JPS6259472A - 耐放射線ｍｏｓ形イメ−ジセンサ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、ＭＯＳ形イメージセンサに関するものであり
、更に詳述するならば、放射線環境において放射線劣化
による誤動作のおそれなく使用できる耐放射線ＭＯＳ形
イメージセンサに関するものである。

従来の技術 現在、様々な分野において固体イメージセンサが活用さ
れている。その代表的なイメージセンサとして、第２図
に、従来のＭ　ＯＳ形イメージセンサの部分回路の一例
を示す。なお、第２図は、原理説明のため４個の画素す
なわちセルからなる回路を示しである。

第２図のイメージセンサは、４つのＰＮホトダイオード
で構成された受光素子１，１．１１２．１２１．１２２
を具備しており、それら受光素子は、横２行ｗｉ２列の
マトリクス状に配列されている。そのような受光素子１
の各々に、受光素子の信号を読出すためのセル読出しス
イッチ用ＭＯＳトランジスタ２の一端が接続されている
。それらセル読出しスイッチ用ＭＯＳトランジスタ２の
ゲートには、各行ごとにそれらセル読出しスイッチ用Ｍ
ＯＳトランジスタをオンにするためのセルスイッチ信号
線３が接続され、更に、それらセル読出しスイッチ用Ｍ
ＯＳトランジスタ２の他端には、各列ごとに垂直信号線
４が接続されている。

その垂直信号線４は、水平読出し用スイッチＭＯＳトラ
ンジスタ５の一端が接続され、その水平読出し用スイッ
チＭＯＳトランジスタ５のゲートには、垂直信号線を選
択するために水平走査用のゲート信号線６が接続されて
いる。そして、全ての水平読出し用スイッチＭＯＳトラ
ンジスタ５の他端は、画像信号出力端子７に接続されて
いる。

以上のようなイメージセンサにおけるセルの選択は、複
数のセルスイッチ信号線３の１本と複数の水平スイッチ
ＭＯＳトランジスタのゲート信号線６の１本を“Ｈ”レ
ベルにすることにより実現する。例えば、セルスイッチ
信号線３の■１を“Ｈ”レベルにしておいて、ゲート信
号線６のＨｌとＨ２とを順次“Ｈ”レベルにすると、受
光素子１□０．１１゜が順次画像信号出力端子７に接続
されて読み出される。次いで、セルスイッチ信号線３の
■２を“Ｈ”レベルにしておいて、ゲート信号線６のＨ
，とＨ２とを順次“Ｈ”レベルにすると、受光素子１２
＋、１゜２が順次画像信号出力端子７に接続されて読み
出される。

発明が解決しようとする問題点 以上のようなイメージセンサを宇宙や原子炉等の放射線
環境で使用すると、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧
が大幅に変動する。略述するならば、Ｔ線、Ｘ線、電子
線などによるイオン化照射の場合、電子・正孔対が発生
し、酸化膜損傷を生じる。一方、高エネルギ粒子の場合
では、結晶欠陥が発生し、再結合中心ができる。かくし
て、発生した電子・正孔対の内の電子はその移動度が高
いので正電極へ移動するが、正孔は移動しにくく、再結
合中心に捕獲される。かかる正電荷の発生と界面トラッ
プ電荷の発生により、ＭＯＳキャパシタのフラットバン
ド電圧の変動、しきい値電圧の変動などが生じる。

以上のような放射線劣化により、一般に、ＮチャネルＭ
ＯＳトランジスタはしきい値電圧が低下し、Ｐチャネル
ＭＯＳトランジスタではしきい値電圧が増加（絶対値）
する。

一方、上記したＭＯＳ型イメージセンサにおいては、Ｍ
ＯＳトランジスタにＮチャネル形が使われている。更に
、第２図に示すイメージセンサにおいてＭＯＳトランジ
スタ２及び５のしきい値電圧が高いと、ドレイン−ソー
ス間の電圧降下が大きく、画像出力信号が低下する。そ
のために、しきい値電圧を低く設定している。

そのようにＮチャネルＭＯＳトランジスタのしきい値電
圧が低ければ、放射線環境では短時間にしきい値電圧が
○■以下になり、ゲート電圧○■でもドレイン−ソース
間の電流が流れてしまう。

