JPS61156867A - 固体撮像素子 - 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】 （技術分野） 本発明は、キャパシタを介して電位が制御され本発明に
よる固体撮像装置は、たとえば画像入力装置、ワークス
テイシコン、デジタル複写機、ワードプロセッサ、バー
コードリーダや、カメラ、ビデアカメラ、８ミリカメラ
等のオートフォーカス用光電変換被写体検出装置等にも
適用可能であるＯ （従来技術） 近年、光電変換装置、特に固体撮像装置に関する研究が
ＣＣＤｆｉおよびＭＯＳ型の２方式を中心に行われてい
る。

ＣＣＤ臘撮儂装置は、ＭＯ８型キャパシタ電極下にポテ
ンシャル井戸を形成し、光入射により発生した電荷をこ
の井戸に蓄積し、読出し時には、これらのポテンシャル
井戸を、電極Ｋかけるパルスにより順次動かして、蓄積
された電荷を出力アンプまで転送して読出す、という原
理を用いてい　゛る。したかっ【、比較的構造が簡単で
あり、ＣＣＤ自体で発生する雑音が小さく、低照度撮影
が可能となる。

一方、ＭＯ−８型撮像装置は、受光部を構成するｐｎ接
合より成る゛フォトダイオードの各々に光の入射により
発生した電荷を蓄積し、読出し時にはそれぞれのフォト
ダイオードに接続されたＭＯＳスイッチングトラ゛ンジ
スタを順次ＯＮすることＫより蓄積された電荷を出力ア
ンプに読出す、という原理を用いている。したがって、
ＣＣＤ型に比較して構造上複雑となるものの、蓄積容量
を大きくとることができ、ダイナミック・レンジを広（
することができる。

しかし、これら従来方式の撮像装置には、次のような欠
点が存在するために、将来的に高解像度化を進めて行く
上で大きな支障となっていた。

ＣＣＤ型撮像装置では、１）出力アンプとしてＭＯ８型
アンプがオンチップ化されるために、シリコンとシリコ
ン酸化膜の界面から画像上、目につきゃすい１／ｆ雑音
が発生する。２）高解像度化を図るために、セル数を増
加させて高密度化すると、ひとつのポテンシャル井戸に
蓄積できる最大電荷量が減少し、ダイナミックレンジが
取れなくなる。３）蓄積電荷を転送して行く構造である
ために、セルに一つでも欠陥が存在すると、そこで電荷
転送がストップしてしまい、製造歩留りが悪くなる。

ＭＯ８型撮像装置では、１）信号読出し時に、各フォト
ダイオードに配線容量が接続されているために、大きな
信号電圧ドロップが発生する。

２）配線容量が大きく、これによるランダム雑音の発生
が大きい。３）走査用ＭＯＳスイッチングトランジスタ
の寄生容量のバラツキによる固定パターン雑音の混入が
ある。このために、低照度撮像が困難となり、また、高
解像度化を図るために各セルを縮小すると、蓄積電荷は
減少するが、配線容量があまり小さくならないために、
Ｓ／Ｎ比が小さくなる。

このよ５１Ｃ，ＣＣＤ型およびＭＯ８型撮像装置は高解
像度化に対して本質的な問題点を有している。これらの
撮像装置に対して、新方式の半導体撮像装置が提案され
ている（特開昭５６−１５０８７８号公報、特開昭５６
−１５７０７３号公報、特開昭５６−１６５４７３号公
報）０ここで提案されている方式は、光入射によって発
生した電荷を制御電極（例えば、バイポーラトランジス
タのベース、静を銹導トランジスタＳＩＴあるいはＭＯ
Ｓトランジスタのゲート）Ｋ蓄積し、蓄積された電荷を
各セルの増幅機能を利用して電荷増幅を行い読出すもの
である。

この方式では、高出力、広ダイナミック・レンジ、低雑
音および非破壊読出しが可能であり、高解像度化の可能
性を有している。

しかしながら、この方式は基本的にＸ−Ｙアドレス方式
であり、また各セルは、従来のＭＯ８型セルにバイポー
ラトランジスタ、ＳＩＴトランジスタ等の増幅素子を複
合したものを基本構造としているために、高解像度化に
限界が存在する。

