JP3006164B2 - Ccd固体撮像素子 - Google Patents

Ccd固体撮像素子

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JP3006164B2
JP3006164B2 JP3144840A JP14484091A JP3006164B2 JP 3006164 B2 JP3006164 B2 JP 3006164B2 JP 3144840 A JP3144840 A JP 3144840A JP 14484091 A JP14484091 A JP 14484091A JP 3006164 B2 JP3006164 B2 JP 3006164B2
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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、CCD固体撮像素子、
特にCCDで構成された電荷転送部からの信号電荷を
気信号に変換する電荷−電気信号変換部例えば所謂フロ
ーティング・ディフュージョン・アンプを有するCCD
固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のCCD固体撮像素子、特にその出
力部は、図4に示すように、CCDで構成された電荷転
送部21の次段に、出力ゲートOGを隔ててフローティ
ング・ディフュージョンFD、リセットゲートPG及び
ドレイン領域Dからなる放電用素子22と、更にこの放
電用素子22の後段に出力素子Q1 と負荷抵抗素子Q2
からなるソースフォロア回路23を具備して構成されて
いる。
【0003】そして、上記電荷転送部21のうち、最終
段の転送電極TG下から転送される信号電荷を一旦フロ
ーティング・ディフュージョンFDに蓄積し、その蓄積
電荷に基づく電圧変化ΔVを後段のソースフォロア回路
23に供給することにより、ソースフォロア回路23の
出力端子φoutから出力電圧(撮像信号)Sとして取
り出す。
【0004】ソースフォロア回路23の出力端子φou
tから撮像信号Sを取り出した後は、リセットゲートP
GにリセットパルスφPGを供給してフローティング・デ
ィフュージョンFDを初期電圧Vddにリセットし、フ
ローティング・ディフュージョンFDに蓄積されていた
電荷をドレイン領域D側に掃き出す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一般に、フローティン
グ・ディフュージョンFDにおける電荷−電圧変換効率
ηは、次の数1で表される。
【数1】η=ΔV/ΔQ=1/CFD
【0006】ここで、ΔVはフローティング・ディフュ
ージョンFDに蓄積された信号電荷量ΔQに基づく電圧
変化を示す。また、CFDはフローティング・ディフュー
ジョンに関する全容量であり、この全容量CFDは次式で
表される。 CFD=CB +COG+CPG+CL+CM
【0007】ここで、各容量は、図5に示すように、C
B がフローティング・ディフュージョンFDと基板や隣
接チャンネル間の容量、COGがフローティング・ディフ
ュージョンFDと出力ゲートOG間の容量、CPGがフロ
ーティング・ディフュージョンFDとリセットゲートP
G間の容量、CL が配線容量、CM がソースフォロア回
路23における容量である。
【0008】そして、上記数1からもわかる通り、この
フローティング・ディフュージョンFDに関する全容量
FDを低減化させることによってフローティング・ディ
フュージョンFDでの電荷−電圧変換効率ηを高めるこ
とができる。
【0009】これを実現させるために従来では、フロー
ティング・ディフュージョンFDの面積を小さくするな
どの方法がとられているが、従来のCCD固体撮像素子
においては、出力ゲートOGにかかる電位Vogが固定
電位であるため、フローティング・ディフュージョンF
Dと出力ゲートOG間の寄生容量COGを下げることがで
きず、上記電荷−電圧変換効率ηの向上の障害となって
いる。
【0010】これは、信号電荷を非破壊的に検出するこ
とができるフローティング・ゲート出力方式のCCD固
体撮像素子においても同様である。
【0011】本発明は、このような課題に鑑み成された
もので、その目的とするところは、電荷−電気信号変換
と出力ゲート間の寄生容量を低減化でき、電荷−電気
信号変換部における電荷−電気信号変換効率の向上を達
成できると共に、CCD固体撮像素子の感度の向上及び
S/N比の向上を図ることができるCCD固体撮像素子
を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、CCDで構成
された電荷転送部2の最終段からの信号電荷を出力ゲー
トOGを介して一旦電荷−電気信号変換部FDに蓄積
