JPH10257389A - 増幅型固体撮像装置及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＣＣＤ撮像素子と比較しても感度の劣らないよ
うに、雑音抑圧回路の前段に電荷加算回路を設けるこ
と。 【解決手段】２次元状に配列された単位セルは、水平ア
ドレス線７₁ 、７₂ 、…と、電荷転送制御線８₁ 、８
₂ 、…と、リセット線９₁ 、９₂ 、…を介して垂直シフ
トレジスタ６に接続される。上記単位セルに接続された
垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、…の一端には、共通ゲート
配線１１及び共通ソース配線１２に接続された負荷トラ
ンジスタ１３₁ 、１３₂ 、…が設けられる。上記垂直信
号線１０₁ 、１０₂ 、…の他端には、電荷加算回路３０
₁ 、３０₂ 、…及び雑音抑圧回路１４₁ 、１４₂ 、…を
介して水平選択トランジスタ１５₁ 、１５₂ 、…が結線
される。該水平選択トランジスタ１５₁ 、１５₂ 、…
は、水平シフトレジスタ１６から供給される選択パルス
により選択されるもので、水平信号線１７に結線され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は入射光を電気信号
に変換する撮像装置に関し、より詳細には増幅型の固体
撮像装置及びその動作方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、一般的な増幅型ＭＯＳセンサ
と称される固体撮像装置の回路図の一例である。図１０
に於いて、光電変換を行うフォトダイオード１₁₁、
１₁₂、…、１₂₁、１₂₂、…と、該フォトダイオード
１₁₁、１₁₂、…、１₂₁、１₂₂、…の信号を増幅する増幅
トランジスタ２₁₁、２₁₂、…、２₂₁、２₂₂、…と、信号
を読出すラインを選択する垂直選沢トランジスタ３₁₁、
３₁₂、…、３₂₁、３₂₂、…と、信号電荷をリセットする
リセットトランジスタ４₁₁、４₁₂、…、４₂₁、４₂₂、…
と、上記フォトダイオード１₁₁、１₁₂、…、１₂₁、
１₂₂、…の電荷を増幅トランジスタ２₁₁、２₁₂、…、２
₂₁、２₂₂、…のゲート領域に転送する信号電荷転送トラ
ンジスタ５₁₁、５₁₂、…、５₂₁、５₂₂、…により構成さ
れる単位セルが、２次元状に配列されている。図１０に
は、単位セルが２×２個配列された例が示されている
が、実際にはこれより多くの単位セルが配列される。

【０００３】垂直シフトレジスタ６からは、水平方向に
水平アドレス線７₁ 、７₂ 、…と、電荷転送制御線８
₁ 、８₂ 、…と、リセット線９₁ 、９₂ 、…が配線され
ており、それぞれ上述した各単位セルに接続されてい
る。すなわち、水平アドレス線７₁ 、７₂ 、…は垂直選
沢トランジスタ３₁₁、３₁₂、…、３₂₁、３₂₂、…のゲー
トに結線され、信号を読出す行を決定する。電荷転送制
御線８₁ 、８₂ 、…は信号電荷転送トランジスタ５₁₁、
５₁₂、…、５₂₁、５₂₂、…のゲートに接続されている。
また、リセット線９₁ 、９₂ 、…は、リセットトランジ
スタ４₁₁、４₁₂、…、４₂₁、４₂₂、…のゲートに結線さ
れている。

【０００４】上記増幅トランジスタ２₁₁、２₁₂、…、２
₂₁、２₂₂、…のソースは垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、…
に結線されている。これら垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、
…の一端には、共通ゲート配線１１及び共通ソース配線
１２に接続された負荷トランジスタ１３₁ 、１３₂ 、…
が設けられている。そして、上記垂直信号線１０₁ 、１
０₂ 、…の他端には、雑音抑圧回路１４₁ 、１４₂ 、…
を介して水平選択トランジスタ１５₁ 、１５₂ 、…が結
線されている。上記水平選択トランジスタ１５₁ 、１５
₂ 、…は、水平シフトレジスタ１６から供給される選択
パルスにより選択されるもので、水平信号線１７に結線
されている。

【０００５】上記雑音抑圧回路１４₁ 、１４₂ 、…は、
垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、…に信号があるときとない
ときの差をとるための回路である。図１１は、その雑音
抑制回路の構成の一例を示した回路図である。

【０００６】同図に於いて、垂直信号線１０はスライス
トランジスタ１９のゲートに接続されている。このスラ
イストランジスタ１９のソースには、スライスコンデン
サ２０及びスライスコンデンサリセットトランジスタ２
１が、そしてドレインにはスライス電荷蓄積コンデンサ
２１、スライス電荷蓄積コンデンサリセットトランジス
タ２２が、図示のように接続されている。尚、図中２
４、２５、２６、２７、２８は、それぞれスライスコン
デンサリセットトランジスタ共通ソース配線、スライス
コンデンサリセットトランジスタ共通ゲート、スライス
コンデンサ制御線、ＤＣライン、スライス電荷蓄積コン
デンサリセットトランジスタ共通ゲートである。

【０００７】図１２は、この従来のデバイスの動作を説
明するタイミングチャートである。ＢＬパルスは、フォ
トダイオード１の信号を、雑音抑圧回路１４を雑音を抑
圧する期間Ｉと水平信号線１７にその信号を読出す期間
IIを示している。

【０００８】先ず、上記期間Ｉについて説明する。水平
アドレス線７₁ がハイレベルにされるアドレスパルスＳ
１₁ が印加されると、このラインの選択トランジスタの
みオンされ、この行の増幅トランジスタ２₁₁、２₁₂と負
荷トランジスタ１３₁ 、１３₂ でソースホロア回路が構
成され、増幅トランジスタ２₁₁、２₁₂のゲート電圧とほ
ぽ同等の電圧が、垂直信号線１０₁ 、１０₂ に現れる。

