JPH03286672A - イメージセンサ - 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】 産業上の利用分野 原稿情報等を読み取る画像入力装置の基幹デバイスとし
てイメージセンサが利用されていも　本発明は原稿情報
を高感度かつ高解像度で読み取ることを可能にするイメ
ージセンサに関するものであ瓜 従来の技術 集積回路技術を用いたイメージセンサは光検知素子とし
てフォトダイオードまたはフォトトランジスタを用いて
いも　フォトダイオードの充電流感度は１平方センチメ
ートルの受光面積において照度１ルクス当り約１００ｎ
Ａ程度であり、これにｈＦＥを乗じたものがフォトトラ
ンジスタの充電流感度となん　つまりフォトトランジス
タは検知素子自体で増幅機能を有しているためフォトダ
イオードよりも高感度の読み取りが可能で、イメージセ
ンサの高解像度化に伴って受光部面積の縮小化が進んだ
場合もフォトダイオードに比較して感度の点で有利な検
知素子といえも ところで上記の受光素子の持つ光情報の読みだし方は次
のように行われも　フォトダイオードを受光素子に用い
た場合はアノード・カソード間接合容量に一定値の逆方
向電圧を加えた後の成る瞬間に一方の端子をフローティ
ングな電位状態としておく。この瞬間からこのフォトダ
イオードでは入射してくる光強度に比例して生じる光電
流力曳上記接合に一定値で存在していた電荷を放電して
、逆方向電圧が時間と共に次第に減衰してくも　そして
次に再度アノード・カソード間に前記のごとく一定値の
逆方向電圧を印加すも　このとき光電流によって失われ
た放電電荷を補うための充電電流が流れ　この電流また
はその総量たる電荷量を検知して映像信号を得る。ここ
で大切なのは再び一方の端子をフローティング状態にし
て光情報を検知する状態とする際に　常に完全に同−一
定値の逆方向電圧が前記のように容量にかかつていなけ
ればならないことであａ　これが不十分であれは　直前
に受けた光により打ち消された電荷量の履歴が残り上記
接合容量間の電圧値が完全に元の一定値になるに至るま
でには復帰しないという即ち充電不十分なる現象が生じ
　その後に入射した光量が全く零でも映像信号読みだし
時に前回充電が不十分だったところを更に充電すること
になり、出力を生じも　この現象を残像とよ４を現実に
はフォトダイオードを受光素子として用いる際に＆よ　
フォトダイオードがアノード領域とカソード領域のみか
らなり基本的にフォトトランジスタのべ・−ス領域のよ
うな浮遊領域をもたないた取　上記の残像は問題になら
なＬ〜　しかしフォトダイオードでは光電流が小さく高
速読みだしになると蓄積時間も減少してくるので光電流
が不足すも　従って感度向上のためにフォトトランジス
タを受光素子として用いることが考えられ社第２図は従
来例におけるフォトトランジスタを受光素子として用い
たイメージセンサの構成図であ；Ｓｏ　　ｌａ、　　ｌ
ｂ、　　ｌｃ、　　ｌｄは画素単位である受光素子のフ
ォトトランジス久　２は映像信号を読みだす画素を選択
する走査回跋　３は走査回路により選択された画素であ
るフォトトランジスタのコレクタの電位を一定電圧まで
充電できるようにスイッチしていくアクセススイッチ列
である。

１ｏは各フォトトランジスタからの映像信号を順次読み
だす映像信号出力端子である。　１１及び１２は走査回
路２のスタート信号入力端子及びクロック信号入力端子
である。スタート信号及びクロック信号を受けて走査回
路２はスイッチ列のオン状態を走査して順次フォトトラ
ンジスタ１ａ、　１ｂ、ｌｃ、ｌｄのコレクタ電位を一
定電圧源と導通させてフォトトランジスタのコレクタ・
ベース間接合容量を充電していく。そして次に充電が行
われるまでのいわゆる蓄積時間内にフォトトランジスタ
に入射した光量に比例した電荷量だけを失ｕ％　　コレ
クタ・ベース間の電位差が低下すム　これが次の充電時
に元の充電状態に戻る際に　前記の放電電荷量を補うだ
けの充電電流がフォトトランジスタによって増幅されて
映像信号出力端子ＩＯから取り出されも 発明が解決しようとする課題 しかしこのようにフォトトランジスタを画素として用い
