JPS61136388A - 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、各画素を半導体層の表面と平行にソース・ド
レイン電流が流れる横形静電誘導トランジスタ（ＬＳＩ
’ｌ’）で構成した固体撮像装置に関するものである。

（従来技術） かかる固体撮像装置は、特開昭５０−１０８４６１号公
報、特願昭５９−５９５２５号において本願人は跣に開
発している。第１図は本願人の開発に係るＬＳＩＴの等
価回路を示すものである。このＬＳＩＴはｎチャネルの
ものでソース接地回路を構成し、ソース端子１はソース
見極（Ｓ）に接続されてソース電圧ｖｓが印加され、ド
レイン端子２は負荷抵抗（Ｒ９）　４および出力電圧Ｖ
。ＵＴ　”得る出力端子５を介してドレイン電極ＣＤ）
に接続すれてドレイン電圧ＶＤが印加される。また、ゲ
ート端子８はゲート電極（Ｇ）６に接続されてゲート電
圧Ｖ（、が印加され、このゲート電極６にそのゲート上
部から入射光７が入射する。更に、基板端子８には基板
電圧ｖＳＵＢが印加される。

第２図（Ａ）〜（Ｄ）は第１図に示したＬＳ　ＩＴの動
作を説明する信号波形図で、同図（Ａ）はゲート端子３
に印加するゲート電圧ｖＧを、同図（Ｂ）はドレイン端
子２に印加するドレイン電圧ＶＤを、同図（０）はソー
ス端子１に印加するソース電圧ｖ８を、同図ＣＤ）は基
板端子８に印加する基板電圧ｖｓＵＢをそれぞれ時間と
の関係で示すものである。同図（Ａ）〜（Ｄ）において
、読み出し動作のＩ　ＩＮ期はＴであり、この周期では
蓄積時間Ｔ　１読み出し時間ＴＰ３よびリセット時間で
８から成っている。読み出し動作の全期間を通じて、ソ
ース電圧ｖｓはグランド電圧ｖＳｌに、また基板電圧ｖ
ｓＵＢは逆バイアス電圧ｖＳＵＢＩ　（ｖＳＵＢＩ　〈
Ｏ）に保持される。蓄積時間ＴＩにおいて、ゲート電圧
ｖＧは深い逆バイアス電位■Ｇ工（ＶＧ、　＜　Ｏ）と
なっており、光量に応じてゲート直下の半導体、絶縁膜
界面に光により発生した正孔が蓄積される。なお、この
蓄積時間Ｔ０中は、ドレイン電圧ＶＤはグランド電圧Ｖ
Ｄよとなっている。次に、蓄積時間Ｔ工が終了して読み
出し時間で２に移ると、ゲート電位はゲート読み出し電
圧Ｖ。２　（ｖＧｌ≦ｖＧ２く０）となり、ドレイン電
圧ＶＤは読み出し電圧ｖＤＩ（ｖＤ２　＞　０３となっ
て、光量に応じた出力信号が読み出される。その後、リ
セット時間Ｔ８において、ゲート電圧ｖＧが順バイアス
電圧ｖＧｓ（ＶＧ８＞０　）となって光により発生し、
ゲート直下に蓄積されていた正孔が掃き出される。なお
、このリセット時間Ｔ　　ＣＢいて、ドレイン電圧ＶＤ
は読み出し電圧ＶＤ２となっているが、グランド′亀Ｆ
ＥｖＤよでもかまわない。

第８図は第１ｍに示したＬＩＩＴの出力例を示すもので
あり、ゲート電極上部への入射光斑と出力端子５の電圧
ｖＯＵ’［’とをリニアスケールの関係で示しである。

同図において、光ｆｉｌが零（０）の時はＬＳＩＴはオ
フ（ＯＦＦ　）状態にあり、出力電圧ｖＯＵＴはドレイ
ン電圧ＶＤとなる。次に、光Ｎｌが増加するに従ってＬ
Ｓ・ＩＴはオン（ＯＮ）状態が強くなり出力電圧ｖＯＵ
Ｔが下降して、飽和光量を越える光量が入射すると一定
の電圧ｖＯＵＴよとなる。この飽和光量までの領域にお
いては、出力（ミｖ。ＵＴ）”光ｆｆ１（ミｌ）の関係
があることが実験によって確かめられている。