又、従来非破壊読み出し可能な撮像素子においては素子
の開口率を確保する為にＸ−Ｙアドレス用の配線の巾は
最小限のものとしていた、この為配線容量が小さく撮像
素子のゲインを制限してしまう欠点があった。

（目　的） 本発明による固体撮像装置は上記従来の問題点を解決し
ようとするものであり、更に光電変換素子のゲインを最
適化し得る固体撮像素子を提供する事を目的とする。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図および第２図は、本発明の一実施例に係る光電変
換装置を構成する光センサセルの基本構造および動作を
説明する図である。　　　　　゛第１図（ａ）は、光セ
ンサセルの平面図、第１図（ｂ）は、そのＡ−Ａ’　　
線断面図、第２図は、その等価回路である。なお、各部
位において共通するものについては同一の番号をつけて
いる。

第１図では、整列配置方式の平面図を示したが水平方向
解像度を高（するために、画素ずらし方式（補間配置方
式）にも配置できることはもちろんのことである。

この光センサセルは、次のような構造を有している。

第１図（ａ）　、　（ｂ＞に示すごとく、ｎ型シリコン
基板１の上に１ パシベーシ膳ン膜２： シリコン酸化膜より成る絶縁酸化膜３：となり合う光セ
ンサセルとの間を電気的に絶縁するための絶縁膜又はポ
リシリコン膜等で構成される素子分離領域４： エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
−領域５： その上に、バイポーラトランジスタのベースとなるｐ領
域６： バイポーラトランジスタのエミッタとなるｎ＋領域７： 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム（Ａ１
）等の導電材料で形成される配線８：ｐ領域６に絶縁膜
３をはさんで対向し、浮遊状態になされたｐ領域６にパ
ルスを印加するためのキャパシタ電極９： キャパシタ電極９に接続された配線ｌＯ：基板１の裏面
にオーミックコンタクトをとるために形成されたｎ＋領
−１１＝ そして、バイポーラトランジスタのコレクタ電位を与え
るための電極１２： がそれぞれ形成され、上記光センサセルを構成している
。

第２図に示す等価回路において、コンデンサＣｏｘ１３
は、電極９、絶縁膜３、ｐ領域６のＭＯ８構造より構成
され、又バイポーラトランジスタ１４は、エミッタとし
てのｎ＋領域７、ベースとしてのｐ領域６、コレクタと
してのｎ′″領域５および領域１の各部分より構成され
ている。これらの図面から明らかなよ５に、ｐ領域６は
浮遊領域になされている。

また、バイポーラトランジスタ１４の等価回路は、ベー
ス、エミッタの接合容量Ｃｂｅ１５、ベース・エミッタ
のｐｎ接合ダイオードＤｄｅ１６、ベース・コレクタの
接合容量Ｃｂｃ１７、ベー、ｘ、・コレクタのｐｎ接合
ダイオードＤｂｃ１８及び電流源１９．２０で表現され
る。

次に、このような構成を有する光センサセルの基本動作
を説明する。

この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄積
動作、読出し動作およびリフレッシ、動作より構成され
る。電荷蓄積動作においては、例えばエミッタは、配線
８を通して接地され、コレクターは配ｍ１２を通して正
電位にバイアスされている。またベースは、あらかじめ
エミッタ７に対して逆バイアス状態にされているものと
する。

この状態において、第１図に示す様に光センサセルの表
側から光２０が入射してくると、半導体内においてエレ
クトロン、ホール対が発生する。

この内、エレクトロンは、ｎ領域１が正電位にバイアス
されているのでｎ領域１側に流れだしていってしまうが
、ホールはｐ領域６にどんどん蓄積されていく。このホ
ールのｐ領域への蓄積によりｐ領域６の電位は次第に正
電位に向かって変化していく。この時、光により励起さ
れたホールがベースに蓄積することＫより発生する電位
ｖｐはＹ　ｐ”Ｑ／Ｃで与え６れる。Ｑは蓄積されるホ
ールの電荷量であり、ＣはＣｂｃ１５とＣｂｃ１７を加
算した接合容量である◇ ここで注目すべきことは、高解像度化され、セルサイズ
が縮小化されていった時に、二つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄積電荷量Ｑが共に減少して
い（が、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイズに
比例して減少していくので、光入射憾より発生する電位
Ｖｐはほぼ一定にだもたれるということである。これは
本発明における光センサセルが第１因に示すごとく、き
わめて簡単な構造をしており有効受光面がきわめて大き
くとれる可能性を有しているからである。

