JPS60220965A

JPS60220965A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS60220965A
Application number: JP59077382A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ikeda; 憲治池田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1984-04-17
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1985-11-05

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】（技術分野）本発明は撮像素子として固体撮像索子を用いた固体撮像
装置に関する。

（従来技術）近年、半導体技術の進歩発展により撮像素子として固体
撮像索子を用いた電子スチルカメラが脚光をあびてきて
いる。これは、電子スチルカメラが小形軽量、低消費電
力、高信頼性、長寿命、団産性、均一性等固体撮像素子
のもつ特徴を最大限に生かせるからである。固体撮像素
子としては、大別して光ダイオードの光電変換信号をス
イッチマトリクスで順次読み出すＭＯＳ形と、画素の信
号をＣＣＤシフトジスタで送り出ｔＣＣＤ形と、水平走
査のみＣＯＤにしたＣＤＰ形がある。このうち、ＣＣＤ
形はＭＯ８電極のみでメモリと走査の両機能を持つため
、走査回路がいらず回路的には非常に簡単なデバイスで
あることから多用されるようになってきている。

ところで、従来このような固体撮像素子の半導４本基根
として（よ、シリコンが多り１１１いられている。

しかしながら、シリコンは常温でも暗電流が１Ｏｒ）Δ
程度と比較的多く、温度が１０℃上昇り゛るごどに暗電
流が約２倍になる。例えば、基板温度が５０膜程度にな
ると暗電流が約８０１　Ａと非常に多くなり実用上人ぎ
な問題となっている。特に固体撮像素子としてＣＯＤ等
の電荷転送素子を用いた場合、受光部で発生した電荷を
電荷転送部に転送するとぎに暗電流のためにＡ−パフロ
ーを生じ、正確な画像１５号を転送することができない
という不都合が生じていた。

（発明の目的）本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、
その目的は暗電流の絶対値を固体撮像素子の出力信号に
悪影響を与えない程度に抑えることができる固体撮像装
置を実現することにある。

（発明の構成）このような目的を達成する本発明はペルチェ素子上に固
体撮像素子を配設するとともに、該固体撮像素子の受光
部と保護ガラスの間の空間を真空にしたことを特徴とす
るものである。

以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

前述した半導体基板の暗電流は、空乏層内で生成される
発生再給合電流が主な要因とされている。

ここで、発生再給合電流Ｉ９ｒは次式で表わされている
。

Ｉｐｒ−（Ａｓ　ｉ　−Ｗ−ｎｉ）／　（ｒｐ　−＋−
ｒｎ　）・・・〈１）ただし、ＡＳ；接合面積　ｑ　；素電荷Ｗ；空乏層幅　
旧；真性キャリア密度 τｐ：ホールのライフタイム τｎ：電子のライフタイム（１）式中の真性キャリア密度０ｉの温度依存性が、暗
電流の湿度特性に影響している。即ち、真性キャリア密
度ｎｉは次式で表わされる。

ｒ＋ｉｘＴ’　ｘｅｘｐ　（１，２１／ｋ　１−　）　
−（２）ここで、王は温度、ｋはボルツマン定数である
。

（”ｊ）、＜２＞式より、温度Ｔを低くすると暗電流は
低下づることがわかる。本発明は以上の点に基づいてな
されたものであって、固体撮像素子の受光部をベルチェ
素子の電子冷却素子上に配設し、効果的に受光部を冷却
し、暗電流の低減を図っている。

第１図は、ベルチェ素子の一構成を示す図である。図に
おいて、１は第１の金属板を、２，２′は第２の金属板
を、３は金属板１と金属板２との間に挟着されｔｃ　Ｎ
形半導体、４は金属板１と金属板２どの間に挟着された
Ｐ形半導体である。このように構成された素子の金属板
２．２′間に電源Ｖを接続して図に示す向きに電流ｉを
流すと、金属板１の部分が吸熱部に、金属板２，２′の
部分が発熱部になる。従って、金属板１部を密閉し金属
板２，２部を外部に露出づれば、密閉室の部分が冷却室
となりり、図に示す構成をベルチェ素子として用いるこ
とかできる。

