JP2008017288A - 光電変換回路及びこれを用いた固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光電変換素子から得られる電気量を無駄なく利用することで、受光感
度の向上や受光信号のＳ／Ｎ改善を実現することが可能な光電変換回路、及び、これを用
いた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光電変換回路Ｐｍｎは、受光量に応じた検出電流ｉ１を生成す
る光電変換素子ＰＤと；一端が光電変換素子ＰＤの一端に接続され、該一端から検出電流
ｉ１の積分値に応じた端子電圧Ｖａが引き出されるキャパシタＣ１と；キャパシタＣ１の
端子電圧Ｖａが入力され、これに応じた増幅信号を生成するアンプＡＭＰ１と；を有して
成り、アンプＡＭＰ１の増幅信号を用いて最終的な受光信号（出力電流ｉｏ）の出力を行
う光電変換回路であって、キャパシタＣ１の充放電経路となり得る電流経路として、光電
変換素子ＰＤを介する電流経路のみを有して成る構成とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換回路及びこれを用いた固体撮像装置に関するものである。

図５は、ＣＭＯＳ［Complementary Metal Oxide Semiconductor］型光電変換回路（い
わゆるＣＭＯＳセンサ）の一従来例を示す回路図である。

図示のＣＭＯＳセンサにおいて、フォトダイオード５１のアノードは、接地端に接続さ
れている。フォトダイオード５１のカソードは、スイッチ５４の一端に接続されている。
スイッチ５４の他端は、キャパシタ５２の一端と、Ｎチャネル型電界効果トランジスタ５
３のゲートと、スイッチ５５の一端に各々接続されている。キャパシタ５２の他端は、接
地端に接続されている。スイッチ５５の他端は、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されてい
る。トランジスタ５３のドレインは、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。トラン
ジスタ５３のソースは、スイッチ５６の一端に接続されている。スイッチ５６の他端は、
受光信号出力ライン５７に接続されている。

上記構成から成るＣＭＯＳセンサでは、その初期化時に、スイッチ５４がオフ状態とさ
れ、スイッチ５５〜５６がいずれもオン状態とされる。このようなスイッチ制御により、
キャパシタ５２は、スイッチ５５を介して流れる充電電流ｉｙによって充電され、その端
子電圧Ｖｃが所定の初期電圧レベル（すなわち、キャパシタ５２の満充電レベル）まで上
昇される。その結果、トランジスタ５３は、その初期状態（フルオン状態）にリセットさ
れ、受光信号出力ライン５７に流れる出力電流ｉｚは、これが取り得る最大値となる。

ＣＭＯＳセンサの初期化後、フォトダイオード５１の露光時には、スイッチ５４がオン
状態とされ、スイッチ５５〜５６がいずれもオフ状態とされる。このようなスイッチ制御
により、キャパシタ５２は、フォトダイオード５１の受光量に応じた検出電流ｉｘで放電
され、その端子電圧Ｖｃが初期電圧レベルから引き下げられる。その結果、トランジスタ
５３は、フォトダイオード５１の受光量に依存して、初期状態よりも閉じた状態となる。

フォトダイオード５１の露光後、受光信号の読出時には、スイッチ５４〜５５がいずれ
もオフ状態とされ、スイッチ５６がオン状態とされる。このようなスイッチ制御により、
受光信号出力ライン５７からは、トランジスタ５３の開放度（すなわち、フォトダイオー
ド５１の受光量）に応じた出力電流ｉｚが引き出される形となる。従って、出力電流ｉｚ
の低減量に基づいて、フォトダイオード５１の受光量を検出することが可能となる。

なお、ＣＭＯＳセンサの構成としては、フォトダイオードのアノードを共通の接地端に
接続した構成（いわゆるアノードコモン）のほかにも、フォトダイオードのカソードを共
通の電源端に接続した構成（いわゆるカソードコモン）を挙げることができる。

図６は、ＣＭＯＳ型光電変換回路の他の従来例を示す回路図である。

図示のＣＭＯＳセンサにおいて、フォトダイオード６１のカソードは、電源電圧Ｖｃｃ
の印加端に接続されている。フォトダイオード６１のアノードは、スイッチ６４の一端に
接続されている。スイッチ６４の他端は、キャパシタ６２の一端と、Ｐチャネル型電界効
果トランジスタ６３のゲートと、スイッチ６５の一端に各々接続されている。キャパシタ
６２の他端は、接地端に接続されている。スイッチ６５の他端は、接地端に接続されてい
る。トランジスタ６３のドレインは、接地端に接続されている。トランジスタ６３のソー
スは、スイッチ６６の一端に接続されている。スイッチ６６の他端は、受光信号出力ライ
ン６７に接続されている。

上記構成から成るＣＭＯＳセンサでは、その初期化時に、スイッチ６４がオフ状態とさ
れ、スイッチ６５〜６６がいずれもオン状態とされる。このようなスイッチ制御により、
キャパシタ６２は、スイッチ６５を介して流れる放電電流ｉｙによって放電され、その端
子電圧Ｖｃが所定の初期電圧レベル（すなわち、接地電圧ＧＮＤ）まで引き下げられる。
その結果、トランジスタ６３は、その初期状態（フルオン状態）にリセットされ、受光信
号出力ライン６７に流れる出力電流ｉｚは、これが取り得る最大値となる。

