JPS62152162A - 一次元半導体撮像装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、−次元半導体撮像装置に関し、更に詳述する
ならば、静電誘導トランジスタを光センサセルとして画
素セルを構成し、これを１列に多数配列し、各画素子セ
ルの光学情報を取り出す走査回路を集積した、−次元半
導体撮像装置に関するものである。

従来の技術 従来、−次元半導体撮像装置の光センサセルとしては、
様々なものが提案され、また、使用されている。その中
で、走査間隔の間に受けた光により生成するキャリアを
蓄積して光信号を出力することができる光電流蓄積型の
光センサセルが現在広く使用されている。その光電流蓄
積型の光センサセルの代表的なものに、光検出用のホト
ダイオードとスイッチ用のＭＯＳ）ランジスタを組合せ
たものがある。この光センサセルは、光検出をホトダイ
オードで行ない、このダイオードで検出した光信号その
ものをＭＯＳ　）ランジスタを介して出力信号として取
り出すようになされている。

発明が解決しようとする問題点 光検出用のホトダイオードとスイッチ用のＭＯＳトラン
ジスタを組合せた光センサセルは、ホトダイオード自体
に増幅作用はなく、またＭＯＳ）ランジスタも増幅素子
としては使用していないので、出力信号レベルが小さく
感度が悪いという欠点があった。従って、かかる従来の
半導体撮像装置では感度の点から集積度を高める上に限
界がある。

また、ホトダイオードとＭＯＳ）ランジスクとの組合せ
では、ＭＯＳトランジスタの速度限界によりその動作速
度が制限される。

更に、従来の一次元半導体撮像装置は、その受光感度の
調整が全く不可能であった。

また、同一基板に複数のホトダイオードを形成している
場合、局所的に強い人力光が照射されると各画素セルか
らの信号電流が混合する問題もあった。

更に、各光センサセルの走査により光信号を読出したあ
とも、各光センサセルに光電荷が残留し、それが次の走
査のときに読出される光信号にとってノイズとなる。そ
のため、従来の半導体撮像装置では、出力パルスを併用
することにより、新たなるリセットパルスを必要と・し
ていた。

そこで、本発明の目的は、このような従来の欠点を改善
して、単位セル当りの出力電流が大きくとれ、また、高
速動作可能な一次元半導体撮像装置を提供することであ
る。

更に、本発明の目的は、受光感度を任意に調整できる一
次元半導体撮像装置を提供することである。

また、本発明の目的は、局所的に強い人力光が照射され
ても各画素セルからのイ酋号電流が混合しない一次元半
導体撮像装置を提供することである。

更に、本発明の目的は、走査パルスとして出力パルスと
リセットパルスを必要としない一次元半導体撮像装置を
提供することである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明の特徴によるならば、複数の光センサ
セルが１列に配列されてなる一次元半導体光センサを使
用してなる一次元半導体撮像装置が提供される。その−
次元半導体撮像装置における各光センサセルは、高抵抗
半導体と、咳高抵抗半導体の互いに対向する部分に形成
されてその間の高抵抗半導体の領域をチャネル領域とす
る第１及び第２の主電極と、該第１及び第２の主電極間
に流れる電流を制御するように前記チャネル領域に接し
た前記高抵抗半導体に設けられた異なる導電型の半導体
領域から成るゲート領域とを有し、光励起によって生じ
た電子−正孔対の１方が、前記ゲート領域に蓄積され、
これによって前記両主電極間の電流を制御しうるように
なされた静電誘導トランジスタから構成されている。そ
して、各静電誘導トランジスタの前記第１の主電極はそ
れぞれ位相の異なる走査信号で開閉される第１のスイッ
チを介して共通のビデオ信７号出力端に接続され、該出
力端は負荷抵抗を介してビデオ電源の１端に接続されて
いる。また、前記第２の主電極は共通にされ、前記ビデ
オ電源の他端に接続され、各静電誘導トランジスタの前
記ゲート電極は、それぞれ第２のスイッチを介して直流
電位に接続され、それら第２のスイッチは、位相の異な
る走査信号で開閉されるようになされている。

