JP4018644B2 - 光電変換装置及び同光電変換装置を用いた撮像システム - Google Patents

Description

本発明は光電変換装置及び同光電変換装置を用いた撮像システムに係わり、特にそれぞれ光電変換領域を有する複数の画素と、前記複数の画素から電気信号が読み出される複数の信号出力線と、前記信号出力線に対応して形成され、前記電気信号を増幅し、少なくとも一つの定電流回路部を含む複数の増幅回路とを備えた光電変換装置及び撮像システムに関する。

光電変換領域を有する複数の画素からの信号を列アンプにより増幅して読み出し、増幅された信号を走査回路により各列アンプから順次読み出す光電変換装置は例えば、特許文献１に記載されている。

図６は特許文献１に記載された光電変換装置の構成を示す回路図である。同図に示すように、複数の画素の一列分が、第１のＭＯＳトランジスタＭ１と第２のＭＯＳトランジスタＭ２とか構成される、増幅回路となる列アンプに接続され、画素から信号が入力されて増幅され、一時蓄積手段となるコンデンサＣＴ１，ＣＴ２にそれぞれオフセット信号（ノイズ信号）とセンサ信号として蓄積される。
特開平２−２９６４７０号公報

ところで、列アンプ内部において、定電流回路を構成しているトランジスタには大きな出力抵抗が求められる。

なぜならば、列アンプの動作電流が変化すると、電流の流れ込む共通GND配線の電圧降下が変化し（図６では、Vvsでの電圧降下が変化）、他の列の信号にクロストークするからである。例えば、水平方向に1000列分のアンプが配置され、各アンプの動作電流が10μAであるとすると、全体で10mAの電流がGND配線に流れるが，900列分のアンプにおいて動作電流が変動し、1μA減った場合、0.9mA電流が変化することになる。配線の寄生抵抗によってこの電流変化分は、電圧降下の変動となってあらわれ、信号読み出しに影響をあたえてしまうことになる。

本発明の光電変換装置は、それぞれ光電変換領域を有する複数の画素と、前記複数の画素から電気信号が読み出される複数の信号出力線と、前記信号出力線に対応して設けられ、前記電気信号を増幅し、少なくとも一つの定電流回路部を含む複数の増幅回路とを備え、前記複数の増幅回路が所定の繰り返し方向に配列されてなる光電変換装置において、
前記定電流回路部は電界効果トランジスタを少なくとも含み、前記電界効果トランジスタのチャネル長方向が、前記増幅回路の繰り返し方向とは異なることを特徴とする。

本発明の光電変換装置によれば、増幅回路のソース接地電界効果トランジスタに十分な出力抵抗を得ることで、複数の増幅回路の共通電源配線の電圧降下を軽減し、他の信号出力線へのクロストークを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施形態の光電変換装置の増幅回路の平面図、図２は本発明の第１実施形態の光電変換装置の増幅回路の等価回路図、図３は本発明の第１実施形態の光電変換装置の全体構成を示すブロック図である。図３では画素は２行分示されているが、これ以上の数の画素行であってもよい。また光電変換装置は画素が２次元状に配列されたエリアセンサとして示されているが、画素が１次元状に配列されたラインセンサであってもよい。

図３において、画素は、フォトダイオード１０１、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷を不図示の浮遊拡散領域（フローティングディフュージョン領域）に転送する画素転送スイッチ１０２、浮遊拡散領域に入力部が接続され、増幅手段となるドライバMOSトランジスタ１０４、浮遊拡散領域に接続されるリセットスイッチ１０３、画素を選択する行選択スイッチ１０５から構成される。

画素転送スイッチ１０２、リセットスイッチ１０３、選択スイッチ１０５は垂直走査回路１２３からの制御信号ＰＴＸ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬにより制御され、選択スイッチ１０５により選択された行の各画素からの信号は、図中上下方向に交互に設けられた、信号出力線となる垂直出力線１０６に出力される。垂直出力線１０６は画素と増幅回路となる演算増幅器１２０の一方の端子（＋）とをクランプ容量１０８を介して接続する。１０７は負荷ＭＯＳトランジスタ、１０９はクランプスイッチである。

演算増幅器１２０で増幅された信号は転送ゲート１１０を介して蓄積容量１１２に蓄積され、水平走査回路１１９により制御される水平転送スイッチ１１４を介して、順次水平出力線１１６に出力され出力アンプ１１８を介して出力される。１３２は演算増幅器１２０の共通GND配線である。