第２図は、上述したようなベルチェ素子を用いた本発明
の一実施例を示ず構成図である。第１図と同一のものは
、同一番号を付して示づ一０図において、１１はホトダ
イオード部△、蓄積部Ｂ１ホトトランス７７部Ｃ１埋込
みチャネルＣＯＤレジスタ部り及びフィールド部Ｅから
なる成層部、１２はＰ形半導体基板である。成層部１１
と半導体基板１２とで受光素子部を構成する。以上の説
明で明らかなように、図では受光素子としてＣＯＤを用
いた例を示している。１３は受光素子部とベルチェ素子
部を直結する絶縁層である。該絶縁層１３は、双方の電
気的干渉を防止するためのものである。この絶縁層とし
ては、例えば、Ｓｉ　０２膜が用いられる。次に冷却部
となる金属板１をアルミニウム（Ａ７　＞で形成するア
ルミニウム上にＮ形半導体３とＰ形半導体を形成させ、
更に発熱部となる金属板を形成しペルチェ素子部として
いる。このように構成された装置の動作を説明すれば、
以下のとおりである。

図に示す構成で、金属板２，２′間に電流を通すると金
属板１の部分で吸熱作用が、金属板２゜２′の部分で発
熱作用がそれぞれ生じる。従って、絶縁層１３を介して
Ｐ形半導体基板１２中の熱は金属１部に吸収され、受光
素子部は冷ｌ、Ｉｌされる。

受光素子部が全体として冷却される結果、暗電流を減少
させることができる。第３図はシリコン基板のｌｌａ時
出力電圧温度特性を示り図である。図において、横軸は
蓄積時間、縦軸は（１１８時出力電圧〉２／〈飽和量ツ
ノ電圧）比をそれぞれ示づ”。図に示ず曲線は、周囲渇
ｌＸＴａをパラメータにとっている。

図より明らかなように、蓄積時間を一定とＪ〜ると、温
度が１０℃上昇するごとに暗電流が２〜３１８に増大し
ていることがわかる。このことは、逆に受光素子部の温
度を１０℃冷却Ｊれば、暗電流が１７／２〜１／３に減
少することを示しており、ＳＺＮ比が向上する。

第４図は、本発明に係る固体撮像装置全体の構成を示す
図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。第
１図、第２図と同一のものは同一の番号を付して示す。

図において、２０はその中に固体撮像素子が封入された
パッケージである。

該パッケージは、図に示すようにディップ形で、実装が
しやすい構成になっている。２１’、２２は電源Ｖの接
続用電極、２３は受光素子の表面を保護する保護ガラス
、２４は前記した受光素子である。２５は保護ガラス２
３と受光素子２４の間に設けられた真空部である。この
ように、保護ガラス２３と受光素子２４の間を真空にし
ておくと、受光素子２４の表面が結露するのを防止する
ことができるので都合がよい。また、発熱用金属板２゜
２′がその底面に露出しているので、この部分を放熱板
（図示せず）に密着させて効率のよい放熱を行わせるこ
とができる。

第５図、第６図は本発明の他の実施例を示す構成図であ
る。第５図において、３１は受光素子部、３２は絶縁層
、３３は冷却用金属板、３４はＮ形半導体、３５はＰ形
半導体、３６．３６’　は発熱用金属板である。図に示
す装置は１個の受光素子部３１を３個のベルチェ素子で
冷却するものである。第６図において、第５図と同一の
ものは同一の番号を付して示す。４１．４１’　は第２
の冷却用金属板、４２は第２のＮ形半導体、４３は第２
のＰ形半導体、４４．４４’　は発熱用金属板である。

