JPS614376A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPS614376A
JPS614376A JP59124590A JP12459084A JPS614376A JP S614376 A JPS614376 A JP S614376A JP 59124590 A JP59124590 A JP 59124590A JP 12459084 A JP12459084 A JP 12459084A JP S614376 A JPS614376 A JP S614376A
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JP
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light
electrode
solid
time
potential
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Application number
JP59124590A
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English (en)
Inventor
Tsutomu Nakamura
力 中村
Kazuya Matsumoto
一哉 松本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • 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
    • H01L27/14679Junction field effect transistor [JFET] imagers; static induction transistor [SIT] imagers

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  • Electromagnetism (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、静電誘導トランジスタを用いた固体撮像装
置に関し、特に電子的シャッター機能を有する固体撮像
装置に関する。
〔従来技術〕
従来、固体撮像装置等を用いたビデオ・カメラにおいて
は、撮影者の意図により被写界深度を自由に調整できな
いという欠点を有しており、また、従来のビデオ・カメ
ラにおいては、シャッター・スピードが、例えばNTS
C方式によれば、1730秒または1760秒の如き一
定時間に制限されてしまうため、高速で動く被写体を撮
影録画してこれをスチル再生すると、再生画面がプした
り不鮮明になったりする欠点も有している。
これらの欠点は、いずれも従来の固体撮像装置−等を用
いたビデオ・カメラにおいては、シャッタ一時間が固定
されている所に原因、があった。ただ従来の固体撮像装
置を用いたビデオ・カメラのうち、インターライン転送
型CCD撮像装置(IL−CCD)とフレーム転送型C
CD撮像装f(FT−COD)は、素子自体にシャッタ
ー機能を有しているため、上記問題に対する対策は行な
い易いが、COD素子の特性上、取り扱う信号の電荷量
が小さいという欠点を有していた。
また、一部のビデオ・カメラにおいては、固体撮像装置
にメカニカル・シャッターを組合わせた方式も用いられ
ているが、この方式は機構部が必要となるので、構造が
複雑化、大型化するほか、寿命、精度等、信頼性の面で
の問題もあるので、メカニカル・シャッタ一方式の採用
はビデオ・カメラの小型簡素化に逆行するもので好まし
くない。
〔発明の目的〕
本発明は、このような状況に鑑みて、従来の固体撮像装
置を用いたビデオ・カメラの欠点を解消すべくなされた
ものであり、スチル再生時に、ブレのない鮮明な画像を
得ること、及び被写界深度を撮影者の意図する通り、任
意に充分広い範囲にわたって調整することが共に可能な
電子的シャッター機能付固体撮像装置を提供することを
目的とする。
(発明の概要) 本発明は、一導電型半導体基板上に形成した反対導電型
半導体層の表面に設けられたソース領域及びドレイン領
域と、これらの両領域間に少なくとも一部を設けた読み
出しゲート部とで形成された横型静電誘導トランジスタ
と、前記読み出しゲート部に離間して形成された光電変
換部となる受光ゲート部と、前記読み出しゲート部と受
光ゲート部との間に形成され、受光ゲート部に蓄積され
