JPH11112018A - 固体撮像装置と信号検出装置と信号蓄積装置 - Google Patents
固体撮像装置と信号検出装置と信号蓄積装置Info
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Abstract
ても、高いS/N比を有し、かつ画素サイズの縮小化を
可能とすることを課題とする。 【解決手段】 同一半導体基板上に2次元に配列された
複数の受光素子と該受光素子から信号を順次選択して外
部に出力する手段を具備した固体撮像装置において、画
素内に少なくともホトダイオードと、ホトダイオードか
らの光電荷を信号増幅する信号増幅部と、該信号増幅部
に光電荷を転送する電荷転送部と、信号増幅部の入力端
子に任意の電圧を入力する機構を有し、該信号増幅部の
入力端子の動作点を変えることにより信号の読み出し形
態を制御することを特徴とする。また、信号増幅部の入
力端子の動作点をかえることにより信号の読み出し形態
を制御することを特徴とする。
Description
検出装置と信号蓄積装置に関し、詳しくは画素毎に入力
端子の動作点を変える信号増幅部を有する固体撮像装置
と信号検出装置と信号蓄積装置に関する。
撮像装置の画素部の等価回路図を示す。図16中、それ
ぞれ、1は電源線、2はリセットスイッチ線、3は選択
スイッチ線、4は信号出力線、5はホトダイオード、6
は転送スイッチ線を示す。図16(a)は、たとえば1
993年のIEDMにおいてEric R.Fossum氏らによっ
て報告されている(技術試料1:IEDM93−583
〜586)固体撮像装置の回路である。また、図16
(b)は、「ISSCC96/Session1/Plenary Session/Paper
TA1.2」で報告されている固体撮像装置の回路である。
図17は、図16(b)の画素を2次元に配置して画像
信号を読み出す読み出し回路を付加した例である。
た2次元固体撮像素子においては、ホトダイオード以外
に複数のスイッチ素子や信号増幅部を構成する素子が必
要である。図16(a)においては、1画素あたり、ホ
トダイオードと4個ものMOSトランジスタが必要とな
るため、どうしても1画素のサイズが大きくなってしま
う。
説明する。 リセットスイッチQ2によりソースフォロワQ3の入
力ノードにリセット電圧を入力するリセット動作と選択
スイッチQ4による、行選択を行う。 ソースフォロワQ3の入力ノードをフローティングに
し、リセットノイズおよびソースフォロワMOSQ3の
閾値電圧バラツキなどの固定パタンノイズからなるノイ
ズ成分の読み出しを行い、その情報を信号蓄積部15に
一旦保持する。 その後、転送スイッチQ1を開閉し、光信号により生
成された蓄積電荷をソースフォロワQ3の入力ノードに
転送し、前述のノイズ成分と光信号成分の和を読み出
し、信号蓄積部15に保持する。 共通信号線への転送スイッチ18,18’を介して、
共通信号線19,19’にノイズ成分の信号とノイズ成
分と光信号成分の信号をそれぞれ読み出す。共通信号線
19,19’の出力はそれぞれバッファアンプを介して
出力13,14を得ている。出力13と14はその後段
で、両者の差をとることでリセットノイズおよび固定パ
タンノイズを除去しすることができる。なお、垂直シフ
トレジスタ12と水平シフトレジスタ16とで、各画素
の読み出しを順次走査している。
1画素あたり、ホトダイオードと3個のMOSトランジ
スタが必要となるが、図16(a)よりトランジスタが
1個少なくてすみ、これに伴い転送スイッチ線も不要と
なる。このことは、画素サイズを小さくする上で大変重
要なことである。
転送スイッチがないため、蓄積期間中に各画素のノイズ
成分を保持しておく機構がないため、ノイズ除去をする
ことができず、信号成分/ノイズ成分の比であるS/N
比が図16(a)の場合より劣る固体撮像装置になって
しまう。
は、高いS/N比を有し、かつ画素サイズの縮小化をす
るのが困難であった。
くともホトダイオードと、ホトダイオードからの光電荷
を信号増幅する信号増幅部と、該信号増幅部に光電荷を
転送する電荷転送部と、信号増幅部の入力端子に任意の
電圧を入力するリセット機構を有し、画素の選択・非選
択が信号増幅部の入力端子の動作点をかえることによっ
て行われることにより上記問題点を解決する。
選択は前記信号増幅部の入力端子の動作点をかえること
によっておこない、この結果、以下のような効果を得る
ことができる。
択スイッチ線を設ける必要が無くなり画素サイズを縮小
することが可能となる。
択スイッチの電圧降下により生じていた、非線型性やダ
イナミックレンジの低下の特性劣化をなくすことができ
る。
元に配列された複数の受光素子と該受光素子から信号を
順次選択して外部に出力する手段を具備した固体撮像装
置において、画素内に少なくともホトダイオードと、ホ
