JP2833729B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JP2833729B2 JP4196145A JP19614592A JP2833729B2 JP 2833729 B2 JP2833729 B2 JP 2833729B2 JP 4196145 A JP4196145 A JP 4196145A JP 19614592 A JP19614592 A JP 19614592A JP 2833729 B2 JP2833729 B2 JP 2833729B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置に係り、特
に光電変換された信号電荷を増幅して出力する増幅型の
光電変換素子を用いた固体撮像装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体撮像装置等において、光電変
換された信号電荷を増幅して出力する増幅型の光電変換
素子が検討されており、その一つに単位画素がバイポー
ラトランジスタと同様な構成を有し、制御電極領域とな
るベースに光照射により生成された電荷を蓄積し、主電
極領域となるエミッタから増幅された信号を出力する光
電変換素子（以下、バイポーラ型センサという）を用い
た固体撮像装置がある。
【０００３】図１０は、上記バイポーラ型センサを用い
た固体撮像装置の光電変換部及び信号読出部の回路構成
図である。
【０００４】図１０において、１はバイポーラ型センサ
（等価的にバイポーラトランジスタ）、２はバイポーラ
型センサ１のベース電位を制御するための容量、３はバ
イポーラ型センサ１のベース電位をリセットするための
ｐＭＯＳトランジスタであり、バイポーラ型センサ１、
容量２、ｐＭＯＳトランジスタ３で１つの単位画素が構
成される。４は垂直出力線、５は水平駆動線、６は垂直
出力線４をリセットするためのＭＯＳトランジスタ、７
は画素からの出力信号を蓄積するための容量、８は画素
からの出力を容量７へ転送するためのＭＯＳトランジス
タ、９は水平出力線、１０は容量７の出力を水平出力線
９へ転送するためのＭＯＳトランジスタ、１１は垂直シ
フトレジスタに選択されて、駆動パルスを画素へ印加す
るためのバッファ用のＭＯＳトランジスタ、１２はセン
サ出力を出すプリアンプ、１３はＭＯＳトランジスタ６
のゲートにパルスを印加するための入力端子、１４はＭ
ＯＳトランジスタ８のゲートにパルスを印加するための
入力端子、１５は駆動パルスをＭＯＳトランジスタ１１
に印加するための入力端子、１６は出力端子である。
【０００５】図１１は、光電変換部及び信号読出部の動
作を説明するためのタイミングチャートである。
【０００６】図１１に示すように、入力端子１３に入力
されるパルスφVCをハイレベルに維持したまま、入力端
子１４に入力されるパルスφT をハイレベルとし、ＭＯ
Ｓトランジスタ８をＯＮ状態とすると、垂直出力線４は
ＭＯＳトランジスタ６を通してＧＮＤに固定されている
ため、容量７もＧＮＤにリセットされる。
【０００７】次に、パルスφVCをロウレベルとして、Ｍ
ＯＳトランジスタ６をＯＦＦ状態とし、垂直出力線４及
び容量７をフローティングとする。この状態で入力端子
１５に入力されるパルスφR をハイレベルにすると、容
量２を通してバイポーラ型センサ１のベース電位が持ち
上げられて、光キャリアが蓄積されたベース領域のベー
ス電位に対応した電位の信号がエミッタに出力される。
【０００８】次に、パルスφT をロウレベル、パルスφ
R をミドルレベル、パルスφVCをハイレベルとした後、
パルスφR をロウレベルとすると、ｐＭＯＳトランジス
タ３がＯＮ状態となり、バイポーラ型センサ１のベース
が接地される。パルスφR のレベルがロウレベルをへて
ハイレベルになると、バイポーラ型センサ１のベース−
エミッタ間が順バイアス状態となり、ベース電流によっ
てベース電位は下がってゆく。
【０００９】パルスφR のレベルがハイレベルからミド
ルレベルになると、容量２を通した容量カップリングに
よりベース電位は下がり、エミッタ−ベース間は逆バイ
アスになり、光キャリアの蓄積が開始される。
【００１０】以上説明したような信号の読み出し、リセ
ット、蓄積開始という一連の動作は選択されたライン毎
に順に行われる。
【００１１】このような固体撮像装置は、画素を構成す
るバイポーラ型センサのベースに蓄積した光キャリアを
増幅して読み出すことができるために、読み出し回路系
のノイズに影響されにくいという長所を有している。
【００１２】上述したバイポーラ型センサを用いた他の
構成の固体撮像装置として、スチルビデオ用等に用いる
ことができる、全画素が一度にリセットされるタイプの
ものがある。
【００１３】図１２は上記バイポーラ型センサを用いた
固体撮像装置の光電変換部及び信号読出部の回路構成図
である。なお、図１０の固体撮像装置と同一構成部材に
ついては同一符号を付して説明を省略し、構成の異なる
構成部材のみ説明するものとする。
【００１４】図１２において、５０は水平出力線９をリ
セットするためのＭＯＳトランジスタ、３３は画素Ｓ
（バイポーラ型センサ１、容量ＣOX２、ＰＭＯＳトラン
ジスタ３から成る）のクランプ動作を行うために、ＰＭ
ＯＳトランジスタのソース電位を設定するエミッタフォ
ロワ回路、３４はエミッタフォロワ回路３３のベース電
位を設定するためのＰＭＯＳトランジスタ、３５はＰＭ
ＯＳトランジスタ３４のゲートにパルスを印加するため
の端子である。
【００１５】以下、上記固体撮像装置の動作について説
明する。
【００１６】最初に、端子３５にＬｏｗレベルのパルス
を加えてＰＭＯＳトランジスタ３４をＯＮ状態とし、エ
ミッタフォロワ回路３３の出力を正電位にする。このエ
ミッタフォロワ回路３３の出力は画素ＳのＰＭＯＳトラ
ンジスタ３のソースに接続しており、ソース電位がゲー
ト電位に比べて、ＰＭＯＳトランジスタ３を十分ＯＮ状
態にするほど高くなれば、ＰＭＯＳトランジスタ３を通
