JP2577559B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
固体撮像素子Info
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- JP2577559B2 JP2577559B2 JP62089606A JP8960687A JP2577559B2 JP 2577559 B2 JP2577559 B2 JP 2577559B2 JP 62089606 A JP62089606 A JP 62089606A JP 8960687 A JP8960687 A JP 8960687A JP 2577559 B2 JP2577559 B2 JP 2577559B2
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- Japan
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- transistor
- photodiode
- switching element
- terminal voltage
- capacitor
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カメラなどに利用される固体撮像素子に関
し、特に再度読出し可能に画素情報を記憶保持する型式
の固体撮像素子に関する。
し、特に再度読出し可能に画素情報を記憶保持する型式
の固体撮像素子に関する。
従来、カメラなどに利用される固体撮像素子として、
MOS型あるいはCCD型の光電変換素子が知られている。こ
の種の固体撮像素子は、同じ構造をした一次元または二
次元配列の複数個の検出セルからなっており、各検出セ
ルは画像の一画素の情報を撮像するようになっている。
MOS型あるいはCCD型の光電変換素子が知られている。こ
の種の固体撮像素子は、同じ構造をした一次元または二
次元配列の複数個の検出セルからなっており、各検出セ
ルは画像の一画素の情報を撮像するようになっている。
第５図は、再度読出し可能に画素情報を記憶保持する
固体撮像素子の検出セルの構成図である。
固体撮像素子の検出セルの構成図である。
第５図において検出セル50は、入射光強度に応じた光
電流ISHを発生するフォトダイオード２と、フォトダイ
オード２の受光量（光電流ISH×時間ｔ）を画素情報と
して蓄積する容量素子５と、フォトダイオード２と容量
素子５とを情報蓄積期間中導通状態にするスイッチング
素子FT1と、容量素子５の端子電圧値V0を画素情報とし
て出力させる電流増幅回路FT4とを備えている。さらに
容量素子５には、情報蓄積開始前にこの端子電圧値V0を
所定の基準電位Vrefに所期設定するためのスイッチング
素子FT3が接続され、電流増幅回路FT4の出力端子は、ス
イッチング素子FT5を介してビデオライン４に接続され
ている。またフォトダイオード２には、情報蓄積期間外
に発生する光電流を外部に、例えば基準電位Vrefを与え
る電源に、流すためのスイッチング素子FT2が接続され
ている。
電流ISHを発生するフォトダイオード２と、フォトダイ
オード２の受光量（光電流ISH×時間ｔ）を画素情報と
して蓄積する容量素子５と、フォトダイオード２と容量
素子５とを情報蓄積期間中導通状態にするスイッチング
素子FT1と、容量素子５の端子電圧値V0を画素情報とし
て出力させる電流増幅回路FT4とを備えている。さらに
容量素子５には、情報蓄積開始前にこの端子電圧値V0を
所定の基準電位Vrefに所期設定するためのスイッチング
素子FT3が接続され、電流増幅回路FT4の出力端子は、ス
イッチング素子FT5を介してビデオライン４に接続され
ている。またフォトダイオード２には、情報蓄積期間外
に発生する光電流を外部に、例えば基準電位Vrefを与え
る電源に、流すためのスイッチング素子FT2が接続され
ている。
スイッチング素子FT1,FT2,FT3,FT5,電流増幅回路FT4
を、例えばＮチャネルのMOSトランジスタで構成する場
合、スイッチング素子FT1としてのMOSトランジスタのゲ
ートG1には、情報蓄積期間中、情報蓄積信号DTが加わ
り、スイッチング素子FT2としてのMOSトランジスタのゲ
ートG2には、情報蓄積期間外に情報蓄積信号DTを反転し
た信号▲▼が加わるようになっている。またスイッ
チング素子FT3としてのMOSトランジスタのゲートG3に
は、容量素子５の端子電圧値V0を基準電位Vrefに初期設
定するためのリセット信号RSTが加わるようになってい
る。電流増幅回路FT4としてのMOSトランジスタのゲート
G4には容量素子５が接続され、ドレインD4には一定電圧
VDDが印加され、ソースS4にはこのMOSトランジスタに常
に一定のドレイン電流を流すための定電流源３が接続さ
れている。さらにスイッチング素子FT5としてのMOSトラ
ンジスタのゲートG5には、容量素子５の端子電圧値V0を
電流増幅回路FT4のソースS4から画素情報としてビデオ
ライン４に出力させるための読出信号SPが加わるように
なっている。
を、例えばＮチャネルのMOSトランジスタで構成する場
合、スイッチング素子FT1としてのMOSトランジスタのゲ
ートG1には、情報蓄積期間中、情報蓄積信号DTが加わ
り、スイッチング素子FT2としてのMOSトランジスタのゲ
ートG2には、情報蓄積期間外に情報蓄積信号DTを反転し
た信号▲▼が加わるようになっている。またスイッ
チング素子FT3としてのMOSトランジスタのゲートG3に
は、容量素子５の端子電圧値V0を基準電位Vrefに初期設
定するためのリセット信号RSTが加わるようになってい
る。電流増幅回路FT4としてのMOSトランジスタのゲート
G4には容量素子５が接続され、ドレインD4には一定電圧
VDDが印加され、ソースS4にはこのMOSトランジスタに常