トダイオードからの光電荷を信号増幅する信号増幅部
と、前記ホトダイオードから前記信号増幅部に光電荷を
転送する電荷転送部と、前記信号増幅部の入力端子に任
意の電圧を入力する機構を有し、前記信号増幅部の入力
端子の動作点をかえることにより信号の読み出し形態を
制御することを特徴とする。
荷転送部が前記ホトダイオードと前記信号増幅部の入力
端子との間に挿入されたトランジスタからなり、前記信
号増幅部の入力端子の動作点をかえることにより信号の
読み出しを制御し、非読み出し期間中は、前記トランジ
スタのホトダイオードと反対側の端子に電圧を印加して
おくことを特徴とする。
元に配列された複数の信号検出素子と該信号検出素子か
ら信号を順次選択して外部に出力する手段を具備した信
号検出装置において、セル内に少なくとも前記検出素子
と、前記検出素子からの信号電荷を信号増幅する信号増
幅部と、該信号増幅部に信号電荷を転送する電荷転送部
と、前記信号増幅部の入力端子に任意の電圧を入力する
機構を有し、前記信号増幅部の入力端子の動作点をかえ
ることにより信号の読み出し形態を制御することを特徴
とする。
元に配列された複数の信号蓄積素子と該信号蓄積素子か
ら信号を順次選択して外部に出力する手段を具備した信
号蓄積装置において、セル内に少なくとも前記信号蓄積
素子と、前記信号蓄積素子からの信号電荷を信号増幅す
る信号増幅部と、該信号増幅部に信号電荷を転送する電
荷転送部と、前記信号増幅部の入力端子に任意の電圧を
入力する機構を有し、前記信号増幅部の入力端子の動作
点をかえることにより信号の読み出し形態を制御するこ
とを特徴とする。
も良く表した1画素の等価回路を示す。また、図1
(b)は、本発明の読み出し例を説明するための模式図
を示す。これらの図を用いて、本発明の原理について説
明する。
に、光により生成した電荷が蓄積される。信号増幅部3
の入力端子をトランジスタQ2により所定の電圧を入力
する。以降、この動作をリセット動作と称する。その
後、転送スイッチQ1を開閉し、信号電荷を信号増幅部
3の入力端子に信号を転送する。ここで、信号電荷を転
送する手段であるが、転送スイッチQ1のようにホトダ
イオード5と信号増幅部3の入力端子を直接電気的に接
続してもよい。また、接続トランジスタが1つだけでな
く、複数のトランジスタで接続されていてもよい。更
に、電荷結合型のシフトレジスタ1段以上から構成され
ていてもよい。即ち、本発明は電荷転送手段に限定され
るものではなく、信号情報を何らかなの方法で信号増幅
部3の入力端子に伝達できればよい。
の出力信号を保持しておき、信号電荷を転送した後の信
号増幅部3の出力から、差し引くことにより、ノイズ成
分を除去することができる。特にホトダイオード5を埋
め込み型のホトダイオードにし、信号電荷を転送した後
に、ホトダイオード5の蓄積領域を十分に空乏化させる
ことで、残留電荷数を例えば電子1〜10個程度になる
様な設計を行うことで、リセット動作により生じるさま
ざまなランダムノイズも除去することができる。
の内、ある列において、各画素毎の信号増幅部31〜3
4が共通の信号出力線7に接続されている図である。基
本的に、信号増幅部3は、多入力の信号増幅装置の入力
を含む部分であり、その負荷は電源8との間に接続した
信号増幅部の負荷36で示している。この負荷には、信
号増幅部31〜34をソースフォロワ方式で動作させる
ために基準電位点のグランド間に定電流源を用いてもよ
い。ただ、その目的によっては、1素子で形成される場
合もあり、2素子以上で形成される場合もある。本発明
においては、信号増幅部3が構成する信号増幅装置が比
較回路や加算回路に代表されるような多入力可能な信号
増幅回路3であることが重要である。図中の信号増幅部
3の負荷36は、信号増幅部3が構成する信号増幅装置
の動作形式による。例えば、信号増幅装置が後述の実施
例1に代表されるようなフォロワ形式であれば、定電流
源となり、電源8はグランドとなる。また、信号増幅装
置が後述の実施例2に代表されるような抵抗負荷による
反転アンプ形式であれば、信号増幅部31〜34の負荷
36は、抵抗であり、電源8は、電源電圧VDDとな
る。
増幅装置が実施例1に代表されるようなフォロワ形式に
おいては、行選択用のスイッチが無ければ、信号増幅装
置の出力は、もっとも電圧の高い出力を示す行の出力と
なる。故に、光信号が大きくなるに従って、出力が低く
なる画素構成においては、光信号を読み出す場合、目的
とする行の読み出しができず、いずれかの行のダークレ
ベルが出力されてしまう。従来の技術では、このことを
避ける手段として選択スイッチを設けていた。これに対
し、本発明において、読み出す場合は、読み出しを行わ
ない行の信号増幅部の入力端子には、ソースフォロワの
トランジスタがOFFする電圧を入力し、読み出しを行
