JPS58131766A - 固体撮像装置 - 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】 本発明は、複数の撮像画素が配列形成された固体撮像素
子と撮像画素に対する走査回路とを備えて構成される固
体撮像装置に関し、特に、静止画撮像出力信号を得るに
あたって機械的シャッターを不要とし次固体撮像装置に
関する、っ光電変換部とスイッチング素子との組合せで
形成される撮像画素が、多数所定のパターン、グ］えば
、行列配置をもって２次元的に配列された受光面を有す
る固体撮像素子と、斯かる固体撮像素子のスイッチング
素子を選択的に開状態として、各撮像画素の光電変換部
で得られる信号電荷にもとずく撮像出力信号を導出せし
める走査回路とを、主要構成要素とする固体撮像装置が
提案されている１、この場合、固体撮像素子に於ける各
スイッチング素子は、［Ｆ＋１えば、ＭＯ８形電界効果
トランジスタ（以下、ＭＯＳ−ＦＥＴという）で構成さ
れ、また、光電変換部は、スイッチング素子の個々に対
応して形成された多数の受光ダイオードで、あるいは、
スイッチング素子の一次元的配列上に形成された光電変
換薄膜層で構成される、。

この様な固体撮像装置で静止画撮像出力信号を得る場合
、１ｊ１］ち、いわゆるステイル畳カメラを構成する場
合には、固体撮像素子の受光面の前方に、開閉可能とさ
れた機械的シャッターが設けられる。

この機械的７ヤツターは通常閉状態にあって撮像時にの
み短時間開状態とされ、閉状態にあるときは受光面への
入射光が遮られ、開状態とされたときのみ受光面が入射
光を受けて、そのときの被写体像にもとずく撮像信号が
、静止画撮像出力信号として得られるようにされるので
ある。

しかしながら、従来の斯かる機械的シャッターが設けら
れる固体撮像装置にあっては、シャッター機構が複雑に
なって高価格となる、長期間の使用により機械精度が劣
化してシャッターの信頼性が低下してしまう、シャッタ
ー機構が撮像装置全体の小形化に支障をきたす等々種々
の問題点がある１、 本発明は上述の問題点に鑑み、機械的シャッターを設け
ることなく静止画撮像出力信号を得ることができるよう
にした、電子的シャッター機能部を備える固体撮像装置
を提供するものである、以下、本発明の実施例について
図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る固体撮像装置の一例の概略構成を
等価回路で示す。この等価回路に於いて、／は固体撮像
素子で、この固体撮像素子／には水平方向（矢印Ｈ方向
）及び垂直方向（矢印Ｖ方向）に行列配置されたスイッ
チング素子としてのＭＯ８＠ＦＥＴ　　Ｓ／／〜ｓｍｎ
が配され、これらＭＯ８・ＦＥＴ　Ｓｌｌ−８ｍｎの一
端、例えば、ソースに光電変換部Ｄｚｚ−Ｄｍｎが夫々
接続され、さらに、ＭＯ８ＩＩＦＥＴ　Ｓｌ／〜Ｓｍｎ
のソースと光電変換部Ｄ／／〜Ｉ）ｍｎとの接続点の夫
々に、同じくスイッチング素子としてのＭｏＳ・ＦＥＴ
　Ｑｚｌ−Ｑｍｎのソースが接続されており、これらＭ
Ｏ８・ＦＥＴ　　Ｓｚｚ−８ｍｎ及びＱｚｌ−Ｑｍｎと
光電変換部Ｄ／／〜Ｉ）ｍｎにより受光明が構成されて
いる。ここで、各ＭＯ８−ＦＥＴ　Ｓｌｌ−８ｍｎのひ
とつと、光電変換部Ｄｚｌ−Ｄｍｎのひとつと、ＭＯ８
−ＦＥＴＱｌｌ−Ｑｍｎのひとつとの組合せが撮像画素
を形成しており、その具体的構成は第２図及び第３図に
示される如くである。

