JPH01117484A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、固体撮像装置に関するもので、例えば、光
電変換素子により形成される画素信号をＭＯＳＦＥＴ　
（絶縁ゲート形電界効果トランジスタ）を介して取り出
す方式の固体撮像装置に利用して有効な技術に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来より、フォトダイオードとスイッチＭＯＳＦＥＴと
の組み合わせからなる固体撮像装置が公知である。この
ような固体撮像装置に関しては、例えばコロナ社「撮影
工学」頁１２６〜頁１４７．１９８５年９月「テレビジ
ョン学会技術報告１頁４９〜頁５４、特開昭５６−１５
２３８２号公報等がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の固体撮像装置にあっては、いずれも
フォトダイオードにより形成された微小な光電変換信号
をそのまま外部に読み出すものであるため感度が比較的
悪いという欠点がある。そこで、本願発明者は半導体集
積回路の内部に増幅素子を設けることを検討した。この
場合、上記スイッチＭＯＳＦＥＴのオン抵抗や増幅素子
の入力容量と等個入力雑音抵抗とが主なる雑音発生源と
なって、結果的に増幅素子を内蔵しても実質的な感度向
上が図られないということが判明した。

この発明の目的は、高感度を実現した固体撮像装置を提
供することにある。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は
、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであ
ろう。

〔問題点を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記の通りである。

すなわち、スイッチ素子を介して光電変換素子から読み
出された電荷の形態の信号を電圧信号に変換する増幅素
子を設けるとともに、この増幅素子の出力信号を受ける
プリアンプの出力を、上記信号読み出し経路に負帰還さ
れせるスイッチ回路を設ける。

〔作　用〕

上記した手段によれば、増幅素子により増幅された出力
信号を外部に送出するとともに読み出し経路に負帰させ
ることにより、上記増幅素子の入力容量や等価雑音抵抗
及びスイッチＭＯＳ　Ｆ　ＥＴのオン抵抗等からなる読
み出し信号経路が帰還ループとなるため、そのノイズを
抑制できるから固体撮像装置の実質的な高感度化が実現
できる。

〔実施例〕

（実施例１）。

第１図には、この発明に係る固体撮像装置の一実施例の
要部回路図が示されている。同図では、３行、２列分の
回路が代表として例示的に示されている。同図の各回路
素子は、公知の半導体集積回路の製造技術によって、特
に制限されないが、単結晶シリンコンのような１個の半
導体基板上において形成される。

１つの画素セルは、フォトダイオードＤ１と垂直走査線
ｖ１にそのゲートが結合されたスイッチＭＯＳＦＥＴ　
（絶縁ゲート形電界効果トランジスタ）Ｑｌと、水平走
査線Ｈ１にそのゲートが結合されたスイッチＭＯＳＦＥ
ＴＱ２の直列回路から構成される。上記フォトダイオー
ドＤ１及びスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１．Ｑ２からなる画
素セルと同じ行（水平方向）に配置される他の同様な画
素セル（Ｄ２．Ｑ３．Ｑ４）等の出力ノードは、同図に
おいて横方向に延長される水平信号線Ｈ３Ｉに結合され
る。他の行についても上記同様な画素セルが同様に結合
される。上記水平信号線）ＩＳＩ等には、それに対応し
た垂直走査線ｖ１が平行して配置される。この垂直走査
線ｖ１には、それに対応した画素セルのスイッチＭＯＳ
ＦＥＴＱＩ、Ｑ３等が結合される。このことは、例示的
に示されている他の行の垂直走査線■２及びｖ３におい
ても同様である。

例示的に示されている水平走査線Ｈ１，Ｈ２は、同図に
おいて縦方向に延長され、同じ列に配置される画素セル
のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２．Ｑ６゜及びＱＩＯのゲー
トは、共通の水平走査線Ｈ１に結合される。他の列に配
置される画素セルも上記同様に対応する水平走査線Ｈ２
等に結合される。

上記水平走査線Ｈ１、Ｈ２等は、水平シフトレジスタ等
からなる水平走査回路Ｈ３Ｒによって、選択動作が行わ
れる。また、上記垂直走査線Ｖｌ、ｖ２、■３等は、垂
直シフトレジスタ等からなる垂直走査回路ＶＳＲと、そ
の出力信号を受けるインタレースゲート回路ＩＴＧとに
よって選択動作が行われる。上記インタレースゲート回
路ＩＴＧは、図示しない制御信号に応じてインタレース
モードとノンインターレスモードでの垂直選択動作を行
う。

上記垂直走査線ｖ１、ｖ２及びＶ３等は、上記水平信号
線）（Ｓｌ、Ｈ３２及びＨ３３等を垂直方向に配置され
る垂直信号線ＶＳに結合させるスイッチＭＯＳＦＥＴＱ
Ｉ　３、Ｑ１４及びＱ１５等のゲートに結合される。こ
れによって、上記水平走査回路）（ＳＲ及び垂直走査回
路ＶＳＲとインクレースゲート回路ＩＴＧの選択動作に
よって１つの画素セルから電荷の形態の画素信号が読み
出される。