ＣＭＯＳセンサの初期化後、フォトダイオード６１の露光時には、スイッチ６４がオン
状態とされ、スイッチ６５〜６６がいずれもオフ状態とされる。このようなスイッチ制御
により、キャパシタ６２は、フォトダイオード６１の受光量に応じた検出電流ｉｘで充電
され、その端子電圧Ｖｃが初期電圧レベルから引き上げられる。その結果、トランジスタ
６３は、フォトダイオード６１の受光量に依存して、初期状態よりも閉じた状態となる。

フォトダイオード６１の露光後、受光信号の読出時には、スイッチ６４〜６５がいずれ
もオフ状態とされ、スイッチ６６がオン状態とされる。このようなスイッチ制御により、
受光信号出力ライン６７からは、トランジスタ６３の開放度（すなわち、フォトダイオー
ド６１の受光量）に応じた出力電流ｉｚが引き出される形となる。従って、出力電流ｉｚ
の低減量に基づいて、フォトダイオード６１の受光量を検出することが可能となる。

なお、固体撮像装置に関するその他の従来技術として、例えば、特許文献１には、入射
した光量に応じた電気信号を発生する感光素子と該感光素子に第１の電極が接続された第
１のトランジスタを有するとともに該第１のトランジスタをサブスレッショルド領域で動
作させて前記電気信号を自然対数的に変換する光電変換手段と、該光電変換手段の出力信
号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた固体撮像装置において、前記第１のトランジ
スタの制御電極の電圧を切り換える電圧切換手段を有し、前記電圧切換手段によって前記
第１のトランジスタの制御電極の電圧を切り換えて、前記第１のトランジスタのポテンシ
ャル状態がリセットされることを特徴とする固体撮像装置が開示・提案されている。
特開２００１−３６０５９号公報

確かに、図５〜図６に示したＣＭＯＳセンサは、ＣＣＤ［Charge Coupled Devices］セ
ンサと比べて、非常に低コストで製造することができる上、素子が小さく、また、単一の
低電圧で稼動することから、近年では、カメラ機能を搭載した携帯電話端末や、いわゆる
ウェブカメラなど、様々なアプリケーションに搭載されている。

しかしながら、図５に示した従来構成のＣＭＯＳセンサでは、フォトダイオード５１の
露光時、キャパシタ５２は検出電流Ｉｘによって放電されるはずなのに、端子電圧Ｖｃが
思うように低下しない不具合を生じるおそれがあった。同様に、図６に示した従来構成の
ＣＭＯＳセンサでは、フォトダイオード６１の露光時、キャパシタ６２は検出電流Ｉｘに
よって充電されるはずなのに、端子電圧Ｖｃが思うように上昇しない不具合を生じるおそ
れがあった。

上記の不具合は、電界効果トランジスタで形成されたスイッチ５４〜５５、或いは、ス
イッチ６４〜６５のリーク（オフ時にチャネルを流れるサブスレッショルドリーク、或い
は、ソース／ドレインから基板に漏れるジャンクションリーク）によって、電荷が逃げて
しまい、検出電流Ｉｘをキャパシタ５１、６１の充放電に無駄なく利用することができな
いことに起因するものであった。

もちろん、フォトダイオード５１、６１での受光量が大きく、検出電流Ｉｘが十分大き
い場合であれば、上記のリークが受光信号に及ぼす影響はさほど大きくない。しかしなが
ら、暗所での撮影時など、得られる検出電流Ｉｘが微弱である場合には、上記のリークが
無視できなくなり、受光感度の低下や受光信号のＳ／Ｎ劣化を招く結果となっていた。

そのため、従来構成のＣＭＯＳセンサでは、プロセスレベルで素子の構造に工夫を凝ら
すことにより、上記リークの低減が図られていたが、このような対策は、抜本的な問題解
決につながるものではなく、また、装置のコストアップを招来するものであった。

なお、特許文献１の従来技術では、フォトダイオードのアノードと直流電圧ラインとの
間に、電界効果型トランジスタの拡散領域（ソース・ドレイン）が接続されているため、
当該トランジスタのリークによって、上記と同様の課題を生じるおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、光電変換素子から得られる電気量を無駄なく利用する
ことで、受光感度の向上や受光信号のＳ／Ｎ改善を実現することが可能な光電変換回路、
及び、これを用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光電変換回路は、受光量に応じた検出電流を
生成する光電変換素子と；一端が前記光電変換素子の一端に接続され、該一端から前記検
出電流の積分値に応じた端子電圧が引き出されるキャパシタと；前記キャパシタの端子電
圧が入力され、これに応じた増幅信号を生成するアンプと；を有して成り、前記アンプの
増幅信号を用いて最終的な受光信号の出力を行う光電変換回路であって、前記キャパシタ
の充放電経路となり得る電流経路として、前記光電変換素子を介する電流経路のみを有し
て成る構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る光電変換回路において、前記光電変換素子の他端と前記
キャパシタの他端に各々印加される電圧は、一方が所定の電源電圧とされ、他方が２値の
電圧レベルを取り得るパルス電圧とされており、該パルス電圧の電圧レベルに応じて、前
記キャパシタの充電／放電が切り替えられる構成（第２の構成）にするとよい。

