JPS5844864A - 固体撮像素子の駆動方法 - 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】 本発明は光導電性薄膜を光電変換に用いる固体撮像素子
の駆動方法に関するものである。

光導電性薄膜を光電変換に用いた従来の固体撮像素子の
回路図を第１図に示す。１は光導電性膜の等制光電流源
、２は該膜の等価容量、３は走査用集積回路側の拡散容
量、４は電界効果形トランジスタを用いたスイッチ素子
である。以上の４っで１つの絵素を構成する。信号の読
出し方法は以下のとおりである。１ず、１フイ一ルド期
間（標準ＴＶ動作では約１６．７ｍ５）Ｋ光電流源ｌに
より、光量にしたがって容量２．３の電荷を放電Ａる。

これにより信号電荷を蓄積する。その後、１１＠次走査
される垂直走査スイッチ４と、水平走査スイッチ６とに
より、この変化分を出力端８で読み取り１画像信号を得
る。なおこの図で９，１０はそｎ、ぞれ垂直４．水平走
査スイッチ６を順次開閉するための走査回路、５は垂直
信号線、７は水平信号線、１２は光導電性薄膜にバイア
ス電圧を印加するためのバイアス電圧源である。該固体
撮像素子のバイアス方法には２つある。これを第２図（
ａ）（ｂ）　Ｋ示す。信号電荷を蓄積する前に節点１３
の電位はビデオバイアス電圧Ｖにリセットされる。

点１３に流し込み、ここの電位を上昇せしめる。

強い光があたった場合、節点の電位は拡散容量３のブレ
イクダウン電圧Ｖ　を越え、これにより過Ｊ 剰キャリアはブレークダウンダイオード３　を通してす
べて基板（アース）Ｋ流出するため、垂直信号線５への
信号電荷の流出は無く、プルーミングは抑制される。一
方、（ｂ）のように１節点１３の初期設定電圧■　をバ
イアス電圧Ｖ＋より高くとり■ た場合１図に示すように光電流源は節点１３から電荷を
吸い出すことＫなり５節点１３の電位は信号蓄積ととも
に低下して行く。ところで１強い光かをたった場合９節
点１３の電位は低下して、拡散容量（すなわちダイオー
ド）３　を順方向にバイアスするとともに、スイッチ素
子４の下に形成される、寄生バイポーラ・トランジスタ
１４をも順方向にバイアスして、信号電荷の垂直信号線
５への流出が起こる。これにより１選択されていらいは
ずの絵素からの信号も画面上に現われるというブルーミ
ング現象が発生する。これは画質を太いに劣下させる。

なお１以上の説明はｎチャネル電界効果型トランジスタ
をスイッチ素子に用いた場合について行なわれているが
、各電圧の符号を変えることにより、ｎチャネル電界効
果型トランジスタの場合にもあてｌ′ｉまる。

第３図は、光導電荷簿膜を光電変換に、また電荷転送素
子ＣδＤを走査回路に用いた固体撮像素子の回路図であ
る。１．２は第１図と同様、光導電性薄膜の等制光電流
源および等価谷量を示し、１５は節点１３に蓄積される
電荷の、垂直電荷転送回路１６への転送を制御する転送
ゲートである。

１７は垂直電荷転送回路１６から受けた信号を水平方向
に転送し出力端１８に伝える水平電荷転送回路である。

２０は転送ゲートを制御するパルス電圧源、１９は光導
電薄膜にバイアス電圧を供給するとともに、転送を制御
するパルス電圧源である。第４図（ａ）〜（Ｃ）は本素
子の動作を、−絵素の回路およびバンド図で示したもの
である。ここで２１は光導電性薄膜の上に形成する透明
電極を現わしでいる。萱た第５図（ａ）〜（ｃ）ｖｃ示
したバンド図は電子に対するポテンシャルを現わしてお
り、正の電位が下向きにとられている０第４図（ａ）〜
（Ｃ）は各々第５図（ａ）〜（ｃ）Ｋ対応している。こ
こで、２１光導電性薄膜ｌ、容量３．転送グー）１５．
垂直電荷転送素子１６の領域を示している。また、動作
をわかりやすくするために、ここでは転送ゲート】５に
印加するゲート電圧Ｖ　と垂直電荷転送回路１６に印加
する電圧Ｖ　とを共通している。