して、画素のバイポーラ型センサ１のベースにホールが
注入される。次に端子３５にＨｉｇｈレベルのパルスを
加えて、ＰＭＯＳトランジスタ３４をＯＦＦ状態とし、
エミッタフォロワ回路３３の出力をＧＮＤとする。この
時、端子１３にＨｉｇｈレベルのパルスを加えてＭＯＳ
トランジスタ６をＯＮ状態とし、垂直出力線４をＧＮＤ
とする（ここまでを第１リセットと呼ぶ）。
【００１７】次に、この状態のまま、垂直シフトレジス
タを駆動し、また端子１５に画素のリセットパルスを印
加することで、各行毎に順次画素のリセットを行い、す
べての画素のバイポーラ型センサ１のベースを一定電
位、かつ逆バイアスにする（ここまでを第２リセットと
呼ぶ）。
【００１８】次に、光キャリアの蓄積動作を行った後、
端子１３にＬｏｗレベルのパルスを加えて、ＭＯＳトラ
ンジスタ６をＯＦＦ状態にし、垂直シフトレジスタの出
力によって選択された行毎に、読み出しパルスを端子１
５から印加し、ＭＯＳトランジスタ８を通して、蓄積容
量７に信号出力を蓄積する。蓄積容量７に蓄積された信
号出力は、水平シフトレジスタによって選択された転送
用のＭＯＳトランジスタ１０を通して水平出力線９に転
送され、プリアンプ１２を通して出力端子１６から出力
される。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】以下、本発明に係る第
１の課題について説明する。
【００２０】上述した固体撮像装置では、垂直シフトレ
ジスタにより水平ライン毎に順次読み出し、リセット、
電荷蓄積の各動作が行われるため、リセット動作、読み
出し動作に時間を要すると、垂直シフトレジスタによる
走査も遅くなり、一の水平ラインの電荷蓄積の開始，終
了時間と、次の水平ラインの電荷蓄積の開始，終了時間
とのずれが大きくなる。ここで、読み出し動作において
は、信号を蓄積容量７に転送し、プリアンプ１２を通し
て読み出す動作に一定時間を要し、従って垂直シフトレ
ジスタによる走査にも一定時間を要することとなってい
た。
【００２１】このため約１フィールド期間だけ点灯する
ような光を検知し、その時のフィールド画像情報を得る
というような場合、各ラインの蓄積期間と光の点灯期間
との重なり期間が各ラインで異なってしまうため、点灯
光のセンサへの入射強度がどのラインでも仮に同じであ
っても、ライン毎に点灯光の信号電荷量が異なってくる
という課題が生じていた。
【００２２】次に、本発明に係る第２の課題について説
明する。
【００２３】また、上述した従来の固体撮像装置は、逆
バイアス蓄積動作をするため、２次元センサを測光用と
して使う時にしばしば要求される、どのくらいの最大光
量がセンサのどの位置に当たっているかという情報を信
号蓄積時に得るという機能を持たないという課題があっ
た。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明第１の固体撮像装
置は、上記第１の課題を解決するものであり、光エネル
ギーを受けることにより生成される電荷を蓄積し、該電
荷を増幅して垂直出力線に出力する光電変換画素を複数
行配列した光電変換部を有する固体撮像装置において、
前記光電変換部からの信号を蓄積するアンプを含む信号
蓄積セルを配列した信号蓄積部と、前記光電変換部から
の信号を前記垂直出力線を介して前記信号蓄積部に転送
する転送手段と、前記信号蓄積セルの信号を前記アンプ
を介して水平出力線に読み出す読出手段と、を有し、前
記信号蓄積セルは、少なくとも前記光電変換部内の光電
変換画素数と同じ数を有することを特徴とする。
【００２５】本発明第２の固体撮像装置は、光エネルギ
ーを受けることにより生成される電荷を蓄積し、該電荷
を増幅して出力する光電変換画素を複数個配列してな
り、トランジスタを有する信号蓄積セルを配列した信号
蓄積部と、前記光電変換画素の信号を、前記信号蓄積セ
ルの制御電極領域に制御電圧として転送する転送手段
と、前記信号蓄積セルのトランジスタの第一の主電極領
域から信号を出力する読み出し手段と、を備えた固体撮
像装置であって、 前記転送手段は、前記光電変換画素の
信号を低インピーダンスで電圧値として前記トランジス
タの第一の主電極領域に出力する手段と、前記トランジ
スタの制御電極領域を第一の主電極領域よりも電位の高
いフローティング状態にする手段とを備え、流れる制御
電極領域電流によって、制御電極領域の電位を第一の主
電極領域の電位より一定電圧分だけ高い電位に規定する
ことで、前記信号蓄積セルの制御電極領域に信号を転送
するものである。
【００２６】本発明第３の固体撮像装置は、上記第２の
課題を解決するものであり、第一導電型の半導体からな
る制御電極領域、及び前記第一導電型とは異なる第二導
電型 の半導体からなる第一及び第二の主電極領域を有
し、光エネルギーを受けることにより生成される電荷を
前記制御電極領域に蓄積可能なトランジスタと、前記制
御電極領域と容量結合された電極と、を有する２次元マ
トリックス状に配置された画素を備えるとともに、該電
極の電位を制御することで、前記制御電極領域の電位を
前記第一の主電極領域に対して順方向にバイアスし、蓄
積された電荷に応じた信号を前記第一の主電極領域から
出力する読み出し手段を備えた固体撮像装置において、
前記制御電極領域に電荷を蓄積している期間に、蓄積さ
れた電荷に応じた信号が前記第一の主電極領域から出力
されるように、前記電極の電位を設定する電位設定手段
と、該期間に前記第一の主電極領域から出力された出力
を検知する第１の検知手段と、前記電極の電位を検知す
る第２の検知手段と、を設け、一方向に配列された画素
の第一の主電極領域を列毎に共通接続して前記第１の検
知手段に接続し、他の一方向に配列された画素の容量結
合された電極を行毎に共通接続して前記第２の検知手段
に接続し、共通接続された電極の電位を所定の電位とし
た後に該電極を浮遊状態とし、前記制御電極領域に電荷
を蓄積している期間に、蓄積された電荷に応じた信号を
前記第一の主電極領域から出力して前記第１の検知手段
で検知するとともに、電荷蓄積に伴い容量を介して変動
