶφＲ−φＢ）まで
充電される。このためゲート電圧ｖＧは、ｖＧ＝φＢと
なる。次に時刻ｔ２で信号φＧがＯｖとなると、ダイオ
ードＤＧは逆バイアスされるため電流ＩＧは流れない。 このためコンデンサ７間には電圧（ＶφＲ−φＢ）が保
たれ、ｖＧ＝−ＶφＲ＋φＢとなる。この後、信号φＧ
の次の■φＧが加わる時刻ｔ３までに、光照射のため、
電荷ＱＬが蓄積シ、ＶＧハΔｖＧ＝ＱＬ／ＣＧタケ上上
昇シュＶｃ＝−ＶφＲ＋φＢ＋ΔｖＧとなる。時刻ｔ３
において、ＶφＧが加わると、ゲート電位Ｖｃは上昇し
、Ｖａ　＝　−ＶφＲ＋φＢ＋ΔＶｃ　＋　ＶφＧとな
る。この時に列選択トランジスタ２３がφＢによりオン
すると、ＳＥＴに第１２図ＦＢ＋に示されるような電流
ＩＤＩが流れる。この電流ＩＤ＋により負荷抵抗（抵抗
値をＲ，Ｌとする）２５間に電圧降下Ｖ　＝　ＩＤＩ　
−Ｒ，Ｌを生じ、ビデオライン２４に信号出力Ｖｏｕｔ
　＝Ｖｓ　−Ｉｏ＋　−ＲＬが生じる。 電流ＩＤ＋はΔＶＧにより変化するため、入射光量−′
対応（−“６号を読６す０２°゛１き６・第”°１１・
　　　　において、時刻ｔ４で再び信号φＧが■φＲと
なるとケート”１位ＶＧはφＢとなり、それまでの蓄積
電荷帆はクリアされる。時刻ｔ５において、信号φＧが
０ｖになると、ゲート電位ＶＧは再び、Ｖｃ　＝　−Ｖ
φＲφＢＫＩＩセットされ、次のフィールドの電荷蓄積
が開始される。 以上の説明かられかるように、信号φＧの大きい振幅電
圧ＶφＲの値は、ゲート電位ＶＧ　＝−ＶφＲ＋φＢに
対応するＳＩＴのドレイン電流ＩＤ２が十分小さく、Ｓ
ＩＴがオフするような値に選ばれ、小さい振幅電圧Ｖφ
Ｇの値は、行選択時にゲート電流が流れないように、時
刻ｔ３におけるゲート電位、スナワチ、ＶＧ　＝　−Ｖ
＜６Ｒ＋　＋１　＋　Δｖａ　＋　Ｖφｃが、φＢより
小さいという条件、−ｖφＲ＋φＢ＋ΔｌＶｃ＋Ｗｃ〈
φＢから、ＶφＧ＜ｖφＲ−△ｖＧを満足するような値
に選ばれる。 従って、振幅電圧ＶφＲ，ＶφＧを調整してゲート電圧
Ｖｃ　＝−ＶφＲ−１４８＋ＶφＲにおけるドレイン電
流ＩＤが零になるように設定すれば第３図のａ点のオフ
セットは生じることはない。　　　　　　　ｒ次の、該
固体撮像装置１００の画素出力ｉＣＣ出出　；カが含ま
れる場合、この暗出力のキャンセルについて説明する。 第４図において、上記のようにして振幅電圧■φＲ，Ｖ
φＧが適切に設定され画素出力にオフセットがないもの
とする。遮光画素のゲート電圧ＶＧが熱的に励起された
正孔により−ＶφＲ十φＢ十ＶφＲ＋△Ｖｃ　；　ＤＡ
ＲＫとなると、この暗出力をキャンセルするためには振
幅電圧■φＲ１■φＧを調整して上記ゲート電圧ＶＧを
−ＶφＲ＋φＢ＋■φＧ＋Δ：Ｖｃ　；　ＤＡＲＫに対
するドレイン電流ＩＤが零になるようにすればよい。（
第４図ａ、ａ参照）以上の説明から明らかなようにオフ
セ゛ノド或いは暗出力をキャンセルするには、振幅電圧
■ＶφＲ１ＶφＧを遮光画素出力に応じて自動制御を行
なえば良いことになる。 第５図は本実施例における振幅電圧ＶφＲを制御する場
合の信号波形図である。同図において、上記固体撮像装
ｆＲ１００のすき光画素の廼光画素出力に応じて振幅電
圧ＶφＲ’＝　ＶφＲ＋△ＶφＲに制御すればよい事に
なる。 同様に、第６図を工水実施例におけろ振幅電圧ＶφＧを
制御する場合の信号波形図である。同図において、上記
