KR20140003418A - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

고체 촬상 장치(10)는 트랜지스터(21) 및 포토 다이오드(22)를 각각 포함하는 화소(P1 , 1 ~ PM , N)를 가지는 수광부(20)와, 트랜지스터(21)에 접속된 판독용 배선(R1 ~ RN)과, 판독용 배선(R1 ~ RN)의 각각을 거쳐 입력되는 전하의 양에 따른 전압값을 차례로 출력하는 신호 출력부(40)와, 판독용 배선(R1 ~ RN)의 전위를 신호 출력부(40)의 적분 회로(42)의 입력 전위와는 다른 전위 Vdr로 변경하는 전위 변경용 스위치(50)과, 제어부(6)을 구비한다. 제어부(6)는 화소(P1 , 1 ~ PM , N)에 있어서 발생한 전하의 양에 따른 전압값이 신호 출력부(40)로부터 차례로 출력되는 판독 기간이 경과한 후, 다음 판독 기간이 개시될 때까지 사이에 포함되는 소정의 기간, 판독용 배선(R1 ~ RN)의 전위를 다른 전위 Vdr로 변경한다. 이에 의하여, 각 화소에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 높일 수 있는 고체 촬상 장치가 실현된다.

Description

고체 촬상 장치{SOLID IMAGING DEVICE}
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는 광전(光電) 변환 장치가 기재되어 있다. 이 광전 변환 장치는 복수의 광전 변환 소자를 매트릭스(matrix) 형상으로 배치한 광전 변환 회로부와, 그 광전 변환 회로부로부터 출력되는 신호를 판독용 회로로 전송 하기 위한 복수의 신호 배선을 가진다. 복수의 신호 배선의 각각에는 복수의 리셋용 스위치의 각 일단이 접속되고, 이들 리셋용 스위치의 타단은 접지되어 있다. 이 광전 변환 장치에 있어서는 이 리셋용 스위치를 접속 상태로 함으로써, 복수의 신호 배선을 통하여 광전 변환 소자의 전하의 리셋을 실시하고 있다.
[특허문헌 1] 일본 특개 2000－46645호 공보
[특허문헌 2] 일본 특개 2009－65272호 공보
고체 촬상 소자는 복수의 화소가 복수 행 및 복수열에 걸쳐서 이차원상으로 배치된 수광부를 가진다. 각 화소에는 입사한 빛을 전자로 변환하기 위한 포토 다이오드가 배치된다. 각 화소의 포토 다이오드는 각 열 마다 배설(配設)된 판독용 배선에 스위치를 통하여 접속되어 있으며, 포토 다이오드 내에 축적된 전하는 스위치를 접속 상태로 함으로써 판독용 배선으로 유출된다. 일반적으로, 이와 같은 스위치는 트랜지스터로 구성된다.
그렇지만, 트랜지스터의 제어 단자(베이스 또는 게이트)와 전류 단자(콜렉터 및 이미터 또는 소스 및 드레인) 사이에는 기생 용량이 존재한다. 따라서, 스위치를 접속 상태로 하면(즉 트랜지스터의 제어 단자에 소정의 전압을 인가하면), 제어 단자와 전류 단자 사이의 기생 용량에 전하가 축적된다. 그리고, 포토 다이오드로부터 전하를 추출한 후, 스위치를 비접속 상태로 하면(즉 트랜지스터의 제어 단자로의 전압 인가를 정지하면), 기생 용량에 축적된 전하가 포토 다이오드로 이동한다. 이에 의하여, 포토 다이오드의 전극과 판독용 배선 사이에 전위차(오프셋)가 발생하게 된다.
그 후, 수광부에서는 어떤 소정의 기간에 걸쳐서 스위치를 비접속 상태로 하여 입사한 빛을 전자로 변환함과 아울러 그 전하를 포토 다이오드에 축적하지만(이하, 축적 기간이라 한다), 그 사이에 다양한 원인에 의하여 상기 오프셋이 시간적으로 변동한다. 예를 들면, 트랜지스터의 전류 단자 사이가 완전하게 절연되지 않고 미세한 리크(leak)가 발생하기 때문에, 이 리크에 의하여 상기 오프셋이 시간적으로 변화한다. 이와 같이 오프셋이 시간적으로 변동하면 포토 다이오드로부터 출력되는 전하량이 축적 기간의 설정치의 장단(長短)에 따라 변동하게 되어, 각 화소에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 각 화소에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 높일 수 있는 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 고체 촬상 장치는 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 트랜지스터를 각각 포함하는 M×N 개(M은 2 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M 행 N 열로 2 차원 배열되어 이루어지는 수광부와, 각 열 마다 배설되어, 대응하는 열의 화소에 포함되는 트랜지스터의 타단에 접속된 N 개의 판독용 배선과, N 개의 판독용 배선의 각각을 거쳐 입력되는 전하의 양에 따른 전압값을 생성하는 N 개의 적분 회로를 포함하고, 그 N 개의 적분 회로로부터 출력된 전압값을 차례로 출력하는 신호 출력부와, N 개의 판독용 배선에 포함되는 K 개(K는 1 이상 N 이하의 정수)의 판독용 배선의 전위를, 대응하는 K 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 전위 변경 수단과, 신호 출력부에 있어서의 전압값의 출력 동작 및 전위 변경 수단에 있어서의 전위의 변경 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는 M×N 개의 화소에 있어서 발생한 전하의 양에 따른 전압값이 신호 출력부로부터 차례로 출력되는 판독 기간이 경과한 후, 다음 판독 기간이 개시될 때까지의 사이에 포함되는 소정의 기간, K 개의 판독용 배선의 전위를 다른 전위로 변경하는 것을 특징으로 한다.
이 고체 촬상 장치는 예를 들면 다음과 같이 동작할 수 있다. 축적 기간 사이 수광부에 입사한 빛의 세기에 따라서 각 화소의 포토 다이오드에 축적된 전하는 축적 기간 종료 후의 판독 기간에 있어서, 각 화소 마다 차례로 출력된다. 즉, M 행 중 어떤 행에 포함된 화소에 대하여, 각 화소의 포토 다이오드에 축적된 전하가 당해 화소의 트랜지스터를 통하여 당해 열의 판독용 배선에 판독된다. 이러한 전하는 적분 회로에 입력되고, 전압값으로 변환되어 신호 출력부로부터 차례로 출력된다. 이와 같은 동작이 제1 행 내지 제M 행에 대하여 차례로 반복됨으로써 M×N 개의 화소의 각각에 축적한 전하량에 따른 전압값이 화소 마다 출력된다. 그 후, 다음의 축적 기간을 거친 후 판독 기간이 재차 개시된다.
상기 고체 촬상 장치에서는 판독 기간이 경과한 후, 다음 판독 기간이 개시될 때까지 사이(즉 축적 기간 내)에 포함되는 소정의 기간, 제어부가 판독용 배선의 전위를 전위 변경 수단으로 적분 회로의 입력 전위에서 다른 전위로 변경한다. 이 다른 전위는 예를 들면 각 화소의 포토 다이오드의 전극 전위와 동등(동일 또는 가까운 값)한 전위로 설정되면 좋다. 이와 같은 변경 동작에 의하여 포토 다이오드의 전극 전위와 판독용 배선의 전위와의 차이를 작게하고, 포토 다이오드에서 판독용 배선으로의 리크를 작게 할 수 있다. 이에 의하여, 포토 다이오드 전극 전위와 판독용 배선의 전위 사이의 오프셋의 시간적 변동이 작아진다. 따라서, 이 고체 촬상 장치에 따르면, 포토 다이오드로부터 출력되는 전하량을 축적 기간의 길이에 의존하지 않고 안정시킬 수 있어, 각 화소에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 고체 촬상 장치에 있어서, 전위 변경 수단은, K=N으로 하여, N 개의 판독용 배선의 전위를 N 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 구성으로 하여도 좋다.
본 발명에 따른 고체 촬상 장치에 의하면, 각 화소에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 고체 촬상 장치를 나타낸 평면도이다.
도 2는 고체 촬상 장치의 일부를 확대한 평면도이다.
도 3은 도 2의 I－I선에 따른 단면을 나타낸 측 단면도이다.