に一定のドレイン電流を流すための定電流源３が接続さ
れている。さらにスイッチング素子FT5としてのMOSトラ
ンジスタのゲートG5には、容量素子５の端子電圧値V0を
電流増幅回路FT4のソースS4から画素情報としてビデオ
ライン４に出力させるための読出信号SPが加わるように
なっている。
このような構成の検出セル50では、容量素子５に画素
情報を蓄積するに先立ち、容量素子５の端子電圧値V0を
基準電位Vrefに初期設定するためスイッチング素子FT3
としてのMOSトランジスタのゲートG3にリセット信号RST
を加えて、ゲートG3の電圧をハイレベルにし、スイッチ
ング素子FT3をオンにする。容量素子５の端子電圧値V0
を基準電位Vrefに初期設定した後、リセット信号RSTを
オフにして、フォトダイオード２の受光量を容量素子５
の端子電圧値V0として情報蓄積させる動作を開始する。
この情報蓄積動作は、スイッチング素子FT1としてのMOS
トランジスタのゲートG1に情報蓄積信号DTを加えること
によって行なわれる。なお情報蓄積信号DTを加えている
期間が情報蓄積期間となる。情報蓄積期間外は、スイッ
チング素子FT2のゲートG2に情報蓄積信号DTを反転した
信号▲▼が加わるので、光電流ISHはスイッチング
素子FT2を介して外部に流れ、ブルーミングを防止する
ことができる。情報蓄積期間中は、ゲートG1の電圧がハ
イレベルとなってスイッチング素子FT1がオンになる。
これによって、フォトトランジスタ２とスイッチング素
子FT1と容量素子５との間には閉回路が形成されるの
で、入射光強度に応じてフォトダイオード２内に発生し
た光電流ISHは、この閉回路を流れ、容量素子５の端子
電圧値V0は、第６図に符号A1で示すように受光量ISH・
ｔに比例して情報蓄積期間終了まで下がり続ける。すな
わち端子電圧値V0は、受光量ISH・ｔに比例して、 V0＝Vref−ISH・t/（C1＋CD） ……（１） のように下がる。ここで、ｔは情報蓄積開始時からの経
過時間、ISH・ｔは受光量、C1は容量素子５の容量、CD
はフォトダイオード２に付随する接合容量である。情報
蓄積開始時から所定の時間ｔが経過し、情報蓄積期間が
終了すると、そのときの（１）式で与えられる容量素子
５の端子電圧値V0が画素情報となる。容量素子５に蓄積
されている電荷は、電流増幅回路FT4の入力インピーダ
ンスが大きいためビデオライン４側に漏洩することがな
いので、情報蓄積期間終了時の端子電圧値V0は、スイッ
チング素子FT3のゲートG3に再度リセット信号RSTが加わ
るまで記憶保持される。
情報を蓄積するに先立ち、容量素子５の端子電圧値V0を
基準電位Vrefに初期設定するためスイッチング素子FT3
としてのMOSトランジスタのゲートG3にリセット信号RST
を加えて、ゲートG3の電圧をハイレベルにし、スイッチ
ング素子FT3をオンにする。容量素子５の端子電圧値V0
を基準電位Vrefに初期設定した後、リセット信号RSTを
オフにして、フォトダイオード２の受光量を容量素子５
の端子電圧値V0として情報蓄積させる動作を開始する。
この情報蓄積動作は、スイッチング素子FT1としてのMOS
トランジスタのゲートG1に情報蓄積信号DTを加えること
によって行なわれる。なお情報蓄積信号DTを加えている
期間が情報蓄積期間となる。情報蓄積期間外は、スイッ
チング素子FT2のゲートG2に情報蓄積信号DTを反転した
信号▲▼が加わるので、光電流ISHはスイッチング
素子FT2を介して外部に流れ、ブルーミングを防止する
ことができる。情報蓄積期間中は、ゲートG1の電圧がハ
イレベルとなってスイッチング素子FT1がオンになる。
これによって、フォトトランジスタ２とスイッチング素
子FT1と容量素子５との間には閉回路が形成されるの
で、入射光強度に応じてフォトダイオード２内に発生し
た光電流ISHは、この閉回路を流れ、容量素子５の端子
電圧値V0は、第６図に符号A1で示すように受光量ISH・
ｔに比例して情報蓄積期間終了まで下がり続ける。すな
わち端子電圧値V0は、受光量ISH・ｔに比例して、 V0＝Vref−ISH・t/（C1＋CD） ……（１） のように下がる。ここで、ｔは情報蓄積開始時からの経
過時間、ISH・ｔは受光量、C1は容量素子５の容量、CD
はフォトダイオード２に付随する接合容量である。情報
蓄積開始時から所定の時間ｔが経過し、情報蓄積期間が
終了すると、そのときの（１）式で与えられる容量素子
５の端子電圧値V0が画素情報となる。容量素子５に蓄積
されている電荷は、電流増幅回路FT4の入力インピーダ
ンスが大きいためビデオライン４側に漏洩することがな
いので、情報蓄積期間終了時の端子電圧値V0は、スイッ
チング素子FT3のゲートG3に再度リセット信号RSTが加わ
るまで記憶保持される。
容量素子５に記憶保持されている端子電圧値V0すなわ
ち画素情報をビデオライン４に読出すために、スイッチ
ング素子FT5としてのMOSトランジスタのゲートG5に読出
信号SPを加え、ゲートG5の電圧をハイレベルにしてスイ
ッチング素子FT5をオンにする。これによって電流増幅
回路FT4のソースS4とビデオライン４とは導通状態とな
り、電流増幅回路FT4のソースS4からのインピーダンス
変換された画素情報はビデオライン４に送られる。容量
素子５の端子は電流増幅回路FT4のゲートG4に接続され
ているのでスイッチング素子FT5をオンにして画素情報
の読出しを行っても、容量素子５に蓄積されている電荷
は電流増幅回路FT4からビデオライン４に流れず、これ
により容量素子５の端子電圧値V0を変動させずに読出し
前の状態に記憶保持することができる。
ち画素情報をビデオライン４に読出すために、スイッチ
ング素子FT5としてのMOSトランジスタのゲートG5に読出
信号SPを加え、ゲートG5の電圧をハイレベルにしてスイ
ッチング素子FT5をオンにする。これによって電流増幅