た光信号電荷を読み出しゲート部へ転送するための転送
ゲート部と、前記受光ゲート部以外への光入射を阻止す
るための遮光膜とからなる固体撮像素子で固体撮像装置
を構成し、電子的シャッター機能をもたせるものである
〔発明の実施例〕
以下本発明の実施例について説明する。
第1図は、本発明に係る電子的シャッター機能付固体撮
像装置の1画素となる固体撮像素子を構成する受光ゲー
ト、及び転送ゲートと横型静電誘導トランジスタからな
る電子的シャッター機能付横型静電誘導トランジスタの
概略構成図である。
図において、1はp型あるいはp−型のシリコン基板で
、2は該基板1上に成長させた不純物濃度の低いn−型
シリコン・エピタキシャル層である。
このエピタキシャル層2の表面には、薄いゲート酸化膜
(200〜1000人)8が形成されており、該酸化膜
B上には受光ゲート電極9、転送ゲート電極10、及び
読み出しゲート電極5が形成されている。なお、受光ゲ
ート電極9は、光を透過する性質の材料で構成されてい
る。また、エピタキシャル層2には、ソース領域のため
のn4領域3、及びドレイン領域のためのn”trM@
4が形成されていて、ソース領域3及びドレイン領域4
には、それぞれソース電極6及びドレイン電極7が取り
付けられており、そして受光ゲート電極9以外の表面部
分は遮光膜11で覆われている。
次に、このように構成されている電子的シャンター機能
付撮像装置の一画素の動作原理を、第2図^の信号波形
図及び同図(81のポテンシャル状態図に基づき説明す
る。この装置において、ソース電極6は常に接地し、基
板lはソース領域3に対して負にバイアスさせておく。
時点t=4oで、受光ゲート電極9の電位φG1を正か
ら負にする。これにより受光ゲート電極9の下は充分空
乏化する。
なお、この際、受光ゲート電極9に対する負のバイアス
を、該電極下に反転層の形成が許されるバイアス条件に
設定してお(。この条件下では、受光ゲート電極9のバ
イアスが時点t0で負になってから、受光ゲート電極9
を通して入射した光により、エピタキシャル・バルク中
で発生した電子、正孔対のうち、正孔すなわち光信号電
荷13は受光ゲート電極9の直下に蓄積され反転層を形
成する。
時点1=1.で、その時点までは正バイアスであった転
送ゲート電極lOに、転送ゲート電極下に反−転層の存
在が許容される負バイアスを印加し、転送ゲート電極電
位φ。2を負にする。この負バイアスの印加により受光
ゲート電極9の直下に蓄積されていた光信号電荷13は
、受光ゲート電極部と転送ゲート電極部との容量比、及
び電位差に従い転送ゲート電極部の方向に流れ出し、転
送ゲート電極10の直下に反転層を形成する。
時点1=1.で、受光ゲート電極9の電位φG1をもと
の正バイアスに戻すと、受光ゲート電極9下に蓄積され
ていた光信号電荷13は、殆んど全てが転送ゲート電極
10下の反転層に転送される。この時、受光ゲート電極
部に蓄積されていた光信号電荷量13が、転送ゲート電
極10直下の反転層で担える総電荷量よりも多い場合に
は、°その差の電荷は基板1に掃き出される。なお、こ
の過剰電荷の排出機構は固体撮像装置を動作させる際の
ブルーミングの抑圧にも用いることができるのは勿論で
ある。
次に時点t=j、で、少なくとも時点t、からt3まで
は、正のバイアスに保持させていた読み出しゲート電極
の電位φG3を、読み出しゲート電極5の直下に反転層
の存在が許容される負バイアス電位v、*1にする。こ
の時、転送ゲート電極10の直下の反転層に蓄積されて
いた光信号電荷13は、読み出しゲート電極5の直下の
反転層に転送されはしめ、時点t=taで転送ゲート電
極10の電位φG□が正のバイアスに戻ると、光信号電
荷13は殆んど全てが読み出しゲート電極5直下の反転
層に転送される。t=t4の時点で光信号電荷の転送が
終了し、転送ゲート電極10の電位φGNが正バイアス
に戻った後は、受光ゲート電極9の電位φ6.を、再び
受光ゲート電極直下に反転層の存在が許される負バイア
スに戻して、光信号電荷の蓄積を開始することができる
その後、時点1=1.で読み出しゲート電極5の電位φ
G3を、VGR−Z(VGII−1≦Vei−z< O
V)とし、このバイアス条件が保持される期間に、ドレ
イン電極7に負荷抵抗12を介して正のバイアス■、D
が印加されると、時点t0からt2の間に受光ゲート電
極部に照射された光量に応じた出力信号が、ドレイン電
圧の変化として読み出される。
その後時点t=i、で読み出しゲート電極5に正のバイ