する電極電位を前記第２の検知手段で検知したものであ
る。
【００２７】本発明第４の固体撮像装置は、上記第２の
課題を解決するものであり、第一導電型の半導体からな
る制御電極領域、及び前記第一導電型とは異なる第二導
電型の半導体からなる第一及び第二の主電極領域を有
し、光エネルギーを受けることにより生成される電荷を
前記制御電極領域に蓄積可能なトランジスタと、前記制
御電極領域と容量結合された電極と、を有する画素を備
えるとともに、該電極の電位を制御することで、前記制
御電極領域の電位を前記第一の主電極領域に対して順方
向にバイアスし、蓄積された電荷に応じた信号を前記第
一の主電極領域から出力する読み出し手段を備えた固体
撮像装置において、前記電極の電位を検知する検知手段
を設け、前記制御電極領域に電荷を蓄積している期間に
前記電極を浮遊状態とし、電荷蓄積に伴い容量を介して
変動する電極電位を該検知手段で検知したことを特徴と
する。
【００２８】本発明第５の固体撮像装置は、上記第２の
課題を解決するものであり、第一導電型の半導体からな
る制御電極領域、及び前記第一導電型とは異なる第二導
電型の半導体からなる第一、第二、第三の主電極領域を
有し、光エネルギーを受けることにより生成される電荷
を前記制御電極領域に蓄積し、第一及び第二の主電極領
域から蓄積された電荷に応じた信号を出力するトランジ
スタを備えた画素を２次元マトリックス状に配置し、各
列に画素の第一の主電極領域と接続する第一の出力線、
及び各行に画素の第二の主電極領域と接続する第二の出
力線を設けるとともに、各列の第１の出力線の出力を検
知する第１の検知手段と、各行の第２の出力線の出力を
検知する第２の検知手段とを設け、光信号蓄積中に蓄積
電荷量に応じた第１及び第２の出力線の出力を第１及び
第２の検出手段によって検知することを特徴とする。
【００２９】
【作用】本発明第１および第２の固体撮像装置は、光電
変換部とは別領域に、トランジスタを光電変換部のセル
数分だけ信号蓄積部として設け、この信号蓄積部セルの
制御電極領域に光電変換部セルの信号を移して蓄積し、
保持、又、読み出しができるようにしたものである。こ
のような構成によれば、信号を蓄積容量に転送し、プリ
アンプを通してような読み出す動作は、光電変換部の動
作とは独立して行うことができる。
【００３０】本発明第４の固体撮像装置は、制御電極領
域に電荷を蓄積している期間に、制御電極領域と容量結
合された電極を浮遊状態として、該制御電極領域の電荷
蓄積に伴い容量を介して変動する電極電位を検知手段で
検知することで、画素が受けている光量を検出すること
ができるようにしたものである。
【００３１】本発明の参考例の固体撮像装置は、蓄積動
作前に制御電極領域と容量結合された電極をある一定電
位に設定して画素のトランジスタの制御電極領域の電位
を上げておき、蓄積動作時には画素の第一の主電極領域
をフローティングとし、強い光が照射された画素の第一
の主電極領域から流れる電流を検知することにより、蓄
積動作の最中に、最大照射光の強度、及びその位置を検
出することができるようにしたものである。
【００３２】なお、本発明の参考例の固体撮像装置は、
画素の出力側から光量を検知するのに対し、本発明第４
の固体撮像装置は、画素の制御電極領域の電位を制御す
る電極側（制御信号入力側）から光量を検知するもので
あり、両発明を２次元マトリックス上に配設された画素
を有する固体撮像装置に適用し、一方向に配列された画
素の第一の主電極領域を列毎に共通接続して本発明の参
考例の固体撮像装置に係る検知手段に接続し、他の一方
向に配列された画素の容量結合された電極を行毎に共通
接続して本発明第４の固体撮像装置に係る検知手段に接
続すれば、２次元マトリックス上に配設された画素の中
で、最大の光量を受けている画素の座標位置を知ること
ができる。この構成が本発明第３の固体撮像装置であ
る。
【００３３】本発明第５の固体撮像装置は、蓄積された
電荷に応じた信号を読み出す主電極領域を二つ設け、各
列に画素の第一の主電極領域と接続する第一の出力線、
及び各行に画素の第二の主電極領域と接続する第二の出
力線を設け、各列の第１の出力線の出力を検知する第１
の検知手段と、各行の第２の出力線の出力を検知する第
２の検知手段とを設け、光信号蓄積中に蓄積電荷量に応
じた第１及び第２の出力線の出力を第１及び第２の検出
手段によって検知することで、２次元マトリックス上に
配設された画素の中で、最大の光量を受けている画素の
座標位置を知るようにしたものである。
【００３４】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【００３５】まず、本発明第１及び第２の固体撮像装置
について説明する。
【００３６】なお、本発明第１及び第２の固体撮像装置
に用いる光電変換素子は増幅型の光電変換素子であれば
よく、特にバイポーラ型センサに限定されるものではな
い。 〔実施例１〕 図１は本発明第１及び第２の固体撮像装置の第１実施例
の光電変換部及び信号読出部の回路構成図である。な
お、本実施例では簡易化のため４画素分のみ示したが、
かかる画素数に限定されないことは勿論である。図１０
の固体撮像装置と同一構成部材については同一符号を付
して説明を省略する。
【００３７】同図において、２１，２２，２３はそれぞ
れバイポーラトランジスタ、容量、ｐＭＯＳトランジス
タで、バイポーラ型センサ１，容量２，ｐＭＯＳトラン
ジスタ３と同じ構成で１つのセルが形成される。２４
は、バイポーラトランジスタ２１のエミッタに接続する
垂直出力線、２５はバイポーラトランジスタ２１のベー
ス電位を容量２２を介して制御するための水平駆動線、
１７は垂直シフトレジスタに選択されて駆動パルスをセ
ルへ印加するためのバッファ用のＭＯＳトランジスタ、
１８は駆動パルスφW をＭＯＳトランジスタ１７に印加
するための入力端子、２６は垂直出力線４の電位を制御
するためのＭＯＳトランジスタ、２７はＭＯＳトランジ
スタ２６のゲートにパルスを印加するための入力端子、