る場合にＬヨ　　コレクタ・エミッタ間を充電するにつ
れてベースの対エミッタ電位差が小さくなり、充電電流
たるコレクタ電流自体がだんだんと小さくなってきて、
結局一定の充電時間内においては充分に充電しきれなく
なり、結果として大きな残像を生じることになん　つま
り入射光量が明から暗に変化する際に　明出力読みだし
時の充電が不十分であるために　暗出力を得る際にも前
回の充電不十分の分を補うべく充電が生じて、結果的に
誤った映像出力を得てしまう。この種の残像を立ち下が
り残像という。また逆に入射光量が暗から明に変化する
際には　暗出力読みだし時の充電が充分過ぎるために　
ベース電位がエミッタに対して極めて低くなり、次に明
出力を得る際に　充電電流の一部がフォトトランジスタ
を動作可能状態にするためにベース電位を引き上げるた
めに使われて、本来よりも明出力が小さくなってしまう
。この種の残像を立ち上がり残像という。

これらの残像は原稿情報の忠実な読み取りを損な（＼　
高速読み取り時に一段と顕著になム　フォトトランジス
タを受光素子として用いることにより感度向上を企図す
れば残像という副作用をもたらすことになん　高速読み
取りはこれから益々要求される性能項目であり、従来例
のような構成ではフォトトランジスタを用いたイメージ
センサはその高感度性という特徴を活かすことができな
（１本発明の目的はこのフォトトランジスタを光検知素
子として使用した際の残像を低減することにより、高感
度で低残像なイメージセンサを実現することであも 課題を解決するための手段 上記の問題ではフォトトランジスタのベースを常に浮遊
状態で扱っていて、その電位が映像信号を読みだし充電
する際に低下していも　この低下の度合が前の蓄積時間
内の露光量に依存し　このフォトトランジスタを読みだ
し充電するときにベース電位引き上げのし易さに差が生
よ　残像とな瓜　従ってフォトトランジスタのベース領
域に２個のスイッチを縦列接続し　読みだし充電される
タイミング迄に　この縦列接続されたスイッチの中間点
に一定電荷を蓄積した後に前記フォトトランジスタのベ
ース側のスイッチをオンして前記フォトトランジスタの
ベース電位に一定量の電荷を与えてやることにより、前
の蓄積時間内の露光量に依存したベース電位に残る履歴
がきわめて小さくなるので、残像を低減することができ
も作用 本発明は上記した構成によって、必ずフォトトランジス
タのベース電位に電荷を与えてからアクセス読みだしを
行うことによって、フォトトランジスタを受光素子とし
て用いて、高感度であるだけでなく低残像でもあるイメ
ージセンサを実現するものである。

実施例 以下本発明の実施例のイメージセンサについて図面を参
照しながら説明すも 第１図は本発明によるフォトトランジスタを用いたイメ
ージセンサの構成国である。５ａ、５ｂ。

５ｃ、５ｄは容量充電用電圧ライン７から容量６ａ、　
　６ｂ、　　６ｃ、　　６ｄを充電するための容量充電
スイッチであ＆　　４ａ、　　４ｂ、　　４ｃ、　　４
ｄは上記の容量６ａ、　　６ｂ、　　６ｃ、　　６ｄに
蓄積された電荷ヲ各々フォトトランジスタＩａ、　　ｌ
ｂ、　　Ｉｃ、　　１ｄの各ベースに放電させるための
容量放電スイッチであも　８及び９は上記のスイッチ４
ａ、４ｂ。

４ｃ、４ｄ及び５ａ、　　５ｂ、　　５ｃ、　　５ｄの
オン／オフを制御する容量放電用コントロール端子及び
容量充電用コントロール端子であ廐　本図において他の
第２図と同一番号を付けたものは第２図で説明したもの
と同一の働きをすも　な耘　映像信号出力端子ｌＯはそ
の電位変動を抑制するために低人力インピーダンス回路
で受けも　以上の構成により、フォトトランジスタのベ
ースを完全には浮遊状態にはせず、あらかじめ容量充電
用コントロール端子９をオンして容量８ａ、　　６ｂ、
　　６ｃ。

６ｄを充電した後　ブランキング時間内に容量放電用コ
ントロール端子８をオン状態にして、各フォトトランジ
スタのベースに一定量の電荷を与えることによりベース
電位が低くなることもなく常に安定した電位にリセット
