JPS58127370A

JPS58127370A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS58127370A
Application number: JP57009666A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Goto; 浩成後藤
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-01-25
Filing date: 1982-01-25
Publication date: 1983-07-29

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】本発明は園体撮ｆＩ１懐置に係シ、特に高精度および高
速度が要求される機器に好適な固体撮像装置に関する。

一般κ、固体撮像装置（デバイス）をカメラ等に搭載し
、被写体光度の大きく異なるものを撮倫する・場合、デ
バイスからの信号出力を適正に保つ丸めに種々の方策が
とられる。例えば、光度の大きい被写体に対してはその
前段に光量フィルタを入れたり、また被写体により光電
流の積分時間（以下単κ横分時間と称する）を変えて発
生する信号電荷七一定量に制限する等がなされている．
しかし、被写体によって積分時間を変えて適正な信号電
荷を得る場合ＫＦｉ、高精度かつ迅速な動作がデバイス
に要求される場合、必ずしも妥当な方法がとられてきた
とは言えな込。

このような場合、従来は＠１図に示すような方法がとら
れてきた．すなわち、ＪＩＩ１図０》に示すように一連
の感光画素列１とは別に、例えば光ダイオード２等の第
２の感光部を設け、この感光部の光電流を検出回路１に
て常時監視し、その検出電流の大小に応じて積分時間設
定回路４にて積分時間を決定するようκしている．この
方法は、感光画素の被写体光度と光ダイオード２の被写
体光度とが一致せず、必ずしも両者が同じ被写体を見て
いるとは限らず、高精度化に難点がある。

また、第１１伽）においては、感光画素列１からの出力
を読み出し回路５にて読み出し、その出力が適正か否か
を判定回路６Ｖｃて判断し、出力が過剰の場合は積分時
間設定回路４の積分時間を短かくシ、逆に出力が過少の
場合は積分時間を長くなるようκフィードパノクループ
を構成している．この方法では、一度信号を読み出し、
その出力によって積分時間を決定するために動作上破壊
的で６９、時間遅れができ、被写体光度が刻＝刻と変化
する様な場合には必ずしも追随できず、高速性に難点が
ある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、感光画素
によって発生した信号電荷の量の最大値を非破壊的に検
出して、この検出電圧が設定最大電圧に到達すゐ迄を積
分時間と決定するように構成することによって、高精度
かつ高速度の処理が実施できる固体撮像装置を提供する
ことを目的とする。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する．第
２図に示す固体撮像装置において、）ハ〜１１．は一導
電型の半導体基板上に設けられ、咳基板と逆導電型の不
純物を高濃度に含み光電変換を行なう複数個の感光ＩＩ
ｉｉ索である．この感光１１１〜１１ｓは、適宜その上
にスリット等が設けられ、外部の光ノ９ターンに感応す
るようになされており、また図ては３個の感光画素で示
しているがこれは任意の数に拡張可能である＊　１２５
〜１７！．は上記半導体基板上に絶縁膜を介して設けら
れ、上記感光画素１ハ〜１ハからの信号電荷を蓄積する
蓄積電極、ＩＳはこれら蓄積電極１２．〜１２３からの
信号竃′ＩｆＩを転送するための移送電極、１４はこの
移動電極ＩＪによる信号電荷の転送路を形成するＣＣＤ
レジスタ、１５はζのＣＯＤレジスタ１４から転送され
てきた信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部、
１６１〜１６．は上記各蓄積電極１２１〜１２、とそれ
ぞれ共通結線され、互いに分離して設けられた例えばポ
リシリコンを用いたｒ−｝電極、１７１〜１７．はこれ
ら各ｒ−｝電極１６１〜１６３にそれぞれ接続され、こ
れらのｆ−｝電極１６１〜１ｇ．を直流電圧Ｅｂに電位
設定するＭＯＢ　、’ｕイ７＋、Ｉ　Ｊｌ　ｅ　Ｊ　５
１は上記ｒ一ト電極１６１〜１６ｍの配列両端に設けら
れ、前記半導体基板と逆導電型の不純物を高談度に含む
ｗ４１。

第２半導体領域、２０はとのａｇ２半導体領斌１９に＠
接して設けられ、前記半導体基板と逆導電型の不純物を
低濃度に含み、抵抗層を形成する半導体領域、２１はこ
の半導体領域２０に隣接して設けられ、前記半導体基板
と逆導電型の不純物を高濃度に含む第３半導体領域であ
る。

この第３半導体領域２１には直流電圧Ｅｃが印加され、
第１半導体領域１９には直流電圧Ｅ１が印加されるよう
になっている。さらに、２２はｆ−）が上記第２半導体
領域１９に、ドレインが電源ｅに、ソースが抵抗Ｒを介
して接地にそれぞれ接続されるソースフォロワ回路、２
３はこのソースフォロワ回路２２からの出力によって前
記移送電極１３ｔ−開状ｍまたは閉状態に設定するため
の開閉パルスを発生する同期開閉信号発生部である。