う行の信号増幅部の入力端子には、ONする電圧を入力
すれば、読み出し行のみが活性となり、信号増幅部の出
力端子7には、ON電圧を入力した行の出力が現れる。
以下の方法により、ランダムノイズまでも除去可能な信
号読み出しが可能となる。
読み出し行の選択だけを目的にするならば、完全にOF
Fする必要はない。例えば、電源電圧が5.0volt
であり、読み出し選択する際のON電圧として5.0v
oltを入力する場合、非選択行に2voltを入力す
れば、入力トランジスタは完全にOFFはしないが、選
択行の入力電圧が2volt以上であれば、選択行の信
号が信号増幅の出力端子7に出力され、選択行の入力電
圧が2volt以下であれば、入力電圧が2volt相
当の信号が信号増幅の出力端子7に出力される。この方
法で、飽和出力電圧に制限をかけることもできる。
例では、リセット動作に伴い生じるランダムノイズまで
も除去することが可能となる。 信号読み出し後に、トランジスタQ2を介しOFF電
圧を入力しておく。 選択行の読み出しを行うため、今までOFF電圧であ
った入力端子に、トランジスタQ2を介し、ON電圧を
入力する。
なる。 トランジスタQ2をOFFし、固定パタンノイズと入
力端子のランダムノイズからなる信号増幅装置の出力を
図17の信号蓄積部15に相当する部分に保持する。 転送スイッチQ1を開閉し、ホトダイオード5に蓄積
された信号電荷を信号増幅部3の入力端子に転送する。 のノイズ信号に信号電荷が加算された信号増幅装置
の出力を図17の信号蓄積部15に相当する部分に保持
する。 信号を読み出した後、トランジスタQ2を介し信号増
幅部3の入力端子にOFF電圧を入力し、その行の信号
増幅部3を不活性とする。 信号蓄積部15に保持されているのノイズ信号+信
号電荷からなる出力信号から、のノイズ信号からなる
出力信号を減算する。
容量クランプ回路を用いること実行できる。
を除去することができ、S/N比の高い固体撮像装置を
実現できる。
のではなく、例えばノイズ信号の読み出す順番を、ノイ
ズ信号+信号電荷からなる出力信号を読み出した後、リ
セット動作を行い、ノイズ信号からなる出力信号を読み
出し、ノイズ信号+信号電荷からなる出力信号から差し
引いてもよい。この場合、リセット動作によるランダム
ノイズは除去できないが、信号増幅部が持つ固定パタン
ノイズの除去は可能となる。
線に画素信号を出力するための選択スイッチを省くこと
ができ、この結果、素子数を減らすことができ、画素サ
イズを縮小するためには、大きな効果がある。
固体撮像装置においては、信号増幅装置の線形性とその
ダイナミックレンジが要求されるが、選択スイッチが存
在すると動作範囲によっては、選択スイッチの抵抗成分
により線形性が損なわれるという問題点もある。例え
ば、図16に示す様に、MOSトランジスタによる選択
スイッチQ4が挿入されている場合、MOSソースフォ
ロワQ3のゲート電圧が低い領域では、選択スイッチQ
4には十分なゲート・ソース間電圧VGSが印加されて
いるため、低いドレイン・ソース間電圧VDSで定電流
源の電流を流すことができ、選択スイッチQ4での電圧
降下を無視できる。これに対しMOSソースフォロワQ
3のゲート電圧が高い領域では選択スイッチQ4のVG
Sが小さくなるため、その分大きなVDSが必要とな
り、選択スイッチQ4での2次関数的に電圧降下が増加
するため、線形性が著しく損なわれる。それと同時に、
出力電圧も小さくなり、ダイナミックレンジ劣化の大き
な要因となる。
ッチQ4をMOSソースフォロワQ3のVDD側に設け
る方法もあるが、そもそも選択スイッチQ4のVGSが
とれないため、選択スイッチQ4での電圧降下が大きく
なり、ダイナミックレンジが劣化してしまう。
で示される。
流源の電流値 Vthは、基板バイアス効果も含んだ選択スイッチMOS
Q4の閾値電圧 βは、選択スイッチQ4の駆動力を表す構造パラメータ
である。またこの場合、信号出力線4にQ3のMOSの
酸化膜容量が全行分付加されるため、負荷容量が大きく
なり、高速動作が困難になってしまう。
大きくする必要があるが、前述の式の通り、Icons
tを大きくすると選択スイッチQ4での電圧降下は、大
きくなってしまう。
ロワQ3に当たるMOSトランジスタにOFF電圧を入
力することで、酸化膜容量は負荷されない。そして、選
択スイッチQ3がないため、広いダイナミックレンジの
固体撮像装置を提供することができる。
装置に限定されるものではなく、信号検出素子に磁気セ
ンサを用い、2次元の磁気検出装置を提供することがで
きる。
わりに保持容量を用い、アナログメモリを提供すること
もできる。例えば、リセット電源線にアナログデータを
印加し、Q2,Q1を介し前述の保持容量にアナログデ
ータを書き込み、前述の光信号を読み出すのと同じ手順
