JP2002152595A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 信号電圧を増幅するような転送回路を得る。
転送回路において、信号電荷の転送速度を速くする。 【解決手段】 入射した光を電荷に変換する光電変換部
２と、該光電変換部で発生した電荷を読み出すための垂
直選択スイッチ３と、前記光電変換部をリセットするリ
セットスイッチ１とを備え、画素が２次元アレイ状に配
列し、各列の画素出力が垂直信号線を通して並列に読み
出され、各列に配置されたバッファ回路１０を通して出
力として取り出される固体撮像装置において、画素とバ
ッファ回路入力部の間の垂直信号線に転送トランジスタ
７を挿入し、前記バッファ回路入力部にリセットスイッ
チ９を配置して、転送トランジスタのドレイン電位を、
転送トランジスタが飽和領域で動作するように設定する
ことにより転送トランジスタ７のソース電位を固定し、
前記光電変換部で発生した電荷をバッファ回路入力端の
寄生容量に効率よく転送し、信号電圧を増幅するもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
し、特に、固体撮像装置の信号電荷転送部及び検出部に
適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置は、信号電荷の読み出し方
式の違いによりＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大別できるが、
近年、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置が数多く提案されてい
る。ＣＭＯＳ型がＣＣＤ型と大きく異なるところは、光
電変換部で発生した電荷を電荷転送部で増幅して出力と
して読み出すというところであり、これにより高い信号
対雑音比を得ることを特徴としている。

【０００３】このＣＭＯＳ型固体撮像装置の例として、
テレビジョン学会技術報告“ライン増幅ＭＯＳ型固体撮
像素子”（ＩＴＥＪ Ｔechnical Ｒeport Ｖol.14，No.
16，PP.25〜30，CE90-12）が報告されている。その構成
を図４に示す。図４において、６は垂直走査回路、１４
は水平走査回路、４０は画素、４１は増幅器、４２はＣ
ＤＳ（Ｃorrelated Ｄouble Ｓampling：相関２重サン
プリング）回路、１２は水平選択スイッチである。画素
４０はフォトダイオード４０Ａと垂直選択ＭＯＳスイッ
チ４０Ｂより構成され、各列の画素４０が垂直信号線４
０Ｃに接続されている。各垂直信号線４０Ｃは各列に配
置された増幅器４１の入力に接続され、ＣＤＳ回路４２
を通して雑音を低減して出力される。１画素の信号電荷
が出力に至るまでの、１垂直信号線分の回路構成は図５
のようになっている。なお、前記報告では、スミアを抑
圧するための差動回路が含まれているが、ここでは省略
する。図５において、２６はフォトダイオード、２７は
リセット用ＭＯＳスイッチ、２８はダイナミックレンジ
拡大用容量、２９は帰還容量、３０は結合容量、３１は
サンプルホールド容量、３２はアンプ、３３は垂直選択
スイッチ、３４はサンプルホールドスイッチ、１２は水
平選択スイッチである。

【０００４】前記増幅部４１は、アンプ３２に帰還容量
２９、ダイナミックレンジ拡大用容量２８およびリセッ
ト用ＭＯＳスイッチ２７が付加した電荷積分型増幅器で
ある。この増幅器４１のリセットのためにオンオフする
ＭＯＳトランジスタ２７から発生するスイッチング雑音
が信号電荷に重畳されるが、これを増幅器４１の出力部
に配置されている結合容量３０による差分演算により除
去し、サンプルホールド容量３１に信号電荷に起因する
電荷のみを蓄積する。サンプルホールド容量３１の容量
値ＣＳＨはフォトダイオード２６の等価容量値ＣＰＤに
比べてはるかに大きくできるので、電荷増倍が可能とな
り、前記の雑音除去機能と併せることで高い信号対雑音
比が得られる。

【０００５】ここで、フォトダイオード２６で発生する
信号電荷によるフォトダイオード２６のカソード部の電
圧変化、すなわち信号電圧をｖｉｎ、増幅器４１の出力
電圧をｖｏ、サンプルホールド容量３１の端子に現れる
電圧をＶＳＨとする。アンプ３２の開ループゲインは十
分大きく、アンプ３２の入力端は仮想接地が仮定できる
とすると、ｖｉｎとｖｏの間には、数１の関係式が成り
立つ。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、ＣＦは帰還容量２９の容量値を表
す。また、出力電圧ｖｏと電圧ＶＳＨとの間には、数２
の関係式が成り立つ。

【０００８】

【数２】

【０００９】ここで、ＣＣ，ＣＳＨはそれぞれ結合容量
３０、サンプルホールド容量３１の容量値を表す。した
がって、信号電荷量をＱｉｎ、サンプルホールドされた
電荷量をＱＳＨとすると、電荷増倍率ＱＳＨ／Ｑｉｎ
は、数３となり、