より具体的に述べると、本発明に係る光電変換回路は、カソードが所定の電源電圧の印
加端に接続され、受光量に応じた検出電流を生成するフォトダイオードと；一端が前記フ
ォトダイオードのアノードに接続され、他端が２値の電圧レベルを取り得るパルス電圧の
印加端に接続され、前記一端から前記検出電流の積分値に応じた端子電圧が引き出される
キャパシタと；前記キャパシタの端子電圧が入力され、これに応じた増幅電流を生成する
電流出力アンプと；を有して成り、前記電流出力アンプの増幅電流を用いて最終的な受光
信号の出力を行う光電変換回路であって、前記フォトダイオードのアノードは、前記キャ
パシタの一端と、前記電流出力アンプの入力端にのみ接続されており、前記パルス電圧の
電圧レベルに応じて、前記キャパシタの充電／放電が切り替えられる構成（第３の構成）
とされている。

或いは、本発明に係る光電変換回路は、アノードが２値の電圧レベルを取り得るパルス
電圧の印加端に接続され、受光量に応じた検出電流を生成するフォトダイオードと；一端
が前記フォトダイオードのカソードに接続され、他端が所定の電源電圧の印加端に接続さ
れ、前記一端から前記検出電流の積分値に応じた端子電圧が引き出されるキャパシタと；
前記キャパシタの端子電圧が入力され、これに応じた増幅電流を生成する電流出力アンプ
と；を有して成り、前記電流出力アンプの増幅電流を用いて最終的な受光信号の出力を行
う光電変換回路であって、前記フォトダイオードのカソードは、前記キャパシタの一端と
前記電流出力アンプの入力端にのみ接続されており、前記パルス電圧の電圧レベルに応じ
て、前記キャパシタの充電／放電が切り替えられる構成（第４の構成）とされている。

なお、上記第３または第４の構成から成る光電変換回路において、前記電流出力アンプ
は、ゲートに前記キャパシタの端子電圧が入力され、ソースから前記増幅電流が引き出さ
れる電界効果トランジスタを用いたソースフォロワ回路である構成（第５の構成）にする
とよい。

また、上記した第３〜第５いずれかの構成から成る光電変換回路は、一端が前記電流出
力アンプの出力端に接続された第１スイッチと；前記電流出力アンプの出力端と接地端と
の間に接続され、所定の定電流を引き込む定電流源と；一端が第１スイッチの他端に接続
され、他端が接地端に接続され、前記一端から自身に流れ込む電流の積分値に応じた第２
端子電圧が引き出される第２キャパシタと；第２キャパシタの第２端子電圧が入力され、
これに応じた第２増幅電流を生成する第２電流出力アンプと；第２電流出力アンプの出力
端と出力ラインとの間に接続された第２スイッチと；を有して成る構成（第６の構成）に
するとよい。

また、本発明に係る固体撮像装置は、受光部として、上記第１〜第６いずれかの構成か
ら成る光電変換回路を有して成る構成（第７の構成）とされている。

特に、本発明に係る固体撮像装置は、受光部として、上記第６の構成から成る光電変換
回路を複数有して成り、全ての光電変換回路について同一のタイミングで露光を行った後
で、各光電変換回路毎に得られた受光信号を順次読み出していく構成（第８の構成）にす
るとよい。

本発明に係る光電変換回路、及び、これを用いた固体撮像装置であれば、光電変換素子
から得られる電気量を無駄なく利用することで、受光感度の向上や受光信号のＳ／Ｎ改善
を実現することが可能となる。

以下では、カメラ機能付きの携帯電話端末やウェブカメラなどに搭載される固体撮像装
置の受光部（画素センサ）として、本発明に係る光電変換回路を用いた場合を例に挙げて
説明を行う。

図１は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。

本図に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、センサアレイ１と、ローデコーダ２
と、カラムデコーダ３と、を有して成る。

センサアレイ１は、水平方向と垂直方向に各々行選択ラインＸ１〜Ｘｍと列選択ライン
ラインＹ１〜Ｙｎを張り巡らし、両信号線の交わる箇所毎に、ｍ×ｎ個（ｍ、ｎはいずれ
も２以上の整数）の画素センサＰ１１〜Ｐｍｎを有する二次元マトリクス構造とされてい
る。なお、図１には明示されていないが、センサアレイ１には、上記した行選択ラインＸ
１〜Ｘｍや列選択ラインＹ１〜Ｙｎのほかにも、電源電圧ラインや接地電圧ライン、各種
のクロックライン、並びに、バイアス電圧ラインなどが接続されている。なお、本発明を
適用した画素センサＰ１１〜Ｐｍｎの構成及び動作については、後ほど詳細に説明する。

