JPS5983475A - 二次元半導体画像センサおよびその操作方法 - Google Patents

二次元半導体画像センサおよびその操作方法

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JPS5983475A
JPS5983475A JP58180065A JP18006583A JPS5983475A JP S5983475 A JPS5983475 A JP S5983475A JP 58180065 A JP58180065 A JP 58180065A JP 18006583 A JP18006583 A JP 18006583A JP S5983475 A JPS5983475 A JP S5983475A
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JP
Japan
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sensor
column
row
conductor
selection transistor
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JP58180065A
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ル−ドルフ・コツホ
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14654Blooming suppression
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H04N25/621Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming
    • HELECTRICITY
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N3/10Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
    • H04N3/14Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
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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】 この発明はドープされた半導体基板上に行列タの並列出
力端を通して選出される行導体がセンサ素子のセンサ信
閃を列導体に導く第一選択トランジスタの制御に使用さ
れ、各列導体は水平シフトレジスタの並列出力端から制
御されるスイッチによって順次に一つの読出し線に接続
される二次元半導体画像センサとその操作方法に関する
ものである。
この種の半導体画像センサの一例は米国R,e t i
 c()T1社のテーラ・リーフレットに記載されてい
る。
半導体画像センサではセンサ素子の過剰照射が常に問題
となる。あるセンサ素子において過剰照射により予定さ
れた以」二のキャリヤが発生するとこの過剰キャリヤは
隣接する画素又は列導体に流れ込む。キャリヤのこのよ
うな拡がりはブルーミングと呼ばれている。
この発明の目的はブルーミング現象を低減させるための
構造が必要とする面積が小さい二次元半導体画像センサ
を提供することである。この目的は特許請求の範囲第1
項に特徴として挙げた構成とすることによって達成され
ろ。
この発明によって得られろ主な利点はプル・−ミング低
減構造が必要とする0加面積が小さく、シかも極めて効
果的に作用ずろことである。この発明によるブルーミン
グの低減はほぼ1./Fl 00に達することができる
特許請求の範囲第2項乃至第4項にはこの発明の有利な
実施形態が記載され、特許請求の範囲第5項乃至第7項
にはこの発明による半導体画像センサの操作方法が記載
されている。特許請求の範囲第3項による画像センサは
雑音電圧および妨害電圧をほとんど含むことのないセン
サ信号を送り出すという利点を併有している。
図面についてこの発明を更に詳細に説明する。
第1図にこの発明による二次元半導体画像センサの原理
的接続を示す。このセンサはフォトダイオードから成る
センサ素子が行列配置されている二次元画像センサであ
る。第−行のフォトダイオードはDl−1乃至D ]、
 mとして示され、各フォトダイオードには第一選択ト
ランジスタ’I” 1 ]乃至T ]−mの接続区間が