【００１０】

【数３】

【００１１】設計者が容量値を任意に決定することによ
り高い電荷増倍率を得られるようにみえる。しかし、前
記数１の式を導く上で前提条件となった、アンプ３２の
入力端の仮想接地を実現するには、アンプ３２の開ルー
プゲインをＧ０、垂直信号線の容量値をＣＶとすると、
（Ｇ０＋１）＊ＣＦ＞＞ＣＶを成立させなければならな
い。ＣＶは、垂直信号線に接続している行数分の垂直選
択スイッチの拡散容量と配線容量の和になるので、画素
数が増加するほど大きくなる。

【００１２】したがって、帰還容量値ＣＦは前記の条件
を満たすために大きな値に設定することになり、電荷増
倍率の低下につながる。一般には、ＣＦ＞ＣＰＤであ
り、また、ＣＣ＝ＣＳＨと設定することが多いので、サ
ンプルホールド容量端の電圧ＶＳＨは、信号電圧ｖｉｎ
の半分以下となる。したがって、電荷増倍を実現するた
めには、サンプルホールド容量値ＣＳＨをフォトダイオ
ード２６の等価容量値ＣＰＤに比べてはるかに大きく設
定する必要がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、フォト
ダイオード２６で発生した信号を電荷積分型増幅器、Ｃ
ＤＳ回路によって増倍、雑音除去を行って出力する構成
のＭＯＳ型固体撮像装置では、画素が多くなるにしたが
って電荷増倍率が低下するという間題点が存在する。ま
た、サンプルホールド容量３１端の電圧ＶＳＨは、信号
電圧ｖｉｎより小さくなるので、大きな電荷増倍率を実
現しようとすると、サンプルホールド容量値ＣＳＨを非
常に大きくしなければならなくなる。本発明の目的は、
信号電圧を増幅するような転送回路を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、前記転送回路において、信号
電荷の転送速度を速くするような駆動方法を提供するこ
とにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な
特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかに
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。 （１）入射した光を電荷に変換する光電変換部と、該光
電変換部で発生した電荷を読み出すための垂直選択スイ
ッチと、前記光電変換部をリセットするリセットスイッ
チとを備え、画素が２次元アレイ状に配列し、各列の画
素出力が垂直信号線を通して並列に読み出され、各列に
配置されたバッファ回路を通して出力として取り出され
る固体撮像装置において、画素とバッファ回路入力部の
間の垂直信号線に転送トランジスタを挿入し、前記バッ
ファ回路入力部にリセットスイッチを配置して、転送ト
ランジスタのドレイン電位を、転送トランジスタが飽和
領域で動作するように設定することにより転送トランジ
スタのソース電位を固定し、前記光電変換部で発生した
電荷をバッファ回路入力端の寄生容量に効率よく転送
し、信号電圧を増幅するものである。

【００１５】（２）前記手段（１）の固体撮像装置にお
いて、前記垂直選択スイッチはＭＯＳ型トランジスタで
構成され、そのゲート電極には、前記光電変換部のリセ
ット電位よりほぼ閾値電圧分だけ高い電圧が与えられ
る。

【００１６】（３）前記手段（１）又は（２）の固体撮
像装置において、前記転送トランジスタのソース端子を
反転型増幅回路の入力に接続し、前記反転型増幅回路の
出力を前記転送トランジスタのゲート端子に接続し、前
記反転増幅回路は、その動作入力電圧が前記光電変換部
のリセット電位よりも十分大きい。

【００１７】本発明のポイントは、画素とバッファ回路
を接続する垂直信号線に転送トランジスタを挿入し、バ
ッファ回路入力部にリセットトランジスタを配置してバ
ッファ回路の入力端、すなわち、転送トランジスタのド
レイン電位を転送トランジスタが飽和領域で動作するよ
うに設定する。

【００１８】前記転送トランジスタのソースには垂直信
号線の寄生容量ＣＶが接続されているが、動作条件を上
記のように設定することにより、ソース電位はゲート電
位から転送トランジスタの閾値だけ低い電位に固定され
る。したがって、大きな寄生容量ＣＶの影響を受けるこ
となく、光電変換部で発生した信号電荷がバッファ回路
入力端の寄生容量Ｃｉに転送される。光電変換部の等価
容量値に比べてバッファ回路入力端の寄生容量値は小さ
くできるので、電圧は増幅される。この容量比を十分大
きくとることで大きな電圧増幅率を得ることができ、バ
ッファ回路の後段に前記と同じＣＤＳ回路を配置しても
ＣＤＳ回路の出力電圧は信号電圧よりも大きな値とな
る。

