JPS6211832B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一次元あるいは二次元に発生する光情
報を電気信号として得るための固体撮像装置に関
するものである。

従来、光情報を電気信号に変換するための装置
として、ホトダイオード等の光センサーと自己走
査機能を持たせるための電荷転送素子とを組合せ
た装置がいろいろ発表されているが、そのうちで
光センサー部と電荷転送部との間の光電変換信号
のやりとりを、特別の制御ラインを付加すること
なく、単に電荷転送のためのクロツク信号ライン
（二相またはそれ以上）に制御パルスを印加する
ことだけにより、光電変換信号を電荷転送部に読
み込むことを可能にするものに、特願昭50―
58826号（特開昭51―134089号公報に記載するも
のがある。しかるに上記発明では、ホトダイオー
ドから光電変換信号を電荷転送素子列に読み込む
ための制御パルスの電位は、電荷転送素子列を駆
動するためのクロツク信号の電位よりも高電位で
あることが適正な動作のための条件である。一方
半導体基板上に上記クロツク信号を印加するため
のゲート回路を実現するためにはMOSトランジ
スタを構成するのが適当であるが、このMOSト
ランジスタの耐圧が、上記ゲート回路に印加しう
る最大の電圧を規定する。したがつて、上述の様
な制御パルスの電位がクロツク信号電位よりも高
電位である駆動方式では、そのゲート回路の耐圧
により制御パルスの電位が規定されるため、クロ
ツク信号の電位はより小さく規定されて、転送さ
れる信号量を大きく出来なかつた。そのための
Ｓ／Ｎ比が一定レベル以上に向上できなかつた。
また一方上記制御パルスの存在のために、装置の
低電圧駆動をも妨げる結果となつていた。さら
に、電荷転送型の固体撮像装置では、ブルーミン
グの防止も大きな問題である。

ところで、光感知素子で受光した光電変換信号
を電荷転送素子列に読み込むインターライン方式
の固体撮像装置においては、光感知素子に光を照
射し、電荷転送素子列には光を照射しないために
電荷転送素子列の真上に光遮蔽電極を設け、光遮
蔽電極を一定電位に保持することにより、電荷転
送動作を妨げない様にすることは、一般的に知ら
れた構成である。

本発明の固体撮像装置では上述の様な不都合を
上述の様な光遮蔽電極の一部を工夫することによ
り、解決して、低電圧で動作可能で、信号荷量も
大きくＳ／Ｎの大きな、高密度化可能な自己走査
型の固体撮像装置を提供するものである。

以下、図面を用いて本発明の詳細を説明する。

第１図は本発明を半導体基板表面上に実現した
場合の一実施例を示す。同図においては、１は半
導体基板、２，３は基板とは逆導電型の拡散層で
あり、２は電荷を転送するためのBBD転送段の
ソース（ドレイン）電極を構成し、３は光感知の
ためのホトダイオードを構成する。４は絶縁のた
めの酸化膜であり、５は光電変換信号を転送する
ためのクロツク電極とホトダイオードから電荷転
送段へ光電変換信号を読み込むためのゲート電極
とを兼ねた電極、６が電荷転送段への光遮蔽電極
を表わしており、この電極はホトダイオード３と
の容量性結合を有し、電荷転送素子列を駆動する
ためのパルス信号と同期関係を持つパルス信号を
印加する電極である。また８はホトダイオード３
への光照射を妨げないための光照射窓である。

第２図には、第１図の本発明の一実施例を上面
より見た図を示した。第２図において、２１〜２
３および３１〜３３は基板と逆導電型（ここでは
n⁺）の拡散層であり、２１〜２３は電荷を転送す
るためのBBD転送段のソース（ドレイン）電極
を構成し、３１〜３３は光感知のためのホトダイ
オードを構成する。４１は絶縁のための酸化膜で
あり、５１〜５３が光電変換信号を転送するため
のクロツク電極とホトダイオードから電荷転送段
へ光電変換信号を読み込むためのゲート電極とを
兼ねた電極、６１が光遮蔽電極であり電荷転送素
子列への光電変換信号の読み込みを制御するため
の制御信号印加用電極を兼ねたものを表わす。ま
た、８１〜８３はホトダイオードへ光を照射する
ための窓である。３１〜３３の各ホトダイオード
より得られた光電変換信号は第２図に示した信号
の転送方向に転送されたのち、出力部へ信号が送
られる。なお、本装置ではインタレース走査を行
なわせるため、ホトダイオード３１，３３の光電
変換信号が転送されるフイールドと、ホトダイオ
ード３２の光電変換信号が転送されるフイールド
はそれぞれ別で、お互いを合わせて１フレームの
映像信号となる。

