JPH07274072A - 受光素子およびその駆動方法 - Google Patents

受光素子およびその駆動方法

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
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    • H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受光素子からの出力をホトダイオード電位が
外部から設定したしきい値を越えるまでの経過時間とし
て出力することで、光量が大きいときにも感度を保ち、
同時に光量が小さいときにも感度を有することを目的と
している。 【構成】 ホトダイオード３とリセット素子１で構成さ
れる受光素子にホトダイオード電位を非破壊で読み取
り、外部から与えられるしきい値と比較するＭＯＳトラ
ンジスタ４および５よりなる比較器を具備しており、さ
らに、経過時間を数値として出力するための計数器６を
備えた構造を特徴とする受光素子およびその駆動方法で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ＣＣＤイメージセン
サ等に用いられる受光素子と、その駆動方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来の受光素子と、その駆動方法の一例
を図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。受光素子
は、図３（ａ）に示すように、トランスファーゲート素
子１と電荷蓄積機能２を合わせ持つ、逆バイアスされた
ホトダイオード３により構成されている。このような受
光素子と電荷結合素子（ＣＣＤ）とを組み合わせること
により、インターライン形ＣＣＤイメージセンサなどが
開発されている。
【０００３】実際の動作を図３（ａ）および（ｂ）を使
って説明する。図中のＶＬ１は０Ｖの電位に保たれ、Ｖ
Ｈ１は正の電位に保たれている。ＣＣＤと組み合わされ
た場合には、ＶＨ１はＣＣＤのチャネル部と接続され
る。トランスファーゲート素子のゲート電極であるＴＧ
端子には、図３（ｂ）に示されるように、パルス電圧を
印加する。オン電圧であるＶＨ０が印加されるとホトダ
イオードは逆バイアス状態となる。この後、ＴＧ端子に
トランスファーゲート素子のオフ電圧であるＶＬ０電圧
を印加すると、ホトダイオードの一端であるＰＤＯＵＴ
端子の電位は、図３（ｂ）に示すように入射光量に依存
して経過時間と共に電位が変化する。図３（ｂ）でａと
記した曲線は、ｂ，ｃに比べて入射光量が大きい場合で
あり、曲線ｃは最も入射光量が少ない場合に対応する。
時間Ｔが経過して、次のリセット電圧であるＶＨ０電圧
が印加される直前にはそれぞれａ0 ，ｂ0 ，ｃ0 の電位
となり、この電位から入射光量を測定できる。またＴＧ
端子にＶＨ０電圧を印加した際にＶＨ１から流れ込む電
流の積分量を測定することでも入射光量の測定が行え
る。インターライン型ＣＣＤイメージセンサを構成する
場合には、ＴＧ端子にＶＨ０電圧を印加する際に、ＣＣ
Ｄに混入する電荷量によって入射光量を測定することが
できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の受光素子では、
入射光量が大きい場合にリセット周期である時間Ｔが経
過する前に、ホトダイオードの逆バイアス状態からの放
電による電位低下が完了してしまい、その入射光量近傍
の光量に対して同一の信号レベルしか与えない問題を抱
えていた。すなわち、一定光量以上では入射光量に対し
て感度を持たない飽和状態となってしまう。受光素子
は、想定する測定範囲で飽和しない条件を満たさなけれ
ばならず、このための感度抑制も必要となる。
【０００５】又、ＣＣＤと組み合わせたイメージセンサ
においてはＣＣＤの転送能力の制約条件も加わるので、
特性が抑制されてしまう。
【０００６】飽和を解消する一つの手段として、リセッ