第４図（ａ）でまず１５．１６にゲート電圧Ｖ。を加え
１５’、１６’のポテンシャルを下げるとともに、透明
電極に負の電圧−■−を印加して２１′のポテンシャル
ととも［３’のポテンシャルをもリセットｖ行なう。こ
の時の３　の電位は第５図（ａ）より明らかなようにＶ
　−Ｊ　　である０つづいＱ　　　　　ＴＨ で、第４図（ｂ）図のように透明電極２１に印加する電
圧を＋Ｖ　ＶＣ上げ、３　のポテンシャルを下げること
により、ここに入射光２３により生成されたキャリアー
２２（ここでは電子）を蓄積する０】５　および１６　
の電位は垂直転送とともに動く。リセット直後の３　の
電位は、光導電性薄膜の容量２および拡散容量３の値を
それぞれＯａ。

Ｏｄとして。

Ｖ　＝Ｖ　　−Ｖ　　十〇ａ／（Ｏａ＋Ｏｄ　）０　　
　　　０　　　　　　ＴＨ （Ｖ＋＋Ｖ＝）　　　（１） Ｔ　　　　　　　　Ｔ となる。ただしＯａ、ＯｄＫは電圧依存性が無いものと
した。ところで、この素子に強い光が入ると第５図（Ｃ
）のように蓄積された信号電荷Ｑ８が垂直の信号電荷転
送回路にまであふれ出し、ブルーミングの原因となる。

これを防止するには、第６図（ａ）に回路図を示すよう
に一定のゲート電圧に加れたオーバーフロードレイン２
４．２５を用いる。

これにより第６図（ｂ）のバンドモデル図に示すように
過剰な信号電荷ＱＳが垂直電荷転送回路１６にあふれ出
る前に、これを２４　を介してオーバーフロードレイン
２５　　Ｋはき出す。しかし、このような付加回路は素
子の高＠度化を困難にさせるばかりでなく、工程数の増
加、素子の複雑さなどにより歩留りを低下させる。

本発明の目的は、ｎｐｎ縦形トランジスタや。

オーバフロードレインを用いずにブルーミングを強力に
抑制する素子の駆動方法を提供することにある。

本固体操像素子において光導電性薄膜に光があたると、
光生成キャリアな発生しながら、膜自身にかかる電圧を
減少させていく。この電圧が膜特有の開放端電圧に達す
ると光電流はそれ以上流れなくなる。この特徴を利用し
て１強い光があたった場合、膜自身が光電流を抑え、過
剰キャリアの発生を防いでブルーミング抑制を行なうこ
とを発明した。

光導電性薄膜の典型的な電圧−電流特性を第７図に示す
。曲線（ａ）は光を入れない場合２曲線（ｂ）は光を入
れた場合であり光電流を示している。図でも明らかなよ
うに、開放端電圧Ｖ　になると光電Ｃ 流は０となる。この開放端電圧は光導電性薄膜とその電
極とにより形成されるショットキーバリアーの障壁の高
さに相当し、光導電性薄膜に水素化非晶質Ｓ１を用いた
場合、Ａｕ電極の場合は約０、４　Ｖ、Ｉ　Ｔ　ｏ透明
ｔｉノｖｓ合、約０．３　ＶＯ：）開放端電圧が得られ
る。第８図はＭＯＳスイッチを用いた固体撮像素子の一
画素の等価回路を示したものである。リセットにより１
点Ａの電圧ＶはＶ龜　　　　　Ｖ （ビデオ・バイアス）Ｋリセットされる。その後光に応
じて光電流１が流ノド２および３の容量を放電する。こ
れとともに膜に流れる電流は第７図のＢ　−＋　＋３−
）　Ｃにしたがって変化して行く。ここで。