本発明による一次元半導体撮像装置の１実施例では、前
記直流電位は接地電位である。また、本発明の別の特徴
によれば、前記直流電位は、可変直流電源であり、該直
流電源の電位により光感度特性が任意に制御できる。

上記した本発明による一次元半導体撮像装置を詳述すれ
ば、前記高抵抗半導体は、一導電型の又は真性の半導体
層であり、前記第１の主電極は、前記一導電型半導体層
の一方の面に形成された一導電型半導体の低抵抗半導体
領域にオーミック接触して設けられ、前記第２の主電極
は、前記半導体層の他方の面に実質的に広がって形成さ
れた一導電型半導体の低抵抗半導体層にオーミック接触
して設けられる。そして、前記ゲート領域は、前記一導
電型と異なる他導電型の半導体領域で構成されている。

更に、本発明による一次元半導体撮像装置の実施例では
、各光センサセルの第２のスイッチの制御端子と、走査
方向に隣接する光センサセルの第１のスイッチの制御端
子とが共通接続されて、同一の走査信号が印加されるよ
うになされる。また、前記第１及び第２のスイッチは、
スイッチングトランジスタにより構成される。

一作月 、以上の本発明による一次元半導体光センサでは、光セ
ンサセルの光検出′部をトランジスタで構成しているの
で、光増幅作用が大きく、従って、各画素セルごとに大
きな出力電流が得られる。

また、そのトランジスタが、静電誘導トランジスタであ
るので、高速動作が可能である。

更に、各光センサセルの第１のスイッチの開成による光
信号の読出しの後、第２のスイッチが閉成されてゲート
領域が直流電位に接続される。その結果、直流電位にゲ
ート領域の電位も制御され、それに伴い、２つの主電極
の間のチャネル領域にできるところの真のゲート点の電
位が、ゲート領域の電位によって制御されるため、真の
ゲート点の電位が任意に設定できる。それ故、２つの主
電極の間に流れる、光入力によって生じるビデオ信号電
流を任意に制御することができる。

また、各光センサセルをなす静電誘導トランジスタは、
ゲート領域により互いに分離されており、加えて、第１
の主電極を第１のスイッチを介してビデオ信号出力端に
接続されているので、局部的に強い光が入射しても、光
電流が混同することはない。

そして、各光センサセルの第２のスイッチの制御端子と
、走査方向に隣接する光センサセルの第２のスイッチの
制御端子とが共通接続されて、同一の走査信号が印加さ
れるようになされると、各画素セルのリセットに要する
パルスを走査回路からの出力パルスを併用することがで
き、新たなるリセットパルスを必要としない。

実施例 以下、添付図面を参照して本発明による一次元半導体撮
像装置の実施例を説明する。

第１図は、本発明の一次元半導体撮像装置に使用される
光センサセルの１つを示す断面図である。

図示の光センサセルは、Ｓｌのｎ＋基板１を有しており
、その基板１の一方の面には、高抵抗なｎ一層（ないし
は真性半導体層）２が形成され、そのｎ一層２には、高
不純物密度のｐ＋領領域らなるゲート領域３が形成され
ている。そのゲート領域３の一部に、ゲート電極５がオ
ーミック接触するように設けられている。

そして、ゲート領域３に囲まれるように、ｎ一層２に、
高不純物密度のｎ＋領領域ら成るソース　　　　□領域
６が形成されている。そのソース領域の頂面上には、ソ
ース電極７がオーミック接触している。