この実施例では、高感度化を実現するために、上記垂直
信号線■Ｓには、増幅トランジスタＴが設番）られる、
この増幅トランジスタＴは、低ノイズ化のために、特に
制限されないが、ジャンクションＦＥＴから構成される
。この増幅トランジスタＴＩは、そのドレインが電源電
圧Ｖｃｃに結合され、ソースが外部端子Ｐ１に接続され
る。それ故、上記増幅トランジスタＴは、外部端子Ｐ１
を介して設けられた負荷抵抗ＲＬとともにソースフォロ
ワ増幅回路を構成し、上記電荷の形態の画素信号を電圧
信号に変換する動作を行う、増幅トランジスタＴは、後
述する外部に設けられる電流／電圧変換型のプリアンプ
ＰＡの初段増幅回路を構成する。すなわち、上記増幅ト
ランジスタＴの出力信号は、プリアンプＰＡの入力に供
給される。このプリアンプＰＡの出力信号Ｖｏｕｔは、
一方において、図示しない信号処理回路に供給される。

このような構成においては、増幅トランジスタＴの入力
容量や等価雑音抵抗及び上記各スイッチＭＯＳＦＥＴの
オン抵抗並びに配線抵抗がノイズ発生源となって実質的
な感度のぼ上を妨げるものになってしまう。また、上記
増幅ＭＯ５ＦＥＴＴは、高入力インピーダンスを持つた
めに、信号電荷の読み出しに伴う光電変換素子のリセッ
トが行われなくなってしまう。

そこで、この実施例では、外部に設けられるプリアンプ
ＰＡの出力信号Ｖｏｕｔは、他方において帰還抵抗ＲＦ
及び外部端子Ｐ２を通して帰還（リセット）用の信号線
Ｒ３に負帰還される。この信号線Ｒ３は、前記同様な垂
直走査Ｉ！Ｖｌ、Ｖ２及びｖ３等にゲートが結合された
スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２０．Ｑ２１及びＱ２２等を介
して上記対応する水平信号線Ｈ３１、ＨＳ　２及びＳＲ
３等に結合される。

この構成においては、第３図の等価回路図に示すように
、第１行目の画素セルに着目して説明すれば、１つの画
素セルからの読み出し信号Ｖｉｎは、水平信号線Ｈ３Ｉ
、スイッチＭＯＳＦＥＴＱＩ　３及び垂直信号線ｖＳを
通して増幅トランジスタＴに伝えられ、その出力信号が
プリアンプＰＡによって増幅されて出力信号Ｖｏｕｔと
されるとともに、帰還抵抗ＲＦ、帰還用の信号線Ｒ３及
びスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２０を通して上記水平信号線
Ｈ３１に帰還される。したがって、上記信号読み出し経
路としてのスイッチＭＯＳＦＥＴＱＩ　３のオン抵抗や
増幅トランジスタＴの入力容！（垂直信号線ＶＳの寄生
容量等）とその等価雑音抵抗及び各信号線の寄生抵抗が
帰還ループを構成することから、そこで発生するノイズ
の抑圧が行われるため、低ノイズ化が図られ結果的に高
感度になる。また、上記帰還ループによりフォトダイオ
ードに蓄積された光信号に対応した電流が流れることに
よって、その画素セルからの読み出し動作と、次の読み
出し動作のためのリセット（プリチャージ）動作とを同
時に行わせることが可能となる。

この実施例では、特に制限されないが、スメア、プルー
ミング等の偽信号を除去するために、上記各行の水平信
号１ａＨ３１ないしＨ３３に設けられたスイッチＭＯＳ
ＦＥＴＱ２０〜Ｑ２２等は、はセット回路としても利用
できる。これらのＭＯＳＦＥＴＱ２０ないしＱ２２は、
水平帰線期間（ブランキング）内に例えば、垂直走査線
ｖ１〜ｖ３等を同時に選択レベルにする等によってオン
状態にされ、各水平信号線Ｈ３Ｉないし）（３３等に端
子Ｐ２からバイアス電圧ＶＢを供給するものである。こ
の構成に代えて、新たにリセット用の垂直方向の信号線
と、それと上記各水平信号線Ｈ３Ｉ〜Ｈ３３等を結合さ
せるスイッチＭＯＳＦＥＴとを設けて、上記ブランキン
グ期間に発生されるタイミングパルスによって上記スイ
ッチＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にして全水平信号線
Ｈ８１〜Ｈ８３等に所定のバイアス電圧ＶＢを供給する
ものとしてもよい。