【０００９】そして、リセット線８₁ にリセットパルス
Ｓ２₁ が発生され、リセットトランジスタ４₁ がオンさ
れることにより増幅トランジスタ２₁₁のゲートに、信号
のない時の電圧が発生される。このとき、垂直信号線１
０₁ 、１０₂ には信号のない時の雑音電圧のみが発生し
ている。すなわち、スライストランジスタ１９のゲート
には、雑音のみが印加されている。

【００１０】スライスコンデンサリセットトランジスタ
共通ゲート２５にスライスコンデンサリセットパルスＳ
３₁ が印加され、スライスコンデンサ２０がプリセット
される。

【００１１】次に、スライスコンデンサ２０に接続され
ているスライスコンデンサ制御線２６に第１のスライス
バルスＳ４₁ が印加され、スライスコンデンサ２０に蓄
積された電荷の一部がスライストランジスタ１９のゲー
トチャネルを通してドレインに転送される。スライスコ
ンデンサ２０には、スライストランジスタ１９のゲート
に印加されている雑音電圧に対応する電荷が残留する。

【００１２】上記スライストランジスタ１９のドレイン
から転送されスライス電荷蓄積コンデンサ２２に入る電
荷も雑昔電荷に関係する量を有しているが、これはスラ
イス電荷蓄積コンデンサリセットトランジスタ共通ゲー
ト２８に第１のスライス電荷蓄積コンデンサリセットパ
ルスＳ５₁ が印加され、 スライス電荷蓄積容量がリセッ
ト状態にされる。

【００１３】更に、雑音の印加状態を精度よく保つため
に、第２のスライスパルスＳ６₁ 、第２のスライス電荷
蓄積コンデンサリセットバルスＳ７₁ が印加される。続
いて、電荷転送制御線９₁ に信号電荷転送パルスＳ８₁
が印加され、信号電荷転送トランジスタ５₁₁がオンされ
て、増幅トランジスタ２₁₁のゲート領域に信号電荷が転
送される。垂直信号線１０₁ 、１０₂ に信号電圧が現
れ、スライストランジスタ１９のゲートに信号電圧が印
加される。

【００１４】次に、第３のスライスパルスＳ９₁ が印加
され、スライスコンデンサ２０に蓄積されている電荷の
一部がスライストランジスタ１９のゲートチャネルを通
りスライス電荷蓄積コンデンサ２２に転送される。スラ
イスコンデンサ２０には、雑音に対応する電荷量が蓄積
されており、スライストランジスタ１９のゲートには雑
音が重畳された信号電圧が印加されているので、スライ
ス電荷蓄積コンデンサ２２には、雑音成分が差引かれた
信号に対応する電荷のみが転送される。雑音がない信号
電荷のみが、スライス電荷蓄積コンデンサ２２に蓄積さ
れた状態になる。

【００１５】次に、期間IIでは、水平シフトレジスタ１
６から順次発生される水平選択パルスＳ１０₁ 、Ｓ１０
₂ が水平選択トランジスタ１５₁ 、１５₂ のゲートに印
加され、スライス電荷蓄積コンデンサ２２の信号電荷が
水平信号線１７に読出される。読出し信号Ｓ１１₁₁、Ｓ
１１₁₂は、フォトダイオード１₁₁、１₁₂の信号にそれぞ
れ対応している。以降の行の信号についても、同様に読
出すことができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＭＯＳ型撮
像素子は、上述したように、単位画素に増幅トランジス
タを有した型のものでもＣＣＤを有した撮像素子に比ぺ
て感度が低いという問題があった。その理由は、増幅型
ＭＯＳ撮像素子の単位画素に存在する増幅トランジスタ
の性能と、ＣＣＤ撮像素子の最終段に存在する出力アン
プのトランジスタの性能とが、製造プロセスが同じであ
るならば、ほぼ゛同じになるためである。

【００１７】ＣＣＤ撮像素子はほとんど雑音を持たない
素子であり、雑音は出力アンプからのみ発生するものと
考えてよい。一方、増幅型ＭＯＳ撮像素子は、単位画素
で増幅した後も、出力端子に出カされるまでにいくつか
のトランジスタを介するために、ここで新たな雑音が重
畳されてしまうものであった。したがってこの発明は、
ＣＣＤ撮像素子と比較しても感度の劣ることのない増幅
型固体撮像装置及びその動作方法を提供することを目的
とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、増
幅型ＭＯＳ撮像素子の単位画素で増幅を複数回行い、増
幅された電荷を複数回積分し、雑音抑圧回路に入カする
ことにより、雑音抑圧回路以降で重畳される雑音の影響
が軽減できる。または、単位画素で増幅された電荷が電
荷領域では増幅されないで小さい容量に移し変えられ、
電圧領域でのみ増幅されて雑音抑圧回路に入カされる。
但し、これは、雑昔抑圧回路がゲート入カ型である必要
がある。

【００１９】このように構成することにより、増幅型Ｍ
ＯＳ撮像素子の雑音がほとんど単位画素の増幅トランジ
スタの雑音で決定されるようになる。したがって、ＣＣ
Ｄ撮像素子とぽぽ同等感度、若しくは雑昔増幅回路の直
前での増幅率の分だけＣＣＤより高感度になる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態を説明する。図１は、この発明の一実施形態
に従った増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図であ
る。尚、以下に述べる実施の形態に於いて、上述した従
来例と同一の部分には同一の参照番号を付して詳細な説
明は省略する。