以上の様にしてｐ領域６に蓄積さ、れた電荷により発生
した電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。

読出し動作状態では、エミッタ、配ｆｆ１８は浮遊状態
に、コレクターは正電位Ｖｃｃに保持される。

今、光を照射する前に、ベース６を負電位にバイアスし
た時の電位を−ｖｂとし、光照射により発生した蓄積電
圧なりｐとすると、ペース電位は、−Ｖｂ＋Ｖｐなる電
位になっている。この状態で配線１０を通して電極９１
Ｃ読出し用の正の電圧Ｖｒを印加すると、この正の電位
Ｖｒは酸化膜容量Ｃｏｘ１３　とベース・エミッタ間接
合容量Ｃｂｅ１５、ベース、コレクタ間接合容ｔｃｂｃ
１７により容量分割され、ベース電位は、 Ｃｏｘ となる。ここで、ベース電位を次式に示すＶｂｓだけ、
余分に順方向にバイアスすると、 ベース電位は、光照射により発生した蓄積電圧Ｖｐより
さらに順方向にバイアスされる０そのために１エレクト
ロンはエミッタからベースに注入され、コレクタ電位が
正電位になっているために、ドリフト電界に加速されて
コレクタに到達する。

第３図（ａ）は、Ｖｂ　ｓ＝０．６　Ｖとした場合の蓄
積電圧Ｖｐに対する読出し電圧の関係を示すグラフであ
る。

同グラフによれば、１００ｎｓｅｃ　　程度以上の読出
し時間（読出し電圧Ｖｒをキャパシタ電極９に印加して
いる時間）をとれば、蓄積電圧Ｖｐと読出し電圧は、４
桁程度の範囲にわたりて直線性が確保され、高速読出し
が可能であることを示している。上記の計算例では、配
線８の容量を４ｐＦ。

接合容量Ｃｂｅ＋Ｃｂｃを０．０１４ｐＦとした場合で
あり、その容量比は約３００倍の異なっているが、ｐ領
域６に発生した蓄積電圧Ｖｐは何らの減衰も受けず、且
つバイアス電圧Ｖｂｓの効果により、きわめて高速に読
出し動作が行われたことを示している。これは、上記光
センサセルのもつ増幅機能が有効にはたらいたからであ
る。このように、出力電圧が大きいために、固定パター
ン雑音、出力容量に起因するランダム雑音が相対的に小
さくなり、極めて良好な８／Ｎ比の信号を得ることがで
きる。

先に、バイアス電圧Ｖｂｓを０．６　Ｖに設定した時、
４桁程度の直線性が１００　ｆｌ　Ｓ　ｅ　Ｃ程度の高
速読出し時間で得られることを示したが、この直線性お
よび読出し時間とバイアス電圧Ｖｂｓとの関係を第３図
の）に示す。

第３回申）に示すグラフによれば、バイアス電圧Ｖｂｓ
による、読出し電圧が蓄積電圧の所望の割合（％）Ｋ達
するのに必要な読出し時間を知ることができる。したが
って、撮像装置の全体の設計から胱出し時間および必要
な直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Ｖ
ｂｓが第３図（ｂ）のグラフを用いることＫより決定す
ることができる。

上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点は、ｐ領
域６に蓄積されたホールはｐ領域６１Ｃおけるエレクト
ロンとホールの再結合確率がきわめて小さいことから非
破壊的に読出し可能なことである。このことは、上記構
成に係る光センサセルを撮像装置として構成した時に、
システム動作上、新しい機能を提供することができるこ
とを意味する。

さらに、ｐ領域６に蓄積電圧Ｖｐを保持できる時間は極
めて長く、最大保持時間は、むしろ接合の空乏層中にお
いて熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。しか
し、上記光センサセルにおいて、空乏層の広がりている
領域は、極めて不純物濃度が低いｎ−領域５であるため
に、その結晶性が良好であり、熱的に発生するエレクト
ロン・ホール対は少ない。