固体操像装ｒｊ／ｆｌｏｏの遮光画素の遮光画素出力に
応じて振幅電圧■φｃ’＝ＶφＧ＋Δ■φＧに同様に制
御すればよい事になる。 第７図は本発明の他の用体撮像装置の一実絢例を示す全
体の回路構成図、第８図は該固体撮像装置でオフセ゛ノ
ドをキャンセルする場合の説明図、第９図は該固体撮像
装置で暗出力を同様にキャンセルする場合の説明図であ
る。 第７図において、２００は例えば上述の木頭人が既に提
案したノーマリ−オン形ＳＩＴで構成した固体撮像装置
で各画素２０１−１１．２０１−１２、・・・・・・２
０１−ｍｎ　カマトリックス状に配列されＸＹアドレス
方式により信号を読出すようになっている。 すなわち、各画素を構成するＳＥＴのドレイン（工接地
され、Ｘ方向に配列された各行のＳ　Ｉ　Ｔ群のゲート
端子は、行ライン２０２−　Ｉ　Ｎ　２０２−２、・・
・・・・２０２−ｍにそれぞれ接続されている。また、
各画素の内第１水平ライン、すなわち２０１−１１．２
０１−１２、、、　、、、　、、、２０１−　Ｉｎは遮
光され遮光画素を構成している。更に、Ｙ方向に配列さ
れた各行のＳＥＴ群のソースは、列ライン２０３−１．
２０３−ζ・・・・・・・・・２０３−ｎに接続され、
これらの列ラインは、それぞれ列選択用トランジスタ２
０４−１　％　２０４−２、・・・・・・・・・２０４
−ｎを介して、ビデオライン２０５に共通に接続されて
いる。ビデオライン２０５には負荷抵抗２０６を介して
、ビデオ電圧（Ｖｓ）２０７が加えられ、該ビデオライ
ン２０５には出力端子２０８が設けられている。そして
、行ライン２０２−１．２０２−２、・・・・・・・・
・２０２−ｍは垂直走査回路２０９に接続され、それぞ
れ信号φＱ＋、φＧ２、・・・・・・・・・φＧｍが加
わるようになっている。また、列選択用トランジスタ２
０４−１　、２０４−２、・・−・＋−＋＋　２０４−
ｎのゲート端子は、水平走査回路１１０に接続され、信
号φＳ１、φＳ２、・・・・・・・・・φＳｎが加わる
ように構成されている。２１１積分回路でビデオライン
２０５及び行ライン２０２−１に接続されている。上記
積分回路２１１はビデオライン２０５からのビデオ出力
信号を積分し、こ帆を比較器２１２の一方の入力側に送
出する。比較器２１′２ｆ′）他方の入力側には基準電
源２１３より予じめ設定した基準電圧（Ｖｒｅｆ、）が
入力されている。２１４ハ比較器１１２の出力信号を受
け、振出力信号に基づいて上記垂直走査回路２０９に供
給される電源電圧を制御する制御信号を送出するように
なっている。 次に、上述の一画素の動作原理に基づいて、第７図に示
した固体撮像装置の動作を説明する。 上記回路構成において、垂直走査回路２０９の作動によ
り、信号φＧｌが■φＧになると行ライン２０２−１に
接続されたＳＩＴ群が選択されと共に積分回路２１１が
作動される。水平走査回路２１０より出力される信号φ
８１．φＳ２、・・・・・・・・・φＳｎにより、列選
択用トランジスタ２０４−１．２０４−２、・・・・・
・２０４−ｎが順次オンする。この時画素２０１−ｔｔ
、２０１−１２、・・・・・・・・・２０１−１ｌの画
素信号が順次ビデオライン２０５より出力される訳であ
るが、先ず第１水平ラインの遮光画素２０１−１ｔの遮
光画素出力は積分回路２１１　Ｋ取込まれる。 この時、遮光画素出力は積分回路２１１で積分され比較