で保持容量に書き込まれたアナログデータを読み出すこ
とにより、アナログメモリを提供することができる。1
画素に256階調、即ち8Bitデジタルデータを1つ
のアナログデータとして書き込む様に設計し、100万
画素に配列する。その結果、8Mbitのアナログメモ
リを提供することもできる。
は、ソースフォロワ動作をするMOSトランジスタと、
抵抗負荷の反転増幅動作をするMOSトランジスタとで
構成され、半導体プロセス制御により小面積と簡単な構
成とで成り立っている。
施例について説明する。
価回路図である。図3は、読み出し系も含めた、本実施
例を説明するための回路図である。本実施例のホトダイ
オードは、図4に示すような埋め込み型のホトダイオー
ドを用いた。受光部である埋め込みホトダイオードはN
型シリコン基板601上のP型のWELL領域602に
形成されたN型層603からなる。N型層603上に形
成したP型表面層604は、表面の暗電流防止層であ
る。またP型のWELL領域602とゲート電極606
の間には絶縁層607を形成している。図中のゲート電
極606は、図2の転送スイッチQ1のゲート電極であ
り、N+領域605は、図2のソースフォロワQ3のゲ
ート電極に結線されている。図2のソースフォロワQ3
の一端は、図3の信号出力線503に接続されており、
ソースフォロワQ3は、信号出力線503を介し、定電
流源513に接続されることにより、ソースフォロワを
形成し、信号増幅を行っている。図2中、転送スイッチ
Q1は、ホトダイオード405に蓄積された電荷を信号
増幅部の入力端子に当たるソースフォロワQ3のゲート
に転送するスイッチである。図2中、リセットスイッチ
Q2は、入力端子にリセット電源402で設定された電
圧を入力するためのスイッチである。図3において、信
号の読み出しは、各行毎に行った。上述の実施態様に示
すように、ノイズ信号を最初に読み出し、各素子毎に且
つ各ノイズ用と各光信号用に備えたキャパシタ容量で構
成する信号蓄積部506に保持する。次に、光信号を読
み出し、信号蓄積部506に保持する。ノイズ信号と光
信号をそれぞれ信号蓄積部506に読み出したのち、信
号蓄積部506に保持されている各信号出力を水平シフ
トレジスタによりスイッチQHnkとQHskを順次開閉
し、それぞれ共通信号線1(509)と共通信号線2
(510)にノイズ信号と光信号を順次時系列的に読み
出し、出力アンプ513を介し、外部にノイズ信号51
1と光信号512を出力した。この後、クランプ回路お
よび差動回路の2種類の回路を用いて、光信号=[光成
分+ノイズ成分]からノイズ信号=ノイズ成分の減算処
理を行った。この結果、画素に行選択用の画素スイッチ
を配置せずに、信号を読み出すことができ、選択用スイ
ッチ分の開口部を削ることなく画素サイズを縮小するこ
とができた。また、S/N比については、従来技術と同
等のS/N比を得ることができた。
へのパルスタイミングを図6に示す。即ち、ノイズ信号
および光信号を画素から信号蓄積部506に読み出すま
での期間である。
の書き込みスイッチタイミングである。
る、ソースフォロワの入出力特性であり、曲線aが本実
施例の入出力特性であり、入力電圧Aが最大入力電圧で
ある。ソースフォロワの入力電圧Cが線形領域が確保さ
れている最低入力電圧であり、最大信号電荷を読み出し
た際の電圧に成るように、設計した。曲線bは入力電圧
Bから飽和してダイナミックレンジの狭い特性であり、
曲線cはソースフォロワ回路のロスが大きく絶対値的に
ゲインが小さい特性である。
選択行には、リセット動作により、ソースフォロワQ3
の入力端子に入力電圧C以上の電圧を入力し、非選択行
には、入力電圧C以下の電圧を入力することで、行の選
択および非選択ができることを確認した。
セット電源をハイレベルにした後に、選択したい行のリ
セットスイッチQ2をONする。この結果、ソースフォ
ロワQ3のゲートの電圧は、ハイレベルになる。このゲ
ート電圧は、リセットスイッチQ2のゲート電圧がリセ
ット電源の電圧に比べ十分高い電圧であれば、リセット
電源と等しくなり、ソースフォロワQ3のゲート電圧
は、リセットスイッチQ2のゲート電圧がリセット電源
と同程度もしくは、それ以下であれば、リセットスイッ
チQ2のゲート電圧より、閾値電圧分低い電圧になる。
フォロワQ3のゲートをフローティング状態にした後
に、共通信号線509への転送スイッチQHnのQn を
ONし、リセット直後のノイズ成分を信号蓄積部506
に保持する(図6中の区間A)。
圧のみが、非選択行のソースフォロワQ3のゲートの電
圧と比べ十分高い電圧であるため、各列の信号出力線に
配置した定電流源による電流は、選択行のソースフォロ
ワQ3にのみ流れ、選択行のソースフォロワQ3ゲート
の電位に相当した電圧がソースフォロワから出力され
る。
Q1をONし、光信号成分をホトダイオード405から