アスが印加されると、読み出しゲート電極直下の反転層
に蓄積されていた光信号電荷である正札が排出される。
以上が電子的シャッター機能付横型静電誘導トランジス
タの基本動作の一周期であり、時点t0からt2までが
シャッター開放期間となる。したがって、受光ゲート電
極電位φG1を適宜選定することにより、シャッター開
放期間は種々の値に設定することができる。
次に、上述の動作原理をもつ電子的シャッター機能付横
型静電誘導トランジスタを用いた固体撮像装置の構成例
について説明する。一般に、固体撮像装置においては、
固体撮像素子をマトリックス状に配列し、これをラスク
走査することにより映像信号を取り出しているが、この
走査方法としては、ドレイン・ゲート選択方式、ソース
・ゲート選択方式、ソース・ドレイン選択方式があるが
、この構成例ではドレイン・ゲート選択方式を用いたも
のについて説明する。
第3図は、画素を構成する上記電子的シャッター機能付
横型静電誘導トランジスタをマトリックス状に配列した
固体撮像装置の概略構成図を示す。
各画素は矩形ブロックで示しており、G1が受光ゲート
電極、G、が転送ゲート電極、GRが読み出しゲート電
極、Dがドレイン電極、Sがソース電極の各端子を表わ
している。そして、第3図に示すように、mXn個の電
子的シャッター機能付横型静電誘導トランジスタからな
る画素21−11゜21−12.・・・・・、 2l−
2L 21−22.・・・・・、21・−mnを、マト
リックス状に配列し、XYアドレス方式によ  −り順
次信号を読み出すように構成する。各画素の主要な構成
要素である横型静電誘導トランジスタとしては、第1図
に示した如くソース、ドレインの円領域間に読み出しゲ
ート8N域を設けた構成の横型静電誘導トランジスタだ
けでなく、読み出しゲート領域によってソース及びドレ
イン領域の少なくとも一方を囲む構成とした横型静電誘
導トランジスタを適用することもできる。
そして、該固体撮像装置において、電子的シャンク−機
能付横型静電誘導トランジスタからなる各画素の基板は
負バイアスし、ソース端子Sは接地し、各受光ゲート電
極G1及び各転送ゲート電極G’rは、それぞれシャッ
ター制御う−イン29及び転送制御ライン30に共通接
続され、該シャッター制御ライン29及び転送制御ライ
ン30はシャッター制御回路32に接続されている。ま
た、X方向に配列された各行の画素群の読み出しゲート
端子GRは、それぞれ行ライン22−L22−2.・・
・・・、22−mに共通に接続されている。更にY方向
に配列された各列の画素群のドレイン端子りは、それぞ
れ列ライン23−1.23−2.・・・・・、23−n
に共通に接続され、これら列ラインは、それぞれ列選択
用トランジスタ24−1.24−2.・・・・・・・、
24−n及び24−1 ’、 24−2 ’、・・・・
・+24−n’を介して、それぞれビデオライン25及
びグラウンドライン25′に共通に接続している。ビデ
オライン25には負荷抵抗26を介してビデオ電源■。
Dを接続している。
そして、行ライン22−1 +’ 22−2 、・・・
・・・・、22−mは垂直走査回路27に接続され、そ
れぞれ信号φGRI 、  φGR□、・・・・・、φ
G11IIが順次に印加されるように構成され、また、
列選択用トランジスタ24−1.24−2.・・・・・
、24−n及び24−1’、24−2′、・・・・・、
24−n’の各ゲート端子は、水平走査回路28に接続
され、それぞれ信号φ。1.φ、2゜・・・・φ0、及
びその反転信号が印加されるように構成されている。
次に、第4図の信号波形図を参照しながら、第3図に示
した固体撮像装置の動作を説明する。第4図においてφ
GRI r  φGR2+・・・・・は垂直走査信号、
φDI+  φ、2.・・・・・は水平走査信号を示す
ものである。行ライン22−1 、2272 、・・・
・・に印加される垂直走査信号φGll+ +  φG
R2+・・・・・・・は、小さい振幅の読み出しゲート
電圧(VGR−1+ Vgc)と、それより大きい振幅
のりセントゲート電圧(VGR−1+VφR)とより成
るもので、一つの行ラインの有効走査期間1.の間は読
み出しゲート電圧(■。R−I+■φG)、次の行ライ
ンの水平走査に移るまでの水平ブランキング期間tBL
には、リセットゲート電圧(VGR−++V酉)の値に
なるように設定されている。列選択用トランジスタの各
ゲート端子に加えられる水平走査信号φDI+  φ、
2.・・・・・は、列ライン23−L 23−2.・・
