JPS58212235A - 半導体光電変換素子 - 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】 この発明は、半導体素子上に電気的な遮光機構を備える
ことにより一従来より自由度の大きい露出時間制御機能
をもたせるようにした固体撮像素子等の半導体光電変換
素子に関するものである。

従来の固体撮像素子の１画素当りの機能全モデル化した
回路図を第１図に示す。第１図において、（１）は光電
変換機能を持つ受光部、（２］　、　（５）は電荷蓄積
部、（８）　、　ｆａ）は蓄積された電荷を有効に転送
する機能ヶ持つ電荷転送部、（４）　、　（７）は電荷
転送を制御する開閉部、（８）は出力端子である。固体
撮像素子では、（１１、ｆ２１Ｆｉ受元領域、１８１　
、　（４）　、　Ｆ５）は蓄積領域、ｆａ）　、　ｆ７
）　、　（８１は転送領域と呼ばれている部分に相当す
る。

つぎに、第２図に示すタイミング図に従って、第１図に
示した固体撮像素子モデルの動作を説明する。第２図の
（ａ）　、　（ｏ）は、それぞれ電荷蓄積部（２）。

ｆａ）ｋ：蓄えられた電１１＆Ｊｉの推移を示している
。第２図の（ｅ）は、第１図の出力端子（８）の出力′
屯田Ｃ電流）の推移を示している。また、第２図の（ｂ
）　、　（ｄ）は、それぞれ第１図の開閉部＋４１　、
　（７）の開放と短絡のタイミングを示す。すなわち、
ｂ、、ｂ４の期間で開閉部（４）、（７）はそれぞれ短
絡動作中であり、その他の期間で開放動作中であること
を示している。

第２図において、’Ｉ　（ｂ＋　＋　０１　＊　ｄＩ　
ｈ　θ＋と同一期間；以下同様）の期間では、受光部（
１）で入射光量に相当１−る電荷が発生すると、これが
電荷蓄積部（２）に電荷址と１７で蓄えられる。ＩＬＩ
の期間では、開閉部（４）が短絡しているため（第２図
（ｂ）のｂ２の期間）、電荷蓄積部（２）で蓄えられた
電荷が、電荷蓄積部（５）に転送される（第２図（ａ）
　、　ｉｏ）の’２＋’ｌの各期間）。Ｊの期間は、走
査、その他に関連する期間であるａ　Ｉ’４０期間では
、開閉部（７）が短絡されるためＣ第２図（ｄ）のｄ４
期間）、電荷蓄積部（５）で蓄えられた電荷が、出力端
子（８）に転送される（第２図（Ｃ）。

（ｅ）の０４＋０４の各期間）。Ｊからａ４までの期間
で、１回の撮像動作（これが受光期間あるいは露光時間
にほぼ相当する）が終了し、再び始めの１１の期間にも
どり、以後これが繰り返される。

以上のことから明らかなように、受光部（１）には常に
光が入射しており、普通、固体撮像素子においては、こ
の受光期間（露出時間）は走査時間に依存り、ている。

たとえば、−次元固体撮像素子では、受光期間は１ライ
ン走査時間に、またビデオカメラ用に作られたものでは
、受光期間は１フレ一ム時間（あるいは１フイ一ルド時
間）に相当する周期に設定されている。すなわち、一般
に一写真機に見られるような任意の露出時間を制御する
機構は、固体撮像素子には備え付けられていない。

、、、、、　、１：１ そこで、この固体撮像素子で、任意の受光期間（露光時
間）を得るためには、受光部を機械的に遮光する、いわ
ゆるシャッタ機構？備える必要があった。このシャッタ
機構を含むシステムハ、普通、固体撮像素子だけの場合
と比較して、光学系を含むシステムが大きく複雑となり
、構成上不都合なものであった。また、たとえシャッタ
機構によって遮光した場合においても、この種の半導体
素子では、常温でさえいわゆる暗電流の発生によ如不要
な電荷の蓄積がおこり、８／Ｎ劣化の原因となっている
。

この発明は上ｌのような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、電荷の蓄積期間を１ＪＬ気的に制
御する手段を設けることにより、シャッタ機構が不要で
システムを単純小型化できるとともに、純電気的な露出
時間制御がで吉、しかも遮光時の暗電流の影響が無＜　
ａ／Ｎの良い半導体光電変換素子を提供することを目的
としている。

以下、この発明を固体撮像素子に適用した一実施例につ
右−第６図：、ｊ、、１に参照しながら説明する。第６
図では一電気的な遮光機構として、１個の開閉部（９）
全付加している。第６図では、この開閉部（９）以外の
部分は一第２図の固体撮像素子モデルと同様である。