直列に接続され、第一選択トランジスタのゲートは共通
の行導体L1に結ばれている。Llはクロックパルス入
力端ゴ、2を備える垂直シフトレジスタVSRの並列出
力端の一つAIに結ばれる。他の行のフォトダイオード
とその第一選択トランジスタも同様に所属行導体(L2
.・・・、T、z)に接続され、それぞれ垂直シフトレ
ジスタVSRの並列出力端(A−2、・・・。
A、z)の一つに結ばれる。行導体Ll乃至Lzはそれ
ぞれスイッチングトランジスタTHI乃至T I−1z
中の一つを通して接続点3に導かれ規準電位に接続され
る。T I−(1乃至THzのゲームは共通端子を持ち
この端子にクロック電圧φRZが加えられる。フォトダ
イオードの下方の接続端はいずれも規準電位に接続され
ている。
センサ素子の第一選択トランジスタにはそれぞれ第二選
択トランジスタが直列に接続され、セン両選択トランジ
スタの直列接続を通して列導体に運ばれる。第1−図に
おいて例えばセンサ素子D ]−1は第一選択トランジ
スタT1.]と第二選択トランジスタT1.]’を通し
て列導体SPIに結ばれる。
同様にして第一列の他のセンサ素子はDZlに至るまで
=つの選択トランジスタの直列接続を通してSPIに結
ばれる。列導体S P l自体は列選出トランジスタS
TIを通して−っの読出しi A、 Lに結ばれ、AL
は出力トランジスタATのゲートに接続されている。列
選出トランジスタSTIのゲートは第一列のセンサ素子
Dll乃至DZIに所属する第二選択トランジスタのゲ
ートと共に列選出導線5PAIを通して水平シフトレジ
スタI−I S R。
の並列出力端の一つB1に接続される。HS Rにはク
ロックパルス入力端4,5が設けられている。
同様にして第二列のセンサ素子には列選出トランジスタ
ST’2を通して読出し線ALに結ばれる列導体SP2
が所属し、S’l”2のゲートは同じ列共に列選出導線
S P A−2を通してJ(S R,の第二の出力端B
2に結ばれている。残りのセンサ素子列例えばD ]、
 m乃至DDZも所属する列導体例えばSPmと列選出
トランジスタ例えばSTmを通して読出し線A T、に
結ばれ、所属ずろ第三選択トランジスタと列選出トラン
ジスタ例えばSTmはそれぞれ対応する列選出導線例え
ばSPAmを通してHS R,の並列出力端の一つ例え
ばBrnから制御される。列導体SPI乃至SPmはト
ランジスタT V ]乃至TTVの接続区間を通して接
続点6に結ばれろ。接続点6は参照電位Vrefに置か
れる。
’J) V ]乃至TTVのゲートはインバータ■■]
乃至IVmの出力端に結ばれ、これらのインバータの入
力端はI−T S 1’(、の出力端B1乃至Bmに接
続されている。読出しmALはトランジスタTTの接続
区間を通して接続点7に結ばれる。接続点7は接続点6
と同じ参照電位におくのが右利である。
TTのゲートはクロック電位φR,Aが導かれる接続端
に結ばれている。
出力トランジスタATはそのドレン接続端に給電電圧■
DD が加えられ、ソース接続端は負荷素子Raを通し
て接続点8に結ばれろ。接続端8は規準電位に置かれる
。ATのソース接続端は読出し線の出力端で゛あろと同
時にセンサの出力端Aを構成している。
シフトレジスタV S RとI−T S R,は二相式
の帰還結合型ダイナミック・シフトレジスタとずろのが
有利である。VSRでは論理II 1 IIが入力端]
2に導かれたクロックパルスに応じて段から段へ送られ
その移動方向は第1図に矢印で示されている。ある時刻
t1にVSRの第一段の出力端A1に論理II I J
lが現われるものとする。この時のA1の電圧をU A
]とする。次ツクo”)り′ゞ″スが入力端]、2に到
着すると状態゛′1′″は矢印の方向に移動して2番[
1の並列出力端A2に電圧■A2として現われる。この
状態II 1− IIの移動は最終段の出力端AZに対
応する電圧が現われるまで繰り返される。それに続くク
ロックパルスが入力端1,2に到着すると状態It :
+、 IIは再び第一段の出力端A]に現われる。状態
II 1.7+で占められていない段は電位″0″′に
置かれる。
シフトレジスタI−T S Rは入力端4,5に導かれ
たクロックパルス電圧によって同様に駆動され論理″]
″′がこのクロックパルスの周期をもって矢印の方向に
移動し並列出力端B]、、B2等に電圧UB]、UB2
等として現われる。
第2図に第1図の回路に対する電圧時間線図を示す。時
刻tlに行導体が電圧φR,Zのクロックパルス9によ
り接続点3の基準電位に戻される(リセット)。時刻t
2に電圧UA1が現われるとセンサ素子の第−行即ちD