ソースフォロワQ3のゲートに転送する(図6中の区間
B)。転送された電荷Qsig とソースフォロワQ3のゲ
ート端子の容量CQ3に見合った電圧降下Qsig /CQ3が
生じる。転送スイッチQ2をOFFすると、ソースフォ
ロワQ3のゲートには、ノイズ成分に光信号成分が重畳
された電位を保持する。このソースフォロワQ3のゲー
トの電圧に相当した電圧が、ソースフォロワから出力さ
れる。
和電荷を読み出した時が、最も低い電圧であるが、この
電圧が、他の非選択行のソースフォロワQ3のゲートの
電圧と比べ十分高いことが、本発明であるソースフォロ
ワQ3のゲートの動作点による、選択読み出し法におい
て重要なことである。
チQHsのQs をON・OFFし、ノイズ成分上に光信
号成分を読み出した信号を信号蓄積部506に保持する
(図6中の区間C)。
した後、リセットスイッチQ2をON・OFFさせ、ソ
ースフォロワQ3のゲートの電位を下げ、非選択状態と
する。
用いて説明する。本発明の有意性を確認するため、従来
技術を用いた選択スイッチQ4による行選択を行った場
合の結果も、併記する。曲線a,b,cはそれぞれ、本
発明による画素、選択スイッチQ4が入力MOSトラン
ジスタQ3の電源との間に挿入されている場合の画素、
従来技術の図16(a)に示す画素での特性曲線であ
る。本実施例においては、ソースフォロワの入力電圧が
高い方がダーク側であり、入力端子のリセット電圧はリ
セットスイッチQ2による電源側である。光電荷が増え
るに従って、ソースフォロワの入力電圧は低下する。一
般的に線型特性が重視されるのがダーク側であるため、
入力電圧が高い領域で線型性を確保する必要がある。本
発明の画素では、図5中のAの電圧まで、線型性が確保
できたのに対し、従来技術の画素では、図5中のBの電
圧までしか確保できなかった。このことから、本発明の
画素のダイナミックレンジが広いことが確認された。特
に電源電圧が低い領域では、この効果がより顕著に現
れ、動作できる最低の電源電圧は、従来技術の図16
(a)に示す画素と比較して約1volt低い電圧まで
動作した。
価回路図である。図8は、読み出し系も含めた本実施例
を説明するための回路図である。本実施例のホトダイオ
ード905は、第1実施例と同様、埋め込み型のホトダ
イオードを用いた。
荷抵抗1014からなる反転アンプで構成し、読み出し
手順や画素の各トランジスタへのパルスタイミングは第
1実施例と同様である。
のゲート端子にMOSトランジスタQ3の閾値電圧以下
の電圧を入力することで、MOSトランジスタQ3をO
FFし、選択行のMOSトランジスタQ3のゲート端子
をハイレベルに一旦リセットし、光信号をMOSトラン
ジスタQ3のゲート端子に読み出すことで、選択行のM
OSトランジスタQ3のゲート端子の電圧に見合った電
流を負荷抵抗1014に流し、選択的に光信号を読み出
した。光信号及びノイズ信号の読み出しのタイミングは
第1実施例と同様であり、リセットスイッチQ2から印
加されるリセット電源電圧は、ダイナミックレンジを広
く取るために第1実施例と同様の電圧が供給される。
信号増幅部でのゲインを回路的に設計することができ、
第1実施例でのソースフォロワアンプに対し、S/N比
の高いセンサを提供することができた。
構成するトランジスタQ3にpチャネル接合型電界効果
トランジスタを用い、負荷用の負荷抵抗とから、反転ア
ンプで構成した光センサを作製した。
ゲート電極が、不純物拡散領域から形成されることか
ら、転送スイッチQ1のソース・ドレイン領域である拡
散領域をそのままゲート電極として配置した。この結
果、第1および第2の実施例では、転送スイッチQ1の
ソース・ドレイン領域である拡散領域と接合型電界効果
トランジスタQ3の多結晶シリコンからなるゲート電極
を結線するための領域、即ち、拡散領域とアルミからな
る金属配線を接続するコンタクト部、多結晶シリコンと
金属配線を接続するコンタクト部、前述の金属配線同士
を結線する配線部が不必要になったため、画素サイズを
縮小することができた。
トランジスタQ3を用いたことから、非選択行には、O
FF電圧であるハイレベルを入力し、選択行に対して
は、ON電圧である約(1/2)*VDDに一旦リセッ
トした後に、光信号を接合型電界効果トランジスタQ3
の制御電極に転送した。光信号を制御電極に転送した結
果、制御電極の電圧は下がる。この制御電極の電圧を下
げると共に、電源電圧をも下げることができるので、ダ
イナミックレンジの低下がなく、低電源電圧で動作させ
ることができる。
を示す。本実施例は実施例2において、信号増幅部の抵
抗負荷1014をMOSトランジスタ1114に置き換
えたものである。
圧をVin、信号出力線1003に出力される出力電圧を
Vout とすれば、 Vout =R*A*(Vin−B)2 Rは抵抗負荷1014の抵抗値、A,BはMOSトラン