まず、第５図の回路の動作を、第４図に示したタイミン
グ図に従って説明する。第４図では、第６図の開閉部（
９）のタイミング図（ｒ）が付加されている。その他は
ほぼ第２図と同様であり、第４図（ｆ）において、ｆ、
、ｆ、の期間は開閉部（９）が開放動作中であって、そ
の他の期間は開閉部（９）が短絡動作中であることを示
す。

第４図のｆＯ（’Ｏ＊ｂＯ＋ＯＯｓｄｏ　＋θＧ　と同
一期間；以下同様）の期間においては、受光部（１）で
光電変換されて得られた電荷は、開閉部（９）が短絡さ
れているため、電荷蓄積部（２）に蓄積されず常に放電
状態になり、電荷蓄積部（２）は無電荷である。ｆ、の
期間においては、入射光量に応じて発生した電荷が電荷
蓄積部（２１に蓄えられる。ｆ！の期間では、開閉部（
９）が開放−開閉部（４）が短絡となるために、電荷蓄
積部（２）に蓄えられた電荷は、電荷蓄積部（５）に転
送されて蓄えられる。ｆ３の期間は一走査、その他に関
連する期間である。ｆ４の期間では、開閉部（７）が短
絡されているため（第４図（ｄ）のｄ４の期間）、電荷
蓄積部（５）に蓄えられた電荷は、出力端子（８）に転
送される。以上の、ｆｏからｆ４の期間で、１回の撮像
動作が終了する。

ここで、第１図、第２図の場合と異なるのは、受光期間
（あるいは露出期間）は、ｆｌとｆ２を加え合わせただ
けの期間に相当し、走査期間ｃ周期）には依存しない点
である。換言すれば、受光期間は、走査とは別に、開閉
部（９）の短絡期間（ｒ、とｆ２を合せた期間）全電気
的に制御すれば、走査周期より長時間にならない限り、
任意に設定できることになる。

以上の実施例では、１画素当りのモデルについて説明し
たが、多数の画素においても、同様の類似で動作させる
ことがで右る。また−同一動作は、単一素子で代用する
こともできるし、個々の画素音別々に制御することもで
きる。

一般に、固体撮像素子は、たとえば、素子構造としては
電荷転送型（００Ｄ等）とＭＯ８素子型等、または転送
方式としてはインターライン型とフレーム転送型等、詳
しくはいくつもの種類と分類方法があるが、ここでは受
光部での遮光方法（総出時間制御方法）についてのみ原
理的に述べた。

なお、開閉部（９）は、ゲート回路であってもよいし、
トランジスタスイッチ回路その他であってもよく、素子
構造はいずれであってもよい。同様に他の受光部、電荷
蓄積部、電荷転送部等も、素子構造等はいずれであって
もよい。さらに、固体撮像素子の他に、光の情報で書き
込む半導体メモリにも同様の応用ができる。

以上述べたように、この発明によれば、電荷の蓄積期間
を磁気的に制御する手段を設けたので、受光期間を走査
周期とは無関係に任意に設定することができる。また機
械的なシャッタ機構を用いていないので、システムが大
型化することがなく、しかも暗電流による不要な電荷の
蓄積も生じないので、Ｓ／Ｎ’ｉ高くとることが可能と
なる。

４、図面の簡単な説明　　　　　ＩＩ　’、’、ｌ。

第１図は従来の固体撮像素子のモデル図、第２図は第１
図の回路の各部のタイミング図、第６図はこの発明の一
実施例を示す固体撮像素子のモデル図、第４図は第６図
の回路の各部のタイミング図である。

（１）・・・受光部、（２）・・・電荷蓄積部、（９）
・・・開閉部。

なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

代理人萬野信−（外１名） １ 第１図 第２図 第３− Δ 第４図 ’　　ｆｏ’　　ｆｌ’ｆｚ　　’ｆｙ’　　ｆａ’ｆ
。

（ｆ）　　１−１−一七一一り間−−オー−＋　　　＋
　　　＋　　　；ｌ　　　ｌ祷 ”　　　’　　　”　　　’ｎ。

（ａ）糎ジへ二ニュー １１　　　　ｌ　　　　　　　１　　　　＋”　Ａｚ：
１．、’（、・、。

（ｂ）ｌ’キク」−■ニーニー ＋　　　　１：　　　　＋　　　、ｌ　　　　＋１（”
Ｊｌ　　　　　　ｌ 二ニア下ぐ爾 （Ｃ）１ 、　　　、　　　、ｌ　　　　ｌ ＋　　　＋　　　１’ｄ＜： 二でどロー舅 （ｄ） １　　１　　１　　　　　； １　ｅ、　１ｅｔ　ｌ　ｅｚ　１ｅ）７）１１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電変換手段と、この光電変換手段により発生さ
   れる電荷を蓄積する手段と、電荷の蓄積期間を電気的に
   制御する手段とを備えたことを特徴とする半導体光電変
   換素子。