し、その蓄積電荷に基づく電気信号の変化を出力アンプ
5に供給することによって、該出力アンプ5の出力端子
φoutから撮像信号Sとして取り出すようにした出力
部1を有するCCD固体撮像素子において、出力アンプ
5からの出力(撮像信号S)を出力ゲートOGに帰還さ
せて出力ゲートOGを駆動するように構成する。また、
上記電荷−電気信号変換部としては、フローティングデ
ィフュージョンやフローティングゲート等を使用するこ
とができる。
【0013】
【作用】上述の本発明の構成によれば、出力ゲートOG
電荷−電気信号変換部FDにおける電気信号の変化
同相の撮像信号Sが供給されるため、電荷−電気信号変
換部FDと出力ゲートOG間の寄生容量COGが低減化さ
れる。実際には、出力アンプ5の利得をGとすると、
(1G)倍ほど低減化することができる。その結果、
電荷−電気信号変換部FDに関する全容量CFDの低減化
を実現させることができ、電荷−電気信号変換部FDに
おける電荷−電気信号変換効率を向上させることができ
る。これは、CCD固体撮像素子の感度の向上及びS/
N比の向上につながる。
【0014】
【実施例】以下、図1〜図3を参照しながら本発明の実
施例を説明する。図1は、本実施例に係るCCD固体撮
像素子の特にその出力部1の構成を概略的に示す等価回
路図である。
【0015】このCCD固体撮像素子の出力部1は、C
CDで構成された電荷転送部2からの信号電荷を出力電
圧に変換する所謂FDA(フローティング・ディフュー
ジョン・アンプ)3を有する。即ち、電荷転送部2の次
段に、出力ゲートOGを隔ててフローティング・ディフ
ュージョンFD、リセットゲートPG及びドレイン領域
Dからなる放電用素子4を有し、更にこの放電用素子4
の次段に少なくとも出力素子Q1 及び負荷抵抗素子Q2
からなるソースフォロア回路5を具備して構成されてい
る。上記出力素子Q1 及び負荷抵抗素子Q2 は、例えば
Nチャンネル型MOSFET(MOS型電界効果トラン
ジスタ)で構成される。
【0016】電荷転送部2は、例えばP型のシリコン基
板6表面のN型の不純物拡散領域帯にて構成された水平
レジスタ7と、この水平レジスタ7上に絶縁膜8を介し
て形成された1層目及び2層目の多結晶シリコン層によ
る第1及び第2の水平転送電極9及び10とを有し、更
にこれら2枚の水平転送電極9及び10が夫々1組にな
って順次水平方向に配列、形成されて構成されている。
そして、互いに逆相である2相の駆動パルスφ1及びφ
2を1組毎に印加することにより、信号電荷を順次出力
部1側に転送する。
【0017】そして、上記電荷転送部2のうち、最終段
の転送電極9から転送される信号電荷を一旦フローティ
ング・ディフュージョンFDに蓄積し、その蓄積電荷に
基づく電圧変化ΔVを後段のソースフォロア回路5に供
給することにより、該ソースフォロア回路5の出力端子
φoutから出力信号(撮像信号)Sとして取り出す。
【0018】出力端子φoutから出力信号Sを取り出
した後は、リセットゲートPGにリセットパルスφPG
供給することにより、フローティング・ディフュージョ
ンFDを初期電圧Vddにリセットし、フローティング
・ディフュージョンFDに蓄積されていた信号電荷をド
レイン領域D側に掃き出す。尚、2相の駆動パルスφ1
及びφ2並びにリセットパルスφPGの出力タイミングを
図2に示す。
【0019】従って、フローティング・ディフュージョ
ンFDからの電圧変化ΔVは図3の波形に示すよう
に、プリチャージドレイン電圧Vddと蓄積電荷量に基
づく信号成分が含まれた信号となる。また、ソースフォ
ロア回路5からの出力信号Sは、ソースフォロア回路5
の利得をG(0.7<G≦1)とすると、波形に示す
ように、上記フローティング・ディフュージョンFDか
らの電圧変化ΔVをG倍した信号となり、各信号(電圧
変化ΔV及び出力信号S)の関係は同相となる。
【0020】このとき、ソースフォロア回路5からの出
力信号Sにおいて、上記フローティング・ディフュージ
ョンFDからの電圧変化ΔVにおけるプリチャージドレ
イン電圧Vddと対応する電位はVoであり、その大小
関係はソースフォロア回路5の利得Gの関係からVo≦
Vddである。
【0021】しかして、本例においては、ソースフォロ
ア回路5の出力側と出力ゲートOGとを接続して、ソー
スフォロア回路5から出力される出力信号(撮像信号)
Sを出力ゲートOGに帰還させる。この場合、出力ゲー
トOGにフローティング・ディフュージョンFDにおけ
る電圧変化ΔVと同相の信号が供給されることから、フ
ローティング・ディフュージョンFDと出力ゲートOG
間の寄生容量COGが低減化される。
【0022】現実的には、ソースフォロア回路5の利得
をGとすると、上記寄生容量COGを(1−G)倍ほど低
減化することができる。このことから、理想的には、ソ