上記第２図の装置においては、前記一連のゲート電＠１
６Ｉ〜ｌｉｍの各々の電位を予しめ設定された外部電圧
１ｂＫ設定してダート電極１６１〜Ｊ１ｓｔフローテ４
７グ状１１１ＫＩ、、全てｏｙ−ト電極１６１〜１６３
について同期して電位制御すると共に前記半導体領域１
ｔｔｅｉｓ間のコンダクタンスを検知し、検知したコン
ダクタンスの値に応じて半導体領域１９の電位変動を検
出し、この電位変動を高入力インピーダンス増幅器であ
るソースフォロワ回路２２によって検出し、この検出レ
ベルに応じて前記同期開閉信号を発生せんとするもので
ある。なお、各蓄積電極１２１〜１２３間には互に電荷
の流入ｔ−阻止するためのバリア領域、たとえばｐ中不
純物領域が形成されているが、各ｒ−ト電極１６１〜１
６１間には第４図に示すように基板とは逆導電型の真領
域２４もしくは第４図中点線で示すような電極２６（直
流電圧のが印加される）が設けられてチャネをの導通に
支障が生じないようになっている。

次に、上記構成の動作を説明する。上記各ｙｏｓスイッ
チＪ　７１　％１７３の各ｒ−トは第３図に示すよりな
ノ４ルスＰ１が印加され、このパルスＰ１が印加されて
いる時間だけＭＯＳスイッチ１１゜〜１７．がオン動作
して各ｆ−）電極１６１〜１６ｓの電位を直流電圧Ｅｂ
に設定する。また、信号発生部２Ｓからの開閉パルスＰ
１は第３図に示すようなハイレベルＨ，ローレベルＬの
２値パルスであり、これらのパルスＰｇ、Ｐ、はいずれ
もハイレベルの期間において移送電極１３を開き、ＭＯ
ＳスイッチＪ　７１　％１　ｙｓを導通させるものであ
る１時刻ｔ・においては、移送電極１ｓは開閉パルスｐ
ｌによって開き、各ＭＯ８スイッチ１７１〜Ｊ７ｓはノ
タルスＰ１によって導通し、これによって各ゲート電ｌ
１Ｉｌｌ〜１６ｍ及び蓄積電極１２凰〜１２１が直流電
圧ＥｂｔｌＣ設定される。この電圧設定後の時刻ｔ１で
はＭＯＢスイッチ１７１〜７７、がオフ状態になり、ｅ
−）電極１６１〜１６１および蓄積電極１２１〜ＩＩｍ
が電気的７０−ティング状態となる。この時点１．にお
いては、それ以前に感光画素１１１〜１１ｓＫよって発
生して蓄積電極１２１〜１２３に蓄積されていた信号電
荷はＣＣＤレジスタＪ４に移送され、さらに電荷電圧変
換部１５に順次転送され、電荷量に対応した信号電圧に
変換されている。また、上記時刻ｔ１では、感光画素１
１．〜１１．にあ九る光により発生した信号電荷は蓄積
電極１２１〜１２１下の空乏層に流入し始める（つｔ９
積分の開始が始まる）、このとき、蓄積電極１２１〜１
２１およびｆ−）電極１６１〜１６ｓは電気的フローテ
ィング状態となっているので、この電荷の流入によって
その電位を変化する。今、半導体基板としてｐ型を用い
、流入する信号電荷を電子と仮定すれは、蓄積電極７２
１の電位は設定電位である直流電圧値Ｅｂより小さくな
り、かつその電位変化量は電極１２１下の空乏層に流入
した信号電荷の総量に比例する。一方、ｒ−）電極１６
１はこの蓄積電極１２．と共通結線されているために、
該ｒ−）電極１６１の電位も同様に蓄積電極１２１下の
空乏層に流入した信号電荷の総量に比例した電圧の下降
を引き起す、同様のことは蓄積電極１２．とｆ−）電極
１６ｍおよび蓄積電極１２３とｆ−）電極１６ｍとの組
についてもいえる。

つまり、積分を開始した時点ｔ１よＦ）’ｒ’−）電極
１６１〜１６ｓの電位は直流電圧値Ｅｂよシ下降し始め
、その下降量はおのおの蓄積電極１２１〜１２．　　下
に蓄積された信号電荷の総量に比例する。この状態は第
３図に示すように時刻ｔ！においても継続している。