도 4는 고체 촬상 장치의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 고체 촬상 장치의 화소, 적분 회로 및 유지 회로 각각의 회로구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예에 관한 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 7은 비교예에 있어서의 문제점을 설명하기 위한 도면이며, 한 개 화소의 트랜지스터 및 포토 다이오드와, 적분 회로와, 열 판독용 배선과, 행 선택용 배선이 나타나 있다.
도 8은 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트다.
도 9는 제1 변형례에 있어서의 고체 촬상 장치의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 제1 변형례의 고체 촬상 장치에 있어서의 화소, 적분 회로 및 유지 회로와, 이들의 주변 회로의 구성을 나타내고 있다.
도 11은 제2 변형례에 관한 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 12는 제3 변형례에 관한 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고체 촬상 장치의 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 중복된 설명을 생략한다.
(실시형태)
본 실시형태에 관한 고체 촬상 장치는 예를 들면 의료용 X선 촬상 시스템에 이용되고, 특히 치과의료에 있어서의 파노라마 촬영, 세팔로(cephalo) 촬영, CT촬영 등의 촬상 모드로 피검자의 악부(顎部)의 X 선상(X線像)을 촬상하는 시스템에 이용된다. 이 때문에, 본 실시형태의 고체 촬상 장치는 대면적의 유리 기판 상에 다결정 실리콘이 퇴적되어 이루어지는 박막 트랜지스터나, 아모퍼스(amorphous) 실리콘이 퇴적되어 이루어지는 포토 다이오드를 구비하고 있어 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 제작되는 종래의 고체 촬상 장치와 비교하여 현격히 넓은 수광 면적을 가진다. 도 1 ~ 도 3은 본 실시형태에 있어서의 고체 촬상 장치(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1은 고체 촬상 장치(10)를 나타내는 평면도이며, 도 2는 고체 촬상 장치(10)의 일부를 확대한 평면도이다. 이에 더하여 도 3은 도 2의 I－I선에 따른 단면을 나타내는 측 단면도이다. 또한, 도 1 ~ 도 3에는 이해를 용이하게 하기 위하여 XYZ 직교좌표계를 아울러 나타내고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 고체 촬상 장치(10)는 유리 기판(12)과, 유리 기판(12)의 주면(主面) 상에 제작된 수광부(20) 및 수직 시프트 레지스터(垂直 shift register)부(30)를 구비하고 있다. 수직 시프트 레지스터부(30)는 수광부(20)의 옆 변을 따라 배치되어 있다. 또, 고체 촬상 장치(10)는 유리 기판(12)의 외부에 배치된 신호 출력부(40)를 더 구비하고 있다. 신호 출력부(40)는 예를 들면 수광부(20)와 전기적으로 접속된 복수의 C－MOS형 IC 칩(41)으로 구성된다. 신호 출력부(40)는 수광부(20)의 N 열 각각에 마련된 N 개의 적분 회로를 포함하고 있으며, 이들 N 개의 적분 회로는 제1 열 내지 제N 열의 화소로부터 출력되는 전하의 양에 따른 전압값을 생성한다. 신호 출력부(40)는 각 적분 회로로부터 출력된 전압값을 유지하고, 그 유지 한 전압값을 차례로 출력한다.
또한, 수광부(20) 및 수직 시프트 레지스터부(30)는 각각 별개의 유리 기판(12) 상에 마련되어도 좋다. 또, 신호 출력부(40)는 수광부(20) 및 수직 시프트 레지스터부(30)와 함께 유리 기판(12) 상에 마련되어도 좋다.
수광부(20)는 M×N 개의 화소가 M 행 N 열로 2 차원 배열됨으로써 구성되어 있다. 도 2에 나타나는 화소 Pm , n는 제m 행 제n 열에 위치하는 화소이다. 여기서, m은 1 이상 M 이하의 정수이며, n은 1 이상 N 이하의 정수이다. M, N은 2 이상의 정수이다. 또한, 도 2에 있어서, 열 방향은 X축 방향과 일치하고, 행 방향은 Y축 방향과 일치한다. 수광부(20)에 포함되는 복수의 화소(P1 , 1 ~ PM , N) 각각은 판독용 스위치로서의 트랜지스터(21) 및 포토 다이오드(22)를 구비하고 있다. 트랜지스터(21)의 일방의 전류 단자는 포토 다이오드(22)에 접속되어 있다. 또, 트랜지스터(21)의 타방의 전류 단자는 대응하는 판독용 배선(예를 들면 화소 Pm , n의 경우, 제n 열 판독용 배선(Rn))에 접속되어 있다. 트랜지스터(21)의 제어 단자는 대응하는 행 선택용 배선(예를 들면 화소 Pm , n의 경우, 제m 행 선택용 배선(Qm))에 접속되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 유리 기판(12) 상의 전면(全面)에는 다결정 실리콘막(14)이 마련되어 있다. 트랜지스터(21), 포토 다이오드(22) 및 제n 열 판독용 배선(Rn)은 이 다결정 실리콘막(14)의 표면에 형성되어 있다. 트랜지스터(21), 포토 다이오드(22) 및 제n 열 판독용 배선(Rn)은 절연층(16)으로 덮여 있으며, 절연층(16) 위에는 신틸레이터(scintillator)(18)가 유리 기판(12)의 전면을 덮도록 마련되어 있다. 신틸레이터(18)는 입사한 X선에 따라서 신틸레이션(scintillation) 광을 발생하여 X 선상을 광상(光像)으로 변환하고, 이 광상을 수광부(20)로 출력한다. 제n 열 판독용 배선(Rn)은 금속으로 이루어진다.
포토 다이오드(22)는 입사광 강도에 따른 양(量)의 전하를 발생시키고, 그 발생한 전하를 접합 용량부에 축적한다. 포토 다이오드(22)는 n형 반도체층(22a), i형 반도체층(22b) 및 p형 반도체층(22c)을 가지는 PIN형 포토 다이오드이다. n형 반도체층(22a)은 n형 다결정 실리콘으로 이루어진 반도체층이다. i형 반도체층(22b)은 i형(undoped) 아모퍼스 실리콘으로 이루어진 반도체층이며, n형 반도체층(22a) 위에 마련되어 있다. 이와 같이 i형 반도체층(22b)이 아모퍼스 실리콘으로 형성되는 것에 의하여, i형 반도체층(22b)을 두껍게 할 수 있으며, 포토 다이오드(22)의 광전 변환 효율을 높여 고체 촬상 장치(10)의 감도를 향상시킬 수 있다. p형 반도체층(22c)은 p형 아모퍼스 실리콘으로 이루어진 반도체층이며, i형 반도체층(22b) 위에 마련되어 있다.
트랜지스터(21)는 바람직하게는 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성되지만, 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)로 구성되어도 좋다. 트랜지스터(21)가 FET인 경우, 이하의 설명에 있어서 제어 단자는 게이트를, 전류 단자는 소스 또는 드레인을 각각 의미한다. 도 3에 나타낸 트랜지스터(21)는 FET의 구성을 가지고 있으며, 다결정 실리콘으로 이루어진 영역을 포함한다. 일례로는, 트랜지스터(21)는 각각 다결정 실리콘으로 이루어진 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)을 가진다. 소스 영역(21b)은 채널 영역(21a)의 일방의 측면을 따라서 형성되어 있다. 드레인 영역(21c)은 채널 영역(21a)의 타방의 측면을 따라서 형성되어 있다. 또, 채널 영역(21a) 상에는 게이트 전극(21e)이 마련되어 있으며, 게이트 전극(21e)과 채널 영역(21a) 사이에는 게이트 절연막(21d)이 개재(介在)하고 있다.
트랜지스터(21)의 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)을 구성하는 다결정 실리콘은 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon；LTPS)이면 더욱 바람직하다. 저온 다결정 실리콘은 100 ~ 600℃라는 비교적 저온의 프로세스 온도 하에서 퇴적되는 다결정 실리콘이다. 이와 같은 저온 하에서는, 예를 들면 무알칼리 유리 등 유리 기판(12)을 지지 기판으로서 이용 가능한 점에서, 상기 각 영역(21a, 21b 및 21c)의 구성 재료를 저온 다결정 실리콘으로 함으로써, 단결정 실리콘 웨이퍼와 비교하여 넓은 면적을 가지는 유리 기판(12)을 지지 기판으로서 이용하고, 그 유리 기판(12) 상에 대면적의 수광부(20)을 제작하는 것이 가능해진다.