図に示す装置はベルチェ素子を２段構成にして、本来な
ら発熱用金属板となるべき金属板４１゜４１′を第２の
ベルチェ素子の冷７７１］用金属板として用いている。

図に示す装置はベルチェ素子を２段構成にして冷却する
ものである。第５図、第６図に示す装置は何れも複数の
ベルチェ素子を用いて冷却能力を大きくしたものである
。

第７図は固体撮像装置の受光部を一定温度にコントロー
ルする場合の一構成を示ず図である。図において、４０
は本発明に係る固体撮像装置、４１は受光素子部の温度
を検出する温度セン骨す、４２は受光素子部、４３はパ
ッケージ底面に埋込まれたベルチェ素子、４４は温度セ
ンサ４１の出力を受けて温度を検出する温度検出回路、
４５は該温度検出回路４４の出力と目標値（基準値）と
を比較する比較器、４６は該比較器４５の出ツノを受け
てベルチェ素子４３を駆動するペルチェ素子駆動回路で
ある。このように構成された装置において、比較器４５
に受光素子部４２の目標温度を設定すると、図に示す装
置は該受光素子部４２の温度が目標値になるようなフィ
ードバック制御を行う。即ち、温度検出回路４４で得ら
れた湿度と目標温度とが比較器４５で比較される。そし
て両温度の差分に応じた信号が比較器４５からペルチェ
素子駆動回路４６に送られる。そして、ベルチェ素子４
３に電流を流す。この結果、受光素子部４２は更に冷却
される。このような動作を繰り返し、受光素子部４２の
温度を目標温度に等しくするように制御する。このよう
に、ベルチェ素子を用いて受光素子部４２の温度を一定
に保つことにより、外部の雰囲気温度に左右されること
な（、蓄積時間が一定に保てる。従って、常に安定した
読出しを行うことができる。

ここで蓄積時間について更に説明する。第３図の特性図
を見れば明らかなように、冷却した場合には冷却しない
場合の暗電流と同一レベルにまで達するに要する蓄積時
間は、前述した場合と同様に１０℃の冷却で２〜３倍長
くなる。このことは、固体撮像素子からの読出し信号の
周波数を、１０℃の冷却で２〜３倍遅くすることができ
ることを示している。従来、固体撮像素子からの信号を
ディジタル信号により他の記録媒体、例えばバブルメモ
リ、光デイスクメモリ等に記録する場合、これら記録媒
体の記録速度は固体撮像素子からの読出し信号に比較し
て低速である。従って、記録媒体の記録速度と固体撮像
素子の信号読出し速度とのマツチングをとるために、大
容酊の半導体メモリによる１フレームバツフ？メモリを
介在させていた。しかしながら、本発明によれば固体撮
像素子を冷却することにより読出し速度を遅くすること
ができるので、バッファメモリの介在なしに。

バブルメモリ等の低速記録媒体と直接接続できるので都
合がよい。

なお、固体撮像素子としては、前ｉＭ’シたＣＯＤの他
にＭＯＭ形のもの或いはＣＰＤ等を用いてもよい。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明によれば固体撮像索
子を絶縁、物を介してベルチェ素子と密着させることに
より固体撮像素子を冷却することができるので、暗電流
の絶対値を固体撮像索子の出力信号に悪影響を与えない
程度に抑えることができる。更に保護ガラス面と受光部
との間の空間を真空にしているので受光素子表面が結露
するのを防ぐこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はベルチェ素子の構成を示す図、第２図は本発明
の一実施例を示す構成図、第３図はシリコン基板の暗時
出力電圧湿度特性を示す図、第４図は本発明の全体の構
成を示す図、第５図、第６図は本発明の他の実施例を示
す図、第７図は固体撮像装置の受光部を一定澗度にコン
トロールする場合の一構成を示す図である。１．２．２’　、３３，３６．３６’　、４１゜４１’
　、４４．４４’・・・金属板３．３４．４２・・・Ｎ形半導体４．３５．４３・・・Ｐ形半導体１１・・・成層部　１２・・・１〕形半導体基板１３．
３２・・・絶縁層　２０・・・パッケージ２１．２２・
・・電極　２３・・・保護ガラス２４．３１・・・受光
素子　４１・・・温度センサ４２・・・受光素子部　４
３・・・ベルチェ素子４４・・・温度検出回路　４５・
・・比較器４６・・・ペルチェ素子駆動回路特許出願人　小西六写真工業株式会社代　理　人　弁理±　５＋　島　藤　治外１名第３図蓄積時間　（ｓｅｃ）尾４図（Ｑ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】（１）ペルチェ素子上に固体撮像索子を配設するととも
に、該固体撮像素子の受光部と保護ガラスの間の空間を
真空にしたことを特徴とする固体撮像装置。（２）前記固体撮像素子としてＣＯＤを用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。〈３）前記固体撮像素子としてＭＯ８形半導体を用いた
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
装置。（４）前記固体撮像素子としてＣＰＤを用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。（５）前記ペルチェ素子を複数個用いたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。（６）前記固体撮像素子の温度を検出し、当該温度が一
定になるように前記ベル゛チェ素子に流す電流を制御す
るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の固体撮像装置。