以上の説明を次に数式を用い、第４図の断面図とそのＩ
テンシャル図を参照して説明する。

今、ｒ−ト電極１６１〜Ｉｇｓのそれぞれの電位１ｋＶ
Ｂ　＊　Ｖｓ　＃　Ｖｌとし、蓄積電極１２１〜１２．
下にある信号電荷量をそれぞれＱｓ　、Ｑｍ−Ｑｓとす
る。さらＫ、直流電圧の関係をＥ、）Ｅ、としておく、
第３図の時刻ｔｌにおいては、ダート電極１　ｇｍ　〜
１　ｉ＝の電位ｖ１　ｐ　ｖ雪＊　ｖ、は全テＥｂニな
っている０次に、信号電荷が蓄積されるにつれｆ−）電
極１６１〜ｌｉｍの電位は％Ｊ　＝Ｅｂ−（ＩＱｌ（１＝１．２．３　）−−−−
−−（ｔ）と費わされる。但しαは共通の比例定数とす
る。

これらダート電極１＃１〜１６１下には上記（１）式の
電位ｖ１　？　Ｖｓ　ｅ　Ｖｚ　Ｋ応じたポテンシャル
井戸が生じる。今、このＩテンシャル井戸の深さをそれ
ぞれφ凰、φ！、φ３とすると、ポテンシャル井戸の深
さφｉはＡ、Ｂを共通の定数としてφｌ＝Ａ＋ＢＶ１　
（１＝１．２．３）−（２）と光わされる。従って、上
記（２）式に（１）式を代入すると、 φ１＝Ａ十Ｂ（Ｅｂ−αＱｌ）＝Ａ＋ＢＥｂ−ＢαＱｉ　（ｉ＝１．２．３）・・・（
３）となる。すなわち、ポテンシャル井戸の深さφｉは
流入する信号電荷量Ｑｉに応じて減少する。この場合、
第４図に実線で示すように直流電圧Ｅ。

が各ダート電極１６１〜１６．下の井戸の深さφｌ、φ
露、φ３の最小値より小さいとき、即ちＥ、（Ｍｉｎ（
φｌ、φ３．φＳ）のとき、半導体領域１８．１９間の
チャンネルは開き、半導体領域１８．１９間は低抵抗と
なる。従って、電荷はこのチャンネルを通って半導体領
域１ｇの方向に流入する。逆にＥ、　）Ｍｌｍ　（φ１
．φ３．φ＆）のとき、たとえば第４図に示すようにｆ
ｆ−）電極１６ｍ下の井戸の深さφ寓が図示点線位置の
とき、半導体領域１１１．１９間のチャンネルは閉じ、
半導体領域ＩＩＩ、１９間は高抵抗となる。従って、電
荷はｆ−）電極１６．のチャンネルによってストップさ
れ、半導体領域１９方向には流入されない。これらの事
と前記（３）式とを組合せると次の事が舊える。つマシ
、各電荷Ｑｌ　−Ｑｍ　、Ｑｓの中の最大のものに対す
るポテンシャル井戸の深さφが直流電圧Ｅ、よシ大きい
とき半導体領域１８．１９間は低抵抗、逆に直流電圧Ｅ
１より小さいとき半導体領域ｔａ、ｉｏ間は高抵抗とな
る。換舊すれば、蓄積されている電荷の最大量が直流電
圧Ｅ、によりて決まる闇値を越えると、半導体領域１１
４．１９間は高抵抗、逆に闇値以下だと半導体領域１８
．１９間は低抵抗となる。この半導体領域１９の電位は
、電圧Ｅａ、Ｅｇ間電圧を低電圧層２ｏと半導体領域１
８．１９間のチャンネルコンダクタンスで分圧したもの
で与えられる。従って、ソースフォロワ回路２２の出力
は信号電荷量Ｑ１０中の最大値が直流電圧Ｅ、によって
きまる闇値以下だとロウレベル、その閾値を越えて半導
体領域１８．１ｆ１間のチャンネルが遮断されるとハイ
レベルとなる０例えば時刻ｔｓは、信号電荷量Ｑｉの中
の最大値が電圧Ｅ、によりて決まる闇値を越えてチャン
ネルが遮断され、ハイレベルとなった時点を示している
。この半導体領域１９の電位変動はソースフォロワ回路
２２によって検出され、同期開閉信号発生部２３に伝え
られる。この同期開閉信号発生部２ｓは大刀がハイレベ
ルとなると開閉ノｆルスＰ１を発生し、この・ｆルスＰ
３を移送電極１３に供給してそのダートを開くので、蓄
積電極１２凰〜１２ｍ下の信号電荷がレジスタ１４へ移
送される。従って、信号電荷Ｑの最大値が電圧Ｅ、によ
って決まる閾値を越えると、信号電荷はレジスタ１４に
読み出されることになる。つまり、信号電荷Ｑの最大値
を一定の閾値によって規定し、光の強弱によって自動的
に積分時間（ｔ・〜ｔｓ　）を調節する機能が実現され
ることになる。