일 실시예에서는 유리 기판(12)의 재료로서, 예를 들면 0.3㎜ ~ 1.2㎜의 두께를 가지는 판상의(기판(substrate)용의) 무알칼리 유리가 이용된다. 무알칼리 유리는 알칼리분(分)을 거의 포함하지 않으며, 팽창율이 낮고 또한 내열성이 높아, 안정된 특성을 가지고 있다. 또, 저온 다결정 실리콘에 있어서의 전자 이동도는 10 ~ 600㎠／Vs이고, 아모퍼스 실리콘에 있어서의 전자 이동도(0.3 ~ 1.0㎠／Vs)보다 크기 때문에, 트랜지스터(21)의 영역(21a, 21b 및 21c)을 저온 다결정 실리콘으로 형성함으로써, 트랜지스터(21)의 온(on) 저항을 저감하는 것이 가능해진다.
도 3에 나타낸 바와 같은 화소 Pm , n은 예를 들면 다음과 같은 공정에 의하여 제작된다. 먼저, 유리 기판(12) 위에 아모퍼스 실리콘막을 형성한다. 성막(成膜) 방법으로는 예를 들면 플라스마 CVD가 바람직하다. 다음으로, 레이저 빔(예를 들면 엑시머 레이저 빔(excimer laser beam))을 아모퍼스 실리콘막의 전체에 차례로 조사함으로써, 아모퍼스 실리콘막의 전면(全面)을 다결정 실리콘화한다(엑시머 레이저 어닐(excimer laser anneal)). 이리 하여 다결정 실리콘막(14)이 형성된다. 이어서, 다결정 실리콘막(14)의 일부 영역 상에, 게이트 절연막(21d)로서의 SiO2막을 형성한 후, 그 위에 게이트 전극(21e)을 형성한다. 계속하여, 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)이 될 각 영역에 이온을 주입한다. 그 후, 다결정 실리콘막(14)의 패터닝(patterning)을 실시하고, 노광(露光) 및 에칭(etching)을 반복 실시하여 다른 전극이나 컨택트홀(contact hole) 등을 형성한다. 또, 다결정 실리콘막(14)에 있어서의 화소 Pm, n이 될 영역에 이온을 주입하여 n형으로 한 후, 그 위에, i형 및 p형의 아모퍼스 실리콘층(즉 i형 반도체층(22b) 및 p형 반도체층(22c))을 차례로 적층하여 PIN형 포토 다이오드(22)를 형성한다. 그 후, 절연층(16)이 되는 패시베이션(passivation layer)을 형성한다.
이어서, 고체 촬상 장치(10)의 회로 구성에 대하여 상세히 설명한다. 도 4는 고체 촬상 장치(10)의 내부 구성을 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 수광부(20)는 M×N 개의 화소(P1 , 1 ~ PM , N)가 M 행 N 열로 2 차원 배열되어 이루어진다. 제m 행의 N 개의 화소(Pm , 1 ~ Pm , N)는 제m 행 선택용 배선(Qm)을 통하여 수직 시프트 레지스터부(30)에 접속되어 있다. 또한, 도 4에 있어서 수직 시프트 레지스터부(30)는 제어부(6)에 포함되어 있다.
신호 출력부(40)는 각 열 마다 마련된 N 개의 적분 회로(42) 및 N 개의 유지 회로(44)를 가지고 있다. 적분 회로(42) 및 유지 회로(44)는 각 열 마다 서로 직렬로 접속되어 있다. N 개의 적분 회로(42)는 서로 공통된 구성을 가지고 있다. 또, N 개의 유지 회로(44)는 서로 공통된 구성을 가지고 있다.
또한, 본 실시형태에서는 N 개의 전위 변경용 스위치(50)가 각 열 마다 마련되어 있다. 각 전위 변경용 스위치(50)는 본 실시형태에 있어서의 전위 변경 수단을 구성하고, 판독용 배선(R1 ~ RN) 중 당해 전위 변경용 스위치(50)에 대응하는 판독용 배선의 전위를 적분 회로(42)의 입력 전위와는 다른 전위 Vdr로 변경한다. 전위 Vdr은 예를 들면 축적 기간에 있어서의 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)의 포토 다이오드(22)의 전극 전위와 동등(동일 또는 가까운 값)한 정전위(定電位)로 설정된다.
N 개의 전위 변경용 스위치(50)의 각각은 판독용 배선(R1 ~ RN) 중 당해 열에 마련된 판독용 배선과 당해 열의 적분 회로(42) 사이에 마련되어 있다. 각 전위 변경용 스위치(50)는 판독용 배선(R1 ~ RN)을, 전위 Vdr을 공급하기 위한 배선(52) 및 당해 열의 적분 회로(42) 중 어느 일방에 선택적으로 접속한다.
일 실시예에서는, 제n 열 판독용 배선(Rn)은 당해 열의 전위 변경용 스위치(50)의 입력단에 접속되어 있다. 전위 변경용 스위치(50)는 2개의 출력단을 가지고 있으며, 일방의 출력단은 당해 열의 적분 회로(42)에 접속되어 있으며, 타방의 출력단은 배선(52)에 접속되어 있다. 전위 변경용 스위치(50)의 접속 상태를 제어하기 위하여 각 전위 변경용 스위치(50)가 가지는 제어 단자는 N 개의 전위 변경용 스위치(50)에 대하여 공통으로 마련된 한 개의 전위 변경 배선(54)을 통하여 제어부(6)에 접속되어 있다. 제어부(6)는 전위 변경용 스위치(50)의 변경 동작을 지시하기 위한 전위 변경 제어 신호(DLS)를 전위 변경 배선(54)을 통하여 N 개의 전위 변경용 스위치(50) 각각에 제공한다.
또한, 이와 같은 N 개의 전위 변경용 스위치(50)는 유리 기판(12) 상에 있어서 수광부(20)와 함께 형성되어도 좋으며, 혹은 유리 기판(12)과는 별도로 준비된 단결정 실리콘 기판 상에 형성되어도 좋다. N 개의 전위 변경용 스위치(50)를 단결정 실리콘 기판 상에 형성함으로써, 단결정 실리콘으로 이루어진 채널 영역, 드레인 영역 및 소스 영역으로 고속의 동작을 실현할 수 있다. 또, 다결정 실리콘이나 아모퍼스 실리콘의 프로세스 룰에 얽매이는 일 없이, 설계의 자유도나 집적도를 높이는 것이 가능해진다.
N 개의 적분 회로(42) 각각은 전위 변경용 스위치(50)에 접속된 입력단을 가지며, 판독용 배선(R1 ~ RN)에서 전위 변경용 스위치(50)을 통하여 입력단으로 입력된 전하를 축적하고, 그 축적 전하량에 따른 전압값을 출력단에서 N 개의 유지 회로(44) 각각으로 출력한다. N 개의 적분 회로(42) 각각은 N 개의 적분 회로(42)에 대하여 공통으로 마련된 리셋용 배선(46)을 통하여 제어부(6)에 접속되어 있다. N 개의 유지 회로(44) 각각은 적분 회로(42)의 출력단에 접속된 입력단을 가지고, 이 입력단에 입력되는 전압값을 유지하며, 그 유지 한 전압값을 출력단에서 전압 출력용 배선(48)으로 출력한다. N 개의 유지 회로(44) 각각은 N 개의 유지 회로(44)에 대하여 공통으로 마련된 유지용 배선(45)을 통하여 제어부(6)에 접속되어 있다. 또, N 개의 유지 회로(44) 각각은 제1 열 선택용 배선(U1) ~ 제N 열 선택용 배선(UN) 각각을 통하여 제어부(6)의 수평 시프트 레지스터부(61)에 접속되어 있다.