回路FT4のソースS4とビデオライン４とは導通状態とな
り、電流増幅回路FT4のソースS4からのインピーダンス
変換された画素情報はビデオライン４に送られる。容量
素子５の端子は電流増幅回路FT4のゲートG4に接続され
ているのでスイッチング素子FT5をオンにして画素情報
の読出しを行っても、容量素子５に蓄積されている電荷
は電流増幅回路FT4からビデオライン４に流れず、これ
により容量素子５の端子電圧値V0を変動させずに読出し
前の状態に記憶保持することができる。
このように第５図に示す固体撮像素子の検出セル50で
は、情報蓄積期間中、容量素子５の端子電圧値V0を第６
図に符号A1で示すように受光量に比例して減少させ、情
報蓄積期間終了時点における容量素子５の端子電圧値V0
（（１）式参照）を画素情報として記憶保持するように
なっている。
は、情報蓄積期間中、容量素子５の端子電圧値V0を第６
図に符号A1で示すように受光量に比例して減少させ、情
報蓄積期間終了時点における容量素子５の端子電圧値V0
（（１）式参照）を画素情報として記憶保持するように
なっている。
ところで、このような固体撮像素子への入射光は一般
にレンズ、ミラーなどで構成されている光学系を介して
入射するので、その強度は弱くなっており、従って、固
体撮像素子の検出セルは高感度のものであるのが望まし
い。第５図に示す固体撮像素子の検出セル50の感度を向
上させるためには、第６図に符号A2で示すように受光量
ISH・ｔに対する容量素子５の端子電圧値V0の変化率を
一層大きくさせる必要がある。受光量に対する端子電圧
値V0の変化率を大きくさせ検出セル50の光感度特性を向
上させるには、（１）式からわかるようにフォトダイオ
ード２の面積を大きくして光電流ISHを大きくし、また
容量素子５の容量C1を小さくすれば良い。
にレンズ、ミラーなどで構成されている光学系を介して
入射するので、その強度は弱くなっており、従って、固
体撮像素子の検出セルは高感度のものであるのが望まし
い。第５図に示す固体撮像素子の検出セル50の感度を向
上させるためには、第６図に符号A2で示すように受光量
ISH・ｔに対する容量素子５の端子電圧値V0の変化率を
一層大きくさせる必要がある。受光量に対する端子電圧
値V0の変化率を大きくさせ検出セル50の光感度特性を向
上させるには、（１）式からわかるようにフォトダイオ
ード２の面積を大きくして光電流ISHを大きくし、また
容量素子５の容量C1を小さくすれば良い。
しかしながら、フォトダイオード２の接合容量CDはフ
ォトダイオード２の周囲長に比例するので、光電流ISH
を大きくするためにフォトダイオード２の面積を大きく
すると、接合容量CDが大きくなる。さらに容量素子５の
容量C1を小さくすると、（１）式において接合容量CDの
端子電圧値V0への影響が大きくなる。
ォトダイオード２の周囲長に比例するので、光電流ISH
を大きくするためにフォトダイオード２の面積を大きく
すると、接合容量CDが大きくなる。さらに容量素子５の
容量C1を小さくすると、（１）式において接合容量CDの
端子電圧値V0への影響が大きくなる。
一方、接合容量CDは、 のように、フォトダイオード２のアノード・カソード間
の電圧値によって変化する。ここでαは比例定数、Vbは
ビルトインポテンシャル、Ｖはフォトダイオード２への
印加電圧であり、この印加電圧Ｖは第５図の構成では容
量素子５の端子電圧値V0となる。
の電圧値によって変化する。ここでαは比例定数、Vbは
ビルトインポテンシャル、Ｖはフォトダイオード２への
印加電圧であり、この印加電圧Ｖは第５図の構成では容
量素子５の端子電圧値V0となる。
従って、検出セル50の高感度化を図るに際し、フォト
ダイオード２の面積を大きくし、容量素子５の容量C1を
小さくすると、（１）式および（２）式から端子電圧値
V0は、近似的に として表わされる。（３）式においてビルトインポテン
シャルVbは端子電圧値V0に比べて小さいものであるの
で、受光量ISH・ｔと端子電圧値V0との関係は、第６図
に符号A2で示すような理想的な線形関係ではなく、実際
には第６図に符号A3で示すような非線形のものとなる。
ダイオード２の面積を大きくし、容量素子５の容量C1を
小さくすると、（１）式および（２）式から端子電圧値
V0は、近似的に として表わされる。（３）式においてビルトインポテン
シャルVbは端子電圧値V0に比べて小さいものであるの
で、受光量ISH・ｔと端子電圧値V0との関係は、第６図
に符号A2で示すような理想的な線形関係ではなく、実際
には第６図に符号A3で示すような非線形のものとなる。
このように、第５図に示す構造の検出セル50では、高
感度化を図るために、フォトダイオード２の面積を大き
くしまた容量素子５の容量C1を小さくしようとすると、
フォトダイオード２の接合容量CDが容量素子５の端子電
圧値V0に大きく影響するようになり、光電変換特性を歪
めるという問題があった。
感度化を図るために、フォトダイオード２の面積を大き
くしまた容量素子５の容量C1を小さくしようとすると、
フォトダイオード２の接合容量CDが容量素子５の端子電
圧値V0に大きく影響するようになり、光電変換特性を歪
めるという問題があった。
本発明は、歪みのない高感度な光電変換特性を得るこ
とのできる再度読出可能な構造の検出セルをもつ固体撮
像素子を提供することを目的としている。
とのできる再度読出可能な構造の検出セルをもつ固体撮
像素子を提供することを目的としている。
本発明は、光が入射するフォトダイオードと、容量素
子と、フォトダイオードと容量素子とを情報蓄積期間中
導通状態にするスイッチング素子と、容量素子の端子電
圧値に対するフォトダイオードの接合容量の影響を遮断
しフォトダイオードに実質的な印加電圧を加えるための
トランジスタと、容量素子の端子電圧値を画素情報とし