【００２１】図１に於いて、光電変換を行うフォトダイ
オード１₁₁、１₁₂、…、１₂₁、１₂₂、…と、増幅トラン
ジスタ２₁₁、２₁₂、…、２₂₁、２₂₂、…と、垂直選沢ト
ランジスタ３₁₁、３₁₂、…、３₂₁、３₂₂、…と、リセッ
トトランジスタ４₁₁、４₁₂、…、４₂₁、４₂₂、…と、信
号電荷転送トランジスタ５₁₁、５₁₂、…、５₂₁、５₂₂、
…により構成される単位セルが、２次元状に配列されて
いる。図１には、単位セルが２×２個配列された例が示
されているが、実際にはこれより多くの単位セルが配列
される。

【００２２】垂直シフトレジスタ６からは、水平方向に
水平アドレス線７₁ 、７₂ 、…と、電荷転送制御線８
₁ 、８₂ 、…と、リセット線９₁ 、９₂ 、…が配線され
ており、それぞれ上述した各単位セルに接続されてい
る。

【００２３】そして、垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、…の
一端には、共通ゲート配線１１及び共通ソース配線１２
に接続された負荷トランジスタ１３₁ 、１３₂ 、…が設
けられている。一方、上記垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、
…の他端には、電荷加算回路３０₁ 、３０₂ 、…及び雑
音抑圧回路１４₁ 、１４₂ 、…を介して水平選択トラン
ジスタ１５₁ 、１５₂ 、…が結線されている。上記水平
選択トランジスタ１５₁ 、１５₂ 、…は、水平シフトレ
ジスタ１６から供給される選択パルスにより選択される
もので、水平信号線１７に結線されている。

【００２４】図２は、上記電荷加算回路３０₁ 、３０
₂ 、…の構成の一例を示した回路図である。図２に於い
て、電荷加算回路３０は、垂直信号線１０にソース、ド
レインが接続された増幅電荷転送トランジスタ３１と、
この増幅電荷転送トランジスタ３１のドレインに接続さ
れた電荷加算コンデンサ３２及び電荷加算コンデンサリ
セットトランジスタ３３とから構成されている。尚、３
４は増幅電荷転送トランジスタ共通ゲート、３５はＤＣ
ライン、３６は電荷加算コンデンサリセットトランジス
タ共通ゲートである。

【００２５】このような構成の固体撮像装置に於いて、
図３のタイミングチャートを参照して、その動作の一例
を説明する。尚、上述した従来例と同じ信号には同一の
参照番号を付してその説明は省略する。

【００２６】先ず、負荷トランジスタ１３がパルス駆動
されるために、負荷トランジスタ共通ゲート１１にバル
ス電圧が入カされる。負荷トランジスタ１３がオンされ
て負荷トランジスタ共通ソース１２とほぽ同じ電圧にな
るよう、垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、…がリセットされ
る。しかる後、負荷トランジスタ１３がオフされると、
アドレスされている行の増幅トランジスタ２と垂直選択
トランジスタ３のゲートチャネルを通って電荷が排出さ
れ、垂直信号線１０₁ 、１０₂ 、…の電位がほぽ増幅ト
ランジスタ２のゲートチャネルの電位と同じになる。

【００２７】垂直信号線１０の容量に蓄積された電荷
は、増幅電荷転送トランジスタ３１がオンされることに
より、電荷加算コンデンサ３２に転送されることができ
る。図３は、こうした転送動作が３回行われた例を示し
たものである。

【００２８】先ず、電荷加算コンデンサ３２がリセット
されるために、電荷加算コンデンサリセットトランジス
タ共通ゲート３６に第１の電荷加算コンデンサリセット
パルスＳ１６₁ が印加される。増幅トランジスタ２に雑
音のみが印加されているとき、負荷トランジスタ共通ゲ
ート１１に第１の雑音時垂直信号線リセットパルスＳ１
２₁₁、増幅電荷転送トランジスタ共通ゲート３４に第１
の雑音時増幅電荷転送パルス１４₁₁が、それぞれ印加さ
れ、電荷加算コンデンサ３２に増幅された雑昔電荷が転
送される。

【００２９】続いて、第２、第３の雑音時信号線リセッ
トパルス１２₁₂、１２₁₃、第２、第３の雑音時増幅電荷
転送パルス１４₁₂、１４₁₃が印加され、合計３回分の雑
音電荷が電荷加算コンデンサ３２に蓄積される。このと
きの電荷加算回路３０の加算された雑音出カが、雑音抑
圧回路１４に取込まれる。雑音抑圧回路１４の動作は図
１２に示されたタイミングチャートと同じである。

【００３０】次に、信号電荷転送トランジスタ５がオン
されて、フォトダイオード１の信号が増幅トランジスタ
２のゲートに転送される。次いで、電荷加算コンデンサ
リセットトランジスタ共通ゲート３６に第２の電荷加算
コンデンサリセットパルスＳ１７₁ が印加される。

【００３１】その後、負荷トランジスタ共通ゲート１１
に第１、第２、第３の信号時垂直信号線リセットバルス
Ｓ１３₁₁、Ｓ１３₁₂、Ｓ１３₁₃が、増幅電荷転送トラン
ジスタ共通ゲート２９に第１、第２、第３の信号時増幅
電荷転送パルスＳ１５₁₁、１５₁₂、１５₁₃が印加され、
合計３回分の信号電荷が電荷加算コンデンサ３２に蓄積
される。このときの電荷加算回路３０の加算された雑音
出力が、雑音抑圧回路１４に取込まれる。