ＭＯＳ　トランジスタ２のしきい値電圧が０■以下のな
ると、垂直信号線４にはその信号線に接続されているす
べてのセルの出力が同時に読出されてしまう。また、Ｍ
ＯＳトランジスタ５のしきい値電圧が○■以下になると
すべての垂直信号線の出力が、画像信号出力端子７に出
力されてしまう。

実際に、コバルト６０を用いたＮＩＩｏ　ｓ形イメージ
センサのＴ線照射試験の結果では、しきい値電圧低下に
より、（尋られた画像に縦じまが発生し、イメージセン
サが使用不能となり、同程度の集積度の集積回路より放
射線耐量が低いことが明らかになった。

以上のように従来のＭＯＳ形イメージセンサは、普通の
環境では問題なく使用できるが、放射線環境下では、Ｍ
ＯＳ形イメージセンサを構成するＭＯＳトランジスタの
しきい値電圧が放射線劣化により大幅に変化し、画像信
号に異常が生じるという特性劣化が発生するために、寿
命が極端に短かった。

そこで、本発明は、上記した問題を解消して、放射線環
境において放射線劣化による誤動作のおそれなく長時間
使用できる耐放射線ＭＯＳ形イメージセンサを提供せん
とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明の発明者は、上記目的に鑑かみ種々研究し、ＭＯ
Ｓ形イメージセンサを構成するＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタのしきい値電圧が放射線により低下し画像信号が
異常になるのを防止するため、画像信号通路にしきい値
電圧の高いＮチャネルＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯ
Ｓスイッチを採用することが効果的であることを発見し
た。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。す
なわち、本発明によるならば、複数の受光素子の走査に
Ｍ　ＯＳスイッチを使用してなるＭＯＳ形イメージセン
サにおいて、各受光素子と画像信号出力端子との間に直
列に入るスイッチ用ＭＯＳトランジスタが、互いに並列
に接続されたＮチャネル及びＰチャネルの一対のＭＯＳ
トランジスタを含むＣＭＯＳスイッチで構成され、・各
ＣＭＯＳスイッチの内のＮチャネルＭＯＳトランジスタ
は、高いしきい値を有していることを特徴とする耐放射
線ＭＯＳ形イメージセンサが提供される。

そして、本発明によるＭ　ＯＳ形イメージセンサの一態
様においては、前記ＣＭＯＳスイッチは、一方の端子が
対応受光素子に接続され、他方の端子が垂直信号線に接
続され、そのＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートは
、セルスイッチ信号線に接続され、ＰチャネルＭＯＳト
ランジスタのゲートは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
のゲートへの入力の反転信号が印加されるようになされ
ている。また、同様なＣＭＯＳスイッチが、垂直信号線
と画像信号出力端子との間に接続され、そのＮチャネル
ＭＯＳトランジスタのゲートは、ゲート信号線に接続さ
れ、ＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲートは、Ｎチャ
ネルＭＯＳトランジスタのゲートへの入力の反転信号が
印加されるようになされている。

作用 以上のようなＭＯＳ形イメージセンサに使用されている
ＣＭＯＳスイッチは、ＣＭＯＳスイッチ自体による電圧
降下が極めて小さいため、しきい値電圧を高給に設定し
ても問題がない。従って、そのＣＭＯＳスイッチの内の
ＮチャネルＭＯＳトランジスタは、放射線劣化により低
下するしきい値電圧変動分だけ初期値を高めに設定する
ことができる。そのようにしきい値を高くしたＮチャネ
ルＭＯＳトランジスタは、放射線を被爆してしきい値電
圧が低下しても、正常なオン・オフ動作を維持できる。

それ故、放射線環境下において使用しても、従来のＭＯ
Ｓ形イメージセンサに比較して長い時間にわたって、放
射線劣化による誤動作のおそれなく使用できる。

以下、添付図面を参照して本発明によるＭＯＳ形イメー
ジセンサの実施例を説明する。

実施例 第１図は、本発明によるＭ　ＯＳ形イメージセンサの一
実施例の部分回路を示す回路図であり、第２図に示す従
来のＭＯＳ形イメージセンサの部分と一致する部分には
同一の参照番号を付して説明を省略する。