上述したＬＳＩＴを用いる固体撮像装置では、各画素を
構成するＬＳＩＴをマトリックス状に配列してラスク走
査することにより映像信号を取り出しているが、この走
査方法としてはドレイン・ゲート選択方式、ソース・ゲ
ート選択方式、ソース・ドレイン選択方式がある。

第４図（Ａ）は、上記のＬＳＩＴをマトリックス状に配
列してドレイン・ゲート選択方式によりラスク走査する
ようにした固体撮像装置の構成概略図を示すもので、ｍ
ｘｎ個のＬＳＩＴ１５０−１１　、１５０−１２　、−
−−　、１５０−２１　、１５０−２２ｖ　−−−ｅ　
１５０−　ｍｎ　　をマトリックス状に配列し、ｘＹア
ドレス方式により順次信号を読み出すようにしたもので
ある。各画素を構成するＬＳＩＴは、ゲート領域によっ
てソースおよびドレイン領域の少なくとも一方を囲むよ
うに構成したり、ソース・ドレイン領域間にゲート領域
を設けて構成することができる。この固体撮像装置では
、各ＬＳＩＴのソース端子を接地し、Ｘ方向に配列され
た各行のＬＳＩＴ群のゲート端子は行ライン１５１−１
，１５２−２．−−−．１５１−ｍにそれぞれ接続する
。また、Ｙ方向に配列された各列のＬＳＩＴ詳のドレイ
ン端子は列ライン１５２−１　、１５２−２−−−１５
２−　ｎにそれぞれ接続し、これら列ラインはそれぞれ
列選択用トランジスタ１５８−１’、−１−５δ−、Ｓ
）−’−１５’ａ　−ｎおよ、び反選択用トランジスタ
１５　ａ　−１’　、　１５３−２’−一−１５３−ｎ
’を介してそれぞれビデオライン１５４およびグランド
ライン１５４′に共通に接続する。ビデオライン１６４
には負荷抵抗１５５を介してビデオ電源ｖＤＤを接続す
る。行ライン１５１−１　、１５１−２−−−１５１−
　ｍは垂直走査回路１５６に接続され、それぞれ信号ψ
Ｇｌ　ｔφＧ２５−−−＋φｏｍが印加される。また、
肩択用トランジスタ１５　Ｂ　−１、１５３−２−−−
１５８−ｎおよび反選択用トランジスタ１５３−１’　
、　ｌ　５３−２’　−−−１５３−ｎ’のゲート端子
は水平走査回路１５７に接続され、それぞれ信号φｌ）
１　ｔφＤ２−−一φＤｎおよびその反転信号が印加さ
れるようになっている。