されるので残像が抑制されも　ベース電位が低下し過ぎ
ないことＣよ　とりわけ立ち上がり残像の軽減に大きく
寄与すも容量６ａ〜６ｄに一旦蓄積した一定量の電荷を
各フォトトランジスタのベースに与える構成であるから
各フォトトランジスタのベースに電荷を与えすぎること
がなく、各フォトトランジスタ毎の特性のばらつきによ
る悪影響もなし　また各フォトトランジスタ毎に充電源
となる容量６ａ〜６ｄを有するため容量放電スイッチ４
ａ〜４ｄがオンした際に各画素に平等に電荷を与えるこ
とができるので特定のフォトトランジスタのベースにの
み多量の電荷を与えることはな（１な抵　光情報は各フ
ォトトランジスタのコレクタ・ベース間の電位差にのみ
蓄積され　ベース自体の電位は光情報の読み取りには直
接的には全く影響しないので、このようにベース電位を
制御することは原稿読み取りに何等本質的な悪影響を与
えなＬ１ 第３図は本発明の実施例によるイメージセンサの駆動の
様子を示すタイミングチャートであ瓜（ａ）及び（ｂ）
は走査回路であるシフトレジスタの走査用スタート及び
クロック信号であん　このシフトレジスタの走査が行わ
れている間が映像信号出力期間であり、走査が終了して
から（ａ）の走査用スタート信号が再び入力されて走査
が開始されるまでの期間をブランキング期間とよび、こ
れらの期間を示したのが（ｃ）であ＆　　（ｆ）は映像
信号出力端子から取り出される映像信号を示したもので
あ４　　（ｄ）は第１図６ａ〜６ｄで示した容量を充電
するために第１図５ａ〜５ｄで示した容量充電スイッチ
を導通させるパルスタイミングを示したものであり、導
通期間はブランキング期間内の一部にあａ　但しこの導
通期間は必ずしもブランキング期間内にある必要はない
バ映像信号にパルス性のノイズが悪影響を与えるのを避
けるためにもブランキング期間内にある方が望ましＬｓ
　　（ｅ）はフォトトランジスタのベースに第１図６ａ
〜６ｄで示した容量から電荷を与えるために　第１図４
ａ〜４ｄで示した容量放電スイッチを導通させるパルス
タイミングを示したものであり、導通期間はブランキン
グ期間内に存在しなければならなし 第４図（Ａ）、　（Ｂ）は第１図に示した容量充電スイ
ッチ及び容量放電スイッチとしてｐチャネルＭＯ８ｈラ
ンジスタを用いた場合のフォトトランジスタと容量充電
スイッチと容量放電スイッチとの組合せを、その回路記
号と断面構造図として各々描いたものであん　本図（Ａ
）中の６は縦列接続されたスイッチの中間点の有する容
量であり、第１図中の６ａ〜６ｄで表わした容量に等し
賎第４図（Ａ）、　（Ｂ）両図Ｃｔｋ　　１３はフォト
トランジスタのコレクタ端子であり、信号読みだし時に
ここに対して充電が行われる。　１４はフォトトランジ
スタのエミッタ端子であり、この端子は他のフォトトラ
ンジスタのエミッタと共通接続されて映像信号出力端子
を形成する。　１５及び１６は縦列接続された２個のｐ
チャネルＭＯ５トランジスタ各々のゲート端子であり、
受光素子毎の他のｐチャネルＭＯ８トランジスタのゲー
トと共通接続して第１図の８及び９に示すコントロール
端子を形成する。　１７は第１図の７に示す容量充電用
電圧ラインに接続される。　１８はｐ型半導体基板、１
９はフォトトランジスタのコレクタ領域をなすｎ型半導
体類［２０はフォトトランジスタのｐ型ベース領ｊｔ　
　２１はフォトトランジスタのｐ型ベース領域２０をＭ
ＯＳトランジスタのドレイン領域とした場合のソース領
域を形成するｐ型半導体領ｖ１．２２は２１を容量充電
スイッチであるＭＯＳトランジスタのドレイン領域とし
た場合のソース領域を形成するｐ型半導体領域　２３は
フォトトランジスタのコレクタを引き出すための低抵抗
ｎ型半導体類＠　　２４はフォトトランジスタのエミッ
タ領域を形成する低抵抗ｎ型半導体領域２５はｐ型半導
体基板上の各種の素子を互いに分離するためのｐ型半導
体領域であも　この構造ではフォトトランジスタのベー
ス領域をフォトトランジスタのベースに電荷を与える容
量放電スイッチであるＭＯＳトランジスタのドレイン領
域と共有できるので極めてコンパクトに受光部が形成で
きも　また本説明における半導体の型でｎ型をｐ型に　