増幅回路となる演算増幅器１２０の等価回路の構成は図２に示され、その構成の平面図は図１に示される。図１及び図２において、１２４は定電流回路部のソース接地電界効果トランジスタ、１２５は入力部の入力トランジスタとなる電界効果トランジスタ、１２８は負荷部のソース接地電界効果トランジスタ、１２４Ｇはソース接地電界効果トランジスタ１２４のゲート電極、１２５Ｇは電界効果トランジスタ１２５のゲート電極、１２８Ｇはソース接地電界効果トランジスタ１２８のゲート電極である。１２９はコンタクトホール、１３０は活性領域、１３１はＰ型ウェル領域である。

既に説明したように、演算増幅器１２０の動作電流が変化すると、電流の流れ込む共通GND配線１３２の電圧降下が変化し、他の列の信号にクロストークするため、演算増幅器（増幅回路）１２０においてソース接地電界効果トランジスタ１２４は十分な出力抵抗を得ることが求められ、よってソース接地電界効果トランジスタのチャネル長を、チャネル長変調の影響を受けない十分な長さにすることが重要である。

このため、画素ピッチに制限されてしまう増幅回路の繰り返し方向（図中Ｘ方向）とは異なる方向（ここでは増幅回路の繰り返し方向とは垂直な方向としており、図中Ｙ方向）に、チャネル長を延長するようにトランジスタを配置することが望ましい。すなわちソース接地電界効果トランジスタ１２４のチャネル長方向が、増幅回路の繰り返し方向とは異なる方向（ここでは増幅回路の繰り返し方向とは垂直な方向としており、図中Ｙ方向）である配置が有効である。かかる構成は、ソース接地電界効果トランジスタ１２４のドレイン電流が増幅回路の繰り返し方向とは異なる方向に流れるようにする、ととらえることができる。

画素ピッチの縮小化に伴い、Ｘ方向の増幅回路の繰り返しピッチは小さくなるので、この重要性は増す。

なお、増幅回路の繰り返し方向とは異なる方向は、当該繰り返し方向に対して傾いている方向を示し、その傾きは必要に応じて設定されるが、本実施形態のように、増幅回路の繰り返し方向とは垂直な方向とするのがレイアウト上好ましい。増幅回路の繰り返しピッチは画素ピッチに合わせて設計されることが多いが、画素ピッチより広く又は狭く設計することも可能である。
上記のように、増幅回路の繰り返し方向とは異なる方向にソース接地電界効果トランジスタ１２４のチャネル長方向を設定することで、ソース接地電界効果トランジスタ１２４のチャネル長は、増幅回路の繰り返しピッチ（図１中Ｘ１）に制限されることなく長く設けることができ、特にチャネル長が増幅回路の繰り返しピッチよりも長く設定する場合に好適である。
また演算増幅器（増幅回路）の入力トランジスタ１２５のｇｍが大きいほど、開ループゲインが大きくなるため、入力トランジスタ１２５のチャネル長方向（ドレイン電流の流れる方向ともとらえることができる）を、演算増幅器（増幅回路）の繰り返し方向に垂直な方向（Ｙ方向）とは異なる方向にすることが望ましい（本実施形態では増幅回路の繰り返し方向であるＸ方向としている）。なぜならば、電界効果トランジスタのｇｍはＷ／Ｌ（Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅を示す）に比例し、ｇｍを大きくするには、画素ピッチに制限される繰り返し方向とは異なる方向（Ｙ方向）にチャネル幅が確保できるようにすることが有利であるためである。なお、演算増幅器（増幅回路）の繰り返し方向に垂直な方向（Ｙ方向）とは異なる方向は、当該繰り返し方向に垂直な方向に対して傾いている方向を示し、その傾きは必要に応じて設定されるが、本実施形態のように、増幅回路の繰り返し方向（図中Ｘ方向）とするのがレイアウト上好ましい。

入力部あるいは負荷部がカスコード構成になっている場合、増幅回路の出力抵抗はゲート接地トランジスタのgmに比例する。したがって、ゲート接地トランジスタのチャネル長方向（ドレイン電流の流れる方向ともとらえることができる）を、増幅回路の繰り返し方向に垂直な方向と異なる方向（本実施形態では増幅回路の繰り返し方向であるＸ方向としている）にすることが望ましい。かかる場合の実施形態を以下に説明する。

図４は本発明の第２実施形態の光電変換装置の増幅回路の平面図、図５は本発明の第２実施形態の光電変換装置の増幅回路の等価回路図である。図４及び図５において図１及び図３と同一構成部材については同一符号を付する。