器２１２により基準電圧（Ｖｒｅｆ、）と比較される。 比較器２１２の出力信号は制御回路２１４にフィードバ
ックされ、制御回路２１４からの制御信号は垂直走査回
路２０９の電源電圧を制御して、比較器２１２の出力信
号が零となる様にする。 この様にして、比較器２１２の出力信号が零になると、
上記固体撮像装置１００のオフセット及び暗出力はキャ
ンセルされることになり、その後、順次各画素２０１−
２１．２Ｑｌ−２２、−＝−・曲４Ｑｌ−Ｚｎの画素信
号がビデオライン２０５に出力される。続いて、この画
素群は信号が高レベルＶφＲになった時にリセ゛ノドさ
れる。この場合、制御回路２１４においては、垂直走査
回路２０９の電源電圧を遮光画素１０１−＋１の遮光画
素出力に基づいて制御するものであるが、この第１回目
の制御を以下の列ライン２０３−２．２０３−３、・・
・・・・・・・２０３−ｎ　、に接続された各遮光画素
２０１−１２．２０１−１３、・・・・・・・・・画素
２０１−２２．２０１−２３、・・・・・・・・・２０
１−ＩｎＶＣ対して継続して制御する。 上記制御回路２１４は、各画素２０１−２１．２０１−
２２、−・・・・・・・・２０１−ｍｎ毎のＳＩＴ素子
の特性バラツキが無視できる場合は、遮光画素２０１−
１１．２０１−１２、・・・・・・２０１−＋ｒ＋毎の
制御動作を省略することがでる。次いで、信号φＧ２が
ＶφＧになると、行ライン２０２−２に接続された画素
群が選択され、水平走査信号φ８１．　　φＳ２、・・
・・・・・・・φＳｎにより画素２０１−２２．２０１
−２３・・・・・・・・・２０１−ｚｎの光信号が順次
続出され、続いてリセットされる。以下同様にして順次
各画素の光信号が読出され、１フイールドのビデオ信号
が得られる。なお、本実施例では第１回目の遮光画素出
力で固体撮像装＃１００の暗出力をキャンセルしたが、
各遮光画素２０１−１１．２０１−１２、−・・・・・
２０１−１ｎ毎の遮光画素出力を用いて、対応する列ラ
イン２０３−１　％　　２０３−２、−・−・−・−２
０３−１毎に制御回路２１４からの制御信号を垂直走査
回路２０９　Ｋ送出して制御することもできる。 次台、本実施例による固体撮像装置２００にオフセット
及び暗出力が含まれる場合のキャンセルの方法であるが
、これは上述の本発明の一実施例と同様にオフセットの
場合は振幅電圧■φＲ（第５図参照）を、また暗出力の
場合は振幅電圧■φＧ（第６図参照）を同様に制御する
事で達成できるのでその説明は省略する。 次に、本発明の固体撮像装置におけるオフセット及び暗
出力のキャンセルの方法の利点について、第８図及び第
９図のドレイン電流ＩＤとゲート電圧Ｖｃの特性図を用
いて説明する。ＳＩＴを用いた固体撮像装置の飽和レヘ
ルは上述の第１１図よりゲート電圧Ｖｃがゲート４（ｐ
＋）とドレイン１（ｎ＋）のビルトイン障壁電圧φＢで
決まる。 （第８図す点参照） 本発明によるオフセット及び暗出力をキャンセルする方
法においては、入射光量に対するゲート電圧変化分は第
８図のａ点からｂ点まで広範回置とることができる。こ
れに対して上述の従来の固体撮像装置６１（第１鍜参照
）では第９図に示すａ点からｂ点の狭い範囲である。 以上の説明で明らかな様に、従来の固体撮像、装置の如
くダイナミックレンジを減少させることなくオフセット