ジスタQ3固有のパラメータである。
幅部の入力電圧をVin、信号出力線1103に出力され
る出力電圧をVout とすれば、 Vout =A*(Vin−B) A,BはMOSトランジスタQ3および負荷MOS11
14固有のパラメータである。
Vinの1次関数として表すことができ、A>1にするこ
とができた。この場合、信号増幅部のソースフォロワQ
3の線形領域を広くすることが可能である。
回路を示す。信号出力線1206には、前述の実施例同
様、複数の画素のMOSトランジスタQ3のソース端子
が接続されている。読み出し手順および画素の各トラン
ジスタへのパルスタイミングは第1実施例と同様であ
る。
VAを印加すると、バイポーラトランジスタのエミッタ
電圧、即ち、信号出力線1206の電圧は、該バイポー
ラトランジスタのベース・エミッタ間電圧をVBEとす
ると、[VA−VBE]に固定される。
セット電圧Vres が入力された場合、MOSトランジス
タQ3に流れる電流I1は、 I1={(Vres −Vth)−(VA−VBE)}/r1 の電流I1を流す。
ジスタ間に接続した抵抗r3には、[I2−I1]であ
る電流I3は、 [(VA−VBE)/r2]−{(Vres −Vth)−
(VA−VBE)}/r1 が流れ、端子VBの電圧VB1208は、 VDD−〔[(VA−VBE)*r3/r2]−
[{(Vres −Vth)−(VA−VBE)}*r3/r
1]〕 と与えられる。光信号をMOSトランジスタQ3のゲー
ト端子に転送した結果、MOSトランジスタQ3のゲー
ト端子の電圧が、Vres −ΔVとなると、端子VB12
08の電圧VBは、 VDD−〔[(VA−VBE)*r3/r2]−
[{(Vres −ΔV−Vth)−(VA−VBE)}*r
3/r1]〕 リセット直後の端子VB1208の電圧VBと、光信号
をMOSトランジスタQ3のゲート端子に転送した後の
端子VB1208の電圧VBの差をとることにより、光
信号成分である、ΔV*r3/r1を得ることができ
る。
対し、同時に図6に示すパルスを印加し、複数行を同時
に選択状態にした。その結果、前述のような減算処理を
おこなうことで、端子VBに画素信号の加算結果を得る
ことができた。実施例3,4においても加算結果を得る
ことは可能であるが、線形加算を得ることができない。
具体的には、同列の同色2行の加算結果を端子VBに出
力させた。従来技術のように選択スイッチがある場合
は、非線型なスイッチ抵抗があるため、精度のある加算
は困難であったが、本発明では、選択スイッチを必要と
しないため、簡単かつ正確な加算ができるようになっ
た。
て、画素の各トランジスタへのパルスタイミングを図1
1に示す通りに印加した。本実施例においては、非選択
期間中は、リセットスイッチをON状態とし、リセット
スイッチQ2を介しリセット電源の電圧を印加し続け
た。また、転送スイッチQ1はハイレベルとローレベル
の間の電圧に設定した。この結果、Q1トランジスタの
ゲート電圧によりオーバーフローレベルが決定される横
形オーバーフロ−ドレイン機能を付加し、隣接画素への
クロストークを軽減させた。オーバフローレベルは、Q
1トランジスタの閾値電圧にもよるため、Q1トランジ
スタの閾値電圧によっては、Q1トランジスタのゲート
電圧が0voltにおいても横形オーバーフロードレイ
ンとして機能させることも可能である。
レインとして機能させることは、一般的には、この時の
ドレイン側の電圧は、ハイレベルの電圧もしくは、その
近傍に設定されており、この場合、図16に示されるご
とく選択スイッチQ4が必須となる。本発明者らは、鋭
意検討の結果、ホトダイオード側がソース、MOSトラ
ンジスタQ3のゲート端子がドレインとしたQ1トラン
ジスタが5極管動作となるバイアス条件を満たせば、横
形オーバーフロードレインとして機能することを見出し
た。従来よりもQ1のゲート電圧を下げ、本実施例にお
いては、リセット電源のローレベルを1.5voltに
設定した。さらに、このローレベルの電圧により、飽和
電圧の制限をかけた。本実施例に示す画素の各トランジ
スタへのパルスタイミングは実施例1の回路形式によら
ず、他の実施例の回路形式においても適応できる。
を図12に示す。図13は画素の各トランジスタ、その
他の主要トランジスタへのパルスタイミングおよび信号
出力線1406の出力電圧を示した図である。また、本
実施例による読み出し回路は図3に示す信号蓄積部50
6や水平シフトレジスタ507等と同様である。では実
施例1や実施例6と比較し、リセット電源線を削除し、
リセット電圧は出力信号線1406を通して印加した。
即ち、出力信号線1406が実施例1,6の出力信号線
とリセット電源線の役割をQ4トランジスタのON・O
FFにより、時分割的に行った。