ｐ型をｎ型に入れ換えても同等の効果を得ａ　な耘　光
電流により放電する電荷量の大小によりフォトトランジ
スタのコレクタ電位は変動する方丈　この変動に基づ＜
ＭＯＳトランジスタに対する基板バイアス効果ζ；ＬＭ
Ｏ３トランジスタのゲート振幅が大きいので、ＭＯＳト
ランジスタのオン／オフに対する影響は殆どなＬ１ 第５図は回路記号としては第４図（Ａ）に等しく、断面
構造図としては第４図（Ｂ）に比べて、２０と２１の面
積が異なるものであも　本図において第４図（Ｂ）中に
おけるものと同一番号付した部分は同一の働きをすも　
本図において２０とともに２１も受光部として用いる場
合は　ブランキング期間中に１５をコントロールして容
量放電スイッチをオン状態にした後の映像信号読みだし
期間中も引き続いてオン状態に保たねばならな鶏したが
って本図の構造の受光素子を用いる際の駆動のタイミン
グチャートは第６図のようになん第３図と異なる点は両
図中に（ｅ）で示される容量放電スイッチのパルスタイ
ミングだけであも第７図（Ａ）及び（Ｂ）、　（Ｃ）、
　（Ｄ）、　（Ｅ）、　（Ｆ）、　（Ｇ）、　（Ｈ）、
　（Ｉ）、　（Ｊ）、（Ｋ）、　（Ｌ）、　（Ｍ）は第
１図に示した容量充電スイッチと容量放電スイッチとし
てｐチャネル接合型電界効果トランジスタを用いた場合
のフォトトランジスタと容量充電スイッチと容量放電ス
イッチとの組合せを、その回路記号及び６例の平面構造
図と断面構造図として各々描いたものであも　本図屯　
６、１３、１４、１７、１８、１９゜２０、２３、２４
、２５は第４図において同一番号を付したものと等しく
１２７は容量充電スイッチとなるｐチャネル接合型電界
効果トランジスタのゲート端子であり、　２６は容量放
電スイッチとなるｐチャネル接合型電界効果トランジス
タのゲート端子であり、各々受光素子毎の他のｐチャネ
ル接合型電界効果トランジスタのゲートと共通接続して
第１図の９及び８に示す容量充電用コントロール端子及
び容量放電用コントロール端子を形威すも　３０は第４
図　第５図中の２０．２１゜２２を包含するｐ型半導体
領域であり、本図中２０は第４図や第５図における２０
と同様にフォトトランジスタのベース領域である力ｉ　
　３１及び３２はフォトトランジスタのベース領域２０
を容量放電スイッチの接合型電界効果トランジスタのド
レイン領域とした場合のソース領域を形成するｐ型半導
体領域及び容量充電スイッチの接合型電界効果トランジ
スタのソース領域を戊しており、第４図中に示す２１及
び２２に相当すん　２９及び２８は連続したｐ型半導体
領域である３２，３１゜２０を各々が直列接続された２
つの接合型電界効果トランジスタのドレイン及びソース
として使用する際に両者を空乏層の広がりで分離できる
ようにするための接合ゲートをなすｎ型半導体領域であ
り、各々容量充電用コントロール端子２７及び容量放電
用コントロール端子２６に接続される。

本図中（Ｂ）（Ｃ）、　　（Ｊ）（Ｋ）、　　（Ｈ）（
Ｉ）の構造ではフォトトランジスタのベース領域２０の
面積が小さく、容量放電用スイッチである接合型電界効
果トランジスタのソース領域３１の面積が大きいので、
　２０と３１とを共通にした状態で映像信号読みだし期
間に入ることが望ましし１　即ち第６図に示すタイミン
グチャートで駆動する方がよＬｌ　　残像低減のために
フォトトランジスタのベースに電荷を与えるための容量
を大きくかせぐ場合にはこのような構造が望ましｌ、％
　　また本図中（Ｄ）（Ｅ）、　　（Ｆ）（Ｇ）は駆動
タイミングは第３図　第６図のいずれでもよｌ、％　　
（Ｌ）　　（Ｍ）のような構造では２０．３１共に面積
が小さいので本質的に感度を得にく鶏　少なくとも光に
対する感度を減少させないためには２０と３１の少なく
ともいずれかの面積を受光画素内において大きくとる必
要があも　本図に示したような構造ではフォトトランジ
スタのベース領域２０と容量放電スイッチ及び容量充電
スイッチのソース３１及び３２とを共有できるので極め
てコンパクトに受光部が形成できも　また本説明におけ
る半導体の型でｎ型をｐ型に　ｐ型をｎ型に入れ換えて