及び暗出力のキャンセルを行ｌ←　　　　なうことがで
きる。また、シャッター機能を付１′　　　　　加した
固体撮像装置、例えば上述の本願人が醍に提案した固体
撮像装置（第１４図及び第１５図参照）に本発明を応用
すれば撮影する周囲が暗く積分時間が長くなる場合に対
しても良好な画像が得られる。この様な固体撮像装置に
対する有効な機能及び動作は、ＣＯＤ、ＢＢＤ等の電荷
転送素子、ＭＯＳトランジスタ等を用いる従来の固体撮
像装置では実現することができない。 本発明は上述の種々の実施例に限定さ法るものではなく
幾多の変形及び変更ができるものである。実施例におい
ては、オフセット或いに暗出力のキャンセルを自動制御
ループにより振幅電圧ＶφＲ，ＶφＧをそれぞれに個々
に制御する事で説明を行なったが、上記自動制御ループ
による制御は、振幅電圧■φａ、　ＶφＧを共に制御で
きるものである。また実施例においてはノーマリ−オン
形ＳＩＴの一方の主電極であるソースを行ラインに、ド
レインを共通に接地したが、これらを反対に接続して用
いることもできる。更に、本発明において説明した固体
撮像装置の主　１要な機能部材、機能回路、例えば、Ｓ
　Ｉ　Ｔ撮像　　）素子群、行選択用スイッチ、垂直・
水平走査回路、ビデオ電源と負荷抵抗、サンプルホール
ド回路または積分回路、比較器及び制御回路等は、必要
に応じて適宜に選択し１チツプ半導体に実装できるもの
である。更に、本発明ではマドＩＩツクス状に配列した
ノーマリ−オン形ＳＩＴを用いた固体撮像装置について
説明したが、これに限定されるものではない。すなわち
、ノーマリ−オン形ＳＩＴをライン状に単数列或いに複
数列に配列させた、所謂、ラインイメージセンサ−にも
適用できる。この場合、第１ビツトの１画素を遮光画素
としてこの遮光画素出力を本発明の自動制御ループによ
って、信号処理して比較器の出力信号を零となるように
制御すればよい。 （発明の効果） 本発明による固体撮像装置はＳＩＴ撮像素子が本来備え
ているダイナミックレンジを減少させることなく、オフ
セット及び暗出力を含まない画素出力を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は、本発明による固体撮像装置に関する
説明図であり、− 第１図は、本発明による固体撮像装置の基本の回路構成
図、 第２図は、該装置の一実施例を示す全体の回路構成図、 第３図は、該装置にオフセットがある場合の印。 明図、 第４図は、該装置に暗出力がある場合の説明図、第５図
は、該装置のオフセットをキャンセルする場合の信号波
形図、 第６図は、該装置の暗出力をキャンセルする果合の信号
波形図、 第７図は、該装置の他の実施例を示す全体の回路構成図
、 紀８図は、本発明による固体撮像装置のＶａ−ＩＤ特性
図、 第９図は従来の固体撮像装置のＶｃ−Ｉｏ特性図、第１
０図〜第１５図は、既に本願人が扶案した固体撮像装置
に関する説明図であり、 第１０図（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ１は、夫々に該装置の
一画素を構成するＳ　Ｉ　’ｌ’の断面図、その全体の
回路構成図及びその動作の信号波形図、 第１１図は、該装置の一画素に対応−４−る回路図、第
１２回置及び（Ｂｌは、夫々に該装ｇｔのＶＧ−Ｉｃ特