【００３２】雑音抑圧回路１４の動作は、図１２に示さ
れたタイミングチャートと同じである。また、この後の
動作は、図１２に示されたタイミングチャートとほぽ同
じである。

【００３３】加算回数を３回以外にする方法も、容易に
考えることができる。例えば、加算回数が大きくなると
電荷加算コンデンサ３２が飽和するので、その容量値を
垂直信号線１０の容量値よりも大きく設定する。電荷加
算コンデンサ３２に加算された電荷が電圧として雑音抑
圧回路１４に入力されるためには、雑音抑圧回路１４は
ゲート入カである必要がある。これは、例えば、特開昭
６４−２３５４号公報に開示されているようなクランプ
容量を充電する大きな電荷量が必要なものは適さない。

【００３４】図４は、ゲート入カ型の雑音抑圧回路１４
Ａの構成の一例を示した回路図である。図４に於いて、
ゲート入カ型の雑音抑圧回路１４Ａは、雑音抑圧増幅ト
ランジスタ３９と雑音抑圧負荷トランジスタ４０から成
るゲート入カ回路が、クランプコンデンサ４１、クラン
プトランジスタ４２、サンプルポールドトランジスタ４
３、サンプルポールドコンデンサ４４から成る相関二重
サンプリング型の雑音抑圧回路の前段に設けられてい
る。

【００３５】図４の構成の雑音抑圧回路１４Ａに於いて
は、増幅電荷転送トランジスタ３１の閾値電圧のばらつ
きにより、垂直信号線１０から電荷加算コンデンサ３２
に転送される電荷が各列でばらつくおそれがある。こう
したばらつきを抑えるために、電荷加算回路３０は、以
下に述べるように変形して構成することができる。

【００３６】例えば、図５に示されるように、電荷加算
回路３０Ａは、増幅電荷転送トランジスタ３１のゲート
と増幅電荷転送トランジスタ共通ゲート３４間に増幅電
荷転送トランジスタゲート駆動コンデンサ４６が、そし
て増幅電荷転送トランジスタ３１のゲートとドレインの
間にフィードバックトランジスタ４７が接続された構成
である。尚、４８はフィードバックトランジスタ共通ゲ
ートである。これにより、各列での電荷のばらつきを抑
えることができる。

【００３７】更に、図６は閾値ばらつきの補正と電荷の
加算を別々に行う回路の例を示したものである。図６に
示されるように、電荷加算回路３０Ｂは、増幅電荷転送
トランジスタ３１と、電荷加算コンデンサ３２、電荷加
算コンデンサリセットトランジスタ３３及びフィードバ
ックトランジスタ４７を有している。そして、増幅電荷
転送トランジスタ３１のドレインに、第２の増幅電荷転
送トランジスタ３１′及び第２の電荷加算コンデンサ３
２′が接続された構成となっている。尚、３４′は増幅
電荷転送トランジスタ共通ゲートである。

【００３８】図７は、電荷加算回路の更に他の構成例を
示した回路図である。図７に示されるように、電荷加算
回路３０Ｃは、上述した図５の電荷加算回路３０Ａと３
０Ｂとを組み合わせた構成となっている。すなわち、電
荷加算回路３０Ａの増幅電荷転送トランジスタ３１のド
レインに、第２の増幅電荷転送トランジスタ３１′及び
第２の電荷加算コンデンサ３２′が接続された構成とな
っている。

【００３９】一般に、撮像素子をカメラに用いた揚合、
感度を可変にするために、出カされた信号を増幅する外
部増幅回路は増幅率が可変になっている。上述した電荷
加算回路では、その加算回数を変化させることにより、
撮像素子の出カで外部増幅回路を使わずに増幅率を変化
させることかできる。輝度の低い部分、高い部分の何れ
も写すために、輝度の低いところでは増幅率が自動的に
あがるような自動感度調整機能も、電荷加算回路の加算
回数が自動的に切変わるようにシステムを構成すること
により可能になる。

【００４０】また、上述した電荷加算回路では、信号電
荷を加算することによって電圧を増幅するようにしてい
たが、加算を行わずに１回の転送動作で電圧を増幅する
ことも可能である。この場合、上述した電荷加算コンデ
ンサ３２の容量値を垂直信号線１０のそれより小さく設
定する必要がある。

【００４１】図８は、こうした信号電荷を１回の転送動
作で電圧を増幅する電荷加算回路の構成を示した回路図
である。図８に於いて、電荷加算回路３０Ｄは、増幅電
荷転送トランジスタ３１と電荷加算コンデンサリセット
トランジスタ３３の接続点に、第１乃至第３の電荷加算
コンデンサ３２ａ〜３２ｃを選択するための電荷加算コ
ンデンサ選択トランジスタ４９ａ〜４９ｃのソースが、
並列に接続されている。そして、電荷加算コンデンサ選
択トランジスタ４９ａ〜４９ｃのドレインには増幅電荷
を蓄積するための電荷加算コンデンサ３２ａ〜３２ｃ
が、ゲートには該トランジスタ４９ａ〜４９ｃ選択用の
個数選択ライン５０ａ〜５０ｃが接続されている。

【００４２】このように、電荷加算回路３０Ｄには、増
幅電荷蓄積用の電荷加算コンデンサが複数個、図８に於
いては３個設けられている。そして、増幅率を可変にす
るために、電荷加算コンデンサ選択トランジスタ４９ａ
〜４９ｃのスイッチの選択により、電荷加算コンデンサ
に電荷が蓄積される容量の数が選択される。すなわち、
選択された電荷加算コンデンサの個数に応じて、電圧の
増幅率が変わるようになっている。