次に、第４図（Ａ）に示す固体撮像装置の動作を、第４
ＦＭＣＢ）に示す信号波形図を参照しながら説明する。

第４図（Ｂ）は垂直走査信号φ。および水平走査信号φ
Ｄを示すものである。行ライン１５１−１，１５１−２
−−一に印加される信号φＧ□、φＧ２　＝−は小さい
振幅の読み出しゲート電圧ｖ＄Ｇと、それより大きい振
幅のリセットゲート電圧■φ、とより成るもので、一つ
の行ラインの走査期間ｔＨの間はＶｐＧ−次の行ライン
の水平走査に移るまでの水平プランキング期間ｔＢＬに
はＶφＲの値になるように設定されている。また１水平
走査信号φＤｌ　ｒψＤ、−ｍ−は列ライン１５２−１
゜Ｉ　Ｆ）　２−２−−−を選択するための信号であり
、低レベルは列選択用トランジスタ１５３−１　、　ｘ
ｉａ−２−一−をオフ、反選択用トランジスタ１５８−
１’　、　１５８−２’−−一をオン、高レベルは列選
択用トランジスタをオン、反選択用トランジスタをオフ
とＴ、６［正値となるように設定されている◇垂直走査
回路１５６の作動により信号ｐＧ工がｖ、ｐＧとなると
、行ライン１５１−１に接続されたＬＳＩ’Ｉ’詳１　
５　０　−　１　１　　、　１　５　０　−　１　２　
−−−　１５０−Ｉｎが選択され、水平走査回路１５７
より出力される信号１ｐＤ１．ψＤ２−−−により水平
選択トランジスタ１５ａ−１，１５３−２−一−１５３
−ｎが順次オンすると、ＬＳ３：Ｔ１５Ｏ−１１誹５０
−１２−−−１５０−　Ｉ　ｎの信号が順次にビデオラ
イン１５４より出力される。続いて、このＬＳＩＴ：詳
１　５　０　−　１　１　　、　１　５　０　−　１　
２　−−−　１　５　０　−　１　ｎは信号φＧ□が高
レベルＶφＲになったときに一斉にリセットされ、次に
光信号を蓄積し得る状態となる。次いで、信号ψＧ２が
１９．ａとなると行ライン１５１−２に接続されたＬＳ
ＩＴ群１５０−２１゜１５０−２２−−−１５０−２　
ｎが選択され、水平走査信号φＤ工、φＤ２−−−によ
りＬＳＩＴ１５０−２１　、　ｌ　５０−２２−−−　
ｉ　ｓ　Ｏ−２ｎの光信号が順次に読み出され、続いて
φＧ２がＶ＄Ｒとなることにより一斉にリセットされる
。以下同様にして順次のＬＳＩＴの光信号が読み出され
、１フイールドのビデオ信号が出力される。

上述した固体撮像装置においては、選択されていないＬ
ＳＩＴのドレインを反選択用トランジスタを介してグラ
ンド電位に固定するようにしたから、光信号蓄積時に光
入射によって生成された光電荷がゲート領域に有効に蓄
積される利点があるが、他方では以下に説明するような
不具合がある。

すなわち、一般に固体撮像装置や撮像管から取り出され
た信号は、後続の信号処理系で通常飽和レベルの１０分
の１を標準信号とし、その約１．１倍のレベルでホワイ
ト・クリップをしてｒ補正を行なっているため、信号処
理系まで含めた撮像システムを考えると、出力信号のダ
イナミックレンジは固体撮像装置や撮像管のダイナミッ
クレンジよりもかなり狭くなる。これがため、フントラ
ストの強い被写体に対しては被写体の暗い部分では一様
に全て暗くなってしまい、明るい部分ではそれが強調さ
れて撮像されてしまう。したがって、ＬＳＩＴを用いた
固体撮像装置においても、ｒ値を小きくすることが要求
される。

また、上述した固体撮像装置においては、ＬＳ’ｌＴの
ゲート電圧ｖＧに対してドレイン電流よりがｆａ５図に
示すような特性になる。ここで、ゲート電圧ｖ３で読み
出した時に出力信号が重度飽和するような露光条件下で
も、ドレイン電流よりが実用上０となるゲート電圧をｖ
ｏとして、ゲート電圧Ｖ。

での読み出し時に出力信号が重度飽和する露光条件以下
の場合を考える。いま、ＬＳＩＴ１５０−１１の信号を
読み出すとすれば、垂直走査信号φＧ１はｖ、ニナッテ
オリ、ＬＳＩＴ１５Ｑ−１１にはその時の露光条件によ
る信号電流が流れる。

一方％　Ｌ　Ｓ　Ｉ　Ｔ　１５０−２１　、−−−　、
１５０−　ｍｌでは、垂直走査信号φＧＢ　ｙ　−−−
＋φＧｍは全てＶ□になっており、これらのＩ、　Ｓ、
　Ｉ　Ｔのソース・ドレイン間には電流は流れず、結７
ｉ５ＬＳＩＴ１５０−１１のみが選択され信号が読み出
されることになる。しかしながら、例えばＬＳＩＴ１５
０−２１が過剰な露光条件下にあると、このＬ　Ｓ　Ｉ
　Ｔ　１５０−２１においては垂直走査信号φＧ２がＶ
工になっていてもドレインが生ずる。このため、ＬＳＩ
Ｔ１５０−１１の信号を読み出そうとしても、過剰な露
光状態のために同一の列ライン１５２−１に接続された
Ｉ、Ｓ１１’１５０−２１の信号も同時に読み出される
ことになり、このような非選択画素からの信号混入のた
めに、露光量が大きいときには正常な撮影′を行なうこ
とができないという問題がある。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述した不具合を解決し、簡単な構成
によりγ値を小さく制御でき、したがって良好な撮像特
性が得られると共に、露光量が大きいときにも非選択画
素からの信号混入のない良好な画素信号が得られるよう
適切に構成した固体撮像装置を提供しようとするもので
ある。