제어부(6)의 수직 시프트 레지스터부(30)는 제m 행 선택 제어 신호(VSm)를 제m 행 선택용 배선(Qm)을 통하여 제m 행의 N 개의 화소(Pm , 1 ~ Pm , N) 각각에 제공한다. 수직 시프트 레지스터부(30)에 있어서, 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)는 차례로 유의치가 된다. 또, 제어부(6)의 수평 시프트 레지스터부(61)는 열 선택 제어 신호(HS1 ~ HSN)를 열 선택용 배선(U1 ~ UN)을 통하여 N 개의 유지 회로(44) 각각에 제공한다. 열 선택 제어 신호(HS1 ~ HSN)도 차례로 유의치가 된다. 또, 제어부(6)는 리셋 제어 신호(RE)를 리셋용 배선(46)을 통하여 N 개의 적분 회로(42) 각각에 제공함과 아울러, 유지 제어 신호(Hd)를 유지용 배선(45)을 통하여 N 개의 유지 회로(44) 각각에 제공한다.
도 5는 고체 촬상 장치(10)의 화소(Pm , n), 적분 회로(42) 및 유지 회로(44) 각각의 회로 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 여기서는 M×N 개의 화소(P1 , 1 ~ PM , N)를 대표하여 화소 Pm , n의 회로도를 나타내고 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 화소 Pm , n의 포토 다이오드(22)의 어노드(anode) 단자는 접지되고, 캐소드(cathode) 단자는 트랜지스터(21)을 통하여 판독용 배선(Rn)에 접속되어 있다. 화소 Pm , n의 트랜지스터(21)에는 수직 시프트 레지스터부(30)로부터 제m 행 선택용 배선(Qm)을 통하여 제m 행 선택 제어 신호(VSm)가 제공된다. 제m 행 선택 제어 신호(VSm)는 제m 행의 N 개의 화소(Pm , 1 ~ Pm , N) 각각에 포함되는 트랜지스터(21)의 개폐 동작을 지시한다. 예를 들면, 제m 행 선택 제어 신호(VSm)가 비유의치(예를 들면 로우 레벨)일 때, 트랜지스터(21)가 비도통(非導通) 상태가 된다. 이때, 포토 다이오드(22)에 있어서 발생한 전하는 열 판독용 배선(Rn)으로 출력되지 않고 포토 다이오드(22)의 접합 용량부에 축적된다. 한편, 제m 행 선택 제어 신호(VSm)가 유의치(예를 들면 하이 레벨)일 때, 트랜지스터(21)가 접속 상태가 된다. 이때, 포토 다이오드(22)의 접합 용량부에 축적되어 있던 전하가 트랜지스터(21)를 거쳐 판독용 배선(Rn)으로 출력된다. 판독용 배선(Rn)은 전위 변경용 스위치(50)를 통하여 적분 회로(42)에 접속되고, 이 전하는 적분 회로(42)로 보내진다.
적분 회로(42)는 앰프(42a), 용량 소자(42b) 및 방전용 스위치(42c)를 포함한다. 용량 소자(42b) 및 방전용 스위치(42c)는 서로 병렬로 접속되고, 또한 앰프(42a)의 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속되어 있다. 앰프(42a)의 입력 단자는 판독용 배선(Rn)에 접속되어 있다. 방전용 스위치(42c)에는 제어부(6)로부터 리셋용 배선(46)을 통하여 리셋 제어 신호(RE)가 제공된다.
리셋 제어 신호(RE)는 N 개의 적분 회로(42) 각각의 방전용 스위치(42c)의 개폐 동작을 지시한다. 예를 들면, 리셋 제어 신호(RE)가 비유의치(예를 들면 하이 레벨)일 때, 방전용 스위치(42c)가 닫히고, 용량 소자(42b)가 방전되어 적분 회로(42)의 출력 전압값이 초기화된다. 또, 리셋 제어 신호(RE)가 유의치(예를 들면 로우 레벨)일 때, 방전용 스위치(42c)가 열리고, 적분 회로(42)에 입력된 전하가 용량 소자(42b)에 축적되어 그 축적 전하량에 따른 전압값이 적분 회로(42)로부터 출력된다.
유지 회로(44)는 입력용 스위치(44a), 출력용 스위치(44b) 및 용량 소자(44c)를 포함한다. 용량 소자(44c)의 일단은 접지되어 있다. 용량 소자(44c)의 타단은 입력용 스위치(44a)를 통하여 적분 회로(42)의 출력단에 접속되고, 또한, 출력용 스위치(44b)를 통하여 전압 출력용 배선(48)과 접속되어 있다. 입력용 스위치(44a)에는 제어부(6)로부터 유지용 배선(45)을 통하여 유지 제어 신호(Hd)가 부여된다. 유지 제어 신호(Hd)는 N 개의 유지 회로(44) 각각의 입력용 스위치(44a)의 개폐 동작을 지시한다. 유지 회로(44)의 출력용 스위치(44b)에는 제어부(6)로부터 제n 열 선택용 배선(Un)을 지난 제n 열 선택 제어 신호(HSn)가 부여된다. 선택 제어 신호(HSn)는 유지 회로(44)의 출력용 스위치(44b)의 개폐 동작을 지시한다.
예를 들면, 유지 제어 신호(Hd)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 바뀌면, 입력용 스위치(44a)가 닫힌 상태에서 열린 상태로 바뀌고, 그때 유지 회로(44)에 입력되어 있는 전압값이 용량 소자(44c)에 유지된다. 또, 제n 열 선택 제어 신호(HSn)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 바뀌면, 출력용 스위치(44b)가 닫히고, 용량 소자(44c)에 유지되어 있는 전압값이 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다.
이어서, 비교예로서 전위 변경 수단(전위 변경용 스위치(50))을 구비하지 않은 고체 촬상 장치의 동작과 그 문제점을 설명하고, 그 후, 본 실시형태에 관한 고체 촬상 장치(10)의 동작과 그 효과에 대하여 설명한다.
도 6은 비교예에 관한 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다. 도 6은 위에서부터 차례로, (a) 리셋 제어 신호(RE), (b) 제1 행 선택 제어 신호(VS1), (c) 제2 행 선택 제어 신호(VS2), (d) 제M 행 선택 제어 신호(VSM), (e) 유지 제어 신호(Hd), (f) 제1 열 선택 제어 신호(HS1) ~ 제N 열 선택 제어 신호(HSN), (g) 제1 행 화소(P1 , 1 ~ P1 , N)의 노드 A 및 노드 B(도 5를 참조)의 전위, (h) 제2 행 화소(P2 , 1 ~ P2 , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (i) 제M 행 화소(PM , 1 ~ PM, N)의 노드 A 및 노드 B의 전위를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 6 (g) ~ (i)에 있어서의 파선은 도 5에 있어서의 노드 A의 전위를 나타내고 있으며, 실선은 노드 B(즉 포토 다이오드(22)의 전극 전위)를 나타내고 있다.
이 비교예에서는 시각 t10에서 시각 t11까지의 기간, 제어부(6)가 리셋 제어 신호(RE)를 하이 레벨로 한다. 이에 의하여, N 개의 적분 회로(42) 각각에 있어서, 방전용 스위치(42c)가 닫힌 상태가 되어 용량 소자(42b)가 방전된다.
＜판독 기간의 동작＞
시각 t11보다 이후의 시각 t12에서 시각 t13까지의 기간, 제어부(6)가 제1 행 선택 제어 신호(VS1)를 하이 레벨로 한다. 이것에 의하여, 제1 행의 화소(P1 , 1 ~ P1 , N)에 있어서 트랜지스터(21)가 접속 상태가 되고, 화소(P1 , 1 ~ P1 , N) 각각의 포토 다이오드(22)에 있어서 축적된 전하가 판독용 배선(R1 ~ RN)을 지나 적분 회로(42)로 출력되어 용량 소자(42b)에 축적된다. 적분 회로(42)에서는 용량 소자(42b)에 축적된 전하량에 따른 크기의 전압값이 출력된다. 또한, 시각 t13 이후, 제1 행의 화소(P1 , 1 ~ P1 , N) 각각의 트랜지스터(21)는 비접속 상태가 된다.
그리고, 시각 t13보다 이후의 시각 t14에서 시각 t15까지의 기간, 제어부(6)가 유지 제어 신호(Hd)를 하이 레벨로 하고, 이에 의하여, N 개의 유지 회로(44)의 각각에 있어서 입력용 스위치(44a)가 접속 상태가 되어 적분 회로(42)로부터 출력된 전압값이 용량 소자(44c)에 의해 유지된다.