それらゲート電極５及びソース電極７を除＜ｒｖ層２の
表面には、シリコン酸化物（Ｓｉｎ２）膜のような保護
膜８が設けられている。

一方、基板１自体はドレイン領域を構成しており、基板
ｌの他方の面には、全光センサセル共通にドレイン電極
９が設けられている。

更に、ソース電極７は、電界効果トランジスタのような
スイッチング用トランジスタＳＳｐを介してそしてビデ
オ信号線１０を介してビデオ信号出力端１１に接続され
ている。そのビデオ信号線１０は、負荷抵抗ＲＬ栃介し
てビデオ電圧電源■。の一方の端子に接続され、その他
方の端子は、ドレイン電極９に接続されている。

また、ゲート電極５は、同様に電界効果トランジスタの
ようなスイッチング用トランジスタＳＧＰを介して接地
されている。

更に、スイッチングトランジスタＳＳｐ　とＳＧｐの各
ゲートには、ＳＳｐ用制御パルス信号φ２とＳＧｐ用制
御パルス信号φ、や、が図示しない画素選択回路から出
力される。このφ、とφ、＋、とは、φ、＋、がφ、よ
り１クロック分遅れている。

なお、参照番号１２は、光入力を示している。

静電誘導トランジスタとするためには、チャネルとなる
ｎ−領域２の不純物密度は、おおよそＩＸＩＯ１６ｃｍ
−”以下、ゲート、ソース及びドレイン領域の不純物密
度はおおよそ１　×ＩＱＩＩＩｃｍ−３以上とする。ゲ
ート電圧が０■でもドレイン電流が、流れないためには
、拡散電位のみで、ゲートとゲートの間及びチャネルが
既に空乏化するような寸法と不純物密度を選ぶ。

第２図は、第１図の等価回路図である。同図において、
光入力１２により静電誘導トランジスタＴＰのゲート領
域に光励起された正孔が流れ込み光信号の書き込みが行
なわれる。トランジスタＳＳｐのゲートにφ２というパ
ルス電圧が加わり、トランジスタＳＳ、が導通して、ビ
デオ電圧電源■。

が静電誘導トランジスタＴｐにかかり、光入力１２に対
応して、ドレイン電流が生じ、出力端子１１より光出力
信号が得られる。このときφＰＨ１は印加されていない
。φ２が印加されて後、１クロック分遅れてφＰａ１が
トランジスタＳＧｐのゲートに印加され、静電誘導トラ
ンジスタＴＰのゲート領域は、リセットされ、初期状態
に戻る。かくして、光入力１２の強弱によって出力端子
１１の光出力は変化し、大きなダイナミックレンジが得
られ、光増幅率は、１０３　と、従来のバイポーラホト
トランジスタよりも１桁以上高感度である。

本実施例においては、第１図の素子断面構造を有する撮
像素子を単位セルとしてライン状に配列し、個々の単位
セルが１つの独立したトランジスタとして作用し、従来
の撮像セルに比して高速且つ大出力電流の特性が得られ
る。

第３図及び第４図は、本発明による−次元半導体操像装
置の実施例である。第３図は、第１図に示した素子構造
をもつ光センサセルを画素セルとして１列に多数配列さ
れた一次元半導体撮像装置の実施例を表わす要部の電気
回路図である。

画素セル（静電誘導トランジスタ）Ｔ１〜Ｔｎの共通ド
レイン電極は、ビデオ電源Ｖｏの正極に接続されている
。各々の画素セルから信号を読み出すために、静電誘導
トランジスタＴ１〜Ｔｈのソースに接続されたスイッチ
ングトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
など）ＳＳ、〜ＳＳ、、のゲートは、走査回路１３の走
査パルス出力φ１〜φ□の対応する端子に接続されてい
る。そして、スイッチングトランジスタの出力端子は、
共通のビデオ信号線１０に接続されている。そのビデオ
信号線ｌＯは、負荷抵抗ＲＬを介してビデオ電源■。の
負極に接続されている。