次に第１図，第２図の様な本発明の一実施例の
固体撮像装置を実際に駆動するためのパルス列と
ホトダイオードの電位を説明するための図を第３
図に示した。第３図において、φ_１，φ_２で示し
たパルス列のうちφ_Tなる部分が光電変換信号を
転送するためのクロツクパルスであり、φ_R，
φ_Rがホトダイオードから電荷転送段へ光電変
換信号を読み込むためのパルスである。なお、φ
_１，φ_２なるパルス列は第１図の電極５に印加さ
れるが、紙面に垂直な方向の電荷転送段の電極
（第２図では例えば５１と５２）には交互にφ_１
とφ_２が繰り返し印加されて電荷の転送が行なわ
れる。なお、ホトダイオードから電荷転送段への
光電変換信号の読み込みは電荷転送が行なわれて
いない期間（φ_Tが加わつていない期間）に行な
われ、しかもφ_Rとφ_Rはそれぞれ交互に印加
されているが、これは相隣るホトダイオードにお
いてインターレース走査を行なわせているからで
ある。また、φ_３なるクロツクが第１図の光遮蔽
電極６に印加されている。

次に第１図の紙面に垂直方向の相隣るホトダイ
オード，（第２図では例えば３２，３１が
にあたる）における電位をクロツクタイミング
毎に見てみよう。（第３図参照）タイミングか
らの間はホトダイオードから信号転送段に読み
込まれた光電変換信号が出力段に転送される期間
で、各々のダイオードの電位は光情報の多少によ
り、タイミングまでの間に図の様に減少する。
タイミングではホトダイオードと容量性結合を
有する光遮蔽電極に印加されていたV₂なる電圧
のφ_３パルスが零電圧近くになるため各々のホト
ダイオード，ではV₂′（V₂′＜V₂，V₂′V₂）な
る電位だけ電位が降下する。次にタイミング
で、ホトダイオードからの光電変換信号読み込
みパルスφ_Rがホトダイオードにのみ印加さ
れるため、ホトダイオードの光電変換信号が電荷
転送段に転送されるかわりに電荷転送段から充電
されてホトダイオードの電位はＶ_R（ここで、
φ_Rの電圧をV₁とすると、Ｖ_RV₁−Ｖ_T，Ｖ_T
はMOSトランジスタのしきい値電圧）なる電位
まで引き上げられる。この時のＶ_Rなる電位がホ
トダイオードで感知しうる最大の電位であり、光
情報の多少によりＶ_Rなる電位からダイオード電
位が降下した値つまり（Ｖ_R−Ｖ_S）が光電変換
信号として、出力段へ転送されて出力される訳で
ある。ここで正常なる動作を行なわせるために
（Ｖ_R−Ｖ_R）がマイナスとならない様光量を調
節するる必要がある。タイミングでは以上の動
作が完全に終了し、タイミングでクロツクφ_３
が再び印加されるとホトダイオードと光遮蔽電極
とは容量性結合を有しているのでホトダイオード
の電位は（Ｖ_R＋V₂′）となり、次のタイミング
からの間に光情報の多少によりホトダイオー
ド電位として感知するための準備がなされる。
なお、タイミング〜の間にホトダイオード
には、φ_Rは印加されず、φ_３のみが変化する
ため、ホトダイオードの電位は変化しない。タ
イミングからの間に光情報が各々のホトダイ
オード，に蓄積された後、今度はタイミング
からの間に、ホトダイオードの電位（Ｖ_R
−Ｖ_S）が電荷転送段へ読み出されて、ホトダ
イオードの電位がＶ_Rにリセツトされ、ホトダ
イオードの電位は変化しない。以上のような動
作で光電変換信号の読み込みと転送が繰り返され
て画像信号を生み出すのが本固体撮像装置であ
る。ここで、光電変換信号の転送期間（第３図Ａ
〜ＢおよびＥ〜Ｆ）には各ホトダイオードにはφ
_３なるパルスによりV₂電位が印加されているた
め信号の転送のみが行なわれ、読み込み期間（第
３図Ｂ〜ＥおよびＦ〜Ｉ）にはV₂電位が印加さ
れていないので信号の読み込みが行なわれる。な
お本装置では光情報の蓄積時間Ｔ_Wは２回の信号
転送期間すなわち２フイールド分の時間を有す
る。また、第３図でも示した様に、ホトダイオー
ドから電荷転送への信号読み込みパルスφ_R，
φ_Rの電圧は電荷転送のためのクロツクパルス
φ_Tと同程度の電圧で良い。なお、φ_R，φ_R
の電圧がφ_Tよりも低くても、φ_３の電圧V₂を適
当な値にすることにより、本装置は正常動作させ
ることができるが、理想的な動作条件は、φ_R
，φ_Rの電圧、φ_Tの電圧そしてφ_３の電圧を
それぞれ同電圧とすることである。この様な動作
条件では、ゲート回路の耐圧を気にすることなく
動作可能で、得られる信号量も大きくできるから
である。