【００４３】また、信号電荷を１回の転送動作で電圧を
増幅する方法として、ダイオード等のバイアスにより容
量値を変える可変容量を用いた構成も考えられる。図９
は、こうした電荷加算回路の構成例を示した回路図であ
り、電荷加算回路３０Ｅは、増幅電荷転送トランジスタ
３１と電荷加算コンデンサリセットトランジスタ３３と
の接続点に、図示の如く電荷加算コンデンサとダイオー
ド５１から成る並列回路が接続されている。尚、５２は
ダイオードバイアスラインである。

【００４４】図９の電荷加算路３０Ｅでは、ダイオード
バイアスライン５２の制御によって電圧を変化させるこ
とで、ダイオード５１の容量を変化させて増幅率を変化
させている。

【００４５】このように、信号電荷の加算を行わずに１
回の転送動作で電圧を増幅することもできる。また、上
述した実施の形態の他に、以下の発明を含んでいる。

【００４６】（１） 半導体基板上に光電変換手段と信
号電荷蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅
手段とから成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域
と、この領域に行方向に配された複数の垂直選択線と、
該垂直選択線を駆動する垂直選択手段と上記増幅手段の
出カを読出す列方向に配された複数の垂直信号線と、該
複数の垂直信号線に設けられた複数の垂直信号線駆動補
助手段と、上記垂直信号線の端部に設けられ垂直信号線
に時間差をもって現れる雑音と信号を取込み差引く雑音
抑圧手段と、列方向に配された水平選択線と、この水平
選択線と上記雑音抑圧手段の出カを中継する水平読出し
手段と、この水平読出し手段を駆動する水平選択手段と
から成る増幅型の固体撮像装置に於いて、上記垂直信号
線と上記雑音抑圧手段との間に上記垂直信号線上の信号
電荷を加算する電荷加算手段を備えることを特徴とする
増幅型固体撮像装置。

【００４７】（２） 上記電荷加算手段は、上記垂直信
号線に電荷を転送する垂直信号線電荷転送手段と、この
垂直信号線電荷転送手段で転送された電荷を蓄積する加
算電荷蓄積容量から成ることを特徴とする上記（１）に
記載の増幅型固体撮像装置。

【００４８】（３） 上記加算電荷蓄積容量に蓄積され
た電荷を排出する加算電荷排出手段を更に具備すること
を特徴とする上記（２）に記載の増幅型固体撮像装置。 （４） 上記垂直信号線電荷転送手段はＭＯＳトランジ
スタと、該ＭＯＳトランジスタのゲート電極と上記加算
電荷蓄積容量が接続されたドレインとの間に接続された
帰還ＭＯＳトランジスタとにより構成されていることを
特徴とする上記（３）に記載の増幅型固体撮像装置。

【００４９】（５） 上記加算電荷蓄積容量の電気容量
値は上記垂直信号線の電気容量値より大きいことを特徴
とする上記（１）乃至（４）に記載の増幅型固体撮像装
置。 （６） 上記雑音抑圧手段は、少なくとも１つのＭＯＳ
トランジスタを含んで構成され、上記電荷加算手段の出
力が上記ＭＯＳトランジスタのゲートに入力されている
ことを特徴とする上記（１）乃至（５）に記載の増幅型
固体撮像装置。

【００５０】（７） 半導体基板上に光電変換手段と信
号電荷蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅
手段とから成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域
の行方向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で駆
動し、上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂直
信号線で読出し、上記垂直信号線の端部に設けた雑音抑
圧手段によって該垂直信号線に時間差をもって現れる雑
音と信号を取込み差引き、上記撮像領域の列方向に配し
た水平選択線と雑音抑圧手段の出カを水平読出し手段で
中継し、この水平読出し手段を水平選択手段で駆動する
増幅型固体撮像装置の動作方法に於いて、上記信号電荷
蓄積手段に蓄積された１回分の信号に対して複数回の増
幅動作を行う第１の工程と、この第１の工程により上記
垂直信号線に複数回発生した増幅信号及ぴ増幅雑音を複
数回加算した信号及び雑音を上記雑音抑圧手段により差
引く第２の工程とを具備することを特徴とする増幅型撮
像装置の動作方法。

【００５１】（８） 上記第２の工程は加算回数を変え
ることにより感度を変化させることを特徴とする上記
（７）に記載の増幅型固体撮像装置の動作方法。 （９） 上記第２の工程は、入射光量に応じて上記加算
回数を可変にすることにより、感度調整を行うことを特
徴とする上記（８）に記載の増幅型固体撮像装置の動作
方法。

【００５２】（１０） 半導体基板上に光電変換手段と
信号電荷蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増
幅手段とから成る感光セルを２次元上に配列した撮像領
域の行方向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で
駆動し、上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂
直信号線で読出し、上記複数の垂直信号線の端部に設け
た雑音抑圧手段によって該垂直信号線に時間差をもって
現れる雑音と信号を取込み差引き、垂直信号線と雑音抑
圧手段との間にＭＯＳトランジスタを設け、該ＭＯＳト
ランジスタのゲート電極と積分電荷蓄積容量が接続され
たドレインとの間に帰還ＭＯＳトランジスタと積分電荷
蓄積容量から成る電荷積分手段を設け、上記撮像領域の
列方向に配された水平選択線と雑音抑圧手段の出カを水
平読出し手段で中継し、この水平読出し手段を水平選択
手段で駆動する増幅型固体撮像装置の動作方法に於い
て、上記垂直信号線に参照電圧を与える第１の工程と、
上記垂直信号線に参照電圧を与えるときに上記帰還ＭＯ
Ｓトランジスタを駆動する第２の工程と、上記帰還ＭＯ
Ｓトランジスタを駆動した後、上記信号電荷蓄積手段に
蓄積された１回分の信号に対して複数回の増幅動作を行
う第３の工程と、この第３の工程により上記垂直信号線
に複数回発生した増幅信号及ぴ増幅雑音を複数回加算す
るときは、上記帰還トランジスタを駆動して加算した信
号及ぴ雑昔を上記雑音抑圧手段により差引く動作を行う
第４の工程とを具備することを特徴とする増幅型固体撮
像装置の動作方法。