性図及びＶｃ−ＩＤ特性図、 第１３図は、該装置の信号波形図、 第１４図（８）及びｆＢｌは、夫々に該装置の他の提案
例の全体の回路構成図及びその動作の信号波形図、第１
５図（Ａ）、（Ｂ）及び（０は、天々に該装置の更に他
の堤案例の全体の回路構成図、その動作の信号波形図及
びゲート電位変化図、 第１６回置及びｆｆ３１は、従来のＳ　Ｉ　Ｔ固体場像
４４置の全体の回路構成図及びその信号波形図を夫々に
示す図である。 第１図 ｔ−ＶφＲ＋Φｅ＋ＶφＧ） 第５図 り φＳ２ 第１０図 （Ａｌ ＯＱ 〉　　　　　　　　　　　　　　　　　　〉第１３図 第１４図 第１４図 （Ｂ） 第１５図 ｆＡ） ’Ｔ＞８　　　　　　　） 第１６図 端） ！！！ｊ＋ 暗仏力十オフｔヅト 手続補正四（自発〉 昭和６ｏ年５月２７日 ９年特許願第２０３７１８号 像装置 者 す、補正の対象 「発明の詳細な説明」の欄 別紙の通り （別紙） （１）明細書第３頁第１４行の「実行的」を「実効的」
に訂正する。 （２）同第６頁第３行ｆ７）　ｒＶ（ｔ）８Ｊ　ｅ　ｒ
Ｖ（＋）ＲＪに訂正する。 ′　　（３）同第１９頁第１９行の「るように構成され
ている。」の後に、次の通り加入し訂正する。 「なお、検出器８つの比較器は、遮光画素出力と基準電
圧との差に比例した出力を送出する差！ｌ１ｌｉｌｆｉ
器であってもよい。このような差動増幅器を用いること
によって所望の自動制御が容易にできるものである。比
較器または差動増幅器等を用いることは、後述する種々
の実施例においても同様とするものである。」 （４）同第２１頁第９行のｒｌｏｌ−ｍｎがマトリック
ス」をｒｌｏｌ−ｍｎがマトリックス」に訂正する。 〈５）同第２４頁第２行〜周頁第３行の「サンプル・ホ
ルト」を「サンプルホールド」に訂正する。 （６〉同第３４頁第１３行〜同頁第１９行の［次に、・
・・・・・説明は省略する。」を削除し、次のように訂
正する。 「次に、本実施例による固定Ｗｉ像装置２００にオフセ
ット及び暗出力が含まれる場合のキャンセルの方法は、
上述の振動電圧ＶΦＲまたは■ΦＧのいずれかを同様に
制御することで達成できる。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、行選択制御信号を印加する行ライン と列選択制御信号を印加する列ラインと、上記、列ライ
   ンに接続された一方の主電極に共通に接続された他方の
   主電極と、上記主電極間に配設されたチヤネル領域とゲ
   ート領域とから成る画素を構成するノーマリーオン形静
   電誘導トランジスタと、該静電誘導トランジスタのゲー
   ト領域と行ラインとの間に接続されたコンデンサと上記
   画素の信号読出し時にゲート領域を逆バイアスさせる手
   段と、遮光画素とを備え、該遮光画素の遮光画素出力を
   零とするように自動制御ループを形成したことを特徴と
   する固体撮像装置。 ２、上記自動制御ループは、遮光画素出力に応じて行選
   択制御信号の電圧レベルを自動制御することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３、上記自動制御ループは、遮光画素出力と基準電圧を
   比較する比較器を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の固体撮像装置。