て出力させる電流増幅回路とを有する検出セルを備えて
いることを特徴とする固体撮像素子によって、従来技術
の問題点を改善するものである。
子と、フォトダイオードと容量素子とを情報蓄積期間中
導通状態にするスイッチング素子と、容量素子の端子電
圧値に対するフォトダイオードの接合容量の影響を遮断
しフォトダイオードに実質的な印加電圧を加えるための
トランジスタと、容量素子の端子電圧値を画素情報とし
て出力させる電流増幅回路とを有する検出セルを備えて
いることを特徴とする固体撮像素子によって、従来技術
の問題点を改善するものである。
本発明では、検出セルの容量素子の端子電圧値を予め
初期設定しておく。情報蓄積期間中は、スイッチング素
子によってフォトダイオードと容量素子とが導通状態と
なる。これによりフォトダイオードに入射した光の入射
光強度に応じた光電流が容量素子からフォトダイオード
に向かって流れ、容量素子の端子電圧値は時間すなわち
受光量とともに減少する。ところで、本発明では容量素
子の端子電圧値がフォトダイオードの直接の印加電圧と
ならないようにするためのトランジスタが設けられてい
る。
初期設定しておく。情報蓄積期間中は、スイッチング素
子によってフォトダイオードと容量素子とが導通状態と
なる。これによりフォトダイオードに入射した光の入射
光強度に応じた光電流が容量素子からフォトダイオード
に向かって流れ、容量素子の端子電圧値は時間すなわち
受光量とともに減少する。ところで、本発明では容量素
子の端子電圧値がフォトダイオードの直接の印加電圧と
ならないようにするためのトランジスタが設けられてい
る。
このトランジスタは、容量素子の端子電圧値に対する
フォトダイオードの接合容量の影響を遮断し、フォトダ
イオードに実質的な印加電圧を加えるようになってい
る。これによって、容量素子の端子電圧値は、例えば高
感度化を図るためフォトダイオードの面積を大きくして
フォトダイオードの接合容量が大きくなった場合でも、
情報蓄積期間中、接合容量の影響をうけずに線形的に減
少する。情報蓄積期間が終了した時点の容量素子の端子
電圧値が画素情報として記憶保持され、この端子電圧値
は電流増幅回路によって画素情報として出力される。な
お電流増幅回路によって出力された後も、容量素子の端
子電圧値は記憶保持されている。
フォトダイオードの接合容量の影響を遮断し、フォトダ
イオードに実質的な印加電圧を加えるようになってい
る。これによって、容量素子の端子電圧値は、例えば高
感度化を図るためフォトダイオードの面積を大きくして
フォトダイオードの接合容量が大きくなった場合でも、
情報蓄積期間中、接合容量の影響をうけずに線形的に減
少する。情報蓄積期間が終了した時点の容量素子の端子
電圧値が画素情報として記憶保持され、この端子電圧値
は電流増幅回路によって画素情報として出力される。な
お電流増幅回路によって出力された後も、容量素子の端
子電圧値は記憶保持されている。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明に係る固体撮像素子の検出セルの実施
例の構成図である。第１図において第５図と同様の箇所
には同じ符号を付して説明を省略する。
例の構成図である。第１図において第５図と同様の箇所
には同じ符号を付して説明を省略する。
第１図の検出セル１では、第５図の検出セル50と比べ
れば明らかなように、フォトダイオード２と、スイッチ
ング素子FT1との間にさらにトランジスタFT0が設けられ
ている。このトランジスタFT0は、フォトダイオード２
の接合容量CDが容量素子５の端子電圧値V0に及ぼす影響
を遮断するために設けられたものであり、例えばＮチャ
ネルのMOSトランジスタが用いられている。
れば明らかなように、フォトダイオード２と、スイッチ
ング素子FT1との間にさらにトランジスタFT0が設けられ
ている。このトランジスタFT0は、フォトダイオード２
の接合容量CDが容量素子５の端子電圧値V0に及ぼす影響
を遮断するために設けられたものであり、例えばＮチャ
ネルのMOSトランジスタが用いられている。
第２図は、スイッチング素子FT1およびトランジスタF
T0の構成図である。第２図において、スイッチング素子
FT1およびトランジスタFT0はともにＮチャネルのMOSト
ランジスタであって、同一のｐ型半導体基板10上に形成
されている。スイッチング素子FT1のソースS1はトラン
ジスタFT0のドレインD0と共通になっている。スイッチ
ング素子FT1のゲートG1とドレインD1，ソースS1とはセ
ルフアラインメント構造になっており、またトランジス
タFT0のゲートG0とドレインD0，ソースS0もセルフアラ
イメント構造になっている。これによって、これらのゲ
ートG1，G0とドレインD1，D0，ソースS1，S0との間の寄
生容量の発生を有効に防止している。
T0の構成図である。第２図において、スイッチング素子
FT1およびトランジスタFT0はともにＮチャネルのMOSト
ランジスタであって、同一のｐ型半導体基板10上に形成
されている。スイッチング素子FT1のソースS1はトラン
ジスタFT0のドレインD0と共通になっている。スイッチ
ング素子FT1のゲートG1とドレインD1，ソースS1とはセ
ルフアラインメント構造になっており、またトランジス
タFT0のゲートG0とドレインD0，ソースS0もセルフアラ
イメント構造になっている。これによって、これらのゲ
ートG1，G0とドレインD1，D0，ソースS1，S0との間の寄
生容量の発生を有効に防止している。
トランジスタFT0のドレインD0には、スイッチング素
子FT1がオンのときに容量素子５の端子電圧値V0が印加
される。また使用に際し、トランジスタFT0のゲートG0
には一定の直流バイアス電圧VGが印加されている。
子FT1がオンのときに容量素子５の端子電圧値V0が印加
される。また使用に際し、トランジスタFT0のゲートG0