ト周期Ｔを短くすること（イメージセンサではシャッタ
モードと呼ばれている動作もこの一つの方法である）も
実施されているが、リセット動作により、それまでの蓄
積信号が消されてしまう破壊読み出しであるので、低照
度からの信号のように小さな電位変化のものではＳ／Ｎ
である感度の劣化を招く。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は光電変換と生
成した電荷の蓄積を合わせて行う機能を持つ逆バイアス
リセット後に浮動状態に保たれたホトダイオードと、ホ
トダイオードに逆バイアスリセット電位を与えるスイッ
チ素子を備えることに加えて、浮動状態に保たれたホト
ダイオード端にＭＯＳトランジスタのゲート電極を接続
し、ホトダイオードの電位を上記ＭＯＳトランジスタと
は別に設けたＭＯＳトランジスタのゲート電極電位によ
って外部から設定したしきい値電位と比較する比較器
と、スイッチ素子によりホトダイオードがリセットされ
てからしきい値を越えるまでに要した時間を数値として
出力するための係数素子とを備えたことを特徴とする受
光素子およびスイッチ素子にパルス電圧を印加すること
で一定周期でホトダイオードに逆バイアスリセット電位
を与えた直後から次のリセット電位付与までの期間、ホ
トダイオードを浮動状態で光照射しながら保ち、光照射
量に応じた逆バイアス減衰変位動作をさせる受光素子の
駆動方法において、受光素子に具備された比較器の一つ
の入力端にしきい値電位を与え、比較器の別の入力端に
は逆バイアス印加後浮動状態に保たれたホトダイオード
の一端が接続され、比較器の出力信号を計数器入力とす
ることでリセット電位付与からホトダイオードの電位が
しきい値と等しくなるまでの時間を数値として計数出力
することをリセット電位付与毎に行うことを特徴とする
受光素子の駆動方法である。
【０００８】
【実施例】本発明について図面を参照して説明する。図
１は本発明の第１の実施例を示す構成図である。リセッ
ト素子１、信号電荷の蓄積機能２を合わせ持つ逆バイア
ス状態のホトダイオード３に加えてホトダイオードの電
位変化を非破壊に読み出すためのＭＯＳトランジスタ４
と外部からのしきい値電位印加を行うためのＭＯＳトラ
ンジスタ５が付加されている。２つのＭＯＳトランジス
タ（４および５）は比較器を構成している。すなわち、
ホトダイオードの電位と外部から与えられるしきい値電
位とを比較してホトダイオードがリセット動作直後で電
位が高いためにＭＯＳトランジスタ４がしきい値電位を
与えているＭＯＳトランジスタ５と比較してソース−ド
レイン電流が多く流れる状況では出力端Ａの電位はＲＬ
２に近く、反対に、ホトダイオード電位がしきい値電位
と比較して低いときにはＲＨ２に近い出力が出力端Ｂに
出力される。比較器の後段に構成されている計数器は計
数器の入力端でもあるＡ端子の電位がＲＨ２に近い電位
からＲＬ２に近い電位に切り替わる時点からその逆のＲ
Ｌ２に近い電位からＲＨ２に近い電位に切り替わる時点
までの時間経過と数値として出力する機能を担ってい
る。具体的には、時間計数のためのマスタークロックと
して高周波を計数器の入力端Ｂに入力して上記切り替わ
り時点間の時間経過を計数する。計数された時間はリセ
ット動作毎に出力端Ｄから出力される。
【０００９】図２には本発明の受光素子の駆動方法の１
つの実施例を示した。図２の各記号Ａ、Ｂ、Ｄ、ＴＧ、
ＰＤＯＵＴは図１に構成図で示した受光素子の各端子の
入力電位もしくは電位変化を表している。リセット素子
のゲート電極に図２のＴＧと記したクロック電位を印加
する。ＴＧクロック電位はリセット素子のオン電位であ
るＶＨ０とオフ電位であるＶＬ０の電位よりなり、周期
Ｔで繰り返されている。このリセット動作によりホトダ
イオードの一端であるＰＤＯＵＴの電位はＰＤＯＵＴと
して図２に示された様に電位変化していく。ホドダイオ
ードへの入射光量が大きい場合には逆バイアス状態すな
わち高電位状態から早い時間に低電位状態に変位し、低
入射状態ではＣで示されている曲線のようにゆっくりと