も同等の効果を得も 発明の詳細 な説明したように　フォトトランジスタを光検知素子と
して用いたイメージセンサにおいて、フォトトランジス
タのベース領域に電荷をスイッチトランジスタを介して
与えることにより、残像を大幅に低減することができ、
さらにフォトトランジスタのベース領域を上記スイッチ
電界効果トランジスタのドレイン領域と兼用することに
より、極めて簡易でコンパクトな構成で残像を低減する
ことが可能になり、フォトトランジスタの高感度性能を
活かして、高速化や原稿の高忠実読み取り等の高性能化
を実現できも　従って、産業上の効果は極めて犬であも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるイメージセンサの構成タイミン
グは　第４図（Ａ）、　（Ｂ）はそれぞれベース電位に
電荷を与えるための容量充電スイッチ及び容量放電スイ
ッチとしてｐチャネルＭＯＳトランジスタを用いた場合
のフォトトランジスタと容量充電スイッチと容量放電ス
イッチとの組合せの説明は　第５図はフォトトランジス
タのベー動するためのタイミングは　第７図（Ａ）〜（
Ｍ）はベース電位に電荷を与えるための容量充電スイッ
チ及び容量放電スイッチとしてｐチャネル接合型電界効
果トランジスタを用いた場合のフォトトランジスタと容
量充電スイッチと容量放電スイッチとの組合せの説明図
であム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光素子列としてフォトトランジスタ列を用いた
   イメージセンサにおいて、 各フォトトランジスタのベース各々を直列に２段のスイ
   ッチを介して一定電圧供給ラインに接続したことを特徴
   とするイメージセンサ。
2. （２）フォトトランジスタのベースに電荷供給するため
   の２段のスイッチがＭＯＳトランジスタまたは接合型電
   界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項１
   記載のイメージセンサ。
3. （３）２段の直列接続スイッチの内のフォトトランジス
   タのベース側のスイッチが、フォトトランジスタのベー
   ス領域を形成する半導体の導電型に等しいチャネルを形
   成するＭＯＳトランジスタまたは接合型電界効果トラン
   ジスタであり、フォトトランジスタベース領域がフォト
   トランジスタのベース側のスイッチのＭＯＳトランジス
   タまたは接合型電界効果トランジスタのドレイン領域を
   兼ねていることを特徴とする請求項１記載のイメージセ
   ンサ。
4. （４）２段の直列接続スイッチの内のフォトトランジス
   タのベース領域をドレイン領域としている方のスイッチ
   のソース領域に相当する前記ベース領域と同じ型の半導
   体領域の占有面積を受光領域内において大きくしたこと
   を特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
5. （５）請求項１記載のイメージセンサにおいて、ブラン
   キング時間内に２段の直列接続スイッチの内の一定電圧
   供給ライン側のスイッチをオン状態にして２段のスイッ
   チの中間部の容量に一定電圧供給ラインの電位に基づく
   電荷を蓄えた後、このスイッチをオフにし、次にフォト
   トランジスタのベース側のスイッチをオン状態にしてフ
   ォトトランジスタのベースに電荷供給を行うことにより
   、各フォトトランジスタのベースをリセットすることを
   特徴とするイメージセンサのリセット方法。
6. （６）請求項１記載のイメージセンサにおいて、２段の
   直列接続スイッチの内のフォトトランジスタのベース側
   のスイッチをブランキング期間内にオフ状態にしてから
   映像信号を読みだすことを特徴とするイメージセンサの
   読みだし方法。
7. （７）請求項１記載のイメージセンサにおいて、２段の
   直列接続スイッチの内のフォトトランジスタのベース側
   のスイッチをオン状態にしたまま映像信号を読みだすこ
   とを特徴とするイメージセンサの読みだし方法。