【００１９】ここで、画素を構成する光電変換部を担う
垂直選択ＭＯＳトランジスタのソース電極にリセットス
イッチを接続し、このリセットスイッチで設定されるソ
ース電極よりもほぼ閾値電圧分だけ高い電圧を前記垂直
選択ＭＯＳトランジスタのゲート電極に与えることによ
り、信号電荷を効果的に転送することが可能となる。

【００２０】また、前記転送トランジスタのドレイン端
子を反転型増幅回路の入力に接続し、前記反転型増幅回
路の出力を前記転送トランジスタのゲート端子に接続す
る構成で、前記反転増幅回路の動作入力電圧が前記光電
変換部のリセット電位よりも十分大きく設定すると、信
号電荷の転送による転送トランジスタのドレイン端子の
電位変化が転送トランジスタのゲート電圧に反映され負
帰還がかかるので、転送トランジスタを流れる電流が大
きくなり、信号電荷の転送速度を上げることができる。

【００２１】以下に、本発明について、本発明による実
施形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明す
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明をライン増幅ＭＯ
Ｓ型撮像装置に適用した場合の１垂直信号線に対応する
部分の構成を示す。本発明の実施形態のライン増幅ＭＯ
Ｓ型撮像装置は、図１に示すように、フォトダイオード
のリセットスイッチ１、フォトダイオード２、垂直選択
スイッチ３により画素４０が構成されている。

【００２３】垂直選択スイッチ３は垂直信号線４に接続
され、転送スイッチ（転送トランジスタ）７を介してバ
ッファ回路１０の入力端子に接続されている。垂直信号
線４には、垂直選択スイッチ３の拡散容量の行数分と垂
直信号線の配線容量との和が浮遊容量ＣＶとして接続さ
れている。

【００２４】バッファ回路１０の入力部には、リセット
スイッチ９が配置され、転送スイッチ７が飽和領域で動
作するような電圧Ｖｒ２に転送スイッチ７のドレイン電
位を設定する。また、転送スイッチ７のソース端子を反
転増幅器８の入力に接続し、反転増幅器８の出力を転送
スイッチ７のゲート端子に接続することにより、転送ス
イッチ７に対して負帰還をかけている。

【００２５】垂直選択スイッチ３をオン状態とするため
にゲート電極に与えるクロックは、垂直走査回路６の出
力をバイアス回路５を通すことで生成され、その振幅
は、フォトダイオード２のリセットスイッチ１により設
定されるフォトダイオード２のリセット電位Ｖｒ１より
も、ほぼ垂直スイッチ３の閾値分だけ高い電圧となる。

【００２６】バッファ回路１０の後段には、雑音低減化
回路１１を配置し、その出力が水平走査回路１４で駆動
される水平選択スイッチ１２を介して水平信号線１３に
読み出されるようになっている。

【００２７】前記図１に示す回路構成において、電荷転
送の原理を図２に示す電位分布図を用いて説明する。図
２（ａ）は、フォトダイオード２に蓄積した信号電荷が
垂直選択スイッチ３をオンすることで垂直信号線４に読
み出される様子を示している。

【００２８】図２（ａ）に示すように、垂直選択スイッ
チ３のゲート電極に与えるクロックの振幅を、フォトダ
イオード２のリセット電圧Ｖｒ１よりも垂直選択スイッ
チ３の閾値分だけ高く設定することにより、信号電荷の
みを読み出すことができる。ここで、信号電荷の転送さ
れる方向が図２（ａ）に示すようになるためには、信号
電荷転送前の垂直信号線４の電位が、図２（ａ）に示す
ようにフォトダイオード２のリセット電位Ｖｒ１よりも
高くなければならない。

【００２９】また、図２（ｂ）に示す電荷転送を実現す
るためには、反転増幅器８の動作入力電圧がリセット電
位Ｖｒ１よりも高くなるように設定する必要がある。図
２（ｂ）は、垂直信号線４に読み出された信号電荷が転
送スイッチ７により、バッファ回路１０の入力部寄生容
量Ｃｉに読み出される様子を示している。垂直信号線４
からバッファ回路１０の入力部寄生容量Ｃｉへの電荷転
送が、図２（ｂ）に示す方向に行われるためには、バッ
ファ回路１０の入力部のリセット電位Ｖｒ２が信号電荷
転送前の垂直信号線４の電位よりも高くなければならな
い。したがって、反転増幅器８の動作入力電圧がリセッ
ト電位Ｖｒ２よりも低くなるように設定する必要があ
る。