２８はＭＯＳトランジスタ２６のソースに、ＧＮＤより
も高い正レベルの電位を供給するための電源端子、２９
はそのベースが垂直出力線４と接続し、そのエミッタが
垂直出力線２４と接続するバイポーラトランジスタ、３
１はソースがＧＮＤと接続し、ドレインが垂直出力線２
４と接続するＭＯＳトランジスタ、３２はＭＯＳトラン
ジスタ３１のゲートにパルスを印加するための端子、３
３はエミッタフォロワ回路で、そのエミッタ出力は光電
変換セル、蓄積セルにおいて左右に設けられているｐＭ
ＯＳトランジスタ３，２３のドレインと共通に接続され
る。３４は、そのソースがエミッタフォロワ回路３３の
ベースに接続するｐＭＯＳトランジスタ、３５はｐＭＯ
Ｓトランジスタ３４のゲートにパルスを印加するための
端子、３６はｐＭＯＳトランジスタ３４を通してエミッ
タフォロワ回路３３のベースに正電位を供給するための
電源端子である。
【００３８】図２は図１に示した固体撮像装置の動作を
行なうために各パルス端子に供給されるパルスタイミン
グチャートを示す。まず端子３５に印加するパルスがＬ
ｏｗレベルとなってエミッタフォロワ回路３３のベース
が電源端子３６の正電位に固定されることにより、画素
を構成するｐＭＯＳトランジスタの周辺ソース部が正電
位となる。これより、ｐＭＯＳトランジスタ３，２３の
すべてが導通状態となり、バイポーラ型センサ１，バイ
ポーラトランジスタ２１のすべてのベースがエミッタフ
ォロワ回路３３の出力と同じ正電位となる。次に端子１
３，３２に印加されるパルスがＨｉｇｈレベルとなるこ
とで、垂直出力線４，２４に接続するすべてのエミッタ
電位が接地され、バイポーラ型センサ１，バイポーラト
ランジスタ２１のベース電位はＶBE程度、つまり約０．
６Ｖ程度にまで下げられる。ここまでをクランプ動作と
呼ぶ。
【００３９】次に、端子２７に印加されるパルスをＨｉ
ｇｈレベルとして垂直出力線４を電源端子２８の電源電
位に固定し、この状態で端子１５に印加するパルスをＨ
ｉｇｈレベルとし、垂直シフトレジスタＩで選択された
水平駆動線５がＨｉｇｈレベルになると、容量２の容量
カップリングによって選択されたラインのバイポーラ型
センサ１のベース電位は正方向に押し上げられるがエミ
ッタ電位は電源端子２８の電源電位に固定されているの
で、流れるベース電流によりベース電位はある一定レベ
ルにまで下がってゆく。端子１５に印加するパルスがＬ
ｏｗレベルになると容量２を通した容量カップリングに
よりベース電位は、エミッタ電位よりも下がり、光キャ
リアの蓄積が開始される。ここまでをリセット動作と呼
ぶが、このリセット動作は、垂直シフトレジスタＩによ
って順次選択された行で行われる。
【００４０】リセット動作が終了した時点で蓄積動作が
始まり、バイポーラ型センサ１のベースに信号が蓄積さ
れるが、この後、バイポーラ型センサ１のベース電位を
バイポーラトランジスタ２１のベース電位に書き込むと
いう本発明の特徴をなす転送動作が次のようにして行わ
れる。まず垂直出力線４を、ＭＯＳトランジスタ２６を
通して電源端子２８の電源電位とした後、垂直出力線４
をフローティングとする。この状態で端子１５，１８，
３２に印加するパルスをＨｉｇｈレベルとすると、垂直
出力線４にはセンサセルの信号が読み出され、したがっ
てバイポーラトランジスタ２９とＭＯＳトランジスタ３
１とで成るエミッタフォロワ回路の出力線である垂直出
力線２４はバイポーラ型センサ１の出力電位に対応した
電位となる。上記エミッタフォロワ回路の出力インピー
ダンスは小さいので、端子１８に印加するパルスがＨｉ
ｇｈレベルとなることでバイポーラトランジスタ２１の
ベース電位が押し上げられるとベース電流が流れてバイ
ポーラトランジスタ２１のリセット動作が行なわれる
が、リセット終了時のベース電位は垂直出力線２４の電
位にある一定電位（バイポーラ型センサの出力電圧に対
応する）を加えたレベルとなる。以上より、垂直シフト
レジスタＩで選択された行の光電変換セルの信号電位は
垂直シフトレジスタＩＩで選択された行の蓄積セルのベ
ース電位として転送されることになる。この転送動作
が、順次各行について行われた後、蓄積セルの読み出し
動作が行われる。端子２７はＨｉｇｈレベルとしてお
き、バイポーラトランジスタ２９のベース電位を電源端
子２８の電源電位に固定しておく。端子３２にパルスを
加えて垂直出力線２４を一定電位とした後でフローティ
ングとし、端子１８をＨｉｇｈレベルとして垂直シフト
レジスタＩＩで、選択された行のバイポーラトランジス
タ２１のベース電位を容量２２を通した容量カップリン
グで持ち上げてバイポーラトランジスタ２１のエミッタ
−ベース間を順バイアスとし、バイポーラトランジスタ
２１のベース電位に応じた電位が垂直出力線２４に出力
される。この読み出された出力は水平シフトレジスタを
スキャンして転送ＭＯＳトランジスタ１０を順次ＯＮに
していくことにより、水平出力線９を通してプリアンプ
１２から出力される。 〔実施例２〕 図３は本発明第１及び第２の固体撮像装置の第２実施例
の一部の光電変換部及び信号読出部の回路構成図であ
る。なお、図１の固体撮像装置と同一構成部材について
は同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】同図において、３７は信号蓄積部のｐＭＯ
Ｓトランジスタ２３のソース電位を与えるエミッタフォ
ロワ回路、３８はエミッタフォロワ回路３７のベースに
接続するｐＭＯＳトランジスタ、３９はｐＭＯＳトラン
ジスタ３８のゲートにパルスを印加するための端子、４
０−１は信号蓄積部のセルの出力を保持するための容
量、４０−２は受光部のセルの出力を保持するための容
量、４１−１はバイポーラトランジスタ２１の出力を垂
直出力線２４から容量４０−１へ転送するためのＭＯＳ
トランジスタ、４１−２はバイポーラ型センサ１の出力
を垂直出力線２４から容量４０−２へ転送するためのＭ
ＯＳトランジスタ、１０−１，１０−２はそれぞれ容量
４０−１，４０−２の電位を、水平出力線９に転送する