ローデコーダ２は、行選択ラインＸ１〜Ｘｍを介して、各画素センサＰ１１〜Ｐｍｎ内
に設けられた行選択スイッチ（後出の図３〜図４では、スイッチＳＷ２がこれに相当）の
開閉制御を行うことにより、センサアレイ１の垂直走査を行う手段である。

カラムデコーダ３は、列選択ラインＹ１〜Ｙｎ毎に設けられた列選択スイッチＱ１〜Ｑ
ｎの開閉制御を行うことにより、センサアレイ１の水平走査を行う手段である。なお、列
選択スイッチＱ１〜Ｑｎは、いずれも、Ｎチャネル型電界効果トランジスタで形成されて
おり、各々のドレインは列選択ラインＹ１〜Ｙｎに接続され、ソースは最終的な受光信号
出力ラインＳに接続され、ゲートはカラムデコーダ３に接続されている。

次に、本発明を適用した画素センサＰｍｎの構成及び動作について詳細な説明を行う。

図２は、画素センサＰｍｎの回路構成を上位概念的に説明するための図である。

本図に示すように、本発明を適用した画素センサＰｍｎは、受光量に応じた検出電流ｉ
１を生成するフォトダイオードＰＤと、一端がフォトダイオードＰＤの一端（本図ではア
ノード）に接続され、該一端から検出電流ｉ１の積分値に応じた端子電圧Ｖａが引き出さ
れるキャパシタＣ１と、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａが入力され、これに応じた増幅信
号を生成するアンプＡＭＰ１（例えば、トランジスタＮ１から成るソースフォロワ回路）
とを有して成り、アンプＡＭＰ１の増幅信号を用いて最終的な受光信号（出力電流ｉｏ）
の出力を行う光電変換回路であって、キャパシタＣ１の充放電経路となり得る電流経路と
して、フォトダイオードＰＤを介する電流経路のみを有して成る構成とされている。

別の言い方をすると、本発明を適用した画素センサＰｍｎは、キャパシタＣ１の充放電
を阻害するリークを回路レベルで解消すべく、検出電流ｉ１を扱うキャパシタＣ１の一端
には、フォトダイオードＰＤの拡散領域（アノード／カソード）以外の拡散領域（すなわ
ち、電界効果トランジスタのソース・ドレイン）を一切接続せず、該一端から引き出され
る端子電圧Ｖａを電界効果トランジスタＮ１のゲートで受けることより、キャパシタＣ１
の一端をハイインピーダンスとする構成とされている。

なお、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を伝送するラインに電界効果トランジスタ
の拡散領域（ソース・ドレイン）を接続することなく、キャパシタＣ１の充放電を実現す
べく、上記構成から成る画素センサＰｍｎにおいて、フォトダイオードＰＤの他端（本図
ではカソード）とキャパシタＣ１の他端に各々印加される電圧は、一方が所定の電源電圧
Ｖｃｃとされ、他方が２値の電圧レベルを取り得るパルス電圧Ｖｒｓｔとされており、該
パルス電圧Ｖｒｓｔの電圧レベルに応じて、キャパシタＣ１の充電／放電が切り替えられ
る構成とされている。

次に、上記構成から成る画素センサＰｍｎの初期化動作及び露光動作について、詳細な
説明を行う。

上記構成から成る画素センサＰｍｎでは、その初期化時に、パルス電圧Ｖｒｓｔがロー
レベル（例えば接地電圧ＧＮＤ）からハイレベル（例えば、電源電圧Ｖｃｃ＋フォトダイ
オードＰＤの順方向降下電圧Ｖｆ）に遷移され、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａ（フォト
ダイオードＰＤのアノード電圧）がパルス電圧Ｖｒｓｔの上昇分だけ高められる。その結
果、フォトダイオードＰＤは、順方向にバイアスされた形となるので、キャパシタＣ１に
蓄積された電荷は、フォトダイオードＰＤを介して電源電圧ライン側に放電され、その後
にパルス電圧Ｖｒｓｔがハイレベルからローレベルに復帰された時点で、キャパシタＣ１
の端子電圧Ｖａは、所定の初期電圧レベル（例えば接地電圧ＧＮＤ）まで引き下げられた
状態（すなわち初期状態）となる。

なお、パルス電圧Ｖｒｓｔのハイレベル電位やローレベル電位は、必ずしも上記の例示
に限定されるものではない。

例えば、キャパシタＣ１に蓄積された電荷を完全に放電する必要がない場合、パルス電
圧Ｖｒｓｔのハイレベル電位は、上記の例示を下回る電位（例えば、電源電圧Ｖｃｃ）で
あっても構わない。ただし、キャパシタＣ１に蓄積された電荷を完全に放電し、その静電
容量を最大限に活用するためには、先述のように、パルス電圧Ｖｒｓｔのハイレベル電位
として、電源電圧ＶｃｃよりもフォトダイオードＰＤの順方向降下電圧Ｖｆ分だけ高い電
位を設定することが望ましい。