【００３０】信号電荷により反転増幅器８の入力電圧が
低下すると、その変化分が増幅されて反転増幅器８の出
力端子に出力され、しかもその出力電圧は上昇するの
で、転送スイッチ７のゲート電圧が大きくなる。したが
って、転送スイッチ７には大きな電流が流れ、信号電荷
の転送が高速に行われる。信号電荷が転送され垂直信号
線４の電位が上昇してくると、今度は逆に転送スイッチ
７のゲート電圧が小さくなり、信号電荷がすべて転送し
たところで図２（ａ）の状態に戻る。図２（ｂ）に示し
た電荷転送は動的過程であるので、実際には垂直信号線
４の電位はほとんど変化しない。

【００３１】このようにして、垂直信号線の浮遊容量Ｃ
Ｖの影響を受けずにフォトダイオード２からバッファ回
路１０の入力部寄生容量Ｃｉへ信号電荷が転送される。
バッファ回路１０の入力部寄生容量Ｃｉはフォトダイオ
ード２の等価容量に比べて十分小さくすることが可能な
ため、図２（ｃ）に示すように信号電圧を増幅すること
ができる。

【００３２】次に、図１に示した本実施形態におけるバ
イアス回路５、反転増幅器８及びバッファ回路１０の具
体的な構成を図３に示す。図１に示されているバイアス
回路５は、図３において点線で囲まれた回路になる。ま
た、反転増幅器８は、図３に示すように、ｐＭＯＳトラ
ンジスタ２２とｎＭＯＳトランジスタ２３からなるＣＭ
ＯＳインバータで構成している。同様に、バッファ回路
１０は、ｎＭＯＳトランジスタ２４及び負荷として動作
するゲートにバイアス電圧Ｖｂ２が与えられたｎＭＯＳ
トランジスタ２５からなるソースフォロワ回路で構成し
ている。

【００３３】図３に示したバイアス回路５において、ｐ
ＭＯＳトランジスタ１５，１６はカレントミラー回路、
ｎＭＯＳトランジスタ１８，１９は入力差動対であり、
ｎＭＯＳトランジスタ２０はそのゲートにバイアス電圧
Ｖｂ１を与えられた電流源として機能している。また、
ｎＭＯＳトランジスタ２１は、バイアス回路５の出力を
グランドに落とすためのリセットスイッチである。ｎＭ
ＯＳトランジスタ１８のゲート、すなわちバイアス回路
５の入力に垂直走査回路６からクロックΦｖを与える
と、ｎＭＯＳトランジスタ１７のゲート、すなわちバイ
アス回路５の出力にはクロックΦｖよりもほぼｎＭＯＳ
トランジスタ１７の閾値分だけ振幅の大きなクロックΦ
ｖ’が発生する。したがって、クロックΦｖの振幅をフ
ォトダイオードのリセット電圧Ｖｒ１と等しく設定し、
かつ、ｎＭＯＳトランジスタ１７のサイズを垂直選択ス
イッチ３と等しく設定すれば、クロックΦｖ’の振幅は
リセット電圧Ｖｒ１より垂直選択スイッチ３の閾値分だ
け高くなり、信号電荷のみを転送できる。

【００３４】バイアス回路５の入力クロックΦｖの振幅
をＶΦｖ、出力クロックΦｖ’の振幅をＶΦｖ’、ｎＭ
ＯＳトランジスタ２０を流れる電流をＩｂ、ｎＭＯＳト
ランジスタ１７のゲート長、ゲート幅、ゲート酸化膜容
量、閾値をそれぞれＬ，Ｗ，Ｃｏ，Ｖｔｈ、電子の移動
度をμとすると、ＶΦｖとＶΦｖ’の関係は、数４の関
係式で表すことができる。

【００３５】

【数４】

【００３６】ここで、β＝μＣｏＷ／Ｌである。したが
って、出力クロックΦｖ’の振幅は、ＶΦｖをＶｒ１と
等しく設定し、ｎＭＯＳトランジスタ２０のサイズをｎ
ＭＯＳトランジスタ１７と等しく設定すると、上記の値
よりもさらに√Ｉｂ／βだけ大きくなる。したがって、
信号電荷に加えて、若干のバイアス電荷も転送すること
になる。

【００３７】照度が低く、発生する信号電荷が少ない場
合、図２（ａ）に示した転送過程による垂直信号線４の
電位変化が小さいため、転送トランジスタ７による電荷
転送の速度が遅くなる。このような場合、上記のバイア
ス電荷を合わせて転送すると、垂直信号線４の電位変化
が大きくなるため、反転増幅器８による転送スイッチ７
への帰還がかかりやすくなり、転送速度が速くなる。