ためのＭＯＳトランジスタである。
【００４２】図４は、図３で示した固体撮像装置の動作
順序を示す図である。
【００４３】図２で示した第１の実施例と比べると、ク
ランプ、リセット、蓄積、転送までの動作は同じであ
る。クランプ動作を行うためのエミッタフォロワ回路
は、受光部用、信号蓄積部用とで別々であるため、最初
のクランプではＭＯＳトランジスタ３４，３８が同時に
ＯＮするようになる。転送動作が終了した後は、受光部
にだけクランプ及びリセット動作を施す。読み出し動作
に関して、信号蓄積部セルの読み出しは図２のように行
なって出力電圧をＭＯＳトランジスタ４１−１を通して
容量４０−１に蓄積する。続いて、読み出しを行なった
信号蓄積部セルに対応した受光部セルの読み出しを、受
光部セルがリセットされた状態で行い、垂直出力線４の
出力電位を受けたバイポーラトランジスタ２９の出力を
ＭＯＳトランジスタ４１−２を通して容量４０−２に蓄
積する。次に水平シフトレジスタにより、容量４０−
２、容量４０−１の電位が、水平出力線９を通してプリ
アンプ１２から出力されるが、リセットされた受光部セ
ルの出力は信号蓄積部セルへの信号転送時のオフセット
出力であるから、容量４０−１の出力から容量４０−２
の出力を差し引いたものが受光部のバイポーラ型センサ
１、及びバイポーラトランジスタ２９のオフセットバラ
ツキのない、すなわちＳ／Ｎ比のよい信号電圧となる。 〔実施例３〕 図５は本発明第１及び第２の固体撮像装置の第３実施例
を示す動作タイミング図である。 第３実施例におい
て、用いるセンサ系は第２の実施例と同じであるが、動
作においては、最後の読み出し動作の前に受光部セルの
光信号蓄積動作が入る。初めの光信号蓄積動作時にはＬ
ＥＤ等の照明がＯＮするが、後の光信号蓄積動作ではＬ
ＥＤはＯＦＦしているので、読み出し動作後の差し引き
出力は受光部のバイポーラ型センサのオフセットばらつ
きだけでなく背景被写体の出力をも差し引かれたＬＥＤ
の反射光像だけからなる出力が得られる。
【００４４】なお、受光部となるセルのバイポーラ型セ
ンサ１のベースは、光信号電荷に対して信号出力電圧を
大きくするにはベースにつく容量は小さいほうが高い感
度が得られる。しかるに、信号蓄積部のセルは信号電圧
が転送されるのであるから、ベースにつく容量は大きい
ほうがより多い信号電荷を蓄積することができる。これ
より、容量２よりも容量２２を大きくしたセンサ系がよ
りＳ／Ｎ比の高い性能を示すことになる。ただ容量２２
を大きくすると、バイポーラトランジスタ２１への信号
転送が遅くなるので、バイポーラ型センサ１のｈFEより
もバイポーラトランジスタ２１のｈFEを小さくした構成
にすると、本発明の実施例１，２，３において、さらに
高Ｓ／Ｎ比、高速転送のセンサが実現される。
【００４５】次に本発明第３〜第５の固体撮像装置につ
いて説明する。
【００４６】図６は本発明の固体撮像装置の参考例の光
電変換部及び信号読出部の回路構成図である。なお、本
参考例では簡易化のため９画素分のみ示したが、かかる
画素数に限定されないことは勿論である。図１２の固体
撮像装置と同一構成部材については同一符号を付して説
明を省略する。
【００４７】同図において、５１は水平駆動線５と接続
するスイッチ用ＭＯＳトランジスタ、５２はＭＯＳトラ
ンジスタ５１のソースに接続する電源端子、５３はＭＯ
Ｓトランジスタ５１のベースに接続する端子、５４は各
垂直出力線４の出力電位を検知する回路である。
【００４８】次に上記固体撮像装置の動作を説明する。
【００４９】なお、第２リセット終了まではＭＯＳトラ
ンジスタ５１はオフの状態であり、センサは図１２の固
体撮像装置を用いて説明した従来の動作を行う。第２リ
セット終了後、ＭＯＳトランジスタ６をオフにして垂直
出力線４をフローティング状態とし、次にＭＯＳトラン
ジスタ５１をオンにして、水平駆動線５の電位を電源端
子５２の電位にする。電源端子５２の電位は、画素を駆
動するために端子１５から供給されるパルスのＬｏｗレ
ベルよりも高い値に設定されており、画素Ｓのベース電
位は第２リセット終了時の電位から上がることになる。
電源端子５２の電位を十分高くして画素Ｓのベース−エ
ミッタ間を順バイアスにしてもよいが、電源端子５２の
電位は必要な検知レベルに適した値に設定する。
【００５０】この状態で光電荷を蓄積する動作に入る。
垂直出力線４の出力電位は垂直出力線４が接続する画素
のうち、もっとも強い光が照射されることでもっともベ
ース電位が上昇している画素から流れるエミッタ電流に
よって決まる。これより全画素のうち、もっとも強い光
が照射されている画素がどの列にあるかが、垂直出力線
４の電位を検知する検知回路５４から光信号蓄積中に知
ることができる。
【００５１】図７は、本発明第３及び第４の固体撮像装
置の一実施例の光電変換部及び信号読出部の回路構成図
である。なお、図６の固体撮像装置と同一構成部材につ
いては同一符号を付して説明を省略する。同図におい
て、５５は水平駆動線５の電位を検知する回路である。
【００５２】図７の固体撮像装置において、第２リセッ
トが終了した後、水平駆動線５を電源端子５２の電位ま
で上げるところまでは図６の固体撮像装置と同じであ
る。その後、ＭＯＳトランジスタ５１をオフして水平駆
動線５をフローティングとした状態で光信号の蓄積動作
を行う。光が照射された画素のベース電位が上昇する
と、容量２の容量結合を通して、水平駆動線５の電位も
上昇する。この水平駆動線５の電位上昇分は、水平駆動
線５の１水平行にある画素が受ける光量の合計に比例す
る。よって、本実施例では、図６の固体撮像装置と同様
に、検知回路５４からは最大光量を受けている画素が位
置する列を知ることができることに加えて、各水平行の
画素が受けている光量の合計は、どの水平行がもっとも
大きいか検知回路５５から知ることができる。特に暗い
背景においてスポット光があるような状況をセンサで受
ける場合には、最大の出力電位を示す水平駆動線５の水
平行上に最大光量を受ける画素が位置しているとしてよ