次いでｐ領域６に蓄積された電荷をリフレッシ−する動
作について説明する。

上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べたごとく
、ｐ領域６に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅し
ない。このため新しい光情報を入力するためには、前に
蓄積されていた電荷を消滅させるためのり７レツシ一動
作が必要である。また同時に、浮遊状態になされている
ｐ領域６の電位な所定の負電圧に帯電させておく必要が
ある。

上記構成に係る光センサセルでは、す７レツシ一動作も
読出し動作と同様、配線１０を通して電極９に正電圧を
印加することＫより行なう。このとき、配線８を通して
エミッタを接地する。コレクタは、電極１２を通して接
地又は正電位にしておく。第４図（ａ）にリフレッシ、
動作の等価回路を示す。但しコレクタ側を接地した状態
の例を示している。

この状態で正電圧Ｖｒｈなる電圧が電極９に印加される
と、ベース２２には、酸化膜容ｉ　Ｃｏ　ｘ　１３、ベ
ース・エミッタ間接合容量Ｃｂｅ１５、ベース・コレク
タ間接合容量Ｃｂｃ１７の容量分割により、Ｃｏｘ Ｃｏｘ＋Ｃｂｅ＋Ｃｂｃ なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧忙より、ベース・エミッタ間接合ダイオー
ドＤｂｅ１６およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Ｄｂｃ１８は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ベース電位は次第に低下してい（。

この時、浮遊状態にあるベースの電位の変化について計
算した結果を、ベース電位の時間依存性の一例として第
４図中）に示す。横軸は、す７レツシー電圧Ｖｒｈが電
極９に印加された瞬間からの時間経過すなわちリフレッ
シ、時間を、縦軸は、ベース電位をそれぞれ示し、ベー
スの初期電位をパラメータにしている０ベースの初期電
位とは、リフレッシ、電圧Ｖｒｈが加わった瞬時に、浮
遊状態にあるベースが示す電位であり、Ｖｒｈ、Ｃｏｘ
、Ｃｂｅ。

ＣＩ）ｃ　　及びベースに蓄積されている電荷によって
きまる。

この第４図［有］）をみれば、ベースの電位は初期電位
忙よらず、ある時間経過後には必ず、片対数グラフ上で
一つの直線にしたがって下がっていくことがわかる。

ｎ領域６が、ＭＯＳキャパシタＣｏｘを通して正電圧を
ある時間印加し、その正電圧を除去すると負電位に帯電
する仕方には、２通りの仕方がある。

一つは、ｎ領域６から正電荷を持つホールが、主として
接地状態にあるｎ領域１に流れ出すことによって、負電
荷が蓄積される動作である。

一方、ｎ＋領域７やｎ領域１からの電子が、ｎ領域６に
流れ込み、ホールと再結合することによって、ｎ領域６
に負電荷が蓄積する動作も行なえる。

上記構成に係る光センサセルによる固体撮像装置では、
リフレッシ為動作により全てのセンサセルノベース電位
をゼロボルトまで持りていく完全リフレッシ、モードと
（このときは第４図（ｂ）の例では１０　（ＳｅＩＣ３
を要する）、ペース電位にはある一定電圧は残るものの
蓄積電圧Ｖｐによる変動成分が消えてしまう過渡的リフ
レッシ−モードの二つが存在するわげである（このとき
は第４図中）の例では、１０〔μ５ｅｃ）〜１０　（ｓ
ｅｃ）　　のリフレッシ、パルスとなる）０ 完全リフレッシ、モードで動作させるか、過渡的リフレ
ッシ、モードで動作させるかの選択は撮像装置の使用目
的によって決定される。

以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動作、す７レ
ツシ、動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明であり、各動作を基本サイクルとして、入射
光の観測又は光情報の読出しを行うことが可能となる。

以上説明したごとく、上記構成に係る光センサセルの基
本構造は、すでにあげた特開昭５６−１５０８７８、特
開昭５６−１５７０７３、特開昭５６−１６５４７３の
各公報に記載された撮像装置と比較してきわめて簡単な
構造であり、将来の高解像度化に十分対応できるととも
に、それらのもつ優れた特徴である増幅機能からくる低
雑音、高出力、広ダイナミツクレンジ、非破壊読出し等
のメリットをそのまま保存している。