には一定の直流バイアス電圧VGが印加されている。
第３図はゲート電圧VGをパラメータとして変化させた
ときの一般的なMOSトランジスタのドレイン電圧VDとド
レイン電流IDの出力特性を示したものである。なおMOS
トランジスタがエンハンスメント形のものであるとする
と、MOS閾値電圧VTHが存在するので、実質的なゲート電
圧は（VG−VTH）となる。
ときの一般的なMOSトランジスタのドレイン電圧VDとド
レイン電流IDの出力特性を示したものである。なおMOS
トランジスタがエンハンスメント形のものであるとする
と、MOS閾値電圧VTHが存在するので、実質的なゲート電
圧は（VG−VTH）となる。
第３図において、ドレイン電圧VDが実質的なゲート電
圧（VG−VTH）よりも小さいときには出力特性は線形と
なる一方、ドレイン電圧VDが実質的なゲート電圧（VG−
VTH）よりも大きいときには、出力特性が飽和する。こ
の飽和領域では、ドレイン電流IDは実質的なゲート電圧
（VG−VTH）に依存して変化するが、ドレイン電圧VDに
は依存しない。
圧（VG−VTH）よりも小さいときには出力特性は線形と
なる一方、ドレイン電圧VDが実質的なゲート電圧（VG−
VTH）よりも大きいときには、出力特性が飽和する。こ
の飽和領域では、ドレイン電流IDは実質的なゲート電圧
（VG−VTH）に依存して変化するが、ドレイン電圧VDに
は依存しない。
第１図のトランジスタFT0は、第３図に示すような出
力特性をもつMOSトランジスタであるので、ドレイン電
圧VDは、情報蓄積期間中すなわちスイッチング素子FT1
がオンのときには、容量素子５の端子電圧値V0となり、
またドレイン電流IDは光電流ISHとなる。トランジスタF
T0を飽和領域で使用する場合、すなわちゲートG0の印加
電圧VGが端子電圧値V0に対して、 VG−VTH＜V0 ……（４） の関係を満たす場合には、フォトダイオード２は見かけ
上、容量素子５の端子電圧値V0によって駆動されるので
はなく、ゲートG0の電圧VGによって駆動されるものとみ
なされる。
力特性をもつMOSトランジスタであるので、ドレイン電
圧VDは、情報蓄積期間中すなわちスイッチング素子FT1
がオンのときには、容量素子５の端子電圧値V0となり、
またドレイン電流IDは光電流ISHとなる。トランジスタF
T0を飽和領域で使用する場合、すなわちゲートG0の印加
電圧VGが端子電圧値V0に対して、 VG−VTH＜V0 ……（４） の関係を満たす場合には、フォトダイオード２は見かけ
上、容量素子５の端子電圧値V0によって駆動されるので
はなく、ゲートG0の電圧VGによって駆動されるものとみ
なされる。
より具体的には、入射光強度に比例して流れるフォト
ダイオード２の電流ISHは、情報蓄積期間中、スイッチ
ング素子FT1,トランジスタFT0を介して容量素子５から
電荷を取出す定電流源として機能し，容量素子５の端子
電圧値V0を減少させるが、フォトダイオード２への印加
電圧は、容量素子５の端子電圧値V0ではなく、トランジ
スタFT0のソースS0の電圧VPDと、ゲートG0の電圧VGとに
よって定まる。すなわち、トランジスタFT0のソースS0
の電圧VPDは、 として表わされ、光電流ISHはゲートG0の実質的な電圧
（VG−VTH）とソースS0の電圧VPDとによって流れるよう
になっている。なお（５）式において、L,Wはそれぞれ
トランジスタFT0のチャネル長、チャネル幅、βは基本
増幅率である。
ダイオード２の電流ISHは、情報蓄積期間中、スイッチ
ング素子FT1,トランジスタFT0を介して容量素子５から
電荷を取出す定電流源として機能し，容量素子５の端子
電圧値V0を減少させるが、フォトダイオード２への印加
電圧は、容量素子５の端子電圧値V0ではなく、トランジ
スタFT0のソースS0の電圧VPDと、ゲートG0の電圧VGとに
よって定まる。すなわち、トランジスタFT0のソースS0
の電圧VPDは、 として表わされ、光電流ISHはゲートG0の実質的な電圧
（VG−VTH）とソースS0の電圧VPDとによって流れるよう
になっている。なお（５）式において、L,Wはそれぞれ
トランジスタFT0のチャネル長、チャネル幅、βは基本
増幅率である。
このように容量素子の端子電圧値V0は、フォトダイオ
ード２による光電流ISHによって減少するものの、フォ
トダイオード２が一定の電圧VPD，VGによって駆動され
ているとみなされることにより、フォトダイオード２の
接合容量CDには電流が流れず、フォトダイオード２の接
合容量CDの端子電圧値V0への影響をなくすことができ
る。
ード２による光電流ISHによって減少するものの、フォ
トダイオード２が一定の電圧VPD，VGによって駆動され
ているとみなされることにより、フォトダイオード２の
接合容量CDには電流が流れず、フォトダイオード２の接
合容量CDの端子電圧値V0への影響をなくすことができ
る。
また第１図の検出セル１を第５図の検出セル50と比べ
ると、第１図の検出セル１では、情報蓄積期間外に発生
する光電流を外部に流すためのスイッチング素子FT2
は、トランジスタFT6を介してフォトダイオード２に接
続されている。このトランジスタFT6のゲートG6には、
トランジスタFT0のゲートG0と同様の電圧VGが印加され
るようになっており、これにより電荷蓄積期間以外もフ
ォトダイオード２の端子電圧を低いレベルにクランプ
し、スイッチング素子FT1がオンとなった瞬間にすぐに
電荷蓄積動作に移行できるようになっている。
ると、第１図の検出セル１では、情報蓄積期間外に発生
する光電流を外部に流すためのスイッチング素子FT2
は、トランジスタFT6を介してフォトダイオード２に接
続されている。このトランジスタFT6のゲートG6には、
トランジスタFT0のゲートG0と同様の電圧VGが印加され
るようになっており、これにより電荷蓄積期間以外もフ