く、検知回路５４からの情報と合わせて、２次元センサ
の中で、最大の光量を受けている画素の座標位置を知る
ことができる。
【００５３】図８は、本発明第５の固体撮像装置の一実
施例の光電変換部及び信号読出部の回路構成図である。
なお、図７の固体撮像装置と同一構成部材については同
一符号を付して説明を省略する。
【００５４】同図において、５６は従来の画素のエミッ
タに加えて設けられたエミッタであり、５７は水平行の
画素のエミッタ５６に接続する水平線であり、この水平
線５７の電位は検知回路５５で検知される。５８は水平
線５７の電位を接地するためのＭＯＳトランジスタ、５
９はＭＯＳトランジスタ５８のゲートに接続するパルス
端子、６０は水平線５７の電位を正電位にするためのＭ
ＯＳトランジスタ、６１はＭＯＳトランジスタ６０のゲ
ートに接続するパルス端子、６２はＭＯＳトランジスタ
６０のソースに接続する電源端子である。
【００５５】画素の第１，第２リセット動作、及び蓄積
容量７への画素信号読み出し時においてはＭＯＳトラン
ジスタ５８をオフ、ＭＯＳトランジスタ６０をオンとし
て、水平線５７を電源端子６２の電位に設定する。電源
端子６２の電位は、画素のリセット動作、読み出し動作
中に、画素のベースとエミッタ５６とが逆バイアスを保
つような正電位に設定される。
【００５６】第２リセットが終了した時に、ＭＯＳトラ
ンジスタ６０をオフ、ＭＯＳトランジスタ５８をオンし
て水平線５７を一度接地し、その後、ＭＯＳトランジス
タ５８をオフして水平線５７をフローティングの状態と
する。この時に、垂直出力線４もフローティングの状態
にする。この後、ＭＯＳトランジスタ５１をオンとして
水平駆動線５を端子５２によって正電位とし、この状態
で蓄積動作にはいる。図７の固体撮像装置で説明したの
と同じように、２次元センサの中でもっとも強い光が照
射されている画素が、どの列にあるかということは検知
回路５４で、どの行にあるかということは検知回路５５
で知ることができる。
【００５７】図９は、本発明第５の固体撮像装置の他の
実施例の光電変換部及び信号読出部の回路構成図であ
る。なお、図８の固体撮像装置と同一構成部材について
は同一符号を付して説明を省略する。
【００５８】同図において、６３は垂直出力線４の電位
を制御するためのＭＯＳトランジスタ、６４はＭＯＳト
ランジスタ６３のゲートにパルスを印加するための端
子、６５はＭＯＳトランジスタ６３のソースに接続する
電源端子、６６は蓄積容量７の電位を設定するためのＭ
ＯＳトランジスタ、６７はＭＯＳトランジスタ６６のゲ
ートにパルスを印加するための端子、６８はＭＯＳトラ
ンジスタ６６のソースに接続する電源端子である。図８
の実施例にあるような画素の構成をとると、１つの単位
画素当り、２本の水平線、１本の垂直線と接続されるこ
とになる。これら配線の時定数を小さくするためには３
本ともアルミナムなどの金属配線とすることが望ましい
が、そうすると金属配線のコンタクト部などの影響によ
って、画素の表面の凹凸が大きくなったり、配線に遮蔽
されて、開口率が減ったりするという欠点を生ずる。こ
れを避けるためには、水平駆動線をポリシリコンなどで
形成し、水平線５７をアルミナムなどの金属で、水平駆
動線５の上に層間絶縁層を介して配線すればよい。とこ
ろがこのようにした時、ポリシリコンは配線抵抗が大き
くなるため、２次元センサの右端の画素と左端の画素と
で水平駆動線５からの駆動パルスを受けるタイミングが
時定数のためにずれてくるという問題が生ずる。この問
題を解決する手段を提供しているのが本実施例で、以下
にその動作について説明を行う。
【００５９】本実施例は、第２リセット及び読み出し動
作が図８の実施例と異なる。まず第２リセットでは、垂
直出力線４、ＭＯＳトランジスタ６３により、一旦電源
端子６５の正電位にされた後でフローティングとする。
水平線５７はＭＯＳトランジスタ６０と電源端子６２に
より正電位に固定されている。
【００６０】この状態で水平駆動線５の電位をＨｉｇｈ
レベルとする。この時ベース−エミッタ間は逆バイアス
であってベース電流は流れない。時定数の遅れが十分小
さくなる時間経った時に、ＭＯＳトランジスタ６をオン
として第２リセットをかけ、ＭＯＳトランジスタ６をオ
フした後で再びＭＯＳトランジスタ６３をオンにして、
垂直出力線４を正電位とした後で、水平駆動線５の電位
をＬｏｗレベルに戻す。
【００６１】次に読み出し動作時では、水平駆動線５が
Ｌｏｗレベルである時に、ＭＯＳトランジスタ６３を一
時的にＯＮして、垂直出力線４を正電位のフローティン
グ状態にする。水平線５７は、ＭＯＳトランジスタ６０
により正電位に固定されている。また蓄積容量７は、Ｍ
ＯＳトランジスタ６６と、負電位レベルを持つ電源端子
６８により、負電位のフローティング状態とする。この
状態で、水平駆動線５をＨｉｇｈレベルとし、時定数の
影響がなくなる程の時間が経った後で、端子１４にＨｉ
ｇｈレベルのパルスを加え、ＭＯＳトランジスタ８をオ
ンとする。この時、垂直出力線４の電位は、蓄積容量７
が負電位であるために下がり、読み出し行の画素からエ
ミッタ電流が流れ、蓄積容量７に画素からの信号出力が
蓄積される。ＭＯＳトランジスタ８をオフした時点で読
み出しが終わる。
【００６２】以上説明したような動作を行うことによ
り、従来の画素と比べて開口率等を落とさないような画
素構造を持って、図８の実施例で説明したような、蓄積
動作時におけるピーク出力画素の位置を知ることができ
る。
【００６３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明第１及び第
２の固体撮像装置によれば、光電変換画素部とは別の領
域にトランジスタで構成される信号蓄積部セルを配列
し、光電変換画素の信号が蓄積セルに、制御電極領域の
電圧として転送された後、順次信号蓄積部セルの第一の
主電極領域から信号を出力、読み出していくことによ
り、光電変換部の各画素の蓄積開始終了のタイミングを
同時、または蓄積時間に比べわずかなずれだけで行うこ