・・・を選択するための信号であり、低レベルは列選択
用トランジスタ24−1.24−2.・・・・・をオフ
、反選択用トランジスタ24−1 ’、 24−2 ’
、・・・・・をオン、高レベルは列選択用トランジスタ
2t−1、24−2、・・・・・をオン、反選択用トラ
ンジスタ24−1 ’ 、 24−2′、・・・・をオ
フとする電圧値となるように設定されている。
φ61は各画素の受光ゲート電極端子G、に接続したシ
ャッター制御ライン29に印加される信号、φ6アは転
送ゲート電極端子GTに接続した転送制御ライン30に
印加される信号であり、垂直ブランキング期間にシャッ
ター制御回路32の作動により、信号φ、Tが低レベル
V、ア(L)になってから、信号φ。1が高レベルvG
IG−Dになり、次いで、垂直走査回路27はシャッタ
ートリガライン31を介して、シャッター制御回路32
よりのトリガ信号を受け、垂直走査回路27の作動によ
り、垂直走査信号φGRI +φG R2、1111+
 11 +、φGRIIがV G11−1となると、第
1図に示した1画素の動作の場合と全く同様に、各画素
21−11.21−12.・・・・・、 21−mn内
の受光ゲート電極直下に蓄積された信号電荷が、それぞ
れの読み出しゲート電極直下に転送される。
その後垂直走査回路27の作動により垂直走査信号φG
RIが(Vc++−++V内)となると、行ライン22
−1に接続された電子的シャッター機能付横型静電誘導
トランジスタからなる画素群21−11.21−12.
・・・・1.2l−1nが選択され、水平走査回路28
より出力される信号φ。1.φD219006.により
列選択用トランジスタ24−1.24−2.・・・・・
24−nが順次オンすると、画素群21−11.21−
12.・・・・・。
21− inの光信号が順次にビデオライン25より出
力される。続いて、この画素群21−11.21−12
.・・・−・・・、 2l−1nは、信号φGR+が高
レベル(VGR−1+■@)になったときに−斉にリセ
ツトされる。
次いで垂直走査信号φGR2が(V、、、 十vφG)
となると、行うイン22−2に接続された画素群21−
−21・21−22パ°°゛°・21−2°力′選択さ
れ・水平走査信号φDl+  φl1210009.に
より画素群21−21.21−22.・・・・、 2l
−2nの光信号が順次ビデオライン25に読み出され、
続いて信号φ、R1が(VGM−1+■φR)となるこ
とにより一斉にリセツトされる。
以下同様にして順次各画素の光信号が読み出され、1フ
イールドのビデオ信号が出力される。
シャッターの開、閉時点は、受光ゲート電極端子G、に
与えるバイアス信号φ、1が、V、、G−DからV 、
 、 (Ll ニ変化する時点、及びV c + Ll
からVGIHに変化する時点にそれぞれ対応する。した
がって、シャッター制御回路32において、信号φ6.
をVGILlに設定する時間を決めることにより、シャ
ッター開放時間が決定される。このシャッター開放時間
は、その長時間側は1フイールドをスキャンするのに要
する時間で制限されるが、これより短時間側については
全く任意に設定することができる。
但し垂直走査信号φ6R1,φGR2+・・・・・・に
おいて、(VGR−1+ VφR)のレベルを出さない
フィールドを作ることにより、1フイールドより長時間
のシャッター開放時間を得ることができる。
上記実施例においては、固体撮像装置の各画素の選択を
、各画素の主要な構成要素である横型静電誘導トランジ
スタのドレイン端子とゲート端子を用いて行なっている
ものを示したが、各画素の選択はこの方式に限るもので
はなく、ドレイン端子とソース端子、あるいはソース端
子とゲート端子を用いて画素の選択を行なうことができ
、これによっても同様の効果を得ることが可能であるこ
とは明らかである。また、上記実施例においてはNチャ
ネル型の横型静電誘導トランジスタを用いたもので説明
したが、極性及び不純物のタイプを逆にしたPチャネル
型のものを用いることができるのは勿論である。更にま
た上記実施例においては、ノン・インターレース方式の
固体撮像装置で説明したが、インターレース方式で動作
させる場合も全く同様に構成でき、良好な画質の画像信
号を得ることができる。また上記実施例では、信号の出
力形式はソース接地の増幅回路構成としたが、ソース・
フォロワー形式でも可能なことは言うまでもなく、更に
ソースあるいはドレイン電流の検出によっても行なえる
ことは明らかである。