계속하여, 시각 t15보다 이후의 시각 t16에서 시각 t17까지의 기간, 제어부(6)가 제1 열 선택 제어 신호(HS1) ~ 제N 열 선택 제어 신호(HSN)를 차례로 하이 레벨로 한다. 이것에 의하여, N 개의 유지 회로(44)의 출력용 스위치(44b)가 차례로 닫힌 상태가 되어, 용량 소자(44c)에 유지되어 있던 전압값이 차례로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 또한, 본 실시형태에서는 시각 t16에서 시각 t17보다 이후의 시각 t18까지의 사이, 제어부(6)가 리셋 제어 신호(RE)를 하이 레벨로 하여, 적분 회로(42)의 용량 소자(42b)가 방전된다.
이어서, 시각 t18보다 이후의 시각 t19에서 시각 t20까지의 기간, 제어부(6)가 제2 행 선택 제어 신호(VS2)를 하이 레벨로 한다. 이것에 의하여, 제2 행의 화소(P2 , 1 ~ P2 , N)에 있어서 트랜지스터(21)가 접속상태가 되고, 화소(P2 , 1 ~ P2 , N) 각각의 포토 다이오드(22)에 있어서 축적된 전하가 판독용 배선(R1 ~ RN)을 지나 적분 회로(42)로 출력되어 용량 소자(42b)에 축적된다. 이후, 제1 행의 경우와 같은 동작으로, 용량 소자(42b)에 축적된 전하량에 따른 크기의 전압값이 N 개의 유지 회로(44)로부터 차례로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 그리고, 제3 행 내지 제M 행의 화소에 축적된 전하에 대하여도, 제1 행과 같은 동작에 의하여 전압값으로 변환되어 차례로 전압 출력용 배선(48)으로 출력된다. 이리하여, 수광부(20)로부터의 1 프레임 분의 화상 데이터의 판독이 완료된다.
＜축적 기간의 동작＞
상기 동작 후, 고체 촬상 장치는 소정 시간에 걸쳐서 동작을 정지하고, 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)의 포토 다이오드(22)에 대하여 충분한 양의 빛을 입사시켜 전하를 축적시킨다. 이 축적 기간의 길이는 임의로 설정되나, 예를 들면 0초 이상 10초 이하이다. 축적 기간 후, 고체 촬상 장치는 상술한 판독 동작을 재차 반복한다. 또한, 상술한 판독 방식은 이른바 롤링 셔터(rolling shutter) 방식이기 때문에, 각 포토 다이오드(22)에 있어서의 엄밀한 전하 축적 시간은 당해 화소(P1 , 1 ~ PM , N)의 트랜지스터(21)가 비접속 상태가 된 순간에서 시작하여 다음의 판독 기간에 있어서 당해 화소(P1 , 1 ~ PM , N)의 트랜지스터(21)가 다시 접속 상태가 될 때까지의 시간(즉 프레임률(frame rate)의 역수)이 된다.
여기서, 상술한 고체 촬상 장치가 가지는 문제점을 설명한다. 도 7은 이 문제점을 설명하기 위한 도면이며, 한 개 화소(Pm , n)의 트랜지스터(21) 및 포토 다이오드(22)와, 적분 회로(42)와, 제n 열 판독용 배선(Rn)과, 제m 행 선택용 배선(Qm)이 나타나 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 제n 열 판독용 배선(Rn) 상의 노드 A는 적분 회로(42)의 앰프(42a)의 입력 단자에 접속되어 있으며, 노드 A의 전위는 항상 일정(앰프 고유의 입력 전위)하게 된다(도 6 (g) ~ (i)의 파선). 한편, 포토 다이오드(22)의 전극 상의 노드 B는 트랜지스터(21)가 접속 상태가 되면 노드 A와 단락하므로, 노드 A와 같은 전위가 된다(도 6 (g) ~ (i)의 실선, 예를 들면 시각 t12 ~ t13). 이때, 포토 다이오드(22)에 축적되어 있던 전하가 제n 열 판독용 배선(Rn)을 통하여 적분 회로(42)로 판독되고, 포토 다이오드(22)는 리셋된다. 또, 이때, 트랜지스터(21)의 제어 단자와 각 전류 단자 사이에 존재하는 기생 용량 PC에 의하여, 제어 단자와 각 전류 단자 사이에 전하가 축적된다.
그 후, 트랜지스터(21)를 비접속 상태로 하기 위하여, 트랜지스터(21)의 제어 단자에 인가되는 전압이 저하한다. 이에 의하여, 제어 단자에 인가되는 전압의 저하폭(온 전압과 오프 전압과의 차)에 따른 양의 전하 ΔQ가 포토 다이오드(22)로 흘러든다. 그리고, 전하 ΔQ의 전하량에 따른 전위차가 포토 다이오드(22)의 양단에 발생하므로, 노드 B의 전위는 그 전위차의 분만큼 저하하게 된다. 또한, 노드 B의 전위 변동 ΔVb는 포토 다이오드(22)의 용량 Cpd, 제어 단자의 온 전압과 오프 전압과의 차이 ΔVg 및 트랜지스터(21)의 기생 용량 PC를 이용하여 다음의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
ΔVb = ΔQ／Cpd = ΔVg·PC／Cpd ···(1)
특히, 아모퍼스 실리콘 또는 저온 다결정 실리콘으로 이루어진 영역을 포함하는 트랜지스터에 있어서는 PC 및 ΔVg가 단결정 실리콘으로 이루어진 트랜지스터와 비교하여 크기 때문에, 노드 B에 있어서의 전위 변동 ΔVb는 현저하게 커진다. 또, 아모퍼스 실리콘 또는 저온 다결정 실리콘으로 이루어진 영역을 포함하는 트랜지스터의 오프 저항은 단결정 실리콘으로 이루어진 트랜지스터의 오프 저항보다 작기 때문에, 전류 단자 간의 리크의 크기가 무시할 수 없는 크기가 된다. 앞서 언급한 노드 B의 전위 변동 ΔVb에 의하여 트랜지스터의 전류 단자 간에는 전위차가 발생하고 있으므로, 트랜지스터(21)의 리크에 의하여 시간의 경과와 함께 노드 B의 전위는 노드 A의 전위에 가까워진다(상승한다). 또한, 도 6 (g) ~ (i)의 실선은 이와 같은 노드 B의 전위 변화를 나타내고 있으며, 포토 다이오드(22)에 있어서의 입사광에 의한 전하의 축적은 고려하지 않고 있다. 즉, 도 6 (g) ~ (i)의 실선은 포토 다이오드(22)의 오프셋 성분을 나타내고 있다.
이와 같이 트랜지스터(21)의 기생 용량의 크기나 오프 저항이 유한한 점에 기인하여, 포토 다이오드(22)의 오프셋 성분(노드 B의 전위)이 시간적으로 변동하는 문제가 발생한다. 이와 같이 포토 다이오드(22)의 오프셋 성분이 시간적으로 변동하면, 포토 다이오드(22)로부터 출력되는 전하량이 축적 기간의 설정치의 장단에 따라 변동하여 버리므로, 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 저하시키는 요인이 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 실시형태의 고체 촬상 장치(10)는 전위 변경 수단(전위 변경용 스위치(50))을 구비하고 있다. 도 8은 본 실시형태에 관한 고체 촬상 장치(10)의 동작을 설명하는 타이밍 차트로서, 위에서부터 차례로, (a) 리셋 제어 신호(RE), (b) 제1 행 선택 제어 신호(VS1), (c) 제2 행 선택 제어 신호(VS2), (d) 제M 행 선택 제어 신호(VSM), (e) 유지 제어 신호(Hd), (f) 제1 열 선택 제어 신호(HS1) ~ 제N 열 선택 제어 신호(HSN), (g) 전위 변경 제어 신호(DLS), (h) 제1 행 화소(P1 , 1 ~ P1 , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (i) 제2 행 화소(P2 , 1 ~ P2 , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (j) 제M 행의 화소(PM , 1 ~ PM , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위를 각각 나타내고 있다.