一方、静電誘導トランジスタＴ、−Ｔ、、のゲート電極
に接続された別のスイッチングトランジスタ５ＧＩ−３
Ｇ、、のゲートは、走査回路１３の走査パルス出力φ２
〜φ、、＋１の対応する端子に接続されている。すなわ
ち、各光センサセルの静電誘導トランジスタのゲート電
極に接続された別のスイッチングトランジスタＳＧｉ　
のゲートと、走査方向に隣接する光センサセルの静電誘
導トランジスタのソース電極に接続されたスイッチング
トランジスタＳＳｉ、、のゲートとは、共通接続されて
、同一の走査パルス出力φｉが印加されるようになされ
ている。

次に、上記した一次元半導体撮像装置の動作について説
明する。スイッチングトランジスタＳＳＩ〜ＳＳ０が走
査回路１３からの走査パルスφ１〜φ。

により順次オンされると、ビデオ電圧電源Ｖｎの出力電
圧が、各画素セルをなす静電誘導トランジスタのソース
・ドレイン間に順次印加され、負荷抵抗ＲＬを介して、
ビデオ信号電流が流れ、信号として読み出される。光入
力があると発生した正孔は、静電誘導トランジスタＴ、
〜Ｔゎのゲート領域に蓄積されている。ゲート領域に蓄
積された電荷量が、静電誘導トランジスタ毎で異なる場
合、第１図に示すように、ドレイン電極９とソース電極
７の間のチャネル層２にできるところの真のゲート点の
電位が相違することから、ソース・ドレイン間の実効抵
抗が変化し、出力端子１１に現われるビデオ電圧が変化
するものである。云いかえれば、各セルごとの照射光量
雁歴に応じた出力信号を各セル読み出しパルス印加ごと
に独立して、共通のビデオラインを通じて得ることがで
きるわけである。

第３図から明らかなように、スイッチングトランジスタ
ＳＳ１〜ＳＳ、、に印加される読み出しパルスに比べ、
１クロック分遅れたパルスがスイッチングトランジスタ
ＳＧ１〜ＳＧｎのゲートに印加される。

従って、各画素は走査回路から出力されたパルスφ１〜
φ。によって、スイッチングトランジスタＳＳ１〜ＳＳ
、、がオンされて、出力信号が読み出された後、各画素
は１クロック分遅れた走査回路から出力されるφ２〜φ
ｎ＋＋が、スイッチングトランジスタＳＧ、〜ＳＧｎの
ゲートにそれぞれ印加され、各＠素セルのゲート領域は
常に、各画素セルの信号読み出しタイミングから１クロ
ック分遅れて接地電位にリセットされる。このようなリ
セット方式を採用することにより、各画素は光励起によ
って発生した電荷を蓄積している時間を全く等しくする
ことができる。

更に、リセットパルスが同じ走査回路から出力され、読
み出しパルスを兼ねていることから、余分にリセットパ
ルス発生回路を集積化する必要がなく、素子製作が容易
である。

第４図は、本発明による一次元半導体撮像装置の別の実
施例をしそす回路図である。第４図に示す一次元半導体
撮像装置は、スイッチングトランジスタＳＧ、〜ＳＧ、
、の他端が可変直流電圧’ＩＭ　Ｖ　ａに接続されてい
ることを除いて、第３図の一次元半導体撮像装置と同じ
である。従って、第４図の一次元半導体撮像装置につい
ての構成に関する説明は省略する。

次に、上記した一次元半導体撮像装置の第２実施例の動
作について説明する。スイッチングトランジスタＳＳ１
〜ＳＳ、、が走査回路１３がらの走査パルスφ１〜φ、
により順次オンされると、ビデオ電圧電源■。の出力電
圧が、各画素セルをなす静電誘導トランジスタのソース
・ドレイン間に順次印加され、負荷抵抗Ｒｔを介して、
ビデオ信号電流が流れ、信号として読み出される。光入
力があると発生した正孔は、静電誘導トランジスタＴ、
〜Ｔ、、のゲート領域に蓄積されている。ゲート領域に
蓄積された電荷量が、静電誘導トランジスタ毎で異なる
場合、第１図に示すように、ドレイン電極９とソース電
極７の間のチャネル層２にできるところの真のゲート点
の電位が相違することから、ソース・ドレイン間の実効
抵抗が変化し、出力端子１１に現われるビデオ電圧が変
化するものである。