（発明の概要） 本発明は、絶縁物または高抵抗半導体基体上に形成した
半導体層の表面に、ソース領域およびドレイン領域を設
けると共に、これらソース領域およびドレイン領域の間
にゲート領域を設けて、半導体層の表面と平行にソース
・ドレイン電流が流れるようにした横形静ｍ誘導トラン
ジスタより成る画素を多数マトリックス状に配列した固
体撮像装置において、各画素の蓄積電荷ご読み出す読み
出し信号と、各画素の蓄積電荷を全て排出するリセット
信号と、各画素についてリセット後次の読み出しの間に
蓄積電荷の一部を排出するクリア信号とを選択的に前記
ゲート領域に供給する駆動手段を具えることを特徴とす
るものである。

（実施例） 第６図（ムンは、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である。本例では、垂直走査回路２
５６が後述する第６図（Ｂ）に示すような垂直走査信号
φ′０を与えるように構成されている点のみが上述の第
４図（Ａ）に示すものと異なるものであるから、第４図
（Ａ）に示すものと同一作用を成すものには同一の参照
番号を付してその説明を省略する。

第６図（Ｂ）は第６図（人）に示す固体撮像装置の動作
を説明するための信号波形図で、水平走査信号φＤおよ
び垂直走査信号φＧを示すものである。第６図（Ｂ）か
ら明らかなように、垂直走査信号φ。０．φ（、ｊ　ｔ
φＧ８　ｙ　−−一は電位が読出し電圧ＶφＧと、リセ
ット電圧ＶφＲおよびその中間の値をもつクリア電圧Ｖ
φＧの３つの成分から成り、成る１つの行ラインの走査
期間ｔａの間は読出し電圧Ｖ　　次の走査に移るまでの
プランキング期間φＧゝ ｔＢＬにはリセット電圧Ｖ、、Ｒの値となり、他のライ
ンの水平走査後のプランキング期間ｔｌＢＬにはクリア
電圧ＶφＧの値となる。

水平走査信号φｐＨｔφｐ４　ｅψＤ８　ｔ　−−一は
列ラインｌ　５２−１　、１５２−２−−−を選択する
ための信号であり、低レベルは列選択用トランジスタ１
５　Ｂ　−１、１５１１−２−−一をオフ、反選択用ト
ように設定されている〇 本実施例において、いまＬＳＩＴ１５０−１１が通常の
入射光景下にあり、ＬＳＩＴ１５０−１２に極めて強い
光が入射しているとする。その時のゲート酸下膜下の反
転層に蓄積される光励起電荷の様子を第６図（０）に示
す。第６図（Ｃ）において、〔工〕はＬＳＩＴ１５０−
１１のゲート下のポテンシャルおよび蓄積電荷の様子を
示し、（１）はＬＳ１１’１５０−１２の様子を示して
いる。１＝０で反転Ｍ電荷がリセットされ、その後光積
分動作に入る。１　＝　１．で水平走査が終了しプラン
キング期間に入る。このとき（Ｉ）および（ｎ）とも光
励起電荷が蓄積されている。プランキング期間中の１　
＝　１２にゲート電位をクリア電位Ｖ＄Ｏまで上昇させ
ると、〔工〕の光励起電荷量に変化はないが、極めて強
い光が入射している（ＩＩ）の光励起電荷のうちゲート
電位がＶｐｃの時の反転層線電荷を超える分は基板へ排
出される。