膜にかかる電圧Ｖ−■が開放端電圧ＶＫ達すＴ　　　　
　纜　　　　　　　　　　　　　　　　　ＯＣるともは
や光電流は流れなくなり、過剰キャリアの発生を防ぎブ
ルーミングを抑制することが出来る。ただし、この時の
点１３の電位Ｖ　＝Ｖ　−ａ　　　　　　Ｔ ■　は、ＭＯＳスイッチにより形成される寄生バＣ イボ−ラドランシスターをターンオンせしめる電圧−Ｖ
ｏＮより高くなければならない。（低いと。

脇で過剰キャリアを止める前に寄生トランジスタＩ４を
介してキャリアが信号線にもれ込んでしまう。）つまり
。

Ｖ＝Ｖ　　−Ｖ　　＞Ｖ 暑ＴＱＣＯＮ Ｖ）十Ｖ　　−Ｖ　　　・・・　（２）Ｔ　　　　　　
　　ＱＣＯＮ を満たす必要がある。一方１図の方向に電流を流すため
には、初期電圧ｖ−ｖがＶ　以下でなＴ　　　　　Ｖ　
　　　　ＱＣ ければならないから Ｖ　−Ｖ　＜Ｖ ’ｒ’ｖｏａ Ｖ　（Ｖ　十Ｖ　　　・・・　（３） Ｔ　　　　　Ｖ　　　　　ＱＣ とする必要があり１以上より■。の満たすべき条件は ｖ　　−ｖ　　＜ｖ＜ｖ　　＋Ｖ　　・・　（４）ＱＣ
ＯＮ　　　　　Ｔ　　　　　ＱＣＶとなる。ここで、透
明電極にＩ’ｒＯｆ用いた場合。

Ｖ　　＝Ｑ、３Ｖであり、　ＶｏＮ＝０．５．　Ｖ、　
＝３．０とＯＣ した場合。

−Ｑ、２（Ｖ　（３，３・・・　（５）の範囲に収まっ
ていればよいことになる０以上の説明では走査回路にｎ
チャネル型ＭＯＳスイッチを用いていたが、第９図（］
　ａ　）　（，１ｂ）のようなｐチャネル型ＭＯＳスイ
、テを用いた場合も、また同ｎチャネル型ＭＯＳスイッ
チの場合。

光電流源１の向きが逆の場合（第９図（２ａ）（２ｂ）
、）やｐチャネルでやはりさきほどのものと光電流の向
きが逆の場合（第９図（３ａ）（３ｂ））が考えられる
。それぞれ（ａ）図はリセット直０ 後の状態を示し、（ｂ）図は強い光があたり、光導電性
薄膜に流れる電流がＯとなった状態を示す。それぞれの
場合のＶの満たすべき条件は表１のとテ おりである。ここでＶ　は拡散容量ＣｄまたはＭＪ ＯＳスイッチ接合の逆バイアス時のブレイクダウン電圧
である。

表　　　　１ 次に、走査回路として電荷転送素子を用いた第３図〜第
６図の場合について説明する。ｎチャネル形００Ｄの場
合、前の第４図（Ｃ）のように強い光があたった場合、
信号電荷Ｑｓが電荷転送部１６へもれ込む。しかし、こ
こで透明電極に印加する電圧Ｖ＋を以下のようにするこ
とにより強い光のもとで光電流Ｉ　がＯとなり３　の電
位がＶ−ｐｈ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　ａＶ　以下に下がらず、電荷のもれ込みは
無くなる。