次に、以上説明した光センサセルを用いた固体撮像装置
について説明する。

第５図は、上記光センサセルを２次元的に配列して構成
した本発明による固体撮像装置の一実施例の回路図であ
る。

すでに説明した点線でかこまれた基本光センサセル３０
（この時バイポーラトランジスタのコレクタは基板およ
び基板電極に接続されることを示している。）、読出し
パルスおよびリフレッシ。

パルスを印加するための水平ライン３１．３１’、３１
“読出しパルスな発生させるための垂直シフトレジスタ
３２、垂直シフトレジスタ３２と水平ライン３１．３１
’、３１“の間のバッファＭＯ８）ランジスタ３３．３
３’、３３“、バッファＭＯ８）ランジスタ３３．３３
’、３３“のゲートにパル・スを印加するための端子３
４、す７レツシ、パルスを印加するためのバッファＭ０
８）ランジスタ３５．３５’、３５“、それのゲー）Ｋ
パルスを印加するための端子３６、リフレッシェパルス
を印加するための端子３７、基本光センサセル３０から
蓄積電圧を読出すための垂直ライン３８　、３８’、　
３８”　、各垂直ラインを選択するためのパルスを発生
する水平シフトレジスタ３９、各垂直ラインを開閉する
ためのゲート用ＭＯＳト？ｙジスタ４０．４０’、４０
”、蓄積電圧をアンプ部に読出すための出力ライン４１
、読出し後に、出力ラインに蓄積した電荷をリフレッシ
−するためのＭＯＳ）ランジスタ４２、ＭＯＳ）ランラ
スタ４２ヘリフレツシ、パルスを印加するための端子４
３、出力信号を増幅するためのバイポーラ、ＭＯＳＸＦ
ＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ等のトランジスタ４４、負荷抵抗４５
、トランジスタと電源を接続するための端子４６、トラ
ンジスタの出力端子４７、読出し動作において垂直ライ
ン４０　、４０’。

４０“Ｋ蓄積された電荷をリフレッシ−するためのＭＯ
Ｓトランジスタ４８．４８’、４８“、ＭＯＳ）ランジ
スタ４８．４８’、４８”のグー）Ｋパルスを印加する
ための端子４９および、垂直ライン３８．３８’。

３８“Ｋ設けられたＭＯＳ構造等の容量付加手段として
の容量５０．５０’、５０“によりこの固体撮像装置は
構成されている。

この固体撮像装置の動作について第５図および第６図に
示すパルスタイミング図を用いて説明する。

第６図において、区間６１はリフレッシュ動作、区間６
２は蓄積動作、区間６３は読出し動作にそれぞれ対応し
ている。

時刻１１において、基板電位、すなわち光センサセル部
のコレクタ電位６４は、接地電位または正電位に保たれ
るが、第８図では接地電位に保たれているものを示して
いる。接地電位又は正電位のいずれにしても、すで釦説
明した様に、す７レツシーに要する時間が異なってくる
だけであり、基本動作に変化はない。端子４９の電位６
５はｈｉｇｈ状態であり、ＭＯＳトランジスタ４８．４
８’。

４８“　は導通状態に保たれ、各党センサセルは、垂直
ライン３８．３８’、３８“な通して接地されている。

また端子３６には、波形６６のごとくバッファＭＯ８）
ランジスタが導通する電圧が印加されており、全画面一
括りフレッシー用バックァＭＯ８トランジスタ３５．３
５’、３５“は導通状態となっている。この状態で端子
３７に波形６７のごとくパルスが印加されると、水平ラ
イン３１．３１’、３１”な通して各光センサセルのペ
ースに電圧がかかり、すでに説明した様に、リフレッシ
ュ動作に入り、それ以前に蓄積され【いた電荷が、完全
リフレッシ、モード又は過渡的リフレッシ、モードにし
たがってリフレッシ、される。完全り７レツシ島モード
になるか又は過渡的・リフレッシ、モードになるかは波
形６７のパルス幅により決定されるわけである。