旦、信号蓄積部506に保持し、水平シフトレジスタ5
07によりスイッチQHn とQHs を順次開閉し、それ
ぞれ共通信号線1(509)と共通信号線2(510)
に信号を順次読み出し、出力アンプ513を介し、外部
にノイズ信号511と光信号512を出力した。この外
部への読み出し期間を水平走査期間と称するが、この水
平走査期間中は、信号出力線1406を実施例6と同様
に、リセットスイッチQ6をON状態とし、リセットス
イッチQ6とQ4トランジスタを介しリセット電源14
02の電圧を印加し続けた。また、転送スイッチQ1は
ハイレベルとローレベルの間の電圧に設定した。この結
果、Q1トランジスタのゲート電圧によりオーバーフロ
ーレベルが決定される横形オーバーフロードレイン機能
を付加し、隣接画素へのクロストークを軽減させた。
おいては、選択行の画素からの信号を信号蓄積部506
に転送する期間毎に、転送スイッチQ1をOFFし、オ
ーバーフロードレインは機能を止める。本実施例の駆動
方法をNTSC方式レートで画像情報を読み出した。即
ち、水平ブランキング期間約10μsecに、選択行の
画素からの信号を信号蓄積部506に転送し、水平走査
期間約50μsecに信号蓄積部506の情報を外部に
読み出した。従って、オーバーフロードレインの機能を
止める期間は、全体の約17%の期間であり、その大部
分は、オーバーフロードレインとして機能し、十分な効
果を得られることを確認した。
の対のスイッチQn とQs と、選択行のリセット電源
と、リセット電源の直後にリセット線からのリセットS
Wをハイ・ローとして導通・非導通とするリセットスイ
ッチQ2と、ノイズ信号を読み出し後光信号読み出し前
にホトダイオードの電荷をMOSトランジスタQ3のゲ
ート入力端子に転送する転送スイッチQ1と、転送スイ
ッチQ1のオン後から光信号に対応した電荷による電圧
変化を示すMOSトランジスタQ3のゲート入力電圧
と、リセット電源を供給するリセットスイッチQ4と、
定電流源をMOSトランジスタQ3の負荷とするリセッ
トスイッチQ4と反転して導通・非導通とする負荷スイ
ッチQ4バーと、さらに信号出力線1406の信号出力
電圧を示す信号出力線について、タイミング的に示して
いる。
等価回路図を示す。実施例7の画素構成に対し、別途横
形オーバーフロードレイン用のMOSトランジスタQ5
を設けた。オーバーフローレベルは、MOSトランジス
タQ5のゲート電圧により決定した場合と、MOSトラ
ンジスタQ5のゲート電圧=MOSトランジスタQ5の
ドレイン電圧=VDDと成るように閾値電圧を調整した
場合について実施した。実施例7とほぼ同等のクロスト
ーク耐性が確認でき、実施例7が有効な手段であること
も確認した。本実施例においては、MOSトランジスタ
Q5による横形オーバーフロードレインであるが、縦形
のオーバーフロードレインを設けてもよい。
明を行う。本実施例は実施例7に加え、Q4″を付加し
た。水平走査期間中は、実施例7と同様に、Q4をO
N、Q4′とQ4″をOFFし、Q1トランジスタを横
形オーバーフロードレインとして機能させた。読み出し
時は、Q4をオフとして、Q4′とQ4″をオンとして
切換え、MOSトランジスタQ3を導通してソースフォ
ロワとして読み出しと、反転アンプ読み出しの2種類の
読み出し方法を選択できるようにした。
N、Q4″をOFF、電源1701をVDDに設定し、
実施例1同様にソースフォロワとしての読み出しを行っ
た。
4″をON、電源1701をGNDとし、実施例4と同
様にMOS型の反転アンプ読み出しを行った。選択スイ
ッチがないため、Q3トランジスタが電源と信号出力線
に対し、対称な配置となるため、線形性が高く、簡単な
回路を付加するだけ多機能な読み出しが可能となる。具
体的には、反転アンプ読み出しによる二乗加算読み出し
や、ソースフォロワ読み出しによる、ボトム検出を行っ
た。
源電圧を供給するリセットスイッチQ4やMOSトラン
ジスタQ3の負荷となってソースフォロワ方式で読み出
す定電流源の負荷を課す負荷スイッチQ4′と電源VD
Dを供給する電源スイッチQ4″との読み出し方式の選
択スイッチでMOSトランジスタが増加するように見え
るが、数万〜数十万個の画素に比較すれば、専有面積の
増加はごくわずかなので、選択スイッチの削除に比較す
れば、画素の大きな開口率を確保でき、さらに、ノイズ
信号を除去した光信号の読み出しに状況に応じて選択的
に読み出しを可能とした。
画素部の信号増幅部の入力端子の動作点、具体的には入
力端子のリセット電位を所定電位に変えることにより、
読み出し画素の選択・非選択をおこなうことが可能であ
り、従来の読み出し選択用のスイッチを設ける必要がな
くなり、以下のような効果が得られる。
画素を縮小化することができる。また、選択スイッチを
設けなくても、信号増幅部の線形性を広い電圧範囲で確