第２図と第１図とを比較するとわかるように、本発明に
よるＭＯＳ形イメージセンサは、ＮチャネルＭＯＳトラ
ンジスタ２及び５の代わりにＣＭＯＳスイッチ８及び９
をそれぞれ使用している。

ＣＭＯＳスイッチ８及び９は、それぞれ、ＮチャネルＭ
ＯＳトランジスタのソースとドレインとがＰチャネルＭ
ＯＳトランジスタのソースとドレインにそれぞれ接続さ
れた形に構成されている。

そして、ＣＭ　ＯＳスイッチ８は、一方の端子が対応受
光素子１に接続され、他方の端子は各列ごとに１本の垂
直信号線４に接続され、そのＮチャネルＭＯＳトランジ
スタのゲートは、各行ごとにセルスイッチ信号線３に接
続され、ＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲートは、セ
ルスイッチ信号線３にインバータ８ａを介して接続され
てＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートへの入力の反
転信号が印加されるようになされている。ＣＭＯＳスイ
ッチは、Ｎチャネルのゲートが”Ｈ″レベルＮチャネル
がオンになり、Ｐチャネルのゲートが“Ｌ”レベルでＰ
チャネルがオンになるので、セルスイッチ信号線３が“
Ｈ”レベルとなると、ＣＭＯＳスイッチ８のＮチャネル
ＭＯＳトランジスタのゲートに“Ｈ”レベルが印加され
てオン状態になると共に、ＰチャネルＭＯＳトランジス
タのゲートには、インバータ８ａを介して“Ｌ”レベル
が印加されて同様にオン状態となる。

また、ＣＭＯＳスイッチ９は、一方の端子が垂直信号線
４に接続され、他方の端子が画像信号出力端子７に共通
接続され、そのＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲート
は、各列ごとにゲート信号線６に接続され、Ｐチャネル
ＭＯＳトランジスタのゲートは、ゲート信号線６にイン
バータ９ａを介して接続されてＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタのゲートへの入力の反転信号が印加されるように
なされている。

以上のようなＭＯＳ形イメージセンサにおいて、セルス
イッチ信号線３の■、を“Ｈ”レベルにすると、セルス
イッチ信号線３の■１に接続されたＣＭＯＳスイッチ８
のＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートには“Ｈ”レ
ベルが印加され、ＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲー
トには“Ｌ”レベルが印加され、ＮチャネルとＰチャネ
ルの両ＭＯＳトランジスタがオン状態になる。その状態
において、ゲート信号線６のＨ２を“Ｈ”レベルにする
と、そのゲート信号線６のＨｌに接続されているＣＭＯ
Ｓスイッチ９のＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲート
には“Ｈ”レベルが印加され、ＰチャネルＭＯ，Ｓトラ
ンジスタのゲートには”Ｌ”レベルが印加され、ＣＭＯ
Ｓスイッチ９のＮチャネルとＰチャネルの両ＭＯＳトラ
ンジスタがオン状態になり、受光素子１，１が画像信号
出力端子７に接続されて読み出される。次いで、ゲート
信号線６のＨ２をＨ”レベルにすると、そのゲート信号
線６のＨ２に接続されているＣ　Ｍ　ＯＳスイッチ９の
ＮチャネルＭＯＳトランジスタのＮチャネルとＰチャネ
ルの両ＭＯＳトランジスタがオン状態になり、受光素子
１．２が画像信号出力端子７に接続されて読み出される
。

そのあと、セルスイッチ信号線３の■１を“Ｌ”レベル
にして、セルスイッチ信号線３の■２を“Ｈ”レベルに
すると、セルスイッチ信号線３の■２に接続されたＣＭ
ＯＳスイッチ８のＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲー
トにはＨ”レベルが印加され、ＰチャネルＭＯＳトラン
ジスタのゲートには“Ｌ”レベルが印加され、Ｎチャネ
ルとＰチャネルの両ＭＯＳトランジスタがオン状態にな
る。その状態において、ゲート信号線６のＨ８とＨ２と
を順次“Ｈ”レベルにすると、同様にして、受光素子１
□１．１□２が順次画像信号出力端子７に接続されて読
み出される。

