JPS6033346B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体表面に−次元又は二次元的に配置した
複数個の光電変換素子に検出された光情報を読み出す固
体撮像装置の性能向上に関するものである。

従来例の装置としては、例えば第１図に示すようなもの
がある。

第１図は二次元固体撮像装置の原理的な構成の一例Ａと
走査パルスＢを示すものである。

１，２はそれぞれ水平、垂直用の走査回路であり、通常
２〜４相のクロツクパルスＣＰｘ，ＣＰｙを印加するこ
とにより入力パルスＶｓｘ，Ｖｓｙがクロツクのもつ一
定のタイミング時間ずつシフトした出力パルス列、Ｖｏ
ｘ，，Ｖｏｘ２・・・，Ｖｏｙ，，Ｖｏｙ２・・・を走
査回路各段の出力線○×，，○均・・・，○ｙ，，○ｙ
２・・・に出力する。

このパルス列によりスイッチング素子５，６を順次開閉
し、２次元状に配列された個々の光電変換素子３からの
信号をビデオ出力線４の上に取り出す。光電変換素子か
らの信号はその投影された光学像に対応するので上記動
作により映像信号を出力端ＯＵＴ８より取り出すことが
できる。この種の固体撮像装置では高い解像度を得るた
め５００×５０の固程度の光電変換素子、スイッチング
素子および走査用の単位回路が必要になる。そのため通
常は高集積化が比較的容易でしかも光電変換素子とスイ
ッチング素子が一体化構造でできる絶縁ゲート形電界効
果トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）を用いた集積回
路技術（ＭＯＳ−ＬＳＩ技術）で用いて製作される。第
２図に固体撮像ＩＣの殆んどの面積を占める光電変換素
子、スイッチング素子の構造を示す。１３は半導体（Ｓ
ｉ等）基板で、５，６はそれぞれ水平垂直の位置を選択
するための絶縁ゲート形電界効果トランジスタ（ＭＯＳ
トランジスタ）スイッチで、ドレインおよびソースを作
る基板と反対導電形の拡散層１０，１５，１６と絶縁酸
化膜（Ｓｉ０２等）８を介して設けたゲート電極９，１
４で作られる。

１０は垂直ＭＯＳトランジスタスイッチのソースを利用
した光ダイオードである。

ＭＯＳシフトジスタ等を利用した走査回路の出力パルス
ＶｏｘＮ，ＶｏｙＮが出力線０戊Ｎ，０ｙＮを通してＭ
ＯＳスイッチのゲートに同時に印加された位置のダイオ
ード１０から入射光量に比例して放電していた電荷がビ
デオ電圧１１より充電される。その時の充電電流が負荷
抵抗１２を通してビデオ信号として出力端子ＯＵＴ８よ
り読み出される。しかし、このような従来装置では、次
に示すような原因で、固定パターンノイズ（Ｆｉｘｅｄ
ＰａｔにｒｎＮｏｉｓｅ）が発生し、致命的な欠陥とな
っている。

第３図Ａは第２図の構造をさらに簡単に描いたもので、
１３としてはたとえばｐ形シリコン基板、１０は１つの
ホトダィオードでＮ十拡散層から成っている。

第３図Ａの１６は第１図に示した水平信号出力線４に対
応しており、又、１５は第１図に示した垂直信号出力線
７に対応している。第３図１５，１６はそれぞれアルミ
ニウムなどの金属やＮ＋拡散層などの導電材料から成っ
ている。第３図のＢからＦはＡに対応したチャネル電位
を示してある。いまＮチャネル素子を考えているので、
電位は正方向を下にとってある。第３図Ｂは、ホトダィ
オード１０に信号電荷３１が蓄積されており、垂直スイ
ッチＭＯＳトランジスタ（以下ＶＴｒと略す）６のゲー
ト１４と水平スイッチＭＯＳトランジスタ（以下ＨＴｒ
と略す）５のケー−ト９にはＯＶが印加されており、両
トランジスタともｏｆｆになっている。

第３図ＣはＶＴｒ６がｏｎし、信号電荷がＶＴｒ６のゲ
ート１４の下の垂直信号線１５に広がった状態を示して
いる。

第３図ＤはＨＴｒ５もｏｎし、信号電荷が水平出力線１
６にも広がり、出力されている途中の電位を示している
。そして第３図Ｅは、信号電荷が一応読み出され、各電
位がＶｏにリセットされている状態を示している。第３
図ＦではＨＴｒ５がｏｆｆし、次の絵素の信号が読み出
されている。さて、この第３図ＥとＦから分るように、
水平スイッチＭＯＳトランジスタＨＴｒ５のゲート９の
下に信号電荷の一部３２が取り残されて、それが水平パ
ルスがｏｆｆする時にゲート下から水平信号出力線へ出
力されることになる。