図４及び図５において、１２４は定電流回路部のソース接地電界効果トランジスタである。１２５は入力トランジスタとなる電界効果トランジスタ、１２６はゲート接地電界効果トランジスタであり、電界効果トランジスタ１２５とゲート接地電界効果トランジスタ１２６とはカスコード構成の入力部を構成する。１２７はゲート接地電界効果トランジスタ、１２８はソース接地電界効果トランジスタであり、ゲート接地電界効果トランジスタ１２７とソース接地電界効果トランジスタ１２８とはカスコード構成の負荷部を構成する。１２４Ｇはソース接地電界効果トランジスタ１２４のゲート電極、１２５Ｇは電界効果トランジスタ１２５のゲート電極、１２６Ｇはゲート接地電界効果トランジスタ１２６のゲート電極、１２７Ｇはゲート接地電界効果トランジスタ１２７のゲート電極、１２８Ｇはソース接地電界効果トランジスタ１２８のゲート電極である。１２９はコンタクトホール、１３０は活性領域、１３１はP型ウェル領域である。

本実施形態では、ゲート接地トランジスタ１２６及びゲート接地トランジスタ１２７のチャネル長方向を、増幅回路の繰り返し方向（図中Ｘ方向）としている。

次に上記第１及び第２の実施形態の光電変換装置を用いた撮像システムについて説明する。かかる光電変換装置を用いた撮像システムとしては、スチルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどが挙げられる。ここでは図７に基づいて、本発明による光電変換装置をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。

図７は本発明の固体撮像素子を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。

図７において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。

バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号処理部７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。

次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器６でＡ−Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

本発明はスチルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリ等に用いられる光電変換装置に適用され、特に画素ピッチの縮小化が求められる高解像度の光電変換装置に好適に用いられる。

本発明の第１実施形態の光電変換装置の増幅回路の平面図である。 本発明の第１実施形態の光電変換装置の増幅回路の等価回路図である。 本発明の第１実施形態の光電変換装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の光電変換装置の増幅回路の平面図である。 本発明の第２実施形態の光電変換装置の増幅回路の等価回路図である。 従来技術（特開平2-296470）による光電変換装置を示す等価回路図である。 本発明による光電変換装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ フォトダイオード
１０２ 画素転送スイッチ
１０３ リセットスイッチ
１０４ ドライバMOSトランジスタ
１０５ 行選択スイッチ
１０６ 垂直出力線
１０７ 負荷MOSトランジスタ
１０８ クランプ容量
１０９ クランプスイッチ
１１０ 転送ゲート
１１２ 蓄積容量
１１４ 水平転送スイッチ
１１６ 水平出力線
１１８ 出力アンプ
１１９ 水平走査回路
１２０ 演算増幅器
１２１ 帰還容量
１２２ 感度切り替えスイッチ
１２３ 垂直走査回路
１２４ 定電流回路部のソース接地電界効果トランジスタ
１２５ 入力電界効果トランジスタ
１２６ 入力部のゲート接地電界効果トランジスタ
１２７ 負荷部のゲート接地電界効果トランジスタ
１２８ 負荷部のソース接地電界効果トランジスタ
１２９ コンタクトホール
１３０ 活性領域
１３１ P型ウェル領域
１３２ 増幅回路の共通GND配線
Ｘ 増幅回路の繰り返し方向
Ｙ 増幅回路の繰り返し方向に垂直な方向

Claims (7)

1. それぞれ光電変換領域を有する複数の画素と、前記複数の画素から電気信号が読み出される複数の信号出力線と、前記信号出力線に対応して設けられ、前記電気信号を増幅し、少なくとも一つの定電流回路部を含む複数の増幅回路とを備え、前記複数の増幅回路が所定の繰り返し方向に配列されてなる光電変換装置において、
   前記定電流回路部は電界効果トランジスタを少なくとも含み、前記電界効果トランジスタのチャネル長方向が、前記増幅回路の繰り返し方向とは異なることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記電界効果トランジスタは、ソース接地電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. 前記ソース接地電界効果トランジスタのチャネル長が、前記増幅回路の繰り返しピッチよりも長いことを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
4. 前記増幅回路は電界効果トランジスタからなる入力トランジスタを含み、前記入力トランジスタのチャネル長方向は、前記増幅回路の繰り返し方向に垂直な方向とは異なる方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの請求項に記載の光電変換装置。
5. 前記増幅回路の入力部は、前記入力トランジスタとゲート接地電界効果トランジスタとから成るカスコード回路を含み、前記ゲート接地電界効果トランジスタのチャネル長方向は、前記増幅回路の繰り返し方向に垂直な方向とは異なる方向であることを特徴とする請求項４記載の光電変換装置。
6. 前記ソース接地電界効果トランジスタを前記第１のソース接地電界効果トランジスタとしたとき、
   前記増幅回路の負荷部は、第２のソース接地電界効果トランジスタとゲート接地電界効果トランジスタとから成るカスコード回路を含み、前記ゲート接地電界効果トランジスタのチャネル長方向は、前記増幅回路の繰り返し方向に垂直な方向とは異なる方向であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の光電変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれかの請求項に記載の光電変換装置と、該光電変換装置へ光を結像する光学系と、該光電変換装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。