ｔ１時刻において、すでに説明したごとく、各党センサ
セルのトランジスタのペースはエミッタに対して逆バイ
アス状態となり、次の蓄積区間６２へ移る。このり７レ
ツシ１区関６１にＳいては、図に示すように、他の印加
パルスは全てｌｏｗ状態に保たれ【いる。

蓄積動作区間６２においては、基板電圧、すなわちトラ
ンジスタのコレクタ電位波形６４は正電位にする。これ
により光照射罠より発生したエレクトロン・ホール対の
うちのエレクトロンを、コレクタ側へ早く流してしまう
ことができる。しかし、このコレクタ電位を正電位に保
つことは、ペースなエミッタに対して逆方向バイアス状
態、すなわち負電位にして撮像しているので必須条件で
はなく、接地電位あるいは若干負電位状態にしても基本
的な蓄積動作に変化はない。

蓄積動作状態においては、ＭＯＳトランジスタ４８．４
８’、４８’のゲート端子４９の電位６５は、リフレッ
シ−区間と同様、ｈｉｇｈ　　に保たれ、各ＭＯＳトラ
ンジスタは導通状態に保たれる。このため、各党センサ
セルのエミッタは垂直ライン３８゜３８’、３８“　を
通して接地されている。強い光の照射により、ペースに
ホールが蓄積され、飽和してくると、すなわちペース電
位がエミッタ電位（接地電位）に対して順方向バイアス
状態罠なってくると、ホールは垂直ライン３８．３８’
、３８“を通して流れ、そこでペー、ス電位変化は停止
し、はクリップされることになる。したがって、垂直方
向くとなり合う光センサセルのエミッタが垂直ライン３
８．３８’、３８“Ｋより共通に接続されていても、こ
の様に垂直ライン３８・３８’、３８”を接地しておく
と、プルーミング現象を生ずることはない。

このブルーミング現象をさける方法は、ＭＯＳトランジ
スタ４８．４８’、４８”を非導通状態にして、垂直ラ
イン３８．３８’、３８”　’に浮遊状態にしていても
、基板電位、すなわちコレクタ電位６４を若干負電位に
しておき、ホールの蓄積により一ベース電位が正電位方
向に変化してきたとき、エミッタより先にコレクタ側の
方へ流れだす様にすることＫより達成することも可能で
ある。

蓄積区間６２に次いで、時刻ｔＩより読出し区間６３に
なる。この時刻ｔｓＶｃおいて、ＭＯＳ）ランジスタ４
８．４８’、４８“のゲート端子４９の電位６５をｌｏ
ｗにし、かつ水平ライ／３１・３１’、３１“のバッフ
ァーＭ０８）ランジスタ３３．３３’、３３“のゲート
端子の電位６８をｈ　ｉｇｈにし、それぞれのＭＯＳト
ランジスタを導通状態とする。但し、このゲート端子３
４の電位６８をｈｉｇｈＫするタイミングは、時刻ｔｓ
であることは必須条件ではなく、それより早い時刻であ
れば良い。

時刻ｔ４では、垂直シフトレジスター３２の出力のうち
、水平ライン３１に接続されたものが波形６９のごと（
ｈｉｇｈとなり、このとき、ＭＯＳトランジスタ３３が
導通状態であるから、この水平ライン３１に接続された
３つの各光センサセルの読出しが行なわれる。この続出
し動作はすでに前に説明した通りであり、各光センサセ
ルのペース領域に蓄積された信号電荷により発生した信
号電圧は、そのまま容量５０．５０’、５０“が設ゆら
れた垂直ライン３８．３８’、３８“に現われる。この
ときの垂直シフトレジスター３２からのパルス電圧のパ
ルス幅は、第４図に示した様に、蓄積電圧に対する読出
し電圧が、十分直線性を保つ関係になるパルス幅に設定
される。またパルス電圧は先に説明した様に５Ｖａｉａ
ｓ分だけエミッタに対して順方向バイアスがかかる様調
整される。