第４図Ａはィンバータ４１と転送ＭＯＳトランジスタ４
２とからなる従釆よく知られているシフトレジスタの一
例である。

第４図Ｂのパルスチャートで示したが、従来の装置にお
いては、第ｎ番目の水平走査パルスＶｏ均がｏＨする時
間と次の第ｎ＋１番目の水平走査パルスＶｏｘｎ＋，が
ｏｎする時間とは水平同期パルスめ梅の同じトリガで決
められている。

つまり、水平走査パルスＶｏら十，がｏｎする時間は第
ｎ＋１列目の信号が出力される時間であるが、同時に第
ｎ列目の水平走査パルスＶｏムがｏｆｆする時間でもあ
る。

第３図より、要するに、従釆例では、第ｎ十１列目の信
号が出力される時間に、第ｎ列目の水平スイッチＭＯＳ
トランジスタ５のゲート９の下にトラップされていた第
ｎ列目の信号電荷の一部ＱＲ３２が出力されることにな
るのである。この残留電荷ＱＲが全列において等しいな
らば問題はないが、それがパラツクと、固定パターンノ
イズの原因となる。そこで本発明者等は、上述してきた
従来技術の問題を解消し、固体撮像装置の性能向上を達
成するため、第ｎ＋１列目の水平走査パルスＶｏｘｎ＋
，をｏｎして第ｎ十１列目の信号を読みとる前に、第ｎ
列目の水平走査パルスＶｏｘｎをｏｆｆしておく走査方
式を先に提案した〔特願昭５２−９１３６４（侍関昭５
４−２７３１３号公報参照）〕。

以下この走査方式について説明する 第５図Ａにおいて、５１は、たとえば第４図Ａに示した
ようなシフトレジスタである。

その出力線５２には、第５図ＢのＶｘ，［・，Ｖｘ，Ｖ
ｘ’ｎ＋，で示したようなパルスが出力されている。本
例の本質は、このシフトレジスタの出力線５２と水平ス
イッチＭＯＳトランジスタの間に別のゲートト，ランジ
スタ５３を設け、水平スイッチＭＯＳトランジスタのゲ
ートに印加するパルスを、ゲートトランジスタ５３のド
レイン線５４から供給する事である。第５図Ａに示した
走査回路のＶｏｘｎは、第５図Ｂの様になり、シフトレ
ジスタの出力Ｖ柳とめ．３とのＡＮＤのとれた期間がパ
ルス幅となったパルスとなる。

本実施例では、Ｖｏｘｎがｏｆｆした後に改めてＶｏ〜
＋，がｏｎする。

また、第５図の実施例において、０ｘ３の高レベル電圧
ＶｘＨ、シフトレジスタ５１の出力の高レベルＶｓＨ、
ゲートトランジスタ５３のしきし、電圧Ｖ山の間にＶＳ
Ｈ一Ｖ山とＶＸＨ となるようにすれば、ゲートトランジスタは非飽和領域
で動作することになる。

つまり、走査回路の出力Ｖｏ櫓，Ｖｏｘｎ十．・・・の
出力波形、特に出力振幅をそろえる事が出来、本走査方
式の効果はさらに増大する。又、信号読み出し時間はＶ
ｏｘｎのパルス幅、すなわち、めｘ３の幅となり、この
幅を適宜調節する事も可能である。

固体撮像装置で、固定パターンノイズを防ぐために、先
述の様に水平スイッチ走査パルスが「歯抜け」状パルス
（不連続パルス）になっているシフトレジスタが内蔵さ
れている装置の信号処理回路では、その「歯抜け」状水
平走査パルス（第６図ａの６１）による出力信号（第６
図ｂの６２、信号電荷があるときを破線で、ないときは
実線で示す）のパルス変位電流によるノイズ６３（ＨＴ
ｒのゲートドレイン間の寄生容量による）と位相をずら
して、微小信号６４のみを取り出さねばならない。

第７図ａは本発明者等が先に提案した信号処理方式を示
すものであり、７１は水平信号線４と出力端子８との間
に設けられたスイッチ素子であり、この場合形成が容易
なＭＯＳトランジスタを用いている。