第２図Ａは固体撮像素子／の具体的構成の一例に於ける
、ひとつの撮像画素が形成される部分の断面を示す。こ
の例では、Ｐ形の半導体基体２にＮ形の領域３．夕及び
左が形成されている。そして、領域３及びグに跨って絶
縁層６を介してゲート電極７が設けられ、例えば、領域
３をドレイン領域とし領域ダをソース領域とする、ＭＯ
８−ＦＥＴＳｌ／〜ＳｍｎのひとつであるＭＯ８−ＦＥ
ＴＳが構成されている。ｇはＭＯ８−ＦＥＴ　　Ｓのト
ノイン電極である。また、領域ｑ及びＳに跨って絶縁層
ヲを介してゲート電極／θが設けられ、例えば、領域３
をドレイン領域として領域ｑをソース領域とする、ＭＯ
Ｓ　ｅ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　　Ｑ／ｚ〜Ｑｍｎのひとつである
ＭＯ８−ＰＥＴ　　Ｑが構成されている。／／はＭＯ８
−ＰＥＴ　　Ｑのトノイン電極である。さらに、半導体
基体コと領域ダとの間のＰ゛−Ｎ接合部で、光電変換部
Ｄｌｌ−Ｄｍｎのひとつである光電変換部りを形成する
受光ダイオードが構成されており、領域ｑに入射される
光の光電変換がなされる。この場合、半導体基体コは接
地されて用いられ、従って、斯かる光電変換部りが受光
ダイオードで形成された第２図Ａに示される例は、等価
回路的には、ＭＯ８−ＦＥＴ　　Ｓ及びＱのサプス）ｌ
／−）が接地され、光電変換部りを形成する受光ダイオ
ードのアノードに接地電位が与えられた第２図Ｂに示さ
れる如くのものとなる。

第３図Ａは固体撮像素子／の具体的構成の他の例に於け
る、ひとつの撮像画素が形成される部分の断面を示す。

このＦｌに於いても、Ｐ形の半導体基体λにＮ形の領域
３．’ｌ及びＳが形成され、領域３とグに跨って絶縁層
６を介してゲート電極７が設けられて、領域３及びグを
夫々ドレイン領域及びソース領域とする、ＭＯ８ＬＩＦ
ＥＴ　Ｓ／／〜ＳｍｎのひとつであるＭＯ８参ＦＥＴ　
　Ｓが構成され、また、領域ｑと５に跨って絶縁層９を
介°してゲート電極１０が設けられて、領域左とダを夫
々ドレイン領域及びソース領域とする。ＭＯ８−ＦＥ　
Ｔ　　Ｑ　ｔ　ｔ　＝　ＱｍｎのひとつであるＭＯ８−
ＦＥＴＱが構成されている。そして、領域３に設けられ
たＭＯＳ−ＦＥＴ　　Ｓのドレイン電極ｇ及び領域Ｓに
設けられたＭＯＳ−ＦＥＴ　　Ｑのドレイン電極／／の
他に、領域ダにＭＯＳ−ＦＥＴ　　Ｓ及びＱに共通のソ
ース電極／２が設けられている。斯かるＭＯＳ−ＦＥＴ
　　Ｓ及びＱが構成される部分上に、ソース電極上を除
いて、絶縁層／３が配され、その上に、例えば、アルミ
ニウム層で形成された電極／グが配され、この電極／ｌ
はソース電極／λに接続されている、そして、電極ｌｌ
Ｉ上に、例えば、アモルファス・シリコン薄膜で形成さ
れた光電変換層／Ｓが配され、さらに、光電変換層／左
の上には透明電極（ターゲット電極）／乙が配されてい
る。このＭＯＳ−ＰＥＴ　　Ｓ及びＱが構成される部分
上に拡がる光電変換層／Ｓの一部分が、光電変換部Ｄｚ
７−Ｄｍｎのひとつである光電変換部りを形成している
のである。即ち、本例に於いては、光電変換部Ｄ／／〜
Ｄｍ、ｎの夫々は独立した受光ダイオード等の受光素子
で形成されているのではなく、受光面に拡がる光電変換
層／Ｓの一部分で形成されているのであ・る。なお、受
光面への光はターゲット電極／乙を透過して入射せしめ
られる。この場合、半導体基体コは接地され、また、タ
ーゲット電極／乙には所定の直流電圧であるターゲット
電圧ＶＴが供給されて用いられる。