次いで、時刻ｔ１におい【、水平シフトレジスタ３９の
出力のうち、垂直ライン３８に接続されたＭＯＳ）ラン
ジスタ４０のゲートへの出力だゆが波形７０のごと（ｈ
ｉｇｈとなり、ＭＯＳ）？レジスタ４０が導通状態とな
り、出力信号は出力ライン４１を通して、出力トランジ
スタ４４に入り、電流増幅されて出力端子４７かも出力
される。この様に信号が読出された後、出力ライン４１
には配線容量に起因する信号電荷が残っているので、時
刻ｔ６において、ＭＯＳトランジスタ４２のゲート端子
４３にパルス波形７１のごとくパルスを印加し、ＭＯＳ
トラレジスタ４２を導通状態にして出力ライン４１を接
地して、この残留した信号電荷をリフレッシ、してやる
、ｂｈである。以下同様にして、スイッチングＭＯ，Ｓ
）ランジスタ４０′。

４０″　　を順次導通させて垂直ライン３８’、　３８
“の信号出力を読出す。この様にして水平に並んだ−ラ
イン分の各党センサセルからの信号を読出した後、垂直
ライン３８．３８’、３８“には、出力ライン４１と同
様、それの配線容量に起因する信号電荷が残留している
ので、各垂直ライン３８　、３８’、　３８“に接続さ
れたＭＯＳ）ランジスタ４８．４８’、４８“を為それ
のゲート端子４９に波形６５で示される様Ｋｈｉｇｈに
して導通させ、この残留信号電荷をリフレッシ、する。

次いで、時刻ｔｓにおいて、垂直シフトレジスター３２
の出力のうち、水平ライン３１′に接続された出力が波
形６９′のどと（ｈｉｇｈとなり、水平ライン３１′に
接続された各党センサセルの蓄積電圧が容量５０．５０
’、５０“が設けられた各垂直ライン３８・３８’、３
８“に読出されるわけである。以下、順次前と同様の動
作により、出力端子４７から信号が読出される。

さて、ここで時刻ｔ４〜ｔｓにおける動作を定量的に考
え、垂直ライン３８．３８’、３８“に設けた容量５０
．５０’、５０“の適正値を見積ってみる。時刻ｔ４に
おいて、各光センサセル３００ベース領域に蓄積された
信号電荷により発生した信号電圧なＶｐとすると、すで
に光センサセルの読出し動作のところで説明したとおり
、ベース電位Ｖｂａｓｅば となる。このとき容量５０・５０′・５０“の容量値を
Ｃｖとおくと、垂直ライン３８．３８’、３８”　Ｉｃ
現れる電圧Ｖｖは、近似的に なる方程式をみたすと考えられる。ここでＡｚ：ｆ、セ
ンサセル３０のエミッタ７０面積Ｄｌ　＝光センサセル
３００ベース領域６中の小数、キャリアの拡散長 Ｍｌｌ　：光センサセル３００ペース領域６中の小数、
キャリア数 Ｗｌ　；光センサセル３００ベース領域６の中性領域幅 ｑ　：紫電荷量 ｈ　：ポルツマン定数 Ｔ　：温度（Ｋ） である。この方程式をｔ■０でＶｖ＝Ｏなる初期条件の
もとに解けば読出し動作により垂直ラインに読出される
信号電圧値が決められる。次に時刻ｔｓｌｃおいて、こ
の垂直ラインに読出された信号電圧は、出力ライン４１
に出力されるわけであるが、このとき出力される電圧Ｖ
ｏは、出力ライン４１の配線容量をＣＨとすれば、 で表される。

第７図に１このよ５な考え方に立って本実施例に基づい
て計算したー刻ｔｓＫおける、出力ライン４１に読出さ
れる信号電圧Ｖｏの垂直ライン容量５０．５０’、５０
“Ｃｖ依存性の一例を示す。この例は、エミッタ面積Ａ
ｇ＝６４μｍ！、ペース不純物濃度Ｎｌ！ｌＸｌ０”６
ｃｍ−”、ペース中性領域幅Ｗ　ｍ　ｍ　１．Ｏａｒｎ
　出力ライン容量Ｃｍ−１，０ＰＦＫついてのものであ
る。このときＣｖ−５０ｐＦ　　とすれば最大出力が得
られることがわかる。この第７図は、光センサセルの構
造がわかれば最適なＣｖ。