次に、ｔ＝ｔ８で再び光積分動作に入って光励起電荷の
積分を続け、水平走査の終了する直前のｔ＝　１．の状
態に至る。その後のプランキング期間に、再び１　＝　
１．、の時と同様にして過剰電荷の排出動作を行なう。

このように、本実施例においては、垂直走査信号ψＧが
クリア電圧ｖ（１）ｑになる毎に、上記の過剰電荷排出
動作が行なわれるかむ、露光量が大きな画素においては
蓄積された光励起電荷の一部が基板に排出されることに
なる。したがって、光量の大きな側でのｒ値を小さくで
き、良好な撮像特性を得ることができる。

また、本実施例において、ＬＳＩＴ１５０−１１および
ＬＳＩ’Ｉ’１５０−２１に注目し、ＬＳＩＴ１５（＋
−１１が適正な露光条件下にあり、ＬＳＩＴ１５０−２
１に極めて強い光量が入射している場合、を考える。い
ま、垂直走査信号φＧ０が読み出し電ＥＥ、ｖ９！ｌＧ
となり、列選択用トランジスタ１５８−１がオンすると
、ＬＳＩＴ１５０−１１のドレイン電流が列ライン１５
２−１および負荷抵抗１５５企介して流れる。ここで、
ＬＳＩＴ１５０−２１においモは直前の水平プランキン
グ期間に過剰電荷の排出動作が行なわれた直後であるた
め、ＬＳＩＴ１５０−２１のドレイン電流は流れず、し
たがって信号混入のない良好なビデオ信号を得ることが
・できる。