従って、斯かる光電変換部りが光電変換薄膜層で形成さ
れた第３図Ａに示される例は、等価回路的には、ＭＯＳ
−ＦＥＴ　　Ｓ及びＱのサブストノートが接地され、光
電変換部りの一端にターゲット電圧ｖＴが与えられた、
第３図Ｂに示される如くのものとなる。

再び第１図の等価回路に於いて、上述の各撮像画素を形
成するＭＯＳ−ＦＥＴ　Ｓｌ／〜Ｓｍｎのうちの各水平
方向の行を構成するもののゲートは共通接続され、第一
の垂直走査回路／りのｍ個の出力端ｖｌ−ｖｍに夫々接
続される。また、ＭＯＳ・ＦＥＴ　Ｓｌｌ−８ｍｎのう
ちの各垂直方向の列を構成するもののドレインが共通接
続されて、スイッチング素子としてのＭＯ８ＬＩＦＥＴ
　Ｔｌ〜Ｔｎの各ソースへ夫々接続される。これらのＭ
ＯＳ”ＦＥＴ　　Ｔｉ”’−ＴＨの各ゲートは水平走査
回路／ｇのｎ個の出力端ｈ／〜ｈ、に夫々接続され、ま
た、各ドレインは共通接続され、出力抵抗素子／９を介
して動作電圧ｖｖを供給する電源２０に接続される、そ
して、ＭＯＳ−ＦＥＴ　　Ｔ／〜Ｔｎのドレインの共通
接続点と出力抵抗素子／ｑの間から出力端子２／が導出
される。なお、第一の垂直走査回路／７は、そのｍ個の
出力端Ｖ／〜ｖｍに、位相が順次異なる走査パルスφＶ
／〜φｖｍを夫々発生して、ＭＯＳ−ＦＥＴ　Ｓｌｌ−
８ｍｎを、行を構成するもの毎に順次開状態とする制御
を行い、また、水平走査回路／ｇは、そのｎ個の出力端
り、−ｈｎに、走査パルスφＶ／〜φｖｍより充分高い
周波数の、位相が順次異なる走査パルスφｈ／〜φｈｎ
を夫々発生して、ＭＯＳ・ＦＥＴ　　Ｔｔ〜Ｔｎを順次
開状態とする制御を行う。

′また、ＭＯ８＠ＦＥＴ　Ｑｌｌ−Ｑｍｎのうちの各水
平方向の行を構成するもののゲートも共通接続され、第
二の垂直走査回路２．２のｍ個の出力端ｖ　、　／〜ｖ
ｍ′に夫々接続されている。この第二〇垂直走査回路２
２はＭＯ８＊ＦＥＴ　　Ｑｌｌ−Ｑｍｎの開・閉制御を
行う。そして、ＭＯＳ　−ＦＥＴＱｌｌ−Ｑｍｎの夫々
のドＶイ／は共通接続されて、電源２０に直接接続され
ている。

さらに、光電変換部Ｄ　／　／　”＝　Ｄｍ　ｎの夫々
の、ＭＯ８ＬＩＦＥＴ　Ｓｌｌ〜Ｓｍｎの夫々のソース
及びＭＯＳ−Ｆ　Ｅ　Ｔ　　Ｑｌｌ−Ｑｍｎの夫々のソ
ースに接続された側とは反対側の端部は、共通接続され
て端子２３が導出されており、この端子２３には所定の
電位が与えられる。例えば、光電変換部Ｄ／／〜Ｉ）ｍ
ｎが、第２図に示される例の如く、受光ダイオードで形
成されている場合には端子Ω３には接地電位が与えられ
、第３図に示されるレリの如く、光電変換薄膜層で形成
されている場合には、所定のターゲット電圧ＶＴに対応
する電位が与えられる。。