第７図ｂは水平走査パルス波形７２、第７図ｃはＭＯＳ
トランジスタ７１のゲート７３に印加する電圧パルス波
形７４、第７図ｄは水平信号線４の電圧変化の波形７５
、および第７図ｅは出力端子８に得られる信号波形７６
を示すタイムチャート図である。波線７７，７８は信号
電荷がある場合である。又、７川まプリァンプ、７９は
雑音低減のための帰還回路を構成する帰還抵抗、８′は
増幅信号出力端子、７０２は水平信号線容量（寄生容量
又は付加容量）７０３は容量である。

ＭＯＳトランジスタ７ １は、水平スイッチ用ＭＯＳト
ランジスタ５がオフ（信号線４の電圧が寄生容量７０１
の影響から開放され、原状に戻る）となって後、オンと
し、次の水平スイッチ用ＭＯＳトランジスタがオンとな
る前にオフとする。

水平走査パルスが印加されている間は、水平信号線４と
出力端子８あるいは負荷抵抗１１との間は電気的に切れ
ているため、電流は全く流れず、走査パルス波形、ＭＯ
Ｓトランジスタ５の特性のバラ付などの影響はなくなる
。第７図ｄで示すように、スパイク雑音は発生するが、
これは単一のＭＯＳトランジスタ７１のスイッチ動作に
よるものであり、常に一定形状となり、低域フィル夕で
容易に除去でき、画像信号への害はない。しかしながら
、第７図の信号処理方式で固定パターンノイズは完全に
消えるが、プリアンプ７０の前段にスイッチ素子が挿入
されるので、ランダム雑音の増加は避けられず、十分な
Ｓ／Ｎが得られない。本発明は以上に述べた従来技術に
基づき、先述の「歯抜け」状走査パルスを利用した固体
縁像装置の従来の信号処理回路の欠点を改善し、高性能
の固定パターンノイズ除去回路を提供するものである。

本発明の信号処理回路では、信号増幅器（例えばプリア
ンプ）の帰還回路と信号増幅器（例えばブリアンプ）の
出力端にスイッチ素子を挿入することにより、ＦＰＮを
抑圧し高いＳ／Ｎを得ることができる。

以下、実施例により本発明の固体撮像装置の信号処理回
路の詳細を説明する。

第８図は本発明の実施例を示す。

図中８１，８２はそれぞれ固体撮像装置のセンサ部と出
力線容量Ｃｏ（寄生容量又は付加容量）である。又、８
川ま容量である。８３はプリアンプ、８４は帰還抵抗Ｒ
ｆであり、８５と８６はスイッチ素子である。

ここではスイッチ素子としてＭＯＳトランジスタが用い
られている。いま、第１図の水平スイッチＭＯＳ５の１
つが開いていて、ＭＯＳトランジスタ８５，８６のゲー
ト８７に印加されるリセットパルスＯＲが低レベルの時
を考えると、スイッチ８５，８６がｏｆｆであるから信
号電荷は出力線容量Ｃｏに蓄積されたままである。

この時プリアンプは動作しているがその出力および帰還
回路はスイッチ８５，８６により遮断されている。その
後、水平スイッチＭＯＳトランジスタ（第１図５）がｏ
ｆｆしてＦＰＮの発生原因がなくなってから、リセット
パルスＪＲが高レベルになると、スイッチ８５がｏｎと
なり、帰還回路が作動し、またスイッチ８６もｏｎする
ので＾ＦＰＮの影響なくして信号が正常に読み出される
ことになる。スイッチ８５，８６はプリアンプの入力端
に直接挿入されている訳ではないので、ＦＰＮを抑圧す
る上に、ランダム雑音の増加も少なく、高いＳ／Ｎが得
られる事になる。一般にＭＯＳトランジスタは１／ｆ雑
音が多いため、第８図においてランダム雑音の影響を小
さくするためにはＲｒ＞Ｒｍであることが望ましい。

ここでＲｆは帰還抵抗８４でＲｍはスイッチ８５の等価
抵抗である。第８図においてスイッチ８５と８６はそれ
ぞれ別の、オーバラツプ時間のあるパルスで開閉しても
かまわない事は言うまでもない。第９図に他の実施例を
示す。

プリアンプ８３の出力部の結線が多少異なるだけで、第
８図と動作原理は全く同じである。第１０図の別の実施
例では、帰還回路の抵抗とスイッチの位置を変えたもの
である。