ＴＨ １ Ｖ　　）Ｖ　　−Ｖ　　＋Ｖ　　　　・・・　（６）Ｔ
　　　　　　Ｇ　　　　　ＴＨＱＣ また１図の方向に光電流を流すためには、リセット直後
の状態において Ｖ（Ｖ＋Ｖ　　　　・・・　（７） Ｔ　　　　　　　ＯＱＣ を満たさなければならない。ここでＶ。は３　領域の初
期電圧であり ・・・　（８） であられされるため、（７）式は以下のようになる・・
・　（９） 以上よりｖ土の満たすべき条件は ２ ここで典型的な値としてＯａ　＝　０．０１　ｐＦＯｄ
＝０．０５ｐＦ、Ｖ　＝］ＯＶ、Ｖ　　＝ＩＶＧ　　　
　　　　　　　　　　　　ＴＨＶ”−＝５Ｖ、Ｖ　　＝
０．４ＶとＬｉＴ　　　　　　　　　　　　　　　ＱＣ
９，４＜Ｖ　　＜１２．３　　・・・　（１１）テ となる。以上はｎチャネル型の電荷転送素子の場合を考
慮しているが、ｐチャネル型の場合についでも同様の駆
動方法が取れるのはもちろんのことである。これにより
、オーバーフロードレインなどの付加回路を用いること
なく強力にブルーミングな抑制することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭＯＳスイッチを用いた同体撮像素子の回路図
。 第２図は上記素子１画素の等価回路。 第３図は電荷転送素子を用いた同体撮像素子の回路図、 第４図は上記素子の動作メカニズムを説明した一画素の
等価回路を示す図。 第５図は第４図に対応するバンドモデル図。 ３ 第６図（ａ）、　（ｂ）はオーバフロードレインを有す
る素子の等価回路およびバンド図。 第７図は光導電性薄膜の電流−電圧特性を示す図。 第８図はＭＯＳスイッチを用いた累子−画素の等価回路
を示す図。 第９図はｐチャネルおよびｎチャネル型ＭＯＳスイッチ
の各バイアス法における一画素等価回路を示す図である
。 １、光導電性薄膜の光電流。 ２、光導電性薄膜の容量。 ３、ｐｎ接合の拡散容量。 ４、走査用ＭＯＳスイッチ。 １２、　　透明電極に印加するバイアス電圧。 １４、ＭＯｓスイ、テ下の寄生トランジスタ、１６、を
荷転送素子。 １５、　　転送ゲート。 代理人　弁理士　薄　１）利　幸 ４ 毛　１　問 車　２　図 、ａノ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
１．）′平易　３　図 １５？ １’／　　　　　　　２０ ２／′／’　　　３’　　ｔ６’　　Ｌ′８６　圀 （ａ−） ９ （ｂ） 単　７　園 率　８　目 躬　９　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絵素位會を選択する複数のスイッチ素子と。 該スイッチ素子を時間順次で開閉する走査回路とを基板
   に設けてなる半導体回路と、該回路上に設けられ、各ス
   イッチ素子の一方に接続された光導電性膜と、該光導電
   性膜上に設けられた光透過性電極とを少なくとも有する
   固体撮像素子において。 該透明電極に印加する電圧が、該光導電性膜の開放端電
   圧と該スイッチ素子接合を１１＠方向にバイアスせしめ
   る電圧との差よりも大きく、該開放端電圧と、ａ明電極
   と異なる側の該光導電性膜の電位の初期値との和より小
   さくなすことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 ２、絵素ごとに設けられ、絵素信号読出しを制御するス
   イッチ素子と、これらのスイッチに接続され、信号を特
   定方向に転送する第１の電荷転送回路と、該電荷転送回
   路の信号電荷を受は取り。 これを前記方向と直角の方向に転送する第２の電荷転送
   回路が該回路上に設けられ、各スイッチ素子の一方に接
   続された光導電性膜と、該光導電性膜上に設けられた光
   透過性電極とを有する固体撮像素子において、該透明電
   極に印力０する電圧が。 該光導電性薄膜の開放端電圧に該スイッチのゲルト電圧
   を加え、該スイッチのしきい値電圧を引いた値より高い
   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
   素子の駆動方法。