上述の如くに構成された本発明に係る固体撮像装置に於
いて、固体撮像素子／の受光面の各撮像画素に被写体か
らの光が入射すると、光電変換部Ｄｌｌ−Ｄｍｎで光電
変換が行われて、各撮像画素への入射光量に応じた電荷
が発生する。この電荷がＭＯ８−ＦＥＴ　８７７〜８ｌ
ｎの夫々のソースに蓄積される場合に信号電荷が得られ
ることになるのであるが、ＭＯ８ＬＩＦＥＴ　Ｑｌｌ−
Ｑｍｎが開状態にあると、光電変換部ＤｚＡ−Ｄｍｎで
発生した電荷は、ＭＯ８−ＦＥＴ　　Ｑｌｚ−Ｑｍｎを
通じて、ＭＯ８−Ｆ　Ｅ　Ｔ　　Ｑｌｌ−Ｑｍｎの夫々
のドレインと電源２０とを結ぶ直接接続路へと排除され
てしまい、ＭＯ８−ＦＥＴ　Ｓｌｌ−８ｌｎのソースに
は蓄積されない。即ち、ＭＯ８・ＦＥＴ　９７７〜９ｌ
ｎが開状態にあるときには、光電変換部Ｄｚｌ−Ｄｍｎ
により得られる電荷は信号電荷とはならないのである、
一方、ＭＯ８−ＦＥＴ　９１７〜９ｌｎが閉状態にある
と、光電変換部Ｄｌｚ−Ｄｍｎで発生した電荷はＭＯ８
−ＦＥＴ　Ｓｌｌ−８ｌｎが開状態にあるとき以外は、
ＭＯ５−ＦＥＴ　　Ｓｚｌ−８ｌｎの夫々のソースに蓄
積されて、各撮像画素に入射光量に応じた信号電荷が得
られることになる７）従って、ＭＯ８・Ｆ　Ｅ　Ｔ　　
Ｑｌｌ−Ｑｍｎが開状態とされるときがシャッターが閉
状態とされたことに相当し、ＭＯ８Ｌ１ＦＥＴ　９１７
〜９ｌｎが同時にもしくは選択的に順次閉状態とされる
ときがシャッターが開状態とされ次ことに相当している
のであり、いわば、電子シャッターが形成されることに
なる１、そこで、ＭＯ８−ＦＥＴ　Ｑｌｌ−Ｑｍｎが同
時にもしくは選択的に順次閉状態とされる時間を短時間
とし、この短時間に各撮像画素に得られる信号電荷にも
とすく信号を、ＭＯ８−ＦＥＴ　Ｓｌｌ−８ｌｎを介し
て順次導出すれば、静止画撮像出力信号を得ることがで
きることになる。

ＭＯ８＠ＦＥＴ　Ｑ／ｌ〜Ｑｍｎの開・閉は第二の垂直
走査回路、２２で制御されるのであるが、静止画撮像時
には、この第二の垂直走査回路２２はそのｍ個の出力端
ｖ　、　／〜ｖｍ′に走査信号Φｌ〜Φｍを発生し、Ｍ
Ｏ８−ＦＥＴ　Ｑｌｌ−Ｑｍｎの各水平方向の行を構成
するもののゲートに夫々供給する。

走査信号Φ／〜Φ□は、第を図Ａに示される如く、各々
が、一定時間Ｔａ２間のみ低レベルとなり、他の時間で
は高Ｖペルをとる信号で、この一定時間Ｔ８の期間が走
査信号Φ／から走査信号Φ□へと順次、映像信号の７水
平期間ｔｈずつ遅れていくものである１、そして、走査
信号Φ／〜Φｍは高ＶペルでＭＯ８−ＦＥＴ　９１７〜
９ｌｎを開状態とし、低レベルでＭＯＳ−Ｆ　Ｅ　Ｔ　
　Ｑｌｌ−Ｑｍｎを閉状態とする、従って、ＭＯ８＠Ｆ
ＥＴ　９７７〜９ｌｎは、水平方向の行を構成するもの
毎に、順次、一定時間Ｔｓだけ閉状態とされることにな
る。