とができる。さらに、得たい信号を背景出力から分離し
て取り出す機能も持たせることができる。
【００６４】また本発明第４の固体撮像装置によれば、
制御電極領域に電荷を蓄積している期間に、制御電極領
域と容量結合された電極を浮遊状態として、該制御電極
領域の電荷蓄積に伴い容量を介して変動する電極電位を
検知手段で検知することで、画素が受けている光量を検
出することができる。
【００６５】また本発明第３の固体撮像装置によれば、
上記本発明第４の固体撮像撮像装置の効果に加えて、蓄
積動作時に水平駆動線の電位を上げて、画素の制御電極
領域の電位を上昇させ、光電荷蓄積の大きな画素から第
一の主電極領域電流を流させることにより、蓄積動作時
に、２次元センサの中でもっとも強い光が当たっている
画素の位置を知ることができる。このような機能は、対
象物体の位置検出、自動露光、オートフォーカス等の用
途に使った場合にそれらを高速に行うことができるとい
う効果をもたらす。
【００６６】すなわち、本発明第３の固体撮像装置は、
画素の出力側から光量を検知する参考例の発明と、画素
の制御電極領域の電位を制御する電極側（制御信号入力
側）から光量を検知する本発明第４の固体撮像装置の発
明とを２次元マトリックス上に配設された画素を有する
固体撮像装置に適用し、一方向に配列された画素の第一
の主電極領域を列毎に共通接続して参考例の検知手段に
接続し、他の一方向に配列された画素の容量結合された
電極を行毎に共通接続して本発明第４の固体撮像装置に
係る検知手段に接続すれば、２次元マトリックス上に配
設された画素の中で、最大の光量を受けている画素の座
標位置を知ることができる。
【００６７】また本発明第５の固体撮像装置によれば、
蓄積された電荷に応じた信号を読み出す主電極領域を二
つ設け、各列に画素の第一の主電極領域と接続する第一
の出力線、及び各行に画素の第二の主電極領域と接続す
る第二の出力線を設け、各列の第１の出力線の出力を検
知する第１の検知手段と、各行の第２の出力線の出力を
検知する第２の検知手段とを設け、光信号蓄積中に蓄積
電荷量に応じた第１及び第２の出力線の出力を第１及び
第２の検出手段によって検知することで、２次元マトリ
ックス上に配設された画素の中で、最大の光量を受けて
いる画素の座標位置を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１及び第２の固体撮像装置の第１実施
例の光電変換部及び信号読出部の回路構成図である。
【図２】図１に示した固体撮像装置の動作を行なうため
に各パルス端子に供給されるパルスタイミングチャート
である。
【図３】本発明第１及び第２の固体撮像装置の第２実施
例の一部の光電変換部及び信号読出部の回路構成図であ
る。
【図４】図３で示した固体撮像装置の動作順序を示す図
である。
【図５】本発明第１及び第２の固体撮像装置の第３実施
例の動作順序を示す図である。
【図６】本発明の固体撮像装置の参考例の光電変換部及
び信号読出部の回路構成図である。
【図７】本発明第３及び第４の固体撮像装置の一実施例
の光電変換部及び信号読出部の回路構成図である。
【図８】本発明第５の固体撮像装置の一実施例の光電変
換部及び信号読出部の回路構成図である。
【図９】本発明第５の固体撮像装置の他の実施例の光電
変換部及び信号読出部の回路構成図である。
【図１０】バイポーラ型センサを用いた固体撮像装置の
光電変換部及び信号読出部の回路構成図である。
【図１１】光電変換部及び信号読出部の動作を説明する
ためのタイミングチャートである。
【図１２】バイポーラ型センサを用いた固体撮像装置の
光電変換部及び信号読出部の回路構成図である。
【符号の説明】
１ バイポーラ型センサ ２ 容量 ３ ＰＭＯＳトランジスタ ４ 垂直出力線 ５ 水平駆動線 ６ ＭＯＳトランジスタ ７ 蓄積容量 ８ ＭＯＳトランジスタ ９ 水平出力線 １０ ＭＯＳトランジスタ １１ ＭＯＳトランジスタ １２ プリアンプ １３ 入力端子 １４ 入力端子 １５ 入力端子 １６ 出力端子 １７ ＭＯＳトランジスタ １８ 入力端子 ２１ バイポーラトランジスタ ２２ 容量 ２３ ｐＭＯＳトランジスタ ２４ 垂直出力線 ２５ 水平駆動線 ２６ ＭＯＳトランジスタ ２７ 入力端子 ２８ 電源端子 ２９ バイポーラトランジスタ ３１ ＭＯＳトランジスタ ３２ 入力端子 ３３ エミッタフォロワ回路 ３４ ｐＭＯＳトランジスタ ３５ 入力端子 ３６ 電源端子 ３７ エミッタフォロワ ３８ ｐＭＯＳトランジスタ ３９ 入力端子 １０−１，１０−２ ＭＯＳトランジスタ ４０−１，４０−２ 容量 ４１−１，４１−２ ＭＯＳトランジスタ ４２−１，４２−２ 入力端子 ５０ ＭＯＳトランジスタ ５１ ＭＯＳトランジスタ ５２ 電源端子 ５３ 入力端子 ５４ 出力検知回路 ５５ 出力検知回路 ５６ エミッタ ５７ 水平線 ５８ ＭＯＳトランジスタ ５９ 入力端子 ６０ ＭＯＳトランジスタ ６１ 入力端子 ６２ 電源端子 ６３ ＭＯＳトランジスタ ６４ 入力端子 ６５ 電源端子 ６６ ＭＯＳトランジスタ ６７ 入力端子 ６８ 電源端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/14 - 27/148 H01L 29/762 - 29/768 H04N 5/335

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光エネルギーを受けることにより生成さ
    れる電荷を蓄積し、該電荷を増幅して垂直出力線に出力
    する光電変換画素を複数行配列した光電変換部を有する
    固体撮像装置において、 前記光電変換部からの信号を蓄積するアンプを含む信号
    蓄積セルを配列した信号蓄積部と、 前記光電変換部からの信号を前記垂直出力線を介して前
    記信号蓄積部に転送する転送手段と、 前記信号蓄積セルの信号を前記アンプを介して水平出力
    線に読み出す読出手段と、 を有し、 前記信号蓄積セルは、少なくとも前記光電変換部内の光