ースフォロア回路5の負荷抵抗素子Q2 のゲートに印加
されるバイアス電位Vggを変化させることによって、
ソースフォロア回路5の利得Gを1に近づけて、フロー
ティング・ディフュージョンFDからの電圧変化ΔVと
ソースフォロア回路5からの出力信号Sとの間の電位差
(例えばVdd−Vo)を0に近づけるようにすれば、
フローティング・ディフュージョンFDと出力ゲートO
G間の寄生容量COGを等価的に0にすることができる。
【0023】上述のように、本例によれば、ソースフォ
ロア回路5からの出力(撮像信号S)を出力ゲートOG
に帰還させて構成するようにしたので、フローティング
・ディフュージョンFDと出力ゲートOG間の寄生容量
OGを低減化することができ、結果的に、フローティン
グ・ディフュージョンFDに関する全容量CFDの低減化
を実現させることができる。このことから、フローティ
ング・ディフュージョンFDにおける電荷−電圧変換効
率ηを向上させることができ、CCD固体撮像素子の感
度の向上及びS/N比の向上を図ることが可能となる。
【0024】尚、上記実施例では、フローティング・デ
ィフュージョンFDからの電圧変化ΔVを出力素子Q1
及び負荷抵抗素子Q2 からなるソースフォロア回路5に
て増幅する出力部1について適用した例を示したが、そ
の他、上記ソースフォロア回路5に限らずボルテージ・
フォロア型アンプであればすべて適用可能である。
【0025】また、上記実施例では、電荷転送部2から
の信号電荷を電圧変換するものとしてフローティング・
ディフュージョンFDを用いたが、その他、このフロー
ティング・ディフュージョンFDに限らずフローティン
グ・ゲート出力方式のCCD固体撮像素子に対しても適
用可能である。この場合、電荷−電圧変換効率ηは上記
数1と異なるが、寄生容量を減らすことにより、電荷−
電圧変換効率ηの高効率化は達成される。
【0026】また、上記実施例では、電荷転送部2を構
成する不純物拡散領域としてN型を用いることにより、
信号電荷として取り扱うキャリアを電子とした場合につ
いて示したが、その他、電荷転送部2を構成する不純物
拡散領域をP型にして、信号電荷として取り扱うキャリ
アを正孔とした場合にも適用可能である。
【0027】
【発明の効果】本発明に係るCCD固体撮像素子によれ
ば、電荷−電気信号変換部と出力ゲート間の寄生容量を
低減化できることから、電荷−電気信号変換部における
電荷−電気信号変換効率の向上を達成できると共に、C
CD固体撮像素子の感度の向上及びS/N比の向上を図
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係るCCD固体撮像素子の出力部の
構成を示す等価回路図。
【図2】2相の駆動パルス及びリセットパルスの出力タ
イミングを示す波形図。
【図3】フローティング・ディフュージョンからの電圧
変化とソースフォロア回路からの出力信号の関係を示す
波形図。
【図4】従来例に係るCCD固体撮像素子の出力部の構
成を示す等価回路図。
【図5】フローティング・ディフュージョンに関する全
容量を示す等価回路図。
【符号の説明】 1 出力部 2 電荷転送部 3 FDA 4 放電用素子 5 ソースフォロア回路 OG 出力ゲート FD フローティング・ディフュージョン PG リセットゲート D ドレイン領域
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−185094(JP,A) 特開 平4−354160(JP,A) 特開 平4−250638(JP,A) 特開 平3−192766(JP,A) 特開 平4−764(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 5/30 - 5/335

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CCDで構成された電荷転送部の最終段
    からの信号電荷を出力ゲートを介して一旦電荷−電気信
    号変換部に蓄積し、その蓄積電荷に基づく電気信号の変
    化を出力アンプに供給することによって、該出力アンプ
    の出力端子から撮像信号として取り出すようにした出力
    部を有するCCD固体撮像素子において、 上記出力アンプからの出力が上記出力ゲートに帰還され
    て該出力ゲートを駆動することを特徴とするCCD固体
    撮像素子。
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JP2000068492A (ja) * 1998-08-25 2000-03-03 Nec Corp 固体撮像装置及びその製造方法

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