また、この静止画撮像時には、前述の如く第一の垂直走
査回路／７が発生する走査パルスφＶ／〜φｖｍは、第
グ図Ｂに示される如く、映像信号の／水平期間ｔｈの幅
を有すパルスが、映像信号の／垂直期間ｔｖ内に於いて
ｍ個順次発生していき、各パルスが、上述の第二の垂直
走査回路２２が発生する走査信号Φｌ〜Φ□の夫々の低
レベル期間の終端部に夫々対応して位置するようになる
ものとされ、さらに、前述の如く水平走査回路／ざが発
生する走査パルスφｈ／〜φｈｎは、Ｓ＋図Ｃに示され
る如く、走査パルスφＶ／〜φｖｍの夫々の期間内に於
いて、ｎ個の狭幅なパルスが順次発生していくものとさ
れる。ＭＯ８−ＦＥＴ　８７７〜８ｌｎ及びＴ、−Ｔｎ
は、これら各走査パルスがゲートに供給されるとき、開
状態とされる１゜従って、先ず、第二の垂直走査回路２
２からの走査信号Φｌの低レベル部がＭＯ８−ＦＥＴＱ
／／〜Ｑｌｎのゲートに供給されるとき、これらのＭＯ
８Ｌ１ＦＥＴ　Ｑｌ／〜Ｑｌｎが時間Ｔｓの開閉状態と
され、この期間内に於いて、光電変換部Ｄ／／〜Ｄｌｎ
で得られた電荷が信号電荷としてＭＯ８・ＦＥＴ　　５
ｔＡ−８ｔｎのソースに蓄積される３、そして、このＭ
Ｏ８ＬＩＦＥＴ　Ｑ／ｌ〜Ｑｌｎが閉状態にある期間の
終端部で、第一の垂直走査回路／７からの走査パルスφ
Ｖ／がＭＯ８−ＦＥＴ　Ｓｌｌ〜Ｓｌｎのゲートに供給
されて、ＭＯ８−Ｆ’ＥＴＳｌｌ−８ｌｎが開状態とさ
れ、夫々のソースに蓄積された信号電荷にもとすく信号
がＭＯ８−ＦＥＴＴ／〜Ｔｎのソースに伝達される４、
そして、この走査パルスφＶ／の期間に、水平走査回路
／ｇからの走査パルスφｈ／〜φｈｎがＭＯ８−ＦＥＴ
　　↑ｌ〜Ｔｎのゲートに順次供給されて、ＭＯ８−Ｆ
ＥＴ　　’ｒｌ−’ｒｎが順次開状態とされ、これによ
りそれらのソースに伝達されてきていた信号にもとずく
信号電流が出力抵抗素子／ヲを順次流れ、その結果、出
力端子２／にＭｏ８−ＦＥＴ　Ｓｌｌ〜Ｓｌｎに対応す
る撮像画素に於ける信号電荷にもとすく撮像出力信号が
得られる。次に、走査信号Φｌの低レベル部から映像信
号の／水平期間ｔ）１だけ遅れて、走査信号Φ２の低レ
ベル部がＭｏ８・Ｆ　Ｅ　Ｔ　　Ｑｌｌ−Ｑａｎのゲー
トに供給され、これにより、これらのＭｏ８−ＦＥＴ　
Ｑ２／〜Ｑ２ｎが時間Ｔｓの開閉状態とされ、この期間
内に於いて、光電変換部Ｄｘｌ−Ｄ２ｎで得られた電荷
が信号電荷としてＭｏ８−ＦＥＴ　Ｓ２／〜Ｓ２ｎのソ
ースに蓄積される。そして、このＭｏ８＠ＦＥＴ　Ｑ２
１〜Ｑ２ｎが開状態にある期間の終端部で、走査パルス
φｖ２がＭｏ８ＬＩＦＥＴ　Ｓ２／〜Ｓ２ｎのゲートに
供給されて、これらのＭｏ５−ＦＥＴ　Ｓ２１〜Ｓ２ｎ
が開状態とされるとともに、走査パルスφｈ／〜φｈｎ
によりＭｏ８−ＦＥＴ　Ｔｌ−Ｔｎが順次開状態とされ
、上述と同様にして、出力端子、２／にＭｏ８−ＦＥＴ
　５２１−８２ｎに対応する撮像画素に於ける信号電荷
にもとずく撮像出力信号が得られる。以下、同様にして
、第二の垂直走査回路２２からの走査信号Φ３〜Φｍの
夫々の低レベル部がＭｏ８−ＦＥＴ　　Ｑ３ｔ−Ｑ３ｎ
からＱｍｚ〜Ｑｍｎのゲートに順次供給されて、これら
が閉状態にされることにより得られる、Ｍｏ８−ＦＥＴ
　Ｓ３／〜ＳＪｎからＳｍ／〜Ｓｍｎに対応する撮像画
素に於ける信号電荷にもとずく撮像出力信号が、順次、
出力端子２／に得られ、／垂直期間、即ち、／フィール
ドの撮像出力信号が得られる。この様にして、ＭＯＳ　
・Ｆ　ＥＴ　　Ｑｌｌ−Ｑｍｎが閉状態にある期間に各
撮像画素に於いて得られた信号電荷にもとすく信号が、
Ｍｏ８＠ＦＥＴ　Ｓ／ｌ−８ｍｎ及びＭｏ８＠ＦＥＴ　
　Ｔｌ−Ｔｌを介して導出されて、静止画を表わす撮像
出力信号が得られるのである。