上記実施例によれば、感光画素１１１〜１１ｍによって
発生した信号電荷量の最大値を非破壊的に検出し、これ
が設定され九最大値に到達した場合に直ちに積分を終了
し、蓄積信号電荷をＣＣＤＣＤレジスタ１移送して出力
するようＫしているので、関与する被写体光度で信号処
理ができ、デバイスからの出力電圧を過少あるいは過大
とすることなく高精度に動作させることができる。さら
に、積分時間の設定は時間遅れがなく、迅速な動作が可
能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されることなく、種々
変形して実施できる０例えばｒ−）電ｌ１１ｇ１〜１６
．は空間的に間隙を設けて示しているが、これらは適宜
オーバーラツプさせる構成とする方が好ましい。さらに
、ｒ−）電極Ｊ６１〜１６３下は表面チャンネルで本埋
込みチャンネル構造でも良い。また、低抵抗層２０、半
導体領域２１、ソースフォロワ回路２２は外付けでも喪
く、特にソースフォロワ回路２２は高入力インピーダン
スで電位を検出するものならば何でも良い。さらに１蓄
積電極１２１〜１２゜を透明電極としたＭＯｇ型の感光
部を持つ構造でも良い。

以上説明したように本発明によれば、感光画素によって
発生した信号電荷の量の最大値を非破壊、的に検出して
、この検出電圧が設定最大電圧に到達する迄を積分時間
と決定するように構成しているので、高精度かつ高速度
の処理が実施できる固体撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）　（ｂ）は従来の固体撮像装置の回路構成
図、第２図は本発明の一実施例に係る固体撮像装置の回
路構成図、第３図は第２図の動作を説明するだめのタイ
ムチャート、第４図は第２図のＡ−Ａ線に沿う断面図と
そのポテンシャル図である。１１・・・感光画素、１２・・・蓄積電極、１３・・・
移送電極、１４・・・ＣＣＤレジスタ、１５・・・電荷
電圧変換部、１６・・・ダート電極、１ｒ・・・ＭＯＳ
スイッチ、１ｇ、１９．２１・・・半導体領域、２０・
・・抵抗層半導体領域、２２・・・ンース７オロワ回路
、２Ｓ・・・同期開閉信号発生部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）−導電型半導体基板上に配設され光電変換を行な
う複数の感光画素と、これら感光画素からの信号電荷を
一時蓄積する蓄積電極と、この蓄積電極からの信号電荷
を転送するための電荷転送レジスタと、前記蓄積電極か
らの信号電荷を上記電荷転送レジスタに移送する移送手
段と、前記電荷転送レジスタからの信号電荷を信号電圧
に変換する手段と、前記蓄積電極に対応して接続される
ｒ−）電極と、このｒ−）電極の両端に設けられ前記半
導体基板と逆導電型の不純物を多量に含む第１．第２半
導体領域と、前記ｆ−）電極の電位を所定の外部電圧に
設定すると共に咳ｆ−ト電憔を電気的７０−テイ／ダ状
態とする電位制御手段と、前記第１及び第２半導体領域
間チャンネルのコンダクタンスを検知するコンダクタン
ス検知手段と、この検知手段によシ検知された上記チャ
ンネルのオン。オフ状態に応じて前記移送手段に供給する同期開閉ノｆ
ルスのオン、オフ状態を制御する信号発生手段とを具備
し、前記感光−素によって発生した信号電向の量を非破
壊的に検出し、この検出電圧に応じて前記蓄積電極によ
る電荷の蓄積時間を制御して適正出力を得るようにした
ことを特徴とする固体撮像装置。
（２）　　前記コンダクタンス検知手段は、前記第１半
導体領域に第１直流電圧を印加し、前記第２半導体領域
に隣接して抵抗層領域を設け、この抵抗層領域に隣接し
て前記半導体基板と逆導電型の不純物を高濃度に含む第
３半導体領域を設け、この第３半導体領域に第２直流電
圧を印加し、前記第２半導体領域の電位変動を＾入力イ
ンピーダンス増幅器によシ検出して前記信号発生手段に
伝達するようにしてなることを特徴とする特許請求の範
１ｉ！＋１第１項記載の固体悸倫装。置０
（３）　　前記高入カイ／ピーメンス増輪姦はンースフ
ォロワ回路で構成されることを特徴とする請求
（４）前記電位側御手段は、ドレインが外部電圧に接続
され、ソースがｒ−｝電極に接続され、ｒ−｝に印加さ
れる駆動パルスによって導通するＭＯ８スイッチ手ＩＲ
ｔ−具備することを特徴とする４ｌｌＩＦＦ鯖求の範囲
第１項記載の固体撮像装置。