【００５３】（１１） 半導体基板上に光電変換手段と
信号電荷蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増
幅手段とから成る感光セルを２次元上に配列した撮像領
域と、この撮像領域に行方向に配された複数の垂直選択
線と、該垂直選択線を駆動する垂直選択手段と、上記増
幅手段の出カを読出す列方向に配された複数の垂直信号
線と、上記複数の垂直信号線に設けられた複数の垂直信
号線駆動補助手段と、上記垂直信号線の端部に設けられ
上記垂直信号線に時間差をもって現れる雑音と信号を取
込み差引く雑音抑圧手段と、列方向に配された水平信号
線と、該水平選択線と上記雑音抑圧手段の出カを中継す
る水平読出し手段と、この水平読出し手段を駆動する水
平選択手段とから成る増幅型の固体撮像装置に於いて、
上記重直信号線と上記雑音抑圧手段との間に上記垂直信
号線上の信号電圧を増幅する電圧増幅手段を備えること
を特徴とする増幅型固体撮像装置。

【００５４】（１２） 上記電圧増幅手段は上記垂直信
号線に電荷を転送する垂直信号線電荷転送手段と、この
垂直信号線電荷転送手段で転送された電荷を蓄積する電
圧増幅電荷蓄積容量から成ることを特徴とする上記（１
１）に記載の増幅型固体撮像装置。

【００５５】（１３） 上記電圧増幅電荷蓄積容量の電
気容量値は、上記垂直信号線の電気容量値より小さいこ
とを特徴とする上記（１２）に記載の増幅型固体撮像装
置。 （１４） 上記電圧増幅電荷蓄積容量に蓄積された電荷
を排出する電圧増幅電荷排出手段を更に具備することを
特徴とする上記（１１）に記載の増幅型固体撮像装置。

【００５６】（１５） 上記垂直信号線電荷転送手段
は、ＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極と上記電圧増幅電荷蓄積容量が接続されたドレ
インとの間に接続された帰還ＭＯＳトランジスタとによ
り構成されることを特徴とする上記（１１）に記載の増
幅型固体撮像装置。

【００５７】（１６） 上記雑音抑圧手段は、少なくと
も１つのＭＯＳトランジスタを含んで構成され、上記電
圧増幅手段の出力は上記ＭＯＳトランジスタのゲートに
入カされていることを特徴とする上記（１１）乃至（１
５）に記載の増幅型固体撮像装置。

【００５８】（１７） 上記電圧増幅電荷蓄積容量は、
外部より入カされた外部信号により電気容量値が可変と
なることを特徴とする上記（１２）に記載の増幅型固体
撮像装置。

【００５９】（１８） 上記電圧増幅電荷蓄積容量は、
容量可変トランジスタと複数の分割容量により横成され
ていることを特徴とする上記（１７）に記載の増幅型固
体撮像装置。

【００６０】（１９） 半導体基板上に光電変換手段と
信号電荷蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増
幅手段とから成る感光セルを２次元上に配列した撮像領
域の行方向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で
駆動し、上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂
直信号線で読出し、該複数の垂直信号線に設けられた複
数の垂直信号線駆動補助手段と垂直信号線の端部に設け
た雑音抑圧手段によって垂直信号線に時問差をもって現
れる雑音と信号を取込み差引き、垂直信号線と雑音抑圧
手段との間にＭＯＳトランジスタを設け、このＭＯＳト
ランジスタのゲート電極と電圧増幅蓄積容量が接続され
たドレインとの間に帰還ＭＯＳトランジスタと電圧増幅
蓄積容量から成る電荷積分手段を接続し、上記撮像領域
の列方向に配した水平選択線と雑音抑圧手段の出カを水
平読出し手段で中継し、この水平読出し手段を水平選択
手段で駆動する増幅型固体撮像装置の動作方法に於い
て、上記垂直信号線に参照電圧を与える第１の工程と、
上記垂直信号線に参照電圧を与えるときに上記帰還ＭＯ
Ｓトランジスタを駆動する第２の工程と、上記期間ＭＯ
Ｓトランジスタを駆動した後に上記増幅信号及び増幅雑
音を上記ＭＯＳトランジスタを介して上記電圧増幅蓄積
容量に転送するときは、上記帰還ＭＯＳトランジスタを
駆動せず、電圧増幅された信号及び雑音を上記雑音抑圧
手段により差引く動作を行う第３の工程とを具備するこ
とを特徴とする増幅型固体撮像装置の動作方法。

【００６１】（２０） 半導体基板上に光電変換手段と
信号電荷蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増
幅手段とから成る感光セルを２次元上に配列した撮像領
域の行方向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で
駆動し、上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂
直信号線で読出し、該複数の垂直信号線に設けられた複
数の垂直信号線駆動補助手段と垂直信号線の端部に設け
た雑音抑圧手段によって垂直信号線に時間差をもって現
れる雑音と信号を取込み差引き、垂直信号線と雑音抑圧
手段との間に垂直信号線電荷転送手段と外部より可変の
電気容量値が制御できる可変電圧増幅蓄積容量とから成
る電荷積分手段を設け、上記撮像領域の列方向に配した
水平選択線と雑音抑圧手段の出カを水平読出し手段で中
継し、この水平読出し手段を水平選択手段で駆動する増
幅型固体撮像装置の動作方法に於いて、外部より容量可
変信号を与える工程と、上記電圧増幅蓄積容量の電気容
量値を変化させて感度を制御する工程とを具備すること
を特徴とする増幅型固体撮像装置の動作方法。