第４図には、本発明の第１図とは別の実施例を
示した。第４図では、第１図のホトダイオードと
容量性結合を有する光遮蔽電極６の代わりに、
３′と７′とのそれぞれ逆導電型の不純物拡散層で
構成されるダイオードと容量性結合された光遮蔽
電極６′で第１図と同様の効果を得ようとするも
のである。

また、第１図、第４図では半導体基板としてＰ
型の基板を用いた場合を示したが、Ｎ型基板を用
いた場合も同様である。またホトダイオード、
BBD以外の光感知素子、電荷転送素子を用いた
場合も同様である。

次に、第１図の６、第２図の６１、第４図の
６′の様な光遮蔽電極において、電荷転送動作中
には、V₂なる電位の一定電位が印加されている
ため、光電変換信号の電位Ｖ_S，Ｖ_Sの値が
V₂′の値より小さくなるほどの過度の光量の時は
第３図Ｂ〜ＥあるいはＦ〜Ｉの時刻に基板または
光遮蔽電極より不足の電荷が供給されることによ
り、光電変換信号の電位Ｖ_S，Ｖ_Sは、光遮蔽
電極の電位V₂′より低下することなく、したがつ
て通常の電荷転送型の固体撮像装置でよく見られ
る様なブルーミング現象を抑制することも可能と
なる。

以上述べた様に、本発明によれば、ホトダイオ
ードから光電変換信号を電荷転送素子に読み込む
ためのパルス電圧は、電荷転送クロツクパルス電
圧と同電圧で良く、したがつて低電圧で動作可能
で、ゲート回路の耐圧を越えない程度に信号電荷
量（センサのダイナミツク・レンジとも呼ぶ）を
大きく取ることができ、Ｓ／Ｎ比の大きな固体撮
像装置を得ることができる。これは、本固体撮像
装置の駆動電源を固定電圧の一電源で実現できる
効果に加えて、固体撮像装置の駆動方法の簡素化
に貢献し、固体撮像装置の発展に多大な効果を及
ぼすものである。また、別の効果として、本発明
によれば光遮蔽電極に一定のパルス状電圧を印加
した状態で、本発明を駆動させるので、電荷転送
型の固体撮像装置に特有のブルーミングを大巾に
改善することができるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明の一実施例を示す構成
断面図および平面図、第３図は第１図を駆動する
ためのクロツクパルス列とホトダイオード電位の
説明図、第４図は本発明の実施例を示す構成断面
図である。 １，１′……半導体基板、２，２′，２１，２
２，２３……信号転送段としての拡散層、３，
３′，３１，３２，３３……ホトダイオード、
４，４′，４１……絶縁膜、５，５′，５１，５
２，５３……信号読み込みと転送とを兼ねた電
極、６，６′，６１……信号読み込みの制御用電
極、８，８１，８２，８３……受光窓、７１，７
２，７３……信号の転送ゲート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の光感知素子と、前記光感知素子で受光
   した光電変換信号を読み出すための電荷転送素子
   と、前記光感知素子との間に容量性結合を有する
   様に形成した前記電荷転送素子の光遮蔽電極と、
   前記電荷転送素子を駆動するクロツク電極と共通
   に形成した前記光電変換信号を該電荷転送素子に
   移送するためのゲート電極とを有し、前記ゲート
   電極に前記光電変換信号を前記電荷転送素子に移
   送するためのクロツク信号とほぼ同電圧のパルス
   信号を印加すると同時に、前記光遮蔽電極に前記
   パルス信号と同期関係を持つパルスを印加するこ
   とにより、前記光感知素子を一定時間一定電位に
   設定保持するとともに前記光電変換信号を前記電
   荷転送素子に移送し、しかるのち前記クロツク電
   極にクロツク信号を印加することにより前記光電
   変換信号を一連の直列信号として読み出すことを
   特徴とする固体撮像装置。