【００３８】ｐＭＯＳトランジスタ２２とｎＭＯＳトラ
ンジスタ２３からなるＣＭＯＳインバータは、その出力
がハイ（Ｈｉｇｈ）レベルからロー（Ｌｏｗ）レベルに
遷移するときの入力電圧がフォトダイオード２のリセッ
ト電圧Ｖｒ１よりも大きく、かつ、バッファ回路１０の
入力部のリセット電位Ｖｒ２よりも小さくなるようにト
ランジスタサイズを設定する必要がある。

【００３９】図１におけるバッファ回路１０の入力部の
寄生容量を小さくするために、図３においてソースフォ
ロワ回路を構成するｎＭＯＳトランジスタ２４のサイズ
は十分小さく設定する必要がある。同様に、転送スイッ
チ７及びリセットスイッチ９のサイズも十分小さく設定
する必要がある。

【００４０】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
固体撮像素子の光電変換部で発生した信号電荷を出力部
に転送する信号電荷転送部において、垂直信号線に付随
する大きな寄生容量の影響を受けずに光電変換部から、
より小さな容量が付随する出力部に信号電荷を効率的に
転送することが可能となるので、信号電圧の増幅が可能
となり、容易に高い信号対雑音比を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の一実施形態の１垂
直信号線に対応する部分を示す回路構成図である。

【図２】本実施形態における信号電荷の転送の原理を説
明するための電位分布図である。

【図３】本実施形態におけるバイアス回路、反転増幅器
及びバッファ回路の具体的な構成を示す回路構成図であ
る。

【図４】従来のＭＯＳ型固体撮像装置の構成例を示す回
路構成図である。

【図５】図４に示した従来例の信号読み出し回路を示す
回路構成図である。

【符号の説明】

１，９…リセットスイッチ ２，２６…フォトダ
イオード ３…垂直選択スイッチ ４…垂直信号線 ５…バイアス回路 ６…垂直走査回路 ７…転送スイッチ（転送トランジスタ） ８…反転増幅器 １０…バッファ回路 １１…雑音低減化回路 １２…水平選択スイ
ッチ １３…水平信号線 １４…水平走査回路 １５，１６，２２…ｐＭＯＳトランジスタ １７，１８，１９，２０，２１，２３，２４，２５…ｎ
ＭＯＳトランジスタ ２７…リセット用ＭＯＳスイッチ ２８…ダイナミック
レンジ拡大用容量 ２９…帰還容量 ３０…結合容量 ３１…サンプルホールド容量 ３２…アンプ ３３…垂直選択スイッチ ３４…サンプルホー
ルドスイッチ ４０…画素 ４０Ａ…フォトダイ
オード ４０Ｂ…垂直選択ＭＯＳスイッチ ４０Ｃ…垂直信号線 ４１…増幅器 ４２…ＣＤＳ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 敏英 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 国分 秀樹 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 阿部 正英 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AA02 AB01 BA14 CA02 DD07 DD12 FA06 FA34 5C024 CX00 CX43 GX03 GY38 GZ18 HX09 HX13 JX30

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した光を電荷に変換する光電変換部
   と、該光電変換部で発生した電荷を読み出すための垂直
   選択スイッチと、前記光電変換部をリセットするリセッ
   トスイッチとを備え、画素が２次元アレイ状に配列し、
   各列の画素出力が垂直信号線を通して並列に読み出さ
   れ、各列に配置されたバッファ回路を通して出力として
   取り出される固体撮像装置において、画素とバッファ回
   路入力部の間の垂直信号線に転送トランジスタを挿入
   し、前記バッファ回路入力部にリセットスイッチを配置
   して、転送トランジスタのドレイン電位を、転送トラン
   ジスタが飽和領域で動作するように設定することにより
   転送トランジスタのソース電位を固定し、前記光電変換
   部で発生した電荷をバッファ回路入力端の寄生容量に効
   率よく転送し、信号電圧を増幅することを特徴とする固
   体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記垂直選択スイッチはＭＯＳ型トラン
   ジスタで構成され、そのゲート電極には、前記光電変換
   部のリセット電位よりほぼ閾値電圧分だけ高い電圧が与
   えられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装
   置。
3. 【請求項３】 前記転送トランジスタのソース端子を反
   転型増幅回路の入力に接続し、前記反転型増幅回路の出
   力を前記転送トランジスタのゲート端子に接続し、前記
   反転増幅回路は、その動作入力電圧が前記光電変換部の
   リセット電位よりも十分大きいことを特徴とする請求項
   １又は２に記載の固体撮像装置。