なお、上記実施例ではドレインを列ラインに１ゲートを
行方ンヘソースを共通ラインに接続してＬＳＩＴからソ
ース接地形式で信号を読み出すようにしたか、ソースを
列ラインに、ゲートを行う□インに、ドレインを共通ラ
インに接続してＬＳＸＴからソース接地形式で信号を読
み出す方式や、ドレインＰ列ラインに、ゲートを行ライ
ンに、ソースを共通ラインに接続してＬＳＩ’ｒかもソ
ース・７才ロワー形式で信号を読み出す方式あるいはソ
ース企列ラインに、グー８２行ラインに、ドレインを共
通ラインに接続してＬＳＩＴからソース・７才ロワー形
式で信号を読み出す方式のいずれの方式をも採用するこ
とができ、各方式において行選択信号として上述した実
施例と同じ垂直走査信号を用いることにより、露光量の
大きな側でのｒ値を小さくして良好な画像を撮像できる
と共に、過剰な露光条件下での非選択信号の混入を有効
に防止することができる。また、上述した実施例ではラ
イン毎にリセットするようにしたが、画素毎にリセット
する場合でも、例えば他の画素のリセットに同期してク
リア信号を供給することにより同様の効果を得ることが
できる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、ＬＳＩＴ１５を゛光
検出およびスイッチング素子として一画素を構成した固
体撮像装置において、各画素についてリセット後次の読
出しまでの間に蓄積電荷の一部を排出するようにしたか
ら、ｒ値の小さい、良好な入射光量対出力特性を得るこ
とができると共に、一部の画素に極めて強い光照射があ
った場合でも（非選択画素からの信号混入のない良好な
画素信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願人が先に提案したＬＳＩＴの等価回路図、 ＃！２図（Ａ）〜（Ｄ）はその動作を説明するための信
号波形図、 第８図は第１図に示すＬＳ　ＩＴにおける出力電圧と入
射光量との関係を示す図、 第４図（Ａ）は第１図に示すＬＳＩＴを具える固体撮像
装置の全体の回路構成図、 第４図（Ｂ）はその動作を説明するための信号波形図、 第５図は第１図に示すＬＳＩＴ１５のゲート電圧対ドレ
イン電流を光量をパラメータとして示すグラフ、゛ 第６図（Ａ）は本発明の一実施例を示す回路構成図、 第６図（Ｂ）はその動作を説明するための信号・波形図
、 第６図（Ｃ）は同じく画素毎のポテンシャルおよび蓄積
電荷の様子を示す図である。 １５０−１１〜１５０−　ｍｎ−Ｌ　Ｓ　Ｉ　’Ｉ’１
５１−１〜１５１−　ｍ・・・行ライン１５２−１〜１
５２−　ｎ−列ライン １５ａ　−１〜１５８−　ｎ・・・列選択用トランジス
タ１５８−１’〜１５３−　ｎ’・・・反選択用トラン
ジスタ１５４・・・ビデオライン １５４′・・・グランドライン １５５・・・負荷抵抗 １５７・・・水平走介回路 ２５６・・・垂直走査回路 第２図 （Ａ、） Ｖ＄ 第５図 ケート電ＩＥｔリニアスｈ−ルン 第６図 （Ａ） 第６図 （Ｂ） ２．、、−汎一ユーユーー一旦− 第６図 （Ｃ） （１）　　　　　　　（Ｘン 手　　続　　補　　正　　書 昭和６１年１月７日 特許庁長官　　宇　　賀　　道　　部　　殿１、事件の
表示 昭和５９年特許願第２４４６３７号 ２、発明の名称 固体撮像装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （０３７）オリンパス光学工業株式会社４、代理人 ６゜補正の内容　（別紙の通り） Ｌ明細書第１頁第３行〜第２頁第１１行の特許請求の範
囲を次の通りに訂正する。 「２、特許請求の範囲 Ｌ　絶縁物または高抵抗半導体基体上に形成した半導体
層の表面に、ソース領域およびドレイン領域を設けると
共に、これらソース領域およびドレイン領域の間にゲー
ト領域を設けて、半導体層の表面と平行にソース・ドレ
イン電流が流れるようにした横形静電誘導トランジスタ
より成る画素を多数マトリックス状に配列した固体撮像
装置において、各画素からその蓄積電荷に応じた映像信
号を読み出す読み出し信号と、各画素の蓄積電荷を全て
排出するリセット信号と、各画素についてリセット後次
の読み出しの間に蓄積電荷の一部を排出するクリア信号
とを選択的に前記ゲート領域に供給する駆動手段を具え
ることを特徴とする固体撮像装置。 亀　前記クリア信号は、前記ゲート領域を前記リセット
信号におけるよりも低い逆バイアス状態とする信号をも
って構成した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。 ＆　前記読み出し信号による一ラインの画素の読み出し
復改のラインの読み出しまでの水平プランキング期間中
に前記リセット信号を発生させ、リセット後次の読み出
しまでの間で他のラインにおける読み出し後のリセット
期間の少く某一つの期間中に前記クリア信号を発生させ
るよう前記駆動手段を構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第１または２項記載の固体撮像装置。Ｊ ・２．明細書第１２頁第１４〜１５行の「各画素の蓄積
電荷を読み出す読み出し信号と、」を「各画素からその
蓄積電荷に応じた映像信号を読み出す読み出し信号と、
」に訂正する。 ８、図面中、「第２図」を別紙訂正図の通りに訂正する
Ｏ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁物または高抵抗半導体基体上に形成した半導体
   層の表面に、ソース領域およびドレイン領域を設けると
   共に、これらソース領域およびドレイン領域の間にゲー
   ト領域を設けて、半導体層の表面と平行にソース・ドレ
   イン電流が流れるようにした横形静電誘導トランジスタ
   より成る画素を多数マトリックス状に配列した固体撮像
   装置において、各画素の蓄積電荷を読み出す読み出し信
   号と、各画素の蓄積電荷を全て排出するリセット信号と
   、各画素についてリセット後次の読み出しの間に蓄積電
   荷の一部を排出するクリア信号とを選択的に前記ゲート
   領域に供給する駆動手段を具えることを特徴とする固体
   撮像装置。 ２、前記クリア信号は、前記ゲート領域を前記リセット
   信号におけるよりも低い逆バイアス状態とする信号をも
   つて構成した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、前記読み出し信号による一ラインの画素の読み出し
   後次のラインの読み出しまでの水平プランキング期間中
   に前記リセット信号を発生させ、リセット後次の読み出
   しまでの間で他のラインにおける読み出し後のリセット
   期間の少く共一つの期間中に前記クリア信号を発生させ
   るよう前記駆動手段を構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１または２項記載の固体撮像装置。