云いかえれば、各セルごとの照射光量履歴に応じた出力
信号を各セル読み出しパルス印加ごとに独立して、共通
のビデオラインを通じて得ることができるわけである。

すなわち、以上の読出し動作については、第３図の一次
元半導体撮像装置に同様である。

第４図から明らかなように、走査回路１３からスイッチ
ングトランジスタＳＳ＋　〜ＳＳｎに印加される読み出
しパルスに比べ、１クロック分遅れたパルスＳＳ２〜Ｓ
Ｓ□１がスイッチングトランジスタＳＧ、〜ＳＧ、、に
印加される。

従って、各画素は走査回路から出力されたパルスφ１〜
φ７によって、スイッチングトランジスタＳＳ＋〜Ｓ８
７がオンされ、出力信号が読み出される。その後、各画
素は１クロック分遅れた走査回路から出力されるパルス
φ２〜φゎ＋１によってスイッチングトランジスタＳＧ
＋　〜ＳＧ、がオンされる。それらスイッチングトラン
ジスタＳＧ。

〜ＳＧ７の他端は、可変直流電圧電源■、に接続されて
いることから、各面累セルのゲート領域は常に各画素セ
ルの信号読み出しタイミングから１クロック分遅れて、
可変直流電圧電源■、の出力電圧にリセットされる。

それ故、可変直流電圧電源■８の出力電圧を制御するこ
とにより、各画素セルのゲート領域の電位を任意に設定
することができる。換言するならば、ゲート領域の残留
電荷を任意に制御できる。

このように各画素セルのゲート領域が、任意の電位に制
御できることにより、上述したように、ドレイン電極９
とソース電極７の間のチャネル層２にできるところの真
のゲート点の電位が、ゲート領域３の電位によって制御
されるため、真のゲート点の電位が任意に設定できる。

それ故、ドレイン電極９とソース電極７の間に流れる、
光入力によって生じるビデオ信号電流を任意に制御する
ことができる。このことは、画素セルの光感度を任意に
制御できることである。

第５図は、第４図に示した一次元半導体撮像装置を用い
て、可変直流電圧電源■、の電圧値を変えたときの、入
射光強度（横軸）に対するビデオ出力電圧（縦軸）の関
係を表わしたグラフである。

入射光強度は、０，１μＷ／ｃｎｆから１０μＷ／ｃｎ
ｆ、出力電圧は、０．３５　ｍ　Ｖから８０ｍＶである
。また、可変直流電圧電源ＶＲの電圧値は、０■、−０
，５Ｖ、−Ｏ，８Ｖである。

このグラフから明らかなように、可変直流電圧電源ＶＲ
の電圧値を制御することにより、−次元半導体撮像装置
の光感度を任意に設定することができる。

以上の実施例においては、ｎチャネルで説明したが、も
ちろんｎチャネルでもよいことは明らかである。また、
上記実施例では、すべてゲート側のｎ＋のソース領域６
側を接地し、ｎ“基板１側にビデオ電源を印加したが、
逆にｎ＋基板１側のドレイン電極９を接地し、ｎ＋層６
にビデオ電源を印加する逆動作としてもよい。

また、スイッチングトランジスタＳＳ１〜ＳＳｎは、電
界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、静電誘
導トランジスタなど、どれを用いても良いことも明らか
である。

発明の効果 以上、説明したように、本発明によれば、静電誘導トラ
ンジスタで、各画素セルを構成し、これを１列に配列し
てラインセンサとしたものであり、画素セルの受光部が
静電誘導トランジスタ構造であるため、光増幅作用が大
きく、単位セル当りの出力も大きくとれ、装置の小型化
、簡易化、高集積化が図れ、また高速動作が可能である
。