以上のようなＭＯＳ形イメージセンサに使用されている
構成のＣＭＯＳスイッチは電圧降下が全くないため、し
きい値電圧を高めに設定しても問題がない。それ故、Ｃ
ＭＯＳスイッチの内のＮチャネルＭＯＳトランジスタで
は放射線劣化により低下するしきい値電圧変動分だけ初
期値を高めに設定することができる。従って、ＣＭＯＳ
スイッチのＮチャネルＭＯＳ）ランジスクのしきい値を
大きくすれば、放射線を被爆してそのしきい値が多少低
下しても、しきい値をＯ■より大きい値に留めることが
でき、正常なオン・オフ特性を維持することができる。

なお、ＰチャネルＭＯＳＩ−ランジスタは、逆に放射線
劣化によりしきい値電圧が増加（絶対値の増加）するた
め初期値を低めに設定する方が望ましい。

更に、一般にＣＭＯ５構造は、ＮＭＯＳより放射線耐量
が高いため、ＭＯＳＯ３形−ジセンサの周辺回路もＣＭ
ＯＳで構成することが望ましい。

なお、上記実施例は、エリアイメージセンサであるが、
本発明は、ラインイメージセンサにも同様に適用できる
ことができることは当業者には明らかであろう。更に、
受光素子としてホトダイオーバを使用しているが、光導
電膜などの他の形式の受光素子を使用したＭＯＳＯ３形
−ジセンサにも、本発明は適用できる。

発明の詳細 な説明したように、本発明による耐放射線ＭＯ８形イメ
ージセンサでは、受光素子と画像信号出力端子との間に
直列に入るスイッチがＣＭＯＳスイッチで構成されてい
るため、画像信号のＣＭＯＳスイッチ通過による低下が
ないので、ＣＭＯＳスイッチのＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタのしきい値を高めに設定することができ、放射線
でしきい値電圧が低下してもスイッチは正常なオン、オ
フ動作を維持できる。このため、本発明の耐放射線ＭＯ
Ｓ形イメージセンサは、宇宙や原子炉のような放射線環
境で使用するビデオカメラ用として最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＭＯＳＯ３形−ジセンサの一実施例
の部分回路である。 第２図は、従来のＭＯＳＯ３形−ジセンサの部分回路で
ある。 〔主な参照番号〕 １・・受光素子 ２・・セル読出しスイッチ用ＭＯＳトランジスタ３・・
セルスイッチ信号線 ４・・垂直信号線 ５・・水平読出しスイッチＭＯＳトランジスタロ・・ゲ
ート信号線 ７・・画像出力信号端子 ８・・セル読出し用ＣＭＯＳスイッチ ９・・水平読出しＣＭＯＳスイッチ ８ａ、９ａ・・インバータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の受光素子の走査にＭＯＳスイッチを使用し
   てなるＭＯＳ形イメージセンサにおいて、各受光素子と
   画像信号出力端子との間に直列に入るスイッチ用ＭＯＳ
   トランジスタが、互いに並列に接続されたＮチャネル及
   びＰチャネルの一対のＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯ
   Ｓスイッチで構成され、各ＣＭＯＳスイッチの内のＮチ
   ャネルＭＯＳトランジスタは、高いしきい値を有してい
   ることを特徴とする耐放射線ＭＯＳ形イメージセンサ。
2. （２）前記ＣＭＯＳスイッチは、一方の端子が対応受光
   素子に接続され、他方の端子が垂直信号線に接続され、
   そのＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートは、セルス
   イッチ信号線に接続され、ＰチャネルＭＯＳトランジス
   タのゲートは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲート
   への入力の反転信号が印加されるようになされているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の耐放射
   線ＭＯＳ形イメージセンサ。
3. （３）前記ＣＭＯＳスイッチは、一方の端子が垂直信号
   線に接続され、他方の端子が画像信号出力端子に接続さ
   れ、そのＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートは、水
   平走査用ゲート信号線に接続され、ＰチャネルＭＯＳト
   ランジスタのゲートは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
   のゲートへの入力の反転信号が印加されるようになされ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の耐放射線ＭＯＳ形イメージセンサ。