なお、上述に於いて、第二の垂直走査回路２２が供給す
る走査信号Φｌ〜Φ□の夫々が低ノベルをとる時間Ｔｓ
の長さを変化せしめれば、いわゆる、シャッター速度調
整ができることになる１、また、本発明に係る固体撮像
装置は、第二の垂直走査回路２２によシ開・閉制御され
るスイッチング素子であるｔＶｌｏｓ−ＦＥＴ　　Ｑｌ
ｌ−Ｑｍｎを常時閉状態としておけば、移動被写体に対
する撮像出力信号を得ることができるものであること勿
論である。

以上説明した如く、本発明に係る固体撮像装置は静止画
撮像出力信号を得るに機械的シャッターを不要とするも
ので、このため、装置全体の構成の簡易化、軽量化及び
小形化がはかれ、また、信頼性が著るしく高められたも
のとなる、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る固体撮像装置の一例の概要を示す
等価回路図、第Ω図Ａ及びＢは第１図に示される例の一
部分の具体的構成の−［Ｆｌｌを示す断面図及びその等
価回路図、第３図Ａ及びＢは第１図に示されるＥｆｌＪ
の一部分の具体的構成の他の例を示す断面図及びその等
価回路図、第９図は本発明に係る固体撮像装置の一１１
ＦＩＪの動作説明に供される図である１ 図中、／は固体撮像素子、コは半導体基体、乙及び９は
絶縁層、７及び１０はゲート電極、／７は第一の垂直走
査回路、７ｇは水平走査回路、／９は出力抵抗素子、２
／は出力端子、Ω）は第二の垂直走査回路、Ｓ　＋　５
ｌｌ−８Ｈ１＋　Ｑ　、　Ｑ／／〜Ｑｍｎ及びＴｚ−Ｔ
ｎはＭｏ８−ＦＥＴ（スイッチング素子）、Ｄ及び−Ｄ
ｌｌ〜Ｉ）ｍｎは光電変換部である。、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 選択的に開状態とされる複数の第一のスイッチング素子
   が所定の配列を形成して配され、さらに、上記複数の第
   一のスイッチング素子の夫々に対応して、該第−のスイ
   ッチング素子との電気的接続がされた光電変換部と該光
   電変換部との電気的接続がされた第二のスイッチング素
   子とが配され、上西１第二のスイッチング素子が開状態
   とされるとき、上記光電変換部により得られる電荷が該
   第二のスイッチング素子を介して排除されて信号電荷と
   ならず、上記第二のスイッチング素子が閉状態とされる
   とき、上記光電変換部により得られる電荷が信号電荷と
   なり、該信号電荷にもとすく信号が上記第一のスイッチ
   ング素子を介して導出されて、撮像出力信号が得られる
   ようにされた固体撮像装置。