また、パルス電圧Ｖｒｓｔのローレベル電位を接地電圧ＧＮＤではなく、トランジスタ
Ｎ１のオンスレッショルド電圧よりも僅かに低い電位に設定しておけば、フォトダイオー
ドＰＤの露光時に微小な検出電流ｉ１が流れただけで、トランジスタＮ１をオン状態に遷
移させることができるので、微弱な光量に対する検出応答性を高めることが可能となる。

画素センサＰｍｎの初期化後、フォトダイオードＰＤの露光時には、パルス電圧Ｖｒｓ
ｔがローレベルに維持され、フォトダイオードＰＤで受光量に応じた検出電流ｉ１が生成
される。その結果、キャパシタＣ１は、フォトダイオードＰＤから供給される検出電流ｉ
１で充電され、その端子電圧Ｖａが初期電圧レベルから引き上げられる。そして、アンプ
ＡＭＰ１では、これに応じた増幅信号が生成され、最終的な受光信号（出力電流ｉｏ）の
出力が行われる。

このように、本発明を適用した画素センサＰｍｎであれば、図５や図６に示した従来構
成の光電変換回路と異なり、検出電流ｉ１を扱うキャパシタＣ１の一端に電界効果トラン
ジスタの拡散領域（ソース・ドレイン）が一切接続されていないため、そのリークについ
て考慮することなく、フォトダイオードＰＤから得られる電気量を無駄なく利用すること
が可能となり、延いては、受光感度の向上や受光信号のＳ／Ｎ改善を実現することが可能
となる。また、本発明を適用した画素センサＰｍｎであれば、ロジック用汎用プロセスの
デバイスとの相性がよくなり、混載がしやすくなる。

次に、図３を参照しながら、本発明を適用した画素センサＰｍｎの構成及び動作につい
て、より具体的に説明する。

図３は、画素センサＰｍｎの第１実施形態（カソードコモン型）を示す回路図である。

本図に示すように、本実施形態の画素センサＰｍｎは、フォトダイオードＰＤと、キャ
パシタＣ１〜Ｃ２と、Ｎチャネル型電界効果トランジスタＮ１〜Ｎ３と、スイッチＳＷ１
〜ＳＷ２と、を有して成る。

フォトダイオードＰＤのカソードは、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。フォ
トダイオードＰＤのアノードは、キャパシタＣ１の一端に接続されるとともに、トランジ
スタＮ１のゲートにも接続されている。キャパシタＣ１の他端は、パルス電圧Ｖｒｓｔの
印加端に接続されている。トランジスタＮ１のドレインは、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接
続されている。トランジスタＮ１のソースは、トランジスタＮ２のドレインに接続される
とともに、スイッチＳＷ１の一端にも接続されている。トランジスタＮ２のソースは、接
地端に接続されている。トランジスタＮ２のゲートは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓの印加端
に接続されている。スイッチＳＷ１の他端は、キャパシタＣ２の一端に接続されるととも
に、トランジスタＮ３のゲートにも接続されている。キャパシタＣ２の他端は、接地端に
接続されている。トランジスタＮ３のドレインは、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されて
いる。トランジスタＮ３のソースは、スイッチＳＷ２の一端に接続されている。スイッチ
ＳＷ２の他端は、列選択ラインＹｎに接続されている。

上記構成から成る画素センサＰｍｎでは、その初期化時に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ２が
いずれもオン状態とされる。

また、上記構成から成る画素センサＰｍｎの初期化時には、先述したように、パルス電
圧Ｖｒｓｔがローレベルからハイレベルに遷移され、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａがパ
ルス電圧Ｖｒｓｔの上昇分だけ高められる。その結果、フォトダイオードＰＤは、順方向
にバイアスされた形となるので、キャパシタＣ１に蓄積された電荷は、フォトダイオード
ＰＤを介して電源電圧ライン側に放電され、その後にパルス電圧Ｖｒｓｔがハイレベルか
らローレベルに復帰された時点で、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａは、所定の初期電圧レ
ベル（例えば接地電圧ＧＮＤ）まで引き下げられた状態となる。

このとき、トランジスタＮ１は、その初期状態（オフ状態）にリセットされるので、ト
ランジスタＮ１からキャパシタＣ２に対する充電電流ｉ２の供給は停止した状態となる。
一方、トランジスタＮ２は、ゲートに印加される所定のバイアス電圧Ｖｂｉａｓに応じて
キャパシタＣ２から一定の放電電流ｉ３を常時引き込む定電流源として機能している。従
って、キャパシタＣ２に蓄積された電荷は、スイッチＳＷ１とトランジスタＮ２を介して
接地ライン側に放電され、キャパシタＣ２の端子電圧Ｖｂは、所定の初期電圧レベル（例
えば接地電圧ＧＮＤ）まで引き下げられた状態となる。その結果、トランジスタＮ３は、
その初期状態（オフ状態）にリセットされ、スイッチＳＷ２を介して列選択ラインＹｎに
流れる出力電流ｉｏは、これが取り得る最小値（ゼロ値）となる。