【００６２】（２１） 入射光量に応じて上記電気容量
値を可変にすることにより、感度調整を行うことを特徴
とする上記（２０）に記載の増幅型固体撮像装置の動作
方法。

【００６３】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、 ＣＣ
Ｄ撮像素子と比較しても感度の劣ることのない増幅型固
体撮像装置及びその動作方法を提供することがきる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に従った固体撮像装置の
構成を示す回路図である。

【図２】図１の電荷加算回路の構成の一例を示した回路
図である。

【図３】図１の固体撮像装置の動作を説明するタイミン
グチャートである。

【図４】ゲート入カ型の雑音抑圧回路の構成の一例を示
した回路図である。

【図５】図１の電荷加算回路の他の構成例を示した回路
図である。

【図６】閾値ばらつきの補正と電荷の加算を別々に行う
電荷加算回路の例を示した図である。

【図７】図１の電荷加算回路の更に他の構成例を示した
回路図である。

【図８】信号電荷を１回の転送動作で電圧を増幅する電
荷加算回路の構成を示した回路図である。

【図９】信号電荷を１回の転送動作で電圧を増幅する電
荷加算回路の他の構成を示した回路図である。

【図１０】一般的な増幅型ＭＯＳセンサと称される固体
撮像装置の回路図の一例である。

【図１１】図１０の雑音抑圧回路の構成の一例を示した
回路図である。

【図１２】図１１の固体撮像装置の動作を説明するタイ
ミングチャートである。

【符号の説明】

１₁₁、１₁₂、…、１₂₁、１₂₂、… フォトダイオード、 ２₁₁、２₁₂、…、２₂₁、２₂₂、… 増幅トランジスタ、 ３₁₁、３₁₂、…、３₂₁、３₂₂、… 垂直選択トランジス
タ、 ４₁₁、４₁₂、…、４₂₁、４₂₂、… リセットトランジス
タ、 ５₁₁、５₁₂、…、５₂₁、５₂₂、… 信号電荷転送トラン
ジスタ、 ６ 垂直シフトレジスタ、 ７ ７₁ 、７₂ 、… 水平アドレス線、 ８₁ 、８₂ 、… 電荷転送制御線、 ９₁ 、９₂ 、… リセット線、 １０、１０₁ 、１０₂ 、… 垂直信号線、 １１ 共通ゲート配線、 １２ 共通ソース配線、 １３₁ 、１３₂ 、… 負荷トランジスタ、 １４、１４Ａ、１４₁ 、１４₂ 、… 雑音抑圧回路、 １５₁ 、１５₂ 、… 水平選択トランジスタ、 １６ 水平シフトレジスタ、 １７ 水平信号線、 ３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０
₁ 、３０₂ 、… 電荷加算回路、 ３１ 増幅電荷転送トランジスタ、 ３２ 電荷加算コンデンサ、 ３３ 電荷加算トランジスタリセットトランジスタ、 ３４ 増幅電荷転送トランジスタ共通ゲート、 ３５ ＤＣライン、 ３６ 電荷加算コンデンサリセットトランジスタ共通ゲ
ート、 ３９ 雑音抑圧増幅トランジスタ、 ４０ 雑音抑圧負荷トランジスタ、 ４１ クランプコンデンサ、 ４２ クランプトランジスタ、 ４３ サンプルホールドトランジスタ、 ４４ サンプルホールドコンデンサ、 ４６ 増幅電荷転送トランジスタゲート駆動コンデン
サ、 ４７ フィードバックトランジスタ、 ４８ フィードバックトランジスタ共通ゲート。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に光電変換手段と信号電荷
   蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅手段と
   から成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域と、こ
   の領域に行方向に配された複数の垂直選択線と、該垂直
   選択線を駆動する垂直選択手段と上記増幅手段の出カを
   読出す列方向に配された複数の垂直信号線と、該複数の
   垂直信号線に設けられた複数の垂直信号線駆動補助手段
   と、上記垂直信号線の端部に設けられ垂直信号線に時間
   差をもって現れる雑音と信号を取込み差引く雑音抑圧手
   段と、列方向に配された水平選択線と、この水平選択線
   と上記雑音抑圧手段の出カを中継する水平読出し手段
   と、この水平読出し手段を駆動する水平選択手段とから
   成る増幅型の固体撮像装置に於いて、 上記垂直信号線と上記雑音抑圧手段との間に上記垂直信
   号線上の信号電荷を加算する電荷加算手段を備えること
   を特徴とする増幅型固体撮像装置。
2. 【請求項２】 半導体基板上に光電変換手段と信号電荷
   蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅手段と
   から成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域の行方
   向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で駆動し、
   上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂直信号線
   で読出し、上記垂直信号線の端部に設けた雑音抑圧手段
   によって該垂直信号線に時間差をもって現れる雑音と信
   号を取込み差引き、上記撮像領域の列方向に配した水平
   選択線と雑音抑圧手段の出カを水平読出し手段で中継
   し、この水平読出し手段を水平選択手段で駆動する増幅
   型固体撮像装置の動作方法に於いて、 上記信号電荷蓄積手段に蓄積された１回分の信号に対し
   て複数回の増幅動作を行う第１の工程と、 この第１の工程により上記垂直信号線に複数回発生した
   増幅信号及ぴ増幅雑音を複数回加算した信号及び雑音を
   上記雑音抑圧手段により差引く第２の工程とを具備する
   ことを特徴とする増幅型撮像装置の動作方法。
3. 【請求項３】 半導体基板上に光電変換手段と信号電荷
   蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅手段と