特に、走査回路からの出力パルスが、信号読み出しパル
スにも各画素のリセットパルスにも使用され、余分なリ
セットパルス発生回路が不必要であり、かつ各画素の光
蓄積時間が全く同一にすることができる。

更に、また、各画素セルのゲート領域が、任意のリセッ
ト電位に設定できることから、撮像装置の光感度が任意
に制御でき、優れた一次元半導体撮像装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一次元半導体撮像装置に使用する画
素セルの実施例を示す断面図、第２図は、第１図の等価
回路図、 第３図、第４図は、本発明の一次元半導体撮像装置の実
施例を示す回路図、 第５図は、単位セルの光ダイナミック特性の可変直流電
圧電源の出力電圧値による効果を示す図である。 （主な参照番号） １・・ｎ＋基板、　　　　２・・ｎ一層、３・・ゲート
領域、　　　５・・ゲート電極、６・・ソース領域、　
　　７・・ソース電極、８・・保護膜、　　　　　９・
・ドレイン電極、ＳＧｐ及びＳＧ、〜ＳＧＮ　・・ ゲート用スイッチングトランジスタ、 ＳＳｐ及びＳＳ１〜ＳＳｏ・・ ソース用スイッチングトランジスタ、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の光センサセルが１列に配列されてなる一次
   元半導体光センサを使用してなる一次元半導体撮像装置
   にして、各光センサセルは、 高抵抗半導体と、 該高抵抗半導体の互いに対向する部分に形成されてその
   間の高抵抗半導体の領域をチャネル領域とする第１及び
   第２の主電極と、 該第１及び第２の主電極間に流れる電流を制御するよう
   に前記チャネル領域に接した前記高抵抗半導体に設けら
   れた異なる導電型の半導体領域から成るゲート領域と を有し、 光励起によって生じた電子−正孔対の１方が、前記ゲー
   ト領域に蓄積され、これによって前記両主電極間の電流
   を制御しうるようになされた静電誘導トランジスタから
   構成されており、 各静電誘導トランジスタの前記第１の主電極はそれぞれ
   位相の異なる走査信号で開閉される第１のスイッチを介
   して共通のビデオ信号出力端に接続され、 該出力端は負荷抵抗を介してビデオ電源の１端に接続さ
   れ、 前記第２の主電極は共通にされ、前記ビデオ電源の他端
   に接続され、 各静電誘導トランジスタの前記ゲート領域は、それぞれ
   第２のスイッチを介して直流電位に接続され、それら第
   ２のスイッチは、位相の異なる走査信号で開閉されるよ
   うになされている ことを特徴とする一次元半導体撮像装置。
2. （２）前記直流電位は接地電位であることを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の一次元半導体撮像装置
   。
3. （３）前記直流電位は、可変直流電源であり、該直流電
   源の電位により光感度特性が任意に制御できることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の一次元半導体
   撮像装置。
4. （４）各光センサセルの第２のスイッチの制御端子と、
   走査方向に隣接する光センサセルの第１のスイッチの制
   御端子とが共通接続されて、同一の走査信号が印加され
   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）項から第（３）項までのいずれか１項に記載の
   一次元半導体撮像装置。
5. （５）前記第１及び第２のスイッチは、スイッチングト
   ランジスタにより構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項から第（４）項までのいずれか１
   項に記載の一次元半導体撮像装置。
6. （６）前記高抵抗半導体は、一導電型の又は真性の半導
   体層であり、前記第１の主電極は、前記一導電型半導体
   層の一方の面に形成された一導電型半導体の低抵抗半導
   体領域にオーミック接触して設けられ、前記第２の主電
   極は、前記半導体層の他方の面に実質的に広がって形成
   された一導電型半導体の低抵抗半導体層にオーミック接
   触して設けられており、前記ゲート領域は、前記一導電
   型と異なる他導電型の半導体領域で構成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項から第（５）項
   までのいずれか１項に記載の一次元半導体撮像装置。