電位変化していく。ここで、ＭＯＳトランジスタ４およ
び５で構成される比較器で、ホトダイオードの電位に換
算してＰＤＯＵＴ（図２）のＲで示された破線のように
しきい値を与えた場合、入射光量に応じた時間経過後に
しきい値を越えることになる。ａの曲線に対応する光量
が入射したことを想定するとＡで実線で示したようにａ
１のタイミングで立ち上がる矩形波となる。光量が異な
ると立ち上がりのタイミングもｂ１、ｃ１で示したよう
に異なる。比較器の後段には計数器が接続されており、
図１のＢの端子に図２のＢのマスタークロックを入力し
て、出力として図２のＤに示すような数値を出す。
【００１０】図４には本発明の受光素子の駆動方法の１
つの実施例として、比較器に入力するしきい値電位を複
数与えて１，ｍ，ｎの複数の交差時点を出力する例を示
す。ＰＤＯＵＴ電位の読み取りは高インピーダンスのＭ
ＯＳゲート接続により行うので非破壊読み出しが可能で
あり、複数回の読み取りが行える。しきい値の入力は比
較器を複数並列に接続してそれぞれに計数器を接続する
ことでも実現できるし、しきい値入力用のＭＯＳトラン
ジスタ５に交流波を入力することでも可能である。
【００１１】
【発明の効果】この発明は受光素子の出力信号をホトダ
イオードの電位がしきい値を越えるまでの時間で計るこ
とで、従来の発生電荷を計数する方式では飽和してしま
って読みだせなかった光量大の信号も読み取ることがで
きる。また、電位の読み取りが非破壊で行えるので複数
回の読み取りが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の受光素子の実施例の構成図である。
【図２】本発明の受光素子の実施例の駆動方法を示す図
である。
【図３】従来の受光素子の構成図および駆動方法を示す
図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ リセット素子 ２ 信号電荷蓄積機能 ３ 逆バイアスされたホトダイオード ４ ホトダイオードの電位読み取りのためのＭＯＳトラ
ンジスタ ５ しきい値電位印加のためのＭＯＳトランジスタ ６ 計数器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光電変換と生成した電荷の蓄積を合わせて
    行う機能を持ち、逆バイアスリセット後に浮動状態に保
    たれているホトダイオードと、ホトダイオードに逆バイ
    アスリセット電位を与えるスイッチ素子と、浮動状態に
    保たれたホトダイオード端に接続されたＭＯＳトランジ
    スタのゲート電極と、ホトダイオードの電位を前記ＭＯ
    Ｓトランジスタとは別に設けたＭＯＳトランジスタのゲ
    ート電極電位によって外部から設定したしきい値電位と
    比較する比較器と、スイッチ素子によりホトダイオード
    がリセットされてからしきい値を越えるまでに要した時
    間を数値として出力するための係数素子とを備えたこと
    を特徴とする受光素子。
  2. 【請求項２】スイッチ素子にパルス電圧を印加すること
    で一定周期でホトダイオードに逆バイアスリセット電位
    を与え、電位を与えた直後から次のリセット電位付与ま
    での期間は光照射しながらホトダイオードを浮動状態に
    保つことで光照射量に応じた逆バイアス減衰変位動作を
    させる受光素子の駆動方法において、受光素子に具備さ
    れた比較器の一つの入力端にしきい値電位を与え、比較
    器の別の入力端には逆バイアス印加後浮動状態に保たれ
    たホトダイオードの一端が接続され、比較器の出力信号
    を計数器入力とすることでリセット電位付与からホトダ
    イオードの電位がしきい値と等しくなるまでの時間を数
    値として計数出力することをリセット電位付与毎に行う
    ことを特徴とする受光素子の駆動方法。
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