〔発明の効果〕
以上実施例に基づいて詳細に説明したように、本発明の
固体撮像装置を構成する各画素は、横型静電誘導トラン
ジスタを主要構成要素としているので、1画素毎に増幅
機能を持たせることが可能となり、S/N比をMOSト
ランジスタやCCD。
CPDのような増幅機能のない素子を用い゛た撮像装置
より大きくすることができる。また、1画素毎に受光ゲ
ートと転送ゲートを設けたので、開放時間を任意に設定
できる電子的シャッター機能を具備した固体撮像装置と
なり、全画面上が一様に同一時点から同一時間露光され
ることになるので、通常のムービー撮影時は勿論、スチ
ル撮影時においても撮影者の意図を反映した高品質の画
像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の固体撮像装置の一画素を構成する電
子的シャッター機能付横型静電誘導トランジスタからな
る固体撮像素子の一例を示す概略構成図。第2図^は、
第1図に示した固体撮像素子の動作原理を説明するため
の、各ゲート電極に対する電位の変化を示す信号波形図
、第2図■)は、第1図に示した固体撮像素子のポテン
シャル状態を示す図、第3図は、本発明に係る電子的シ
ャック−機能を有する固体撮像装置の実施例の構成を示
す回路構成図、第4図は、第3図に示した固体撮像装置
の動作を説明するための信号波形図である。 図において、1はシリコン基板、2はエピタキシャル層
、3はソース領域、4はドレイン領域、5は読み出しゲ
ート電極、8はゲート酸化膜、9は受光ゲート電極、1
0は転送ゲート電極、11は遮光膜、21−11.21
−12.・・・・・・・は画素、22−1.22−2゜
・・・・は行ライン、23−1.23−2.・・・・・
は列ライン、25はビデオライン、29はシャッター制
御ライン、30は転送制御ライン、31はシャッタート
リガラインを示す。 特許出願人 オリンパス光学工業株式会社兜2図 (A

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一導電型半導体基板上に形成した反対導電型半導
    体層の表面に設けられたソース領域及びドドレイン領域
    と、これらの両領域間に少なくとも一部を設けた読み出
    しゲート部とで形成された横型静電誘導トランジスタと
    、前記読み出しゲート部に離間して形成された光電変換
    部となる受光ゲート部と、前記読み出しゲート部と受光
    ゲート部との間に形成された転送ゲート部と、前記受光
    ゲート部以外を覆う遮光膜とからなる固体撮像素子で構
    成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. (2)一導電型半導体基板上に形成した反対導電型半導
    体層の表面に設けられたソース領域及びドレイン領域と
    、これらの両領域間に少なくとも一部を設けた読み出し
    ゲート部とで形成された横型静電誘導トランジスタと、
    前記読み出しゲート部に離間して形成された光電変換部
    となる受光ゲート部と、前記読み出しゲート部と受光ゲ
    ート部との間に形成された転送ゲート部と、前記受光ゲ
    ート部以外を覆う遮光膜とで構成された固体撮像素子と
    、光信号蓄積期間中は受光ゲート部にのみ光信号電荷を
    蓄積し、光信号蓄積期間終了時には該光信号電荷を転送
    ゲートを介して横型静電誘導トランジスタの読み出しゲ
    ート部に転送し、同時に受光ゲート部を初期状態に設定
    するシャッター制御手段と、前記読み出しゲート部に転
    送された光信号電荷量に応じて横型静電誘導トランジス
    タの出力信号を読み出す手段とを備えていることを特徴
    とする固体撮像装置。
  3. (3)前記固体撮像素子は、マトリックス状に多数個配
    列されており、前記横型静電誘導トランジスタの出力信
    号読み出し手段は、各固体撮像素子の横型静電誘導トラ
    ンジスタから出力信号を順次出力させる走査手段で構成
    されていることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載
    の固体撮像装置。
JP59124590A 1984-06-19 1984-06-19 固体撮像装置 Pending JPS614376A (ja)

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