ォトダイオード２の端子電圧を低いレベルにクランプ
し、スイッチング素子FT1がオンとなった瞬間にすぐに
電荷蓄積動作に移行できるようになっている。
このような構成の検出セル１では、容量素子５に画素
情報を蓄積するに先立ち、スイッチング素子FT3にリセ
ット信号RSTを加えスイッチング素子FT3をオンにして容
量素子５の端子電圧値V0を基準電位Vrefに初期設定す
る。またトランジスタFT0ゲートG0の印加電圧VGを、情
報蓄積期間の終了時に予想される端子電圧値V0に対して
（４）式の関係を満たすように設定する。
情報を蓄積するに先立ち、スイッチング素子FT3にリセ
ット信号RSTを加えスイッチング素子FT3をオンにして容
量素子５の端子電圧値V0を基準電位Vrefに初期設定す
る。またトランジスタFT0ゲートG0の印加電圧VGを、情
報蓄積期間の終了時に予想される端子電圧値V0に対して
（４）式の関係を満たすように設定する。
しかる後に、スイッチング素子FT1に情報蓄積信号DT
を加えスイッチング素子FT1をオンにして容量素子５へ
の画素情報の蓄積を開始する。情報蓄積期間中、入射光
強度に応じてフォトダイオード２に発生する光電流ISH
は、容量素子５に蓄積されていた電荷を取出し、容量素
子５の端子電圧値V0を基準電位Vrefから減少させる。
を加えスイッチング素子FT1をオンにして容量素子５へ
の画素情報の蓄積を開始する。情報蓄積期間中、入射光
強度に応じてフォトダイオード２に発生する光電流ISH
は、容量素子５に蓄積されていた電荷を取出し、容量素
子５の端子電圧値V0を基準電位Vrefから減少させる。
ところで本実施例では飽和領域で動作するトランジス
タFT0を設けているので、前述のように端子電圧値V0が
変化してもフォトダイオード２の印加電圧は一定に保持
される。これによって接合容量CDには電流が流れず接合
容量CDの影響を遮断することができる。すなわち容量素
子５の端子電圧値V0は、情報蓄積期間中、 V0＝Vref−ISH・t/C1 ……（６） のように接合容量CDの影響を受けずに、光電流ISHと容
量素子５の容量C1とだけによって時間ｔすなわち受光量
ISH・ｔとともに線形的に変化する。受光量ISH・ｔと端
子電圧値V0との（６）式に示す比例関係は、フォトダイ
オードの面積を大きく接合容量CDが大きくなったとして
も変わらないので、歪みのない高感度の光電変換特性を
得ることができる。
タFT0を設けているので、前述のように端子電圧値V0が
変化してもフォトダイオード２の印加電圧は一定に保持
される。これによって接合容量CDには電流が流れず接合
容量CDの影響を遮断することができる。すなわち容量素
子５の端子電圧値V0は、情報蓄積期間中、 V0＝Vref−ISH・t/C1 ……（６） のように接合容量CDの影響を受けずに、光電流ISHと容
量素子５の容量C1とだけによって時間ｔすなわち受光量
ISH・ｔとともに線形的に変化する。受光量ISH・ｔと端
子電圧値V0との（６）式に示す比例関係は、フォトダイ
オードの面積を大きく接合容量CDが大きくなったとして
も変わらないので、歪みのない高感度の光電変換特性を
得ることができる。
このようにして、情報蓄積期間中、容量素子５の端子
電圧値V0として画素情報を蓄積させた後、情報蓄積信号
DTをオフにして、情報蓄積期間終了時の端子電圧値V0を
画素情報として記憶保持させることができる。
電圧値V0として画素情報を蓄積させた後、情報蓄積信号
DTをオフにして、情報蓄積期間終了時の端子電圧値V0を
画素情報として記憶保持させることができる。
また情報蓄積期間外は、スイッチング素子FT2のゲー
トG2に情報蓄積信号DTを反転した信号▲▼を加え
て、光電流ISHを外部に流しブルーミングを防止する一
方、トランジスタFT6のゲートG6に電圧VGを印加してフ
ォトダイオード２の端子電圧を低いレベルにクランプ
し、スイッチング素子FT1がオンとなった瞬間にすぐに
電荷蓄積動作に移行させることができる。
トG2に情報蓄積信号DTを反転した信号▲▼を加え
て、光電流ISHを外部に流しブルーミングを防止する一
方、トランジスタFT6のゲートG6に電圧VGを印加してフ
ォトダイオード２の端子電圧を低いレベルにクランプ
し、スイッチング素子FT1がオンとなった瞬間にすぐに
電荷蓄積動作に移行させることができる。
上述の例では、トランジスタFT0はＮチャネルのエン
ハンスメント形MOSトランジスタであり、半導体基板す
なわちチャネル領域にはｐ型の不純物が所定の濃度でド
ープされているので、MOS閾値電圧VTHが存在する。とこ
ろで、チャネル領域の不純物濃度を変えることによりMO
S閾値電圧VTHの大きさを制御することができる。例えば
不純物濃度を低くするとMOS閾値電圧VTHは小さくなるの
で、これによって（４）式からゲートG0の電圧VGをさら
に低くして容量素子５の端子電圧値V0の動作範囲を広く
することができる。例えばチャネル領域に不純物がドー
プされていない状態（ノンエンハンスメント形）にする
と、端子電圧値V0の動作範囲を最も大きくすることがで
きて、実用上の使用範囲全てにわたって飽和状態で安定
してドレイン電流を流すことができる。
ハンスメント形MOSトランジスタであり、半導体基板す
なわちチャネル領域にはｐ型の不純物が所定の濃度でド
ープされているので、MOS閾値電圧VTHが存在する。とこ
ろで、チャネル領域の不純物濃度を変えることによりMO
S閾値電圧VTHの大きさを制御することができる。例えば
不純物濃度を低くするとMOS閾値電圧VTHは小さくなるの
で、これによって（４）式からゲートG0の電圧VGをさら
に低くして容量素子５の端子電圧値V0の動作範囲を広く
することができる。例えばチャネル領域に不純物がドー
プされていない状態（ノンエンハンスメント形）にする
と、端子電圧値V0の動作範囲を最も大きくすることがで