]−1乃至D ]−mが読出しのため選出されその第一
選択トランジスタT]−1乃至T ]、 mが行導体L
]を通して導通状態に移される。同時に読出し線が電圧
φRAのクロックパルス10により接続点7の参照電位
に戻される(リセット)。時刻t3に電圧がI−I S
 Rの並列出力りIVIの出力端に加えられていた電圧
UBI  が遮断される。UBlのパルス11によって
列選出導線S PA IカM出され、第一列のトランジ
スタS ’I” ]と第二選択トランジスタT1]′が
導通状態に移される。しかしここで・は選出された導線
L1と5iPA、]の交叉点に置かれているセンサ素子
D 1. ]だけが読み出される。その際Dllに蓄積
されていた照射量に関係するセンサ信号は’l”l 1
 、 ’!’] 1’、 SPl。
ST]、、ALおよびA、Tを通って出力端Aに運ばれ
る。ここで・重要なのはこの転送が■JB1  のパル
ス11−が加えられている間だ+−J実現することであ
り、UBlの前後て・は電圧UB1がトランジスタTV
を導通させるから列導体SPIは電位Vrefに置かれ
てブルーミンクの結果としてセンサ素子D]、]乃至D
ZIからSPIに到達した過剰キャリヤは’I” V 
]を通して導き出される。更に残りの列導体SF3乃至
SPmもそれらがセンサ信号を送り出さない時間間隔中
はトランジスタT V 2乃かれているからこれらの列
導体に現われろ過剰ギヤリヤも大部分取り除かれる。
第2図から分るように1)]]がセンサ信号が読み出さ
れた後時刻t4に読出し線A LがφR,Aのパルス1
2によりTTを通して元に戻され(りナツト)、時刻t
5にUB2のパルス]3が第二列選出線5PA2を選出
し、I) ]、 2から出力端Aへのセンサ信号の送り
込みが上記の読出し過程と同様な経過て・実施されろ。
これに続いて残りの読出し過程が実施され■JBInの
ノぐルス]イによりD ]、 +nがらセンサ信号が読
出されろ。その後(JA]が遮断され、φR,Zのパル
ス15により行導体Ll乃至LZが元に戻される(リセ
ット)。それに続いて時刻t6に電圧UA2が接続され
た後第二センサ行のセンサ素子に対する順次読出しが行
なわれるがその際パルス16乃至19により」−記のパ
ルス10乃至13による場合と同様なコントロールが実
施される。画像センサの総てのセンサ素子が読み出され
た後以後の完全な読出し過程が周期的に繰り返される。
第1図の装置によりフルーミンク現象かに低減される。
ここでmは−っの行のセンザ素了数である。
第3図に減算段CDSの効果的な実施形態を示す。この
回路はこの発明によりセンサ出力端Aの後に接続される
ものである。この場合A′が事実上のセンサ出力端とな
る。更に行導体L ]乃至L Zと出力端A]乃至Az
の間には行進用トランジスタ’]” Z ]乃至’I”
 Z zが接続され、それらのゲートには共通端子を通
してクロックパルス電圧φAZが導かれる。
第3図のCDSでは入力端Aに続いて前置増幅器20が
あり、その出力端21−から抵抗22とコンデンサ23
の並列接続を通して入力端Aに帰還結合が作られている
。出力端21に直列にコンデンサC1が接続され、その
増幅器に対して反対側の接続端はスイッチング・l・ラ
ンジスタ25を通して規準電位に置かれた接続点26に
結ばれている。スイッチング・トランジスタ25のゲー
トにはクロック電圧φ。が加えられる。接続端24はス
イッチングトランジスタ27を通してコンデンサC2の
第一接続端に結ばれ、C2の第二接続端は規準電位に置
かれる。C2の第一接続端は減算段CDSの出力端A′
従って画像センサの出力端となる。回路部品27と02
は走査ならびに維持段を構成する。27のゲートにはク
リック電圧φ8が加えられろ。
」二記の形式の減算段は文献(P、 G、Jesper
sel al ; ”5olid StateTmag
ing”、 NA’l”0Advanced 5tud
y Tnstitutes 5eries E:A:1
.6,1.976)に記載されている。同様な構成の回
路も文献(TEEE  Journal of 5ol
idState C1rcuits、 Vol。5c−
9,A1.、Feb。
1.97<1.、p、1〜13)に記載されている。
段CDSを追加した画像センサからの読出し過程を第4
図について説明する。時刻t8に電圧UA1がシフトレ
ジスタV S R,の出力端A1に現われろと、センサ
素子の第−打丁)11乃至1) 1. mが読出しのた
め選び出される。しかし行選定トランジスタTZIは猶
阻止状態にある。時刻t1)に行導体Ll乃至■Jzが
φR,Z のクロックパルス28により接続点3の基準