保することができる。さらに、簡単な回路、具体的には
信号出力線をリセットに一時的に設定するMOSトラン
ジスタやソースフォロワ回路と反転アンプの設定の選択
スイッチを付加することで、多機能な読み出しをおこな
うことができる。
の等価回路図である。
る。
路図である。
部の断面構造図である。
パルスタイミング図である。
る。
路図である。
路図である。
な等価回路図である。
へのパルスタイミング図である。
な等価回路図である。
及び主要トランジスタへのパルスタイミング図である。
る。
な等価回路図である。
ある。
Claims (11)
- 【請求項1】 同一半導体基板上に2次元に配列された
複数の受光素子と該受光素子から信号を順次選択して外
部に出力する手段を具備した固体撮像装置において、 画素内に少なくともホトダイオードと、ホトダイオード
からの光電荷を信号増幅する信号増幅部と、前記ホトダ
イオードから前記信号増幅部に光電荷を転送する電荷転
送部と、前記信号増幅部の入力端子に任意の電圧を入力
する機構を有し、前記信号増幅部の入力端子の動作点を
かえることにより信号の読み出し形態を制御することを
特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部がMOSトランジスタからなり、前
記入力端子は前記MOSトランジスタのゲートであるこ
とを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部が接合型トランジスタからなること
を特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項4】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部がフォロワ形式であることを特徴と
する固体撮像装置。 - 【請求項5】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部が加算形式であることを特徴とする
固体撮像装置。 - 【請求項6】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記電荷転送部が前記ホトダイオードと前記信号増
幅部の入力端子との間に挿入されたトランジスタからな
り、前記信号増幅部の入力端子の動作点をかえることに
より信号の読み出しを制御し、非読み出し期間中は、前
記トランジスタのホトダイオードと反対側の端子に電圧
を印加しておくことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項7】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部の入力端子に任意の電圧を入力する
機構が前記信号増幅部の入力端子と出力端子間に設けら
れたスイッチ素子からなることを特徴とする固体撮像装
置。 - 【請求項8】 請求項2に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部に接続されている電源線の極性を制
御することにより、前記信号増幅部の動作形式を制御す
ることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項9】 請求項3に記載の固体撮像装置におい
て、前記信号増幅部に接続されている電源線の極性を制
御することにより、前記信号増幅部の動作形式を制御す
ることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項10】 同一半導体基板上に2次元に配列され
た複数の信号検出素子と該信号検出素子から信号を順次
選択して外部に出力する手段を具備した信号検出装置に
おいて、 セル内に少なくとも前記検出素子と、前記検出素子から
の信号電荷を信号増幅する信号増幅部と、該信号増幅部
に信号電荷を転送する電荷転送部と、前記信号増幅部の
入力端子に任意の電圧を入力する機構を有し、前記信号
増幅部の入力端子の動作点をかえることにより信号の読
み出し形態を制御することを特徴とする信号検出装置。 - 【請求項11】 同一半導体基板上に2次元に配列され
た複数の信号蓄積素子と該信号蓄積素子から信号を順次
選択して外部に出力する手段を具備した信号蓄積装置に
おいて、 セル内に少なくとも前記信号蓄積素子と、前記信号蓄積
素子からの信号電荷を信号増幅する信号増幅部と、該信
号増幅部に信号電荷を転送する電荷転送部と、前記信号
増幅部の入力端子に任意の電圧を入力する機構を有し、
前記信号増幅部の入力端子の動作点をかえることにより
信号の読み出し形態を制御することを特徴とする信号蓄
積装置。
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