きて、実用上の使用範囲全てにわたって飽和状態で安定
してドレイン電流を流すことができる。
また上述の例では、フォトダイオード２の面積を大き
くしても、歪みのない高感度な特性を得ることが可能と
なるが、フォトダイオードの面積が大きくなるに伴ない
暗電流が増大し、S/N比を低下させることになる。従っ
て、フォトダイオードの面積を差程大きくすることはで
きず、（６）式からわかるように、容量素子５の容量C1
を小さくすることにより高感度でかつS/N比の良い特性
を得るようにする必要がある。
くしても、歪みのない高感度な特性を得ることが可能と
なるが、フォトダイオードの面積が大きくなるに伴ない
暗電流が増大し、S/N比を低下させることになる。従っ
て、フォトダイオードの面積を差程大きくすることはで
きず、（６）式からわかるように、容量素子５の容量C1
を小さくすることにより高感度でかつS/N比の良い特性
を得るようにする必要がある。
しかしながら、容量素子５の容量を小さくするに伴な
い、回路系の寄生容量が問題となる。特に第１図に示す
検出セル１では、第２図に示したように、スイッチング
素子FT1,トランジスタFT0のゲートG1，G0とドレイン
D1，D0，ソースS1，S0との間の寄生容量を防止すること
はできるものの、互いに共通のドレインD0，ソースS1と
ｐ型半導体基板10との間の接合容量が問題となる。
い、回路系の寄生容量が問題となる。特に第１図に示す
検出セル１では、第２図に示したように、スイッチング
素子FT1,トランジスタFT0のゲートG1，G0とドレイン
D1，D0，ソースS1，S0との間の寄生容量を防止すること
はできるものの、互いに共通のドレインD0，ソースS1と
ｐ型半導体基板10との間の接合容量が問題となる。
第４図は、このような接合容量に基づく寄生容量を防
止するためのスイッチング素子FT1とトランジスタFT0と
の接続状態を示す図である。第４図においてトランジス
タFT1のゲートG1とトランジスタFT0のゲートG0とは２層
の多結晶シリコン層11,12によって一部が互いに重なり
合っている。
止するためのスイッチング素子FT1とトランジスタFT0と
の接続状態を示す図である。第４図においてトランジス
タFT1のゲートG1とトランジスタFT0のゲートG0とは２層
の多結晶シリコン層11,12によって一部が互いに重なり
合っている。
このような構造にすることによって、接合容量に基づ
く寄生容量を防止し、容量素子５の容量C1に対する寄生
容量の影響を少なくすることができる。
く寄生容量を防止し、容量素子５の容量C1に対する寄生
容量の影響を少なくすることができる。
また、第１図に示す構造の検出セル１では、スイッチ
ング素子FT1のゲートG1に加わる情報蓄積信号DTのオン
・オフによってスイッチングノイズの発生する恐れがあ
る。スイッチングノイズを生じさせないようにするため
には、第１図および第２図においてスイッチング素子FT
1とトランジスタFT0との接続を入れかえれば良い。すな
わち、フォトダイオード２にスイッチング素子FT1のソ
ースS1を接続し、容量素子５にトランジスタFT0のドレ
インD0を接続し、スイッチング素子FT1のドレインD1と
トランジスタFT0のソースS0とを接続すれば良い。この
ように接続すると、スイッチング素子FT1の動作電圧は
トランジスタFT0のゲート電圧VG以下となるため、スイ
ッチング素子FT1のゲートG1に加わる情報蓄積信号DTの
振幅レベルを小さくすることができて、これによりスイ
ッチングノイズを低減することができる。
ング素子FT1のゲートG1に加わる情報蓄積信号DTのオン
・オフによってスイッチングノイズの発生する恐れがあ
る。スイッチングノイズを生じさせないようにするため
には、第１図および第２図においてスイッチング素子FT
1とトランジスタFT0との接続を入れかえれば良い。すな
わち、フォトダイオード２にスイッチング素子FT1のソ
ースS1を接続し、容量素子５にトランジスタFT0のドレ
インD0を接続し、スイッチング素子FT1のドレインD1と
トランジスタFT0のソースS0とを接続すれば良い。この
ように接続すると、スイッチング素子FT1の動作電圧は
トランジスタFT0のゲート電圧VG以下となるため、スイ
ッチング素子FT1のゲートG1に加わる情報蓄積信号DTの
振幅レベルを小さくすることができて、これによりスイ
ッチングノイズを低減することができる。
さらにスイッチング素子FT3のスイッチングノイズに
対しては、スイッチング素子FT3にダミートランジスタ
（図示せず）を接続することによって、結合容量を見か
け上小さくし、スイッチング素子FT3のスイッチングノ
イズを低減することができる。
対しては、スイッチング素子FT3にダミートランジスタ
（図示せず）を接続することによって、結合容量を見か
け上小さくし、スイッチング素子FT3のスイッチングノ
イズを低減することができる。
このように上述した実施例によれば、歪みのない高感
度な光電変換特性を有することができると同時に、S/N
比の良好な固体撮像素子の検出セルを得ることができ
る。
度な光電変換特性を有することができると同時に、S/N
比の良好な固体撮像素子の検出セルを得ることができ
る。
以上に説明したように、本発明によれば、容量素子の
端子電圧値に対するフォトダイオードの接合容量の影響
を遮断しフォトダイオードに実質的な印加電圧を与える
トランジスタを再度読出可能な構造の検出セルにさらに
設けているので、歪みのない高感度な光電変換特性をも
つ再度読出し可能な固体撮像素子を得ることができる。
端子電圧値に対するフォトダイオードの接合容量の影響
を遮断しフォトダイオードに実質的な印加電圧を与える
トランジスタを再度読出可能な構造の検出セルにさらに
設けているので、歪みのない高感度な光電変換特性をも
つ再度読出し可能な固体撮像素子を得ることができる。
第１図は本発明に係る固体撮像素子の検出セルの実施例