도 6 및 도 8에 나타낸 각 차트에서 다른 점은 전위 변경 제어 신호(DLS)에 관한 차트의 유무 및 포토 다이오드(22)의 전극 전위의 파형이다. 본 실시형태의 고체 촬상 장치(10)에서는 축적 기간에 포함되는 시각 t21에서 t22까지의 기간, 전위 변경용 스위치(50)의 접속 상태가 변경된다. 이에 의하여, 노드 A의 전위가 전위 Vdr과 동일해진다. 이 전위 Vdr은 축적 기간에 있어서의 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)의 포토 다이오드(22)의 전극 전위와 동등한 정전위(定電位)(즉, 상기 전위 변동 ΔVb를 고려한 전위)로 설정되어 있으므로, 시각 t21에서 t22까지의 기간, 트랜지스터(21)의 전류 단자 간에 발생하는 전위차가 작게 억제된다. 그 결과, 트랜지스터(21)의 전류 단자 간의 리크가 억제되어 포토 다이오드(22)에 있어서의 오프셋 성분의 시간적 변동을 저감할 수 있다. 따라서, 이 고체 촬상 장치(10)에 의하면, 포토 다이오드(22)로부터 출력되는 전하량을 축적 기간의 길이에 의존하지 않고 안정시킬 수 있어, 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치(10)에 의한 이와 같은 효과는 판독 기간과 비교하여 축적 기간이 충분히 길 때 현저해진다. 도 6에 있어서, 축적 기간이 길수록 포토 다이오드(22)의 전극 전위의 변동이 커지기 때문이다.
또, 본 실시형태에 있어서는 트랜지스터(21)의 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)이 다결정 실리콘으로 이루어진다. 최근, 예를 들면 의료용도(치과의 X 선 촬영 등)로 이용되는 2 차원 플랫 패널 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자에는 보다 넓은 수광면이 요구되고 있다. 그러나, 종전의 고체 촬상 소자와 같이 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 수광부를 제작해서는 가장 큰 것이라도 직경 12 인치라는 단결정 실리콘 웨이퍼의 크기에 기인하여 고체 촬상 소자의 수광면의 넓이가 제한되어 버린다. 이에 대하여, 예를 들면 유리 기판 등 절연 기판 상에 다결정 실리콘을 성막하고, 이 다결정 실리콘의 표면에 포토 다이오드나 다른 트랜지스터 등의 전자 부품을 형성함으로써, 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 형성되는 종래의 고체 촬상 소자와 비교하여 수광면을 현격히 넓게 하는 것이 가능해진다.
또, 트랜지스터(21)의 이들 영역(21a ~ 21c)이 다결정 실리콘으로 이루어진 경우, 단결정 실리콘으로 이루어진 트랜지스터와 비교하여, 제어 단자와 전류 단자 사이의 기생 용량이 커져 버린다. 그러나, 본 실시형태의 고체 촬상 장치(10)에 의하면, 상술한 우수한 효과에 의하여, 기생 용량의 증대에 따른 영향을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 트랜지스터(21)의 채널 영역(21a), 소스 영역(21b) 및 드레인 영역(21c)은 아모퍼스 실리콘으로 이루어져도 좋으며, 다결정 실리콘 및 아모퍼스 실리콘의 쌍방으로 이루어져도 좋다. 이 경우에 있어서도, 상술한 본 실시형태의 고체 촬상 장치(10)에 의한 효과를 바람직하게 얻을 수 있다.
다만, 프레임률이 빠른 경우, 아모퍼스 실리콘으로 이루어진 트랜지스터(21)에서는 비접속 상태로 하였을 때 과도적으로 전하가 트랩되어 버리는 문제가 있다(이른바 메모리 효과(memory effect)). 아모퍼스 실리콘은 비정질이기 때문에, FET의 채널에 전하를 트랩하는 준위의 밀도가 높아지기 때문이다. 이에 대하여, 다결정 실리콘(특히, 저온 다결정 실리콘)은 트랩 준위의 밀도가 낮기 때문에, 트랜지스터(21)를 다결정 실리콘으로 구성함으로써, 이와 같은 메모리 효과의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는 전위 변경 수단이 N 개의 판독용 배선(R1 ~ RN)과 N 개의 적분 회로(42) 사이에 설치된 N 개의 전위 변경용 스위치(50)를 포함하고 있고, 그 N 개의 전위 변경용 스위치(50)가 N 개의 판독용 배선(R1 ~ RN) 각각을, 다른 전위 Vdr을 공급하기 위한 배선(52) 및 N 개의 적분 회로(42) 중 어느 일방에 선택적으로 접속한다. 전위 변경 수단이 이와 같은 구성을 가짐으로써, 판독용 배선(R1 ~ RN)의 전위를 적분 회로(42)의 입력 전위와는 다른 전위 Vdr로 바람직하게 변경할 수 있다.
(제1 변형례)
도 9 및 도 10은 상기 실시형태에 관한 고체 촬상 장치(10)의 제1 변형례를 나타낸 도면이다. 도 9는 본 변형례에 있어서의 고체 촬상 장치(10A)의 내부 구성을 나타낸 도면이다. 도 10은 이 고체 촬상 장치(10A)에 있어서의 화소(Pm , n), 적분 회로(42A) 및 유지 회로(44)와 이들의 주변 회로의 구성을 나타내고 있다.
본 변형례에 관한 고체 촬상 장치(10A)와 상기 실시형태와의 차이점은 전위 변경 수단 및 적분 회로의 구성이다. 본 변형례에 관한 고체 촬상 장치(10A)는 전위 변경 수단으로서 도 4에 나타낸 N 개의 전위 변경용 스위치(50)를 대신하여 스위치(56) 및 배선(58)을 가진다. 스위치(56)는 입력단(56a)(제1 입력단), 입력단(56b)(제2 입력단) 및 출력단(56c)을 가지고 있으며, 입력단(56a 및 56b) 중 어느 하나와 출력단(56c)을 상호 선택적으로 접속한다. 입력단(56a 및 56b) 중 어느 하나를 출력단(56c)에 접속할지의 선택은 제어부(6)로부터 제공되는 전위 변경 제어 신호(DLS)에 의하여 행해진다. 구체적으로는 스위치(56)의 접속 상태를 제어하기 위하여 스위치(56)가 가지는 제어 단자는, 스위치(56)에 접속된 전위 변경 배선(60)을 통하여 제어부(6)에 접속되어 있다. 제어부(6)는 스위치(56)의 변경 동작을 지시하기 위한 전위 변경 제어 신호(DLS)를 전위 변경 배선(60)을 통하여 스위치(56)에 제공한다.
또, 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 변형례의 적분 회로(42A)는 도 5에 나타낸 앰프(42a)를 대신하여 차동 앰프(차동 증폭기)(42d)를 가진다. 차동앰프(42d)의 두 개의 입력단 중 일방은 당해 열의 판독용 배선(R1 ~ RN)이 접속되어 있다. 스위치(56)의 출력단(56c)은 차동앰프(42d)의 두 개의 입력단 가운데 판독용 배선(R1 ~ RN)이 접속된 입력단과는 다른 입력단에 배선(58)을 통하여 접속되어 있다. 스위치(56)의 일방의 입력단(56a)에는 포토 다이오드(22)의 전하를 판독할 때, 포토 다이오드(22)를 리셋하기 위한 전위 Vdr1이 인가된다. 스위치(56)의 타방의 입력단(56b)에는 전위 Vdr1과는 다른 전위 Vdr2가 인가된다. 전위 Vdr2는 상기 실시형태에 있어서의 전위 Vdr에 상당하고, 예를 들면 축적 기간에 있어서의 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)의 포토 다이오드(22)의 전극 전위와 동등(동일 또는 가까운 값)한 정전위로 설정된다.
이와 같이 본 변형례에 있어서는 전위 변경 수단이 스위치(56) 및 배선(58)으로 구성되어 있으며, 차동 앰프(42d)의 타방의 입력단에 입력되는 전위(레퍼런스 전위)를 변경함으로써, 판독용 배선(R1 ~ RN)의 전위를 적분 회로(42A)의 일방의 입력단의 전위와는 다른 전위 Vdr2로 변경한다. 전위 변경 수단은 이와 같은 구성을 가져도 좋으며, 본 변형례의 고체 촬상 장치(10A)는 상술한 실시형태와 같은 효과를 낼 수 있다.