ここでもＲｆ＞Ｒｍである事が望ましいのは言うまでも
ない。

第１ １図の実施例では、他のＭＯＳトランジスタ８８
の抵抗（８９：ゲートバイアス電源）を利用したもので
ある。

これらは、プリアンプ系をＭＯＳ系のセンサに集積化す
る際にさらに有効となる。この場合、スイッチングする
ＭＯＳトランジスタからは多くのランダム雑音が発生す
るので、スイッチに用いるＭＯＳトランジスタの抵抗は
極力小さくして、帰還抵抗の代りに用いるＭＯＳトラン
ジスタの抵抗より４・さし、事が望ましい。また、第１
１図の実施例では、リセットパルスによる飛び込み雑音
が帰還抵抗の代りに用いているＭＯＳトランジスタのシ
ールド効果により、著しく小さくなる。

以上の実施例では、スイッチ素子としてＭＯＳトランジ
スタを例にして説明したが、もちろんこれに限定される
ものではない。

他に接合形電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）やバィポ
ーラトランジス夕、ｐ−ｎダイオード等あるいはＭＯＳ
トランジスタを含めたこれらの組み合わせ等によりスイ
ッチ動作と等価な事を行なえ得るものは何であっても良
い。又、本発明では、帰還回路は抵抗以外の他の素子に
よって構成されて良いことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像装置の概略と走査パルスを示す図、第
２図は固体撮像装置の面素部の構成を示す断面図、第３
図は固体撮像装置の面素部の信号電荷の動きを設明する
略断面図、第４図は固体撮像装置の走査回路と入出力パ
ルスを示す図、第５図は「歯抜け」状走査パルスを発生
する走査回路と入力パルスを示す図、第６図は固体撮像
装置の水平走査パルスと出力信号を示す図、第７図は固
体撮像装置の従来の信号処理回路と各種パルスを示す図
、第８図、第９図、第１０図、第１１図は本発明の固体
撮像装置の信号処理回路の実施例を示す図である。 １：水平走査回路、２：垂直走査回路、３：光ダイオー
ド、４：水平信号出力線、５：水平スイッチＭＯＳトラ
ンジスタ、６：垂直スイッチＭＯＳトランジスタ、７：
垂直信号出力線、８：信号出力端子、８１：固体撮像装
置のセンサ部、８２：信号出力線容量、８３：増幅器（
プリアンプ）８４：帰還抵抗、８５，８６：スイッチ素
子（ＭＯＳトランジスタ）、８７：リセツトパルス印加
端子。 群ー図 群２図 第３図 Ｘ４図 嫌ふ図 群夕図 努７図 弟８図 孫？図 東 ′ｏ 図 弟′′図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板の表面領域に設けられた複数の光電変換
   素子に蓄積された光情報を不連続走査パルスによつて開
   閉される第１のスイツチング素子を通して読み出すセン
   サ部と、該センサ部の出力信号を増幅する増幅器を有す
   る固体撮像装置において、前記増幅器の出力を入力に還
   元する帰還回路を設けるとともに、該帰還回路の中途に
   設けられた第２のスイツチング素子と、前記増幅器出力
   と増幅信号出力端子との間に設けられた第３のスイツチ
   ング素子とを設けてなり、該第２、第３のスイツチング
   素子を、前記第１のスイツチング素子の非導通時に導通
   させることを特徴とする固体撮像装置。 ２ 上記帰還回路は上記増幅器の出力を抵抗を介して入
   力に還元する回路であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の固体撮像装置。 ３ 上記抵抗はＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン
   間抵抗であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の固体撮像装置。 ４ 上記抵抗の抵抗値は上記第２のスイツチング素子の
   等価抵抗値より大きいことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項又は第３項記載の固体撮像装置。 ５ 上記第１、第２、第３のスイツチング素子はＭＯＳ
   トランジスタであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項記載の固体撮像装置。 ６ 上記センサ部は、二次元状に配列された光ダイオー
   ドと、該光ダイオードに蓄積された光情報を伝達する垂
   直スイツチ用ＭＯＳトランジスタ、水平スイツチ用ＭＯ
   Ｓトランジスタと、該垂直、水平スイツチ用ＭＯＳトラ
   ンジスタのおのおののゲート電極に順次走査パルスを印
   加する垂直走査回路、水平走査回路とを有してなり、前
   記水平スイツチ用ＭＯＳトランジスタを上記第１のスイ
   ツチング素子とし、前記水平走査回路より出力される水
   平走査パルスを上記不連続走査パルスとすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の固体撮像
   装置。