電位に戻され(リセット)、読出し線ALはφR,Aの
パルス29により接続点7ノ参照電位に戻される。” 
B ]  のパルス30が到着すると5PAIが選出さ
れ、第一センサ列のST1と第二選択トランジスタT1
1′等が導通状態に移される。ST1を通してS P 
1がAI・と結ばれる。SPIとA Lの雑音電圧の瞬
時値とSTIならびにT11′等の接続によって生した
妨害電圧結合分はスイッチング・トランジスタ25(第
:(図)を導通させるφ。のパルス3]−により負の符
号をもって01に蓄積される。続く時刻t ]、 0に
4゛11乃至T 1. mがφA、Z のパルス32に
よって導通状態に移される。これによって選出された導
線L ]とS P A、 ]の交点に置かれたセンサ素
子が読出される。この読出されたセンサ信号はSr1と
A、 Lの雑音電圧の瞬時値と結合妨害電圧を含むもの
であるが、スイッチング・トランジスタ25の阻止後C
1に蓄積されている信号に正符号をもって加え合わされ
るから、接続点24には上記の雑音電圧と結合妨害電圧
を取り除いたセンサ信号が順次に読出された三つの信号
の差として与えられる。このようにして得られた信号値
はφ5のパルス33によってトランジスタ27を通して
コンデンサC2に送られそこに蓄積されるからA′を通
して取り出すことができる。
UB2 のパルス34が到着した後センサ素子D 1.
2に対する同様な読出し過程が開始され、第−行の残り
のセンサ素子に対する読出し過程がそれに続き、更に他
の行のセンサ素子に対する読出しも引き続き行なわれろ
。画像センサ全体の完全(19) ・・・DZm :センサ素子、AL:読出し線、CDS
な読出し過程は周期的に繰り返されろ。電圧UB1. 
l しIn2等は上記のようにしてブルーミングを著し
く低減させる。
各センサ1子の第一と第二の選択トランジスタ例えばT
]、1とT11′は二重ゲート・トランジスタにまとめ
て占有面積を縮小することができる。
この場合T11′のゲートは第一ポリシリコン層から作
り、T11のゲートは第二ポリシリコン層から作ること
ができるっ
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による二次元半導体画像センサの原理
的接続図、第2図は第1図の回路に対する電圧・時間線
図、第3図は読出し線の出口に直列接続される減算段の
原理的接続図、第4図は第1−図と第3図に示された半
導体画像センサの作用を説明する電圧・時間線図である
。第1図においてHS R:水平シフトレジスタ、va
n、:垂直シフトレジスタ、T1]・・・T1m=第 
at択)ランジスタ、T]、]’:第二選択トランジス
タ、Dll(20) :減算段、L ]−L z :行導体、S P ]、 
=−S P m:列導体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)ドープされた半導体基板」二に行列配置されたセン
    サ素子を備え、垂直シフトレジスタの並列出力端を通し
    て選出される行導体がセンサ素子で作られ光照射に関係
    するセンサ信号を列導体に導く第一選択トランジスタの
    制御に使用され、各列導体は水平シフトレジスタの並列
    出力端から制御されるスイッチによって順次に一つの読
    出し線に結合される半導体画素センサにおいて、水平シ
    フトレジスタの並列出力端が付加的にセンサ素子所属の
    第二選択トランジスタの列毎の制御に使用されること、
    第二選択トランジスタがそれぞれ第一選択トランジスタ
    に直列に接続されていること、列導体が別のスイッチ(
    TV1等)を逆水平シフトレジスタ(I−T S R)
    の並列出力端(B1等)から制御されろスイッチ(ST
    1等)がスイッチ(TV1等)に対して逆向きに制御さ
    れることを特徴とする二次元半導体画像上ンサ。 2)行導体(T、 ]等)が規帛電位にある第一接続点
    (3)に第一スイッチングトランジスタ(T H1等)
    を通して結ばれること、列導体(SPl等)が参照電位
    (Vref)にある第二接続点(0)に第ニスイツチン
    グトランジスタ(TV1等)を通して結ばれること、読
    出し線(A T、 )が例えば同じ参照電位(Vref
    )にある第三接続点(7)に第三スイッチングトランジ
    スタ(TT)を通して結ばれることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の半導体画像センサ。 3)行導体(T、 1・・・L z )が行選択トラン