すなわち、上記構成から成る画素センサＰｍｎでは、パルス電圧Ｖｒｓｔがローレベル
からハイレベルに遷移されたときにキャパシタＣ１の放電が行われ、その後、パルス電圧
Ｖｒｓｔがローレベルに復帰されたときに、キャパシタＣ２の放電が行われる。

一方、画素センサＰｍｎの初期化後、フォトダイオードＰＤの露光時には、スイッチＳ
Ｗ１がオン状態とされ、スイッチＳＷ２がオフ状態とされる。

また、上記構成から成る画素センサＰｍｎの露光時には、先述したように、パルス電圧
Ｖｒｓｔがローレベルに維持され、フォトダイオードＰＤで受光量に応じた検出電流ｉ１
が生成される。その結果、キャパシタＣ１は、フォトダイオードＰＤから供給される検出
電流ｉ１で充電され、その端子電圧Ｖａが初期電圧レベルから引き上げられるので、トラ
ンジスタＮ１は、フォトダイオードＰＤの受光量に依存して、初期状態よりも開いた状態
となり、トランジスタＮ１からキャパシタＣ２に対して、検出電流ｉ１を増幅した充電電
流ｉ２が供給されるようになる。

従って、キャパシタＣ２は、トランジスタＮ１の充電電流ｉ２からトランジスタＮ２の
放電電流ｉ３を差し引いた差分電流（ｉ２−ｉ３）で充電され、その端子電圧Ｖｂが初期
電圧レベルから引き上げられる。その結果、トランジスタＮ３は、フォトダイオードＰＤ
の受光量に依存して、初期状態よりも開いた状態となる。

フォトダイオードＰＤの露光後、受光信号の読出時には、スイッチＳＷ１がオフ状態と
され、スイッチＳＷ２がオン状態とされる。このようなスイッチ制御により、列選択ライ
ンＹｎからは、トランジスタＮ３の開放度（すなわち、フォトダイオードＰＤの受光量）
に応じた出力電流ｉｏが引き出される形となる。従って、出力電流ｉｏの増大量に基づい
て、フォトダイオードＰＤの受光量を検出することが可能となる。

上記したように、本実施形態の画素センサＰｍｎは、カソードが電源電圧Ｖｃｃの印加
端に接続され、受光量に応じた検出電流ｉ１を生成するフォトダイオードＰＤと、一端が
フォトダイオードＰＤのアノードに接続され、他端が２値の電圧レベルを取り得るパルス
電圧Ｖｒｓｔの印加端に接続され、前記一端から検出電流ｉ１の積分値に応じた端子電圧
Ｖａが引き出されるキャパシタＣ１と、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａが入力され、これ
に応じた増幅電流（充電電流ｉ２）を生成する電流出力アンプＡＭＰ１（トランジスタＮ
１から成るソースフォロワ回路）と、を有して成り、電流出力アンプＡＭＰ１の増幅電流
（充電電流ｉ２）を用いて最終的な受光信号（出力電流ｉｏ）の出力を行う光電変換回路
であって、フォトダイオードＰＤのアノードは、キャパシタＣ１の一端と、電流出力アン
プＡＭＰ１の入力端（トランジスタＮ１のゲート）にのみ接続されており、パルス電圧Ｖ
ｒｓｔの電圧レベルに応じて、キャパシタＣ１の充電／放電が切り替えられる構成とされ
ている。このような構成とすることにより、図２を用いて上位概念的に説明した場合と同
様、フォトダイオードＰＤから得られる電気量を無駄なく利用することが可能となり、延
いては、受光感度の向上や受光信号のＳ／Ｎ改善を実現することが可能となる。

なお、本実施形態の画素センサＰｍｎにおいて、電流出力アンプＡＭＰ１は、ゲートに
キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａが入力され、ソースから増幅電流（充電電流ｉ２）が引き
出される電界効果トランジスタＮ１を用いたソースフォロワ回路とされている。このよう
な構成とすることにより、極めて簡易かつ小規模に、電流出力アンプＡＭＰ１を実現する
ことが可能となる。

また、本実施形態の画素センサＰｍｎは、一端が電流出力アンプＡＭＰ１の出力端（ト
ランジスタＮ１のソース）に接続されたスイッチＳＷ１と、電流出力アンプＡＭＰ１の出
力端と接地端の間に接続され、所定の定電流（放電電流ｉ３）を引き込む定電流源（トラ
ンジスタＮ２）と、一端がスイッチＳＷ１の他端に接続され、他端が接地端に接続され、
前記一端から自身に流れ込む電流（差分電流（ｉ２−ｉ３））の積分値に応じた端子電圧
Ｖｂが引き出されるキャパシタＣ２と、キャパシタＣ２の端子電圧Ｖｂが入力され、これ
に応じた増幅電流（出力電流ｉｏ）を生成する電流出力アンプＡＭＰ２（トランジスタＮ
３から成るソースフォロワ回路）と、電流出力アンプＡＭＰ２の出力端（トランジスタＮ
３のソース）と出力ライン（列選択ラインＹｎ）との間に接続されたスイッチＳＷ２と、
を有して成る構成とされている。