(제2 변형례)
도 11은 상기 실시형태에 관한 고체 촬상 장치(10)의 제2 변형례로서, 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다. 도 11은 위에서부터 차례로, (a) 리셋 제어 신호(RE), (b) 제1 행 선택 제어 신호(VS1), (c) 제2 행 선택 제어 신호(VS2), (d) 제M 행 선택 제어 신호(VSM), (e) 유지 제어 신호(Hd), (f) 제1 열 선택 제어 신호(HS1) ~ 제N 열 선택 제어 신호(HSN), (g) 전위 변경 제어 신호(DLS), (h) 제1 행 화소(P1 , 1 ~ P1 , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (i) 제2 행 화소(P2 , 1 ~ P2, N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (j) 제M 행 화소(PM , 1 ~ PM , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위를 각각 나타내고 있다.
도 8에 나타낸 상기 실시형태에 관한 타이밍 차트와 도 11에 나타낸 본 변형례에 관한 타이밍 차트와 다른 점은 전위 변경 제어 신호(DLS)가 온 상태가 되는 타이밍 및 포토 다이오드(22)의 전극 전위의 파형이다. 본 변형례에 있어서는 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)가 하이 레벨인 기간에 전위 변경 제어 신호(DLS)를 로우 레벨로 하고, 그 이외의 기간에는 변경 제어 신호(DLS)를 하이 레벨로 하는 제어를 실시한다. 본 변형례의 고체 촬상 장치에서는 축적 기간에 포함되는 시각 t21에서 t22까지의 기간에 더하여, 유지 제어 신호(Hd)가 하이 레벨이 되는 시각 t14에서 리셋 제어 신호(RE)가 로우 레벨이 되는 시각 t18까지의 사이(즉, 제어부(6)가 유지 제어 신호(Hd)를 하이 레벨로 하는 시각 t14에서 시각 t15까지의 기간 및 용량 소자(44c)에 유지되어 있던 전압값이 차례로 전압 출력용 배선(48)으로 출력되는 시각 t16에서 시각 t17까지의 기간을 포함하고, 또한, 제어부(6)가 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM) 중 어느 것을 하이 레벨로 하는 기간을 포함하지 않는 기간), 전위 변경용 스위치(50)(또는 도 10에 나타낸 스위치(56))의 접속 상태가 변경된다. 이것에 의하여, 노드 A의 전위가 전위 Vdr(또는 Vdr2)과 동일해진다. 이것에 의하여, 시각 t14에서 시각 t18까지의 기간에 있어서도 트랜지스터(21)의 전류 단자 간의 리크가 억제되고, 포토 다이오드(22)에 있어서의 오프셋 성분의 시간적 변동을 더욱 저감할 수 있다. 따라서, 이 변형례에 따르면, 각 화소(P1 , 1 ~ PM , N)에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
(제3 변형례)
도 12는 상기 실시형태에 관한 고체 촬상 장치(10)의 제3 변형례로서, 고체 촬상 장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다. 도 12는 위에서부터 차례로, (a) 리셋 제어 신호(RE), (b) 제1 행 선택 제어 신호(VS1), (c) 제2 행 선택 제어 신호(VS2), (d) 제M 행 선택 제어 신호(VSM), (e) 유지 제어 신호(Hd), (f) 제1 열 선택 제어 신호(HS1) ~ 제N 열 선택 제어 신호(HSN), (g) 전위 변경 제어 신호(DLS), (h) 제1 행 화소(P1 , 1 ~ P1 , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (i) 제2 행 화소(P2 , 1 ~ P2, N)의 노드 A 및 노드 B의 전위, (j) 제M 행 화소(PM , 1 ~ PM , N)의 노드 A 및 노드 B의 전위를 각각 나타내고 있다.
도 8에 나타낸 상기 실시형태에 관한 타이밍 차트와 도 12에 나타난 본 변형례에 관한 타이밍 차트와 다른 점은 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)가 하이 레벨이 되는 타이밍이다. 본 변형례의 고체 촬상 장치에서는 상기 실시형태에 있어서 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)가 하이 레벨이 되는 시각 t12 ~ t13, 시각 t19 ~ t20 등에 더하여, 리셋 제어 신호(RE)가 하이 레벨로 되어 있는 기간 내(시각 t16 ~ t18 등)에 있어서도 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)가 하이 레벨이 되는 기간을 마련한다.
이와 같이 적분 회로(42)의 용량 소자(42b)의 방전 동작과 병행하여 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)가 하이 레벨이 됨으로써 이하의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 시각 t12 ~ t13의 사이에 포토 다이오드(22)로부터 출력되지 않고, 잔존하고 있던 전하를 트랜지스터(21) 및 판독용 배선(R1 ~ RN)을 지나 적분 회로(42)로 출력하여, 용량 소자(42b)에 축적되어 있던 전하와 함께 방전할 수 있다. 따라서, 포토 다이오드(22)에 축적된 전하가 다음 프레임의 데이터에 중첩하는 이른바 지연 효과에 의한 영향을 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 변형례와 같은 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)의 동작은 상기 제 2 변형례에 적용되는 것도 가능하다. 다만, 이 경우, 행 선택 제어 신호(VS1 ~ VSM)가 하이 레벨인 기간(즉 트랜지스터(21)가 접속 상태로 되어 있는 기간)을 제외한 기간에 전위 변경용 스위치(50)의 변경 동작을 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체 촬상 장치는 상술한 실시형태 및 각 변형례에 한정되는 것은 아니며, 그 밖에 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태 및 각 변형례에서는 유리 기판 상에 다결정 실리콘이나 아모퍼스 실리콘이 성막되어 이루어지는 고체 촬상 장치에 본 발명을 적용한 예를 나타냈으나, 본 발명은 이와 같은 구성에 한정되지 않고, 예를 들면 단결정 실리콘 기판 상에 제작되는 고체 촬상 소자에 대하여도 적용 가능하다.
또한, 상술한 실시형태 및 각 변형례에서는 각 화소가 가지는 트랜지스터(21)로서 FET을 예시했지만, 트랜지스터(21)는 바이폴라 트랜지스터(BJT)이어도 좋다. 그 경우, 제어 단자는 베이스를, 전류 단자는 콜렉터 또는 이미터를 의미한다. 또, 상기 실시형태에서는 M×N 개의 화소를 가지는 수광부에 대하여, 전위 변경 수단이 N 개의 판독용 배선의 전위를 N 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 구성으로 하고 있지만, 이와 같은 구성에 한정하지 않고, 일반적으로 전위 변경 수단은, K를 1 이상 N 이하의 정수로 하여, N 개의 판독용 배선에 포함되는 K 개의 판독용 배선의 전위를, 대응하는 K 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 구성이면 된다.
상기 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에서는 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 트랜지스터를 각각 포함하는 M×N 개(M은 2 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M행 N열로 2 차원 배열되어 이루어지는 수광부와, 각 열 마다 배설되어, 대응하는 열의 화소에 포함되는 트랜지스터의 타단에 접속된 N 개의 판독용 배선과, N 개의 판독용 배선의 각각을 거쳐 입력되는 전하의 양에 따른 전압값을 생성하는 N 개의 적분 회로를 포함하고, 그 N 개의 적분 회로로부터 출력된 전압값을 차례로 출력하는 신호 출력부와, N 개의 판독용 배선에 포함되는 K 개(K는 1 이상 N 이하의 정수)의 판독용 배선의 전위를, 대응하는 K 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 전위 변경 수단과, 신호 출력부에 있어서의 전압값의 출력 동작 및 전위 변경 수단에 있어서의 전위의 변경 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는 M×N 개의 화소에 있어서 발생한 전하의 양에 따른 전압값이 신호 출력부로부터 차례로 출력되는 판독 기간이 경과한 후, 다음 판독 기간이 개시될 때까지 사이에 포함되는 소정의 기간, K 개의 판독용 배선의 전위를 다른 전위로 변경하는 구성을 하고 있다.
또, 고체 촬상 장치는 트랜지스터가 다결정 실리콘 및 아모퍼스 실리콘 중 적어도 어느 한쪽으로 이루어진 영역을 포함하는 구성으로 하여도 좋다. 트랜지스터가 이러한 재료로 이루어진 영역을 포함하는 경우, 단결정 실리콘으로 이루어진 트랜지스터와 비교하여 기생 용량이 커진다. 상기 고체 촬상 장치는 이와 같은 경우에 특히 바람직하다.