値が決められることを示している。

第８図（ａ）、Φ）は容量５０．５０’、５０“の具体
的構成の第１例を示す図で、本実施例はＭＯ８容量で作
ったものである。

第８図（ａ）はイメージエリアの例えば最下端部にＭＯ
８構造の容量を設けたもので、第８図の）はそのＢ　−
Ｂ’断面図である。Ｐｓｉはポリシリコン電極で垂直ア
ドレスライン用のＡｔ曲線８とＯＬＰ部でコンタクトし
ている。

尚）ｎ＋領域７及びｎ−領域５は空乏層が内部に広がら
ないようにする為のもので、これによってＭＯ８容量を
Ｐｓｉの印加電圧に依存する事なく形成できる。

又、第９図（ａ）、（ｂ）は容量５０．５０’、５０“
をＰＮ接合容量とした第２実施例で、第９図（ａ）はイ
メージエリアの例えば最下端部に配置したものであり、
第９図（ｂ）はそのＢ−Ｂ／断面図である。

ＯＬＱは垂直アドレスラインのＡｔ配線をＰ＋領域６に
コンタクトさせる為の部分である。

いずれの実施例も極めて簡単な構成で済み、しかも撮像
装置のゲインを大巾に向上させることのできる効果な有
している。

以上の説明におい【は、蓄積期間と読み出し期間が明確
に区分されるような応用分野、例えば゛最近研究開発が
積極的に行なわれているスチルビデオに適用される動作
状態について説明したが、テレビ、カメラ、ファクシミ
リの様に蓄積期間における動作とびみ出し期間における
動作が同時に行なわれている様な応用分野に関しても、
第６図のパルスタイミングを変更することＫよシ適用可
能である。

また、本実施例では、各党センサセルのもつ増幅機能に
よシ、出力に現れる電圧が大きいために最終段の増幅ア
ンプも、ＭＯ８型撮像装置に比較して、簡単麦ものでよ
い。

なお、本実施例では、信号増幅用アンプ４４にＭＯＳ）
ランジスタを用いたが、勿論バイポーラトランジスタ等
を用いた増幅手段でもよい。

（効果） できるために、高密度化が極めて容易であシ、しかもブ
ルーミングおよびスミア等の現象が少ない。

また、高感度であシ、ダイナミックレンジを広くとるこ
とができる。

また、光センサセル自体が増幅機能を有しておリ、かつ
簡単な容量を設げただゆで、さらに大きな出力電圧を得
ることができるので、低雑音であはその人−人′線断面
図、 第２図は、上記光センサセルの等価回路図、第３　図（
ａ）　ハ、バイアス電圧ｖｂＳ−０，６ｖとした場合の
蓄積電圧Ｖｐに対する読出し電圧の関係を示す図、 第３図（ｂ）は、バイアス電圧Ｖｂｓに対する読出し時
間の関係を示す図、 Ｇユ 第４図（ａ）Ｋ！Ｊフレッシ、動作時の光センサセルの
等価回路図、第４図Φ）は、リフレッシ、時間に対する
ベー　スミ位の変化を示す図、 第５図は、上記光センサセルを２次元に配列して構成し
た本発明による固体撮像装置の一実施例の回路図、 第６図は、本実施例の動作を説明するためのタイミング
波形図、 第７図は、出力電圧の垂直ライン容量依存性を示す図で
ある。

第８図（ａ）はＭＯ８容量タイプ（第１実施例）の電極
構成図、 第８図建）は第８図（ａ）のＢ−Ｂ／断面図、第９図（
ａ）はＰＮ接合容量タイプ（第２実施例）の電極構成図
、 第９図の）は第９図（ａ）のに３−Ｂ’断面図である。

６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・ベース領域７・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・エミッタ領域８・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・エミッタ電極
９・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・キャパシタ電極３０・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・光センサセル５０．５０
’、５０“・・・・・・・・・容　量比願人　　キャノ
ン株式会社 第７図Ｃθ） バイアス電比 第４図（（１） 第４図ω シフ１！２白？ａｔＪ６１’フ７り 重１ライ；寥量ＣｖＣＦＦコ ？−一晧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体トランジスタの制御電極領域の電位をキャパシタ
   を介して制御することにより、前記制御電極領域に光励
   起によって発生したキャリアを蓄積する光電変換素子と
   該光電変換素子から蓄積電圧を読出すための配線に容量
   を付加する容量付加手段とを設けたことを特徴とする固
   体撮像素子。 １