    電変換画素数と同じ数を有することを特徴とする固体撮
    像装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
    て、前記アンプはトランジスタであり、前記信号蓄積セ
    ルの信号は該トランジスタの制御電極を介して前記水平
    出力線に読み出されることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
    て、さらに、前記信号蓄積セルからの第１の信号と前記
    光電変換部の光電変換画素からの第２の信号とを差分す
    る差分手段を有することを特徴とする固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 光エネルギーを受けることにより生成さ
    れる電荷を蓄積し、該電荷を増幅して出力する光電変換
    画素を複数個配列してなり、 トランジスタを有する信号蓄積セルを配列した信号蓄積
    部と、前記光電変換画素の信号を、前記信号蓄積セルの
    制御電極領域に制御電圧として転送する転送手段と、前
    記信号蓄積セルのトランジスタの第一の主電極領域から
    信号を出力する読み出し手段と、を備えた固体撮像装置
    であって、 前記転送手段は、前記光電変換画素の信号を低インピー
    ダンスで電圧値として前記トランジスタの第一の主電極
    領域に出力する手段と、前記トランジスタの制御電極領
    域を第一の主電極領域よりも電位の高いフローティング
    状態にする手段とを備え、流れる制御電極領域電流によ
    って、制御電極領域の電位を第一の主電極領域の電位よ
    り一定電圧分だけ高い電位に規定することで、前記信号
    蓄積セルの制御電極領域に信号を転送する固体撮像装
    置。
  5. 【請求項５】 第一導電型の半導体からなる制御電極領
    域、及び前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導体
    からなる第一及び第二の主電極領域を有し、光エネルギ
    ーを受けることにより生成される電荷を前記制御電極領
    域に蓄積可能なトランジスタと、 前記制御電極領域と容量結合された電極と、を有する２
    次元マトリックス状に配置された画素を備えるととも
    に、 該電極の電位を制御することで、前記制御電極領域の電
    位を前記第一の主電極領域に対して順方向にバイアス
    し、蓄積された電荷に応じた信号を前記第一の主電極領
    域から出力する読み出し手段を備えた固体撮像装置にお
    いて、 前記制御電極領域に電荷を蓄積している期間に、蓄積さ
    れた電荷に応じた信号が前記第一の主電極領域から出力
    されるように、前記電極の電位を設定する電位設定手段
    と、該期間に前記第一の主電極領域から出力された出力
    を検知する第１の検知手段と、 前記電極の電位を検知す
    る第２の検知手段と、を設け、 一方向に配列された画素の第一の主電極領域を列毎に共
    通接続して前記第１の検知手段に接続し、他の一方向に
    配列された画素の容量結合された電極を行毎に共通接続
    して前記第２の検知手段に接続し、 共通接続された電極の電位を所定の電位とした後に該電
    極を浮遊状態とし、前記制御電極領域に電荷を蓄積して
    いる期間に、蓄積された電荷に応じた信号を前記第一の
    主電極領域から出力して前記第１の検知手段で検知する
    とともに、電荷蓄積に伴い容量を介して変動する電極電
    位を前記第２の検知手段で検知した固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 第一導電型の半導体からなる制御電極領
    域、及び前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導体
    からなる第一及び第二の主電極領域を有し、光エネルギ
    ーを受けることにより生成される電荷を前記制御電極領
    域に蓄積可能なトランジスタと、 前記制御電極領域と容量結合された電極と、を有する画
    素を備えるとともに、 該電極の電位を制御することで、前記制御電極領域の電
    位を前記第一の主電極領域に対して順方向にバイアス
    し、蓄積された電荷に応じた信号を前記第一の主電極領
    域から出力する読み出し手段を備えた固体撮像装置にお
    いて、 前記電極の電位を検知する検知手段を設け、前記制御電
    極領域に電荷を蓄積している期間に前記電極を浮遊状態
    とし、電荷蓄積に伴い容量を介して変動する電極電位を
    該検知手段で検知したことを特徴とする固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 第一導電型の半導体からなる制御電極領
    域、及び前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導体
    からなる第一、第二、第三の主電極領域を有し、光エネ
    ルギーを受けることにより生成される電荷を前記制御電
    極領域に蓄積し、第一及び第二の主電極領域から蓄積さ
    れた電荷に応じた信号を出力するトランジスタを備えた
    画素を２次元マトリックス状に配置し、 各列に画素の第一の主電極領域と接続する第一の出力
    線、及び各行に画素の第二の主電極領域と接続する第二
    の出力線を設けるとともに、 各列の第１の出力線の出力を検知する第１の検知手段
    と、各行の第２の出力線の出力を検知する第２の検知手
    段とを設け、光信号蓄積中に蓄積電荷量に応じた第１及
    び第２の出力線の出力を第１及び第２の検出手段によっ
    て検知する固体撮像装置。
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