   から成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域の行方
   向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で駆動し、
   上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂直信号線
   で読出し、上記複数の垂直信号線の端部に設けた雑音抑
   圧手段によって該垂直信号線に時間差をもって現れる雑
   音と信号を取込み差引き、垂直信号線と雑音抑圧手段と
   の間にＭＯＳトランジスタを設け、該ＭＯＳトランジス
   タのゲート電極と積分電荷蓄積容量が接続されたドレイ
   ンとの間に帰還ＭＯＳトランジスタと積分電荷蓄積容量
   から成る電荷積分手段を設け、上記撮像領域の列方向に
   配された水平選択線と雑音抑圧手段の出カを水平読出し
   手段で中継し、この水平読出し手段を水平選択手段で駆
   動する増幅型固体撮像装置の動作方法に於いて、 上記垂直信号線に参照電圧を与える第１の工程と、 上記垂直信号線に参照電圧を与えるときに上記帰還ＭＯ
   Ｓトランジスタを駆動する第２の工程と、 上記帰還ＭＯＳトランジスタを駆動した後、上記信号電
   荷蓄積手段に蓄積された１回分の信号に対して複数回の
   増幅動作を行う第３の工程と、 この第３の工程により上記垂直信号線に複数回発生した
   増幅信号及ぴ増幅雑音を複数回加算するときは、上記帰
   還トランジスタを駆動して加算した信号及ぴ雑昔を上記
   雑音抑圧手段により差引く動作を行う第４の工程とを具
   備することを特徴とする増幅型固体撮像装置の動作方
   法。
4. 【請求項４】 半導体基板上に光電変換手段と信号電荷
   蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅手段と
   から成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域と、こ
   の撮像領域に行方向に配された複数の垂直選択線と、該
   垂直選択線を駆動する垂直選択手段と、上記増幅手段の
   出カを読出す列方向に配された複数の垂直信号線と、上
   記複数の垂直信号線に設けられた複数の垂直信号線駆動
   補助手段と、上記垂直信号線の端部に設けられ上記垂直
   信号線に時間差をもって現れる雑音と信号を取込み差引
   く雑音抑圧手段と、列方向に配された水平信号線と、該
   水平選択線と上記雑音抑圧手段の出カを中継する水平読
   出し手段と、この水平読出し手段を駆動する水平選択手
   段とから成る増幅型の固体撮像装置に於いて、 上記重直信号線と上記雑音抑圧手段との間に上記垂直信
   号線上の信号電圧を増幅する電圧増幅手段を備えること
   を特徴とする増幅型固体撮像装置。
5. 【請求項５】 半導体基板上に光電変換手段と信号電荷
   蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅手段と
   から成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域の行方
   向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で駆動し、
   上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂直信号線
   で読出し、該複数の垂直信号線に設けられた複数の垂直
   信号線駆動補助手段と垂直信号線の端部に設けた雑音抑
   圧手段によって垂直信号線に時問差をもって現れる雑音
   と信号を取込み差引き、垂直信号線と雑音抑圧手段との
   間にＭＯＳトランジスタを設け、このＭＯＳトランジス
   タのゲート電極と電圧増幅蓄積容量が接続されたドレイ
   ンとの間に帰還ＭＯＳトランジスタと電圧増幅蓄積容量
   から成る電荷積分手段を接続し、上記撮像領域の列方向
   に配した水平選択線と雑音抑圧手段の出カを水平読出し
   手段で中継し、この水平読出し手段を水平選択手段で駆
   動する増幅型固体撮像装置の動作方法に於いて、 上記垂直信号線に参照電圧を与える第１の工程と、 上記垂直信号線に参照電圧を与えるときに上記帰還ＭＯ
   Ｓトランジスタを駆動する第２の工程と、 上記期間ＭＯＳトランジスタを駆動した後に上記増幅信
   号及び増幅雑音を上記ＭＯＳトランジスタを介して上記
   電圧増幅蓄積容量に転送するときは、上記帰還ＭＯＳト
   ランジスタを駆動せず、電圧増幅された信号及び雑音を
   上記雑音抑圧手段により差引く動作を行う第３の工程と
   を具備することを特徴とする増幅型固体撮像装置の動作
   方法。
6. 【請求項６】 半導体基板上に光電変換手段と信号電荷
   蓄積手段と信号電荷排出手段と行選択手段と増幅手段と
   から成る感光セルを２次元上に配列した撮像領域の行方
   向に配した複数の垂直選択線を垂直選択手段で駆動し、
   上記増幅手段の出カを列方向に配した複数の垂直信号線
   で読出し、該複数の垂直信号線に設けられた複数の垂直
   信号線駆動補助手段と垂直信号線の端部に設けた雑音抑
   圧手段によって垂直信号線に時間差をもって現れる雑音
   と信号を取込み差引き、垂直信号線と雑音抑圧手段との
   間に垂直信号線電荷転送手段と外部より可変の電気容量
   値が制御できる可変電圧増幅蓄積容量とから成る電荷積
   分手段を設け、上記撮像領域の列方向に配した水平選択
   線と雑音抑圧手段の出カを水平読出し手段で中継し、こ
   の水平読出し手段を水平選択手段で駆動する増幅型固体
   撮像装置の動作方法に於いて、 外部より容量可変信号を与える第１の工程と、 上記電圧増幅蓄積容量の電気容量値を変化させて感度を
   制御する第２の工程とを具備することを特徴とする増幅
   型固体撮像装置の動作方法。