の構成図、第２図は第１図に示す検出セルのスイッチン
グ素子FT1とトランジスタFT0との接続状態を説明するた
めの図、第３図は一般的なMOSトランジスタの特性を示
す図、第４図は第２図に示すスイッチング素子FT1とト
ランジスタFT0との接続状態の変型例を示す図、第５図
は従来の固体撮像素子の検出セルの構成図、第６図は受
光量に対する端子電圧値の変化を示す図である。 １……検出セル、２……フォトダイオード、５……容量
素子、10……ｐ型半導体基板、11,12……多結晶シリコ
ン、FT0,FT6……トランジスタ、FT1,FT2,FT3,FT5……ス
イッチング素子、F4……電流増幅回路、VD……接合容
量、C1……容量、DT……情報蓄積信号、VG……ゲート電
圧、V0……端子電圧値、Vref……基準電位、S0，S1……
ソース、G0，G1，G6……ゲート、D0，D1……ドレイン
の構成図、第２図は第１図に示す検出セルのスイッチン
グ素子FT1とトランジスタFT0との接続状態を説明するた
めの図、第３図は一般的なMOSトランジスタの特性を示
す図、第４図は第２図に示すスイッチング素子FT1とト
ランジスタFT0との接続状態の変型例を示す図、第５図
は従来の固体撮像素子の検出セルの構成図、第６図は受
光量に対する端子電圧値の変化を示す図である。 １……検出セル、２……フォトダイオード、５……容量
素子、10……ｐ型半導体基板、11,12……多結晶シリコ
ン、FT0,FT6……トランジスタ、FT1,FT2,FT3,FT5……ス
イッチング素子、F4……電流増幅回路、VD……接合容
量、C1……容量、DT……情報蓄積信号、VG……ゲート電
圧、V0……端子電圧値、Vref……基準電位、S0，S1……
ソース、G0，G1，G6……ゲート、D0，D1……ドレイン
Claims (1)
- 【請求項１】光が入射するフォトダイオードと、容量素
子と、フォトダイオードと容量素子とを情報蓄積期間中
導通状態にするスイッチング素子と、前記フォトダイオ
ードとスイッチング素子との間に設けられたトランジス
タと、容量素子の端子電圧値を画素情報として出力させ
る電流増幅回路とを有する検出セルを備えており、前記
トランジスタは、これがＮチャネルの電界効果型トラン
ジスタである場合に、該トランジスタのドレインには、
スイッチング素子がオンのときに容量素子の端子電圧値
が印加され、また、該トランジスタは、ドレイン電圧が
実質的なゲート電圧よりも小さいときには、出力特性は
線形となる一方、ドレイン電圧が実質的なゲート電圧よ
りも大きいときには、出力特性が飽和するようになって
いることを特徴とする固体撮像素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62089606A JP2577559B2 (ja) | 1987-04-12 | 1987-04-12 | 固体撮像素子 |
| US07/135,382 US4839735A (en) | 1986-12-22 | 1987-12-21 | Solid state image sensor having variable charge accumulation time period |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62089606A JP2577559B2 (ja) | 1987-04-12 | 1987-04-12 | 固体撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63254765A JPS63254765A (ja) | 1988-10-21 |
| JP2577559B2 true JP2577559B2 (ja) | 1997-02-05 |
Family
ID=13975409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62089606A Expired - Lifetime JP2577559B2 (ja) | 1986-12-22 | 1987-04-12 | 固体撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2577559B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5986297A (en) * | 1996-05-22 | 1999-11-16 | Eastman Kodak Company | Color active pixel sensor with electronic shuttering, anti-blooming and low cross-talk |
| JP4268492B2 (ja) | 2003-10-02 | 2009-05-27 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置 |
| JP4491323B2 (ja) * | 2004-10-22 | 2010-06-30 | 富士フイルム株式会社 | 光電変換膜積層型カラー固体撮像装置 |
| JP5183184B2 (ja) | 2007-12-13 | 2013-04-17 | 富士フイルム株式会社 | 撮像装置 |
-
1987
- 1987-04-12 JP JP62089606A patent/JP2577559B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63254765A (ja) | 1988-10-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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