또, 고체 촬상 장치는, 전위 변경 수단이 K 개의 판독용 배선과 K 개의 적분 회로 사이에 마련된 K 개의 스위치를 포함하고, 당해 K 개의 스위치가 K 개의 판독용 배선 각각을, 다른 전위를 공급하기 위한 배선 및 K 개의 적분 회로 중 어느 일방에 선택적으로 접속하는 구성으로 하여도 좋다. 전위 변경 수단이 이와 같은 구성을 가짐으로써, 판독용 배선의 전위를 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 바람직하게 바꿀 수 있다. 이 경우, K 개의 스위치는 단결정 실리콘으로 이루어진 영역을 포함하여도 좋다.
또, 고체 촬상 장치는 K 개의 적분 회로의 각각이 차동 증폭기 및 그 차동 증폭기의 일방의 입력단과 출력단 사이에 접속된 용량 소자를 포함하고, 전위 변경 수단이 제1 및 제2 입력단과 출력단을 가지고, 제1 및 제2 입력단 중 어느 하나와 출력단을 선택적으로 접속하는 스위치를 포함하고, 출력단이 차동 증폭기의 타방의 입력단에 접속되어 있으며, 제1 입력단에는 입력 전위에 상당하는 전위가 인가되고, 제2 입력단에는 다른 전위가 인가되는 구성으로 하여도 좋다. 전위 변경 수단이 이와 같은 구성을 가짐으로써, 판독용 배선의 전위를 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 바람직하게 변경할 수 있다.
또한, 상기 고체 촬상 장치에 있어서, 전위 변경 수단은 K=N으로 하여, N 개의 판독용 배선의 전위를 N 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 구성으로 하여도 좋다. 즉, 고체 촬상 장치는 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 트랜지스터를 각각 포함하는 M×N 개(M은 2 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M 행 N 열로 2 차원 배열되어 이루어지는 수광부와, 각 열 마다 배설되어, 대응하는 열의 화소에 포함되는 트랜지스터의 타단에 접속된 N 개의 판독용 배선과, N 개의 판독용 배선의 각각을 거쳐 입력되는 전하의 양에 따른 전압값을 생성하는 N 개의 적분 회로를 포함하고, 그 N 개의 적분 회로로부터 출력된 전압값을 차례로 출력하는 신호 출력부와, N 개의 판독용 배선의 전위를 N 개의 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 전위 변경 수단과, 신호 출력부에 있어서의 전압값의 출력 동작 및 전위 변경 수단에 있어서의 전위의 변경 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는 M×N 개의 화소에 있어서 발생한 전하의 양에 따른 전압값이 신호 출력부로부터 차례로 출력되는 판독 기간이 경과한 후, 다음 판독 기간이 개시될 때까지 사이에 포함되는 소정의 기간, N 개의 판독용 배선의 전위를 다른 전위로 변경하는 구성을 하고 있어도 좋다.
이 경우, 고체 촬상 장치는, 전위 변경 수단이 N 개의 판독용 배선과 N 개의 적분 회로 사이에 마련된 N 개의 스위치를 포함하고, 당해 N 개의 스위치가 N 개의 판독용 배선 각각을, 다른 전위를 공급하기 위한 배선 및 N 개의 적분 회로 중 어느 일방에 선택적으로 접속하는 구성으로 하여도 좋다. 전위 변경 수단이 이와 같은 구성을 가짐으로써, 판독용 배선의 전위를 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 바람직하게 바꿀 수 있다. 이 경우, N 개의 스위치는 단결정 실리콘으로 이루어진 영역을 포함하여도 좋다.
또, 고체 촬상 장치는 N 개의 적분 회로의 각각이 차동 증폭기 및 그 차동 증폭기의 일방의 입력단과 출력단 사이에 접속된 용량 소자를 포함하고, 전위 변경 수단이 제1 및 제2 입력단과 출력단을 가지고, 제1 및 제2 입력단 중 어느 하나와 출력단을 선택적으로 접속하는 스위치를 포함하고, 출력단이 차동 증폭기의 타방의 입력단에 접속되고 있으며, 제1 입력단에는 입력 전위에 상당하는 전위가 인가되고, 제2 입력단에는 다른 전위가 인가되는 구성으로 하여도 좋다. 전위 변경 수단이 이와 같은 구성을 가짐으로써, 판독용 배선의 전위를 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 바람직하게 바꿀 수 있다.
본 발명은 각 화소에 있어서의 입사광의 검출 정밀도를 높일 수 있는 고체 촬상 장치로서 이용 가능하다.
6…제어부, 10, 10 A…고체 촬상 장치, 12…유리 기판, 14…다결정 실리콘막, 16…절연층, 18…신틸레이터, 20…수광부, 21…트랜지스터, 22…포토 다이오드, 30…수직 시프트 레지스터부, 40…신호 출력부, 41…칩, 42…적분 회로, 42a…앰프, 42b…용량 소자, 42c…방전용 스위치, 42d…차동 앰프, 44…유지 회로, 44a…입력용 스위치, 44b…출력용 스위치, 44c…용량 소자, 50…전위 변경용 스위치, 56…스위치, 61…수평 시프트 레지스터부, A, B…노드, DLS…전위 변경 제어 신호, Hd…유지 제어 신호, HS1 ~ HSN…열 선택 제어 신호, P1 , 1 ~ PM , N…화소, Q1 ~ QM…행 선택용 배선, R1 ~ RN…판독용 배선, RE…리셋 제어 신호, U1 ~ UN…열 선택용 배선, VS1 ~ VSM…행 선택 제어 신호.

Claims (5)

  1. 포토 다이오드 및 그 포토 다이오드에 일단이 접속된 트랜지스터를 각각 포함하는 M×N 개(M은 2 이상의 정수, N은 2 이상의 정수)의 화소가 M 행 N 열로 2 차원 배열되어 이루어지는 수광부와,
    각 열 마다 배설(配設)되어, 대응하는 열의 상기 화소에 포함되는 상기 트랜지스터의 타단에 접속된 N 개의 판독용 배선과,
    상기 N 개의 판독용 배선의 각각을 거쳐 입력되는 전하의 양에 따른 전압값을 생성하는 N 개의 적분 회로를 포함하고, 그 N 개의 적분 회로로부터 출력된 전압값을 차례로 출력하는 신호 출력부와,
    상기 N 개의 판독용 배선에 포함되는 K 개(K는 1 이상 N 이하의 정수)의 판독용 배선의 전위를, 대응하는 K 개의 상기 적분 회로의 입력 전위와는 다른 전위로 변경하는 전위 변경 수단과,
    상기 신호 출력부에 있어서의 전압값의 출력 동작 및 상기 전위 변경 수단에 있어서의 전위의 변경 동작을 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 M×N 개의 화소에 있어서 발생한 전하의 양에 따른 전압값이 상기 신호 출력부로부터 차례로 출력되는 판독 기간이 경과한 후, 다음 판독 기간이 개시될 때까지 사이에 포함되는 소정의 기간, 상기 K 개의 판독용 배선의 전위를 상기 다른 전위로 변경하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 트랜지스터가 다결정 실리콘 및 아모퍼스(amorphous) 실리콘 중 적어도 하나로 이루어지는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전위 변경 수단은, 상기 K 개의 판독용 배선과 상기 K 개의 적분 회로 사이에 마련된 K 개의 스위치를 포함하고, 그 K 개의 스위치가 상기 K 개의 판독용 배선 각각을, 상기 다른 전위를 공급하기 위한 배선 및 상기 K 개의 적분 회로 중 어느 일방에 선택적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 K 개의 스위치가 단결정 실리콘으로 이루어지는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 K 개의 적분 회로의 각각이 차동 증폭기 및 그 차동 증폭기의 일방의 입력단과 출력단 사이에 접속된 용량 소자를 포함하고,
    상기 전위 변경 수단이 제1 및 제2 입력단과 출력단을 가지고, 상기 제1 및 제2 입력단 중 어느 하나와 상기 출력단을 선택적으로 접속하는 스위치를 포함하고,
    상기 출력단이 상기 차동 증폭기의 타방의 입력단에 접속되어 있고,
    상기 제1 입력단에는 상기 입력 전위에 상당하는 전위가 인가되고,
    상기 제2 입력단에는 상기 다른 전위가 인가되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
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