このような構成とすることにより、トランジスタＮ２に引き込まれる放電電流ｉ３を可
変制御することで、キャパシタＣ２に供給される差分電圧（ｉ２−ｉ３）を適宜調節する
ことができる。すなわち、バイアス電圧Ｖｂｉａｓに応じて、画素センサＰｍｎの感度調
整を行うことが可能となる。

また、本実施形態の画素センサＰｍｎは、キャパシタＣ１〜Ｃ２を用いることで、フォ
トダイオードＰＤの検出電流ｉ１を積分してから出力電流ｉｏを生成する構成とされてい
るので、光源の変動成分やノイズ成分を除去することが可能である。

なお、本実施形態の画素センサＰｍｎでは、キャパシタＣ２の一端にスイッチＳＷ１が
接続されているため、これを電界効果トランジスタで形成した場合には、不可避的なリー
クが生じる。しかしながら、トランジスタＮ１で生成される充電電流ｉ２や、トランジス
タＮ２で生成される放電電流ｉ３は、スイッチＳＷ１のリーク電流よりも十分に大きいた
め、その影響はほとんど無視できるものとなる。

また、本実施形態の画素センサＰｍｎを複数有して成る固体撮像装置であれば、全ての
画素センサについて同一のタイミングで露光を行った後、各画素センサ毎に得られた受光
信号を順次読み出していく方式（いわゆるグローバルシャッタ方式）を採用することがで
きるので、動的物体をぶれや歪みなく撮像することが可能となる。

なお、グローバルシャッタ方式ではなく、画素センサの露光タイミングがライン毎に異
なるローリングシャッタ方式を採用するのであれば、キャパシタＣ２、トランジスタＮ３
及び、スイッチＳＷ２は必須の構成要素ではなく、スイッチＳＷ１を介して、電流出力ア
ンプＡＭＰ１の出力端（トランジスタＮ１のソース）を列選択ラインＹｎに直接接続して
も構わない。

なお、上記の実施形態では、２次元マトリクス構造のＣＭＯＳイメージセンサに本発明
を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるもの
ではなく、その他の固体撮像装置（フォトディテクタ、ラインセンサ、或いは、エリアセ
ンサなど）にも広く適用することが可能である。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変
更を加えることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、画素センサＰｍｎの構成として、フォトダイオードＰＤ
のカソードを共通の電源端に接続した構成（いわゆるカソードコモン）を例に挙げて説明
を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、図４に示すように、フォト
ダイオードＰＤのアノードを共通端（図４ではパルス電圧Ｖｒｓｔの印加端）に接続した
構成（いわゆるアノードコモン）とすることも可能である。

すなわち、本発明を適用した画素センサＰｍｎは、その第２実施形態として、図４で示
したように、アノードが２値の電圧レベルを取り得るパルス電圧Ｖｒｓｔの印加端に接続
され、受光量に応じた検出電流ｉ１を生成するフォトダイオードＰＤと、一端がフォトダ
イオードＰＤのカソードに接続され、他端が所定の電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続され、
前記一端から検出電流ｉ１の積分値に応じた端子電圧Ｖａが引き出されるキャパシタＣ１
と、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖａが入力され、これに応じた増幅電流（充電電流ｉ２）
を生成する電流出力アンプＡＭＰ１（トランジスタＮ１から成るソースフォロワ回路）と
を有して成り、電流出力アンプＡＭＰ１の増幅電流（充電電流ｉ２）を用いて最終的な受
光信号（出力電流ｉｏ）の出力を行う光電変換回路であって、フォトダイオードＰＤのカ
ソードは、キャパシタＣ１の一端と電流出力アンプＡＭＰ１の入力端（トランジスタＮ１
のゲート）にのみ接続されており、パルス電圧Ｖｒｓｔの電圧レベルに応じて、キャパシ
タＣ１の充電／放電が切り替えられる構成としてもよい。このような構成とすることによ
っても、先述の第１実施形態と同様、フォトダイオードＰＤから得られる電気量を無駄な
く利用することが可能となり、延いては、受光感度の向上や受光信号のＳ／Ｎ改善を実現
することが可能となる。

また、上記の実施形態では、光電変換素子としてフォトダイオードを用いた構成を例に
挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、フォトトランジ
スタや有機光電変換膜などの光電変換素子を用いる構成としても構わない。

また、上記の実施形態では、電流出力アンプＡＭＰ１として、トランジスタＮ１から成
るソースフォロワ回路を用いた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに
限定されるものではなく、オペアンプなどを用いる構成としても構わない。このような構
成とすることにより、検出精度や検出感度をより一層高めることが可能となる。

本発明は、例えば、カメラ機能付きの携帯電話端末やウェブカメラなどに搭載される固
体撮像装置の受光感度向上や受光信号のＳ／Ｎ改善を図る上で有用な技術である。

は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。 は、画素センサＰｍｎの回路構成を上位概念的に説明するための図である。 は、画素センサＰｍｎの第１実施形態を示す回路図である。 は、画素センサＰｍｎの第２実施形態を示す回路図である。 は、ＣＭＯＳ型光電変換回路の一従来例を示す回路図である。 は、ＣＭＯＳ型光電変換回路の他の従来例を示す回路図である。