    ジスタ(ZTI・・・ZTz)を通して垂直シフトレれ
    ること、読出し線(A、 T、 )の出力端に直列に減
    算段(CDS)が設けられ、これは直接続けて読出され
    た二つの信号から差信号を導。 出することを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2
    項記載の半導体画像センサ。 4)減算段が入力側に前置増幅器(20)とその出力端
    に直列接続されたコンデンサ(C1)と、このコンデン
    サの前置増幅器に対して反対側の端子(24)を規準電
    位にある接続点(26)に接続するスイッチ(25)を
    備え、出力側に走査ならびに維持段(27,C2)を備
    えることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の半導
    体画像センサ。 5)読み出すべきセンサ行の行導体(L]−)が垂直シ
    フトレジスタ(VSR)の並列出力端の一つ(A])を
    通して選び出されこのセンサ行の第一選択トランジスタ
    σ1J等)が導通状態に移されること、第一センサ列の
    列選出導線(S P A :I−)が水平シフトレジス
    タ(1−T S I(、)の並列出力端の一つ(r3]
    、 )を通して電圧を印加され所属列選出トランジスタ
    (S’l’l)とこのセンサ列の第二選択トランジスタ
    (’I”ll’)の導通状態に移すこと、列選出トラン
    ジスタ(STI )が導通状態にある間だけj山常は閉
    結されて第一列の列導体(SPl)に結ば才1ているス
    イッチ(’I”Vl)が開放されること、センサ行の第
    一七ンサ素子(D 1. ]、 )のセンサ信号が導通
    した列選出トランジスタ(S’l’l)を通してセンサ
    出力端(A )に運ばれること、この読出し過程が順次
    に読出すべきセンサ行の総てのセンサ素子に対して繰り
    返された後次のセンサ行において同様に実施されること
    を特徴とする二次元半導体画像センサの操作方法。 6)読出すべきセンサ行の行導体(Ll)が垂直シフト
    レジスタ(VSR)の並り)7 出力iの一つ(A1)
    を通して選び出されるが所属する行選出トランジスタ(
    ’l”7.1)は猶阻止状態に止まること、第一センサ
    列の列選出導線(SPAN、)が水平シフトレジスタ(
    HS R)の並列出力端の一つ(B〕)を通して電圧を
    印加され、所属する列選出トランジスタ(STI)とこ
    の列のセンサ素子(D :+−:1. )の所属選択ト
    ランジスタ(T 1.1.’ )を導通状態に移すこと
    、列選出トランジスタ(S T ]、 )が導通状態に
    ある間たけ通常は閉結されて第−行の行導体(S P 
    1 )に結ばれている別のスイッチが開放されること、
    導通状態に移された列選出トランジスタ(S T 1−
     )を通して列導体(S P 1 )と読出し導線(A
     ’I、 ) lの雑音電圧分と動作したスイッチング
    ・トランジスタによって生じた妨害電圧の結合分が減算
    段(CDS)に一つの符号をもって蓄積されること、続
    いて選出されたセンサ行の行選出トランジスタ(TZl
    、)が導通状態に移されそれによってこのセンサ行の第
    一選択トランジ行の第一センサ素子(iD ]、 ]、
     )のセンサ信号が」−記の雑音電圧分と妨害電圧結合
    分とを含めて減算段に蓄積されている信号に第一の符号
    をもって重ね合わされること、形成された差信号がセン
    サ出力端(A′)に運ばれること、この読出し過程が順
    次に選出されたセンサ行の総てのセンサ素子に対して繰
    り返された後他のセンサ行に対しても同様に実施される
    ことを特徴とする二次元半導体画像センサの操作方法。 7)水平シフトレジスタ(T−I S R)の並列出力
    端(B1)に現われた電圧を列選出導線(SPAl、)
    に加える前に行導体(L I・・・ ・Lz)を基準電
    位(3)に、読出し導線(A L )を参照電位に戻す
    ことを特徴とする特許請求の範囲第6項記載の方法。
JP58180065A 1982-09-29 1983-09-28 二次元半導体画像センサおよびその操作方法 Pending JPS5983475A (ja)

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