符号の説明

１ センサアレイ
２ ローデコーダ
３ カラムデコーダ
Ｐ１１〜Ｐｍｎ 画素センサ（光電変換回路）
Ｘ１〜Ｘｍ 行選択ライン
Ｙ１〜Ｙｎ 列選択ライン
Ｓ 受光信号出力ライン
Ｑ１〜Ｑｎ 列選択スイッチ（Ｎチャネル型電界効果トランジスタ）
ＰＤ フォトダイオード
Ｃ１〜Ｃ２ キャパシタ
ＡＭＰ１〜ＡＭＰ２ 電流出力アンプ
Ｎ１〜Ｎ３ Ｎチャネル型電界効果トランジスタ
ＳＷ１〜ＳＷ２ スイッチ

Claims (8)

1. 受光量に応じた検出電流を生成する光電変換素子と；一端が前記光電変換素子の一端に
   接続され、該一端から前記検出電流の積分値に応じた端子電圧が引き出されるキャパシタ
   と；前記キャパシタの端子電圧が入力され、これに応じた増幅信号を生成するアンプと；
   を有して成り、前記アンプの増幅信号を用いて最終的な受光信号の出力を行う光電変換回
   路であって、前記キャパシタの充放電経路となり得る電流経路として、前記光電変換素子
   を介する電流経路のみを有して成ることを特徴とする光電変換回路。
2. 前記光電変換素子の他端と前記キャパシタの他端に各々印加される電圧は、一方が所定
   の電源電圧とされ、他方が２値の電圧レベルを取り得るパルス電圧とされており、該パル
   ス電圧の電圧レベルに応じて、前記キャパシタの充電／放電が切り替えられることを特徴
   とする請求項１に記載の光電変換回路。
3. カソードが所定の電源電圧の印加端に接続され、受光量に応じた検出電流を生成するフ
   ォトダイオードと；一端が前記フォトダイオードのアノードに接続され、他端が２値の電
   圧レベルを取り得るパルス電圧の印加端に接続され、前記一端から前記検出電流の積分値
   に応じた端子電圧が引き出されるキャパシタと；前記キャパシタの端子電圧が入力され、
   これに応じた増幅電流を生成する電流出力アンプと；を有して成り、前記電流出力アンプ
   の増幅電流を用いて最終的な受光信号の出力を行う光電変換回路であって、前記フォトダ
   イオードのアノードは、前記キャパシタの一端と、前記電流出力アンプの入力端にのみ接
   続されており、前記パルス電圧の電圧レベルに応じて、前記キャパシタの充電／放電が切
   り替えられることを特徴とする光電変換回路。
4. アノードが２値の電圧レベルを取り得るパルス電圧の印加端に接続され、受光量に応じ
   た検出電流を生成するフォトダイオードと；一端が前記フォトダイオードのカソードに接
   続され、他端が所定の電源電圧の印加端に接続され、前記一端から前記検出電流の積分値
   に応じた端子電圧が引き出されるキャパシタと；前記キャパシタの端子電圧が入力され、
   これに応じた増幅電流を生成する電流出力アンプと；を有して成り、前記電流出力アンプ
   の増幅電流を用いて最終的な受光信号の出力を行う光電変換回路であって、前記フォトダ
   イオードのカソードは、前記キャパシタの一端と、前記電流出力アンプの入力端にのみ接
   続されており、前記パルス電圧の電圧レベルに応じて、前記キャパシタの充電／放電が切
   り替えられることを特徴とする光電変換回路。
5. 前記電流出力アンプは、ゲートに前記キャパシタの端子電圧が入力され、ソースから前
   記増幅電流が引き出される電界効果トランジスタを用いたソースフォロワ回路であること
   を特徴とする請求項３または請求項４に記載の光電変換回路。
6. 一端が前記電流出力アンプの出力端に接続された第１スイッチと；前記電流出力アンプ
   の出力端と接地端との間に接続され、所定の定電流を引き込む定電流源と；一端が第１ス
   イッチの他端に接続され、他端が接地端に接続され、前記一端から自身に流れ込む電流の
   積分値に応じた第２端子電圧が引き出される第２キャパシタと；第２キャパシタの第２端
   子電圧が入力され、これに応じた第２増幅電流を生成する第２電流出力アンプと；第２電
   流出力アンプの出力端と出力ラインとの間に接続された第２スイッチと；を有して成るこ
   とを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載の光電変換回路。
7. 受光部として、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光電変換回路を有して成ること
   を特徴とする固体撮像装置。
8. 受光部として、請求項６に記載の光電変換回路を複数有して成り、全ての光電変換回路
   について同一のタイミングで露光を行った後、各光電変換回路毎に得られた受光信号を順
   次読み出していくことを特徴とする固体撮像装置。

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