上記第１図の固体撮像装置の読み出し動作の概略は次の
通りである。

垂直走査線ｖ１がハイレベルのとき、第１行目の読み出
し動作が水平走査線ＭｌないしＨｎが時系列的に順次ハ
イレベルにされることによって行われる。すなわち、上
記垂直走査線ｖ１のハイレベルによって、スイッチＭＯ
ＳＦＥＴＱ１３とＣ２０及び各画素セルのスイッチＭＯ
ＳＦＥＴＱ２、Ｃ４等がオン状態になっている。したが
って、水平走査線Ｈ１、Ｈ２が時系列的にハイレベルに
なるため、次々に選択される画素セルのフォトダイオー
ドに蓄積された光信号に対応した電流が帰還経路を通し
て流れることによって、その画素セルからの読み出し動
作と、次の読み出し動作のためのリセット（プリチャー
ジ）動作とが同時に行われる。

上記１つの行の読み出しが終了すると、水平帰線期間に
入る。この期間においては、全水平走査線Ｈ１、Ｈ２等
はロウレベルの非選択状態にされる。それ故、全垂直走
査線ｖ１〜ｖ３等をハイレベルにすることにより帰還用
の信号線Ｒ３、又はリセットパルスを発生させてそれに
よりオン状態にされるスイッチＭＯＳＦＥＴを設けて全
水平信号線Ｈ３Ｉ〜Ｈ３３等ににバイアス電圧を供給す
る。これによって、非選択状態の水平信号線Ｈ３２等に
発生した偽信号のリセットが行われる。すなわち、上記
第１行目の読み出し動作において非選択状態にされる各
水平信号線Ｈ３２、Ｈ３３等には、画素セルのスイッチ
ＭＯ３ＦＢＴが結合されるものであり、そのドレインが
受光に応答して゛スメアやプルーミングといった偽信号
を発生させる。このような偽信号を上記水平帰線期間を
利用して掃き出させるものである。

この実施例では、第１図又は第３図の等価回路に示すよ
うな帰還アンプを用いて、帰還ループを構成するもので
あるため、雑音１ｎ４は、次式（１）によって求められ
る。

Ｉ　ｔｌ”　−４ｋＴＢ　（ＣＰ　　ｆｃｒ＋　４２Ｅ
”　Ｂ”　／３（Ｃａｌ　＋２ＣＶ　＋ＣＬ　＋ＣＪ　
）　”　Ｒｌｍ）＋１／　（ＲＦ＋Ｒｏｎ＋Ｒｍ　＋２
Ｒｖ　））　　（１）ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔ
は絶対温度、Ｂは雑音帯域幅、ＣＰはフォトダイオード
の容量値、ＣＭは水平信号線Ｈ３ｉの容量値、ＣＶは垂
直信号線（帰還信号線）ＶＳ　（Ｒ３）の容量値、ＣＬ
はパッケージの容量値、Ｃ８は増幅トランジスタＴのゲ
ート容量値、Ｒ１，は増幅トランジスタＴの等個入力雑
音抵抗、Ｒ，、は、スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１３等のオ
ン抵抗値、ＲＦは帰還抵抗の抵抗値、ＲＮは水平信号ｆ
ｉＨ３ｉの配線抵抗値、Ｒｗは垂直信号線（帰還信号線
）ＶＳ　（Ｒ３）の配線抵抗値である。

上記雑音の主な発生源である水平信号線に電流を供給す
るスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１３等は、上記のように帰還
ループ内に入っていることから、そのオン抵抗値Ｒ，，
は等価的に帰還抵抗の一部とみなされ、上記増幅回路の
全系における負帰還動作によって大幅に低減できる。ま
た、同様に、出力信号線における配線抵抗も上記帰還抵
抗の一部とみなされ、それに発生するノイズの大幅な低
減が実現できる。このように、主なノイズ発生源を読み
出し増幅回路を構成する帰還ループ内に入れることによ
って、従来の固体撮像装置に比べて雑音を約半分に低減
できるものである。これによって、増幅トランジスタを
設けて、その出力信号を増幅しつつノイズが低減できる
から実質的な感度の大幅な向上を実現できる。

（実施例２） 第２図は、この発明の他の一実施例の要部回路図が示さ
れている。

この実施例では、上記構成の固体撮像装置の感度を可変
にするため、感度可変用の垂直走査回路及びそれに対応
したスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２３〜Ｑ２５、掃き出し用
信号線ＶＥを新たに設けるものである、すなわち、垂直
シフトレジスタ等からなる感度可変垂直走査回路ＶＳＲ
Ｅと、その出力信号を受ける感度可変インタレースゲー
ト回路ＩＴＧＥが新たに設けられ、上記垂直走査線ｖ１
〜ｖ３等の選択動作が、垂直走査回路ＶＳＲ及びインタ
レースゲート回路ＩＴＧによる読み出し動作とは独立し
て行われる。

なお、水平信号線Ｈ３Ｉ−Ｈ３３等の読み出しを行うス
イッチＭＯＳＦＥＴＱＩ　３〜Ｑ１５と、感度可変のた
めに信号の掃き出しを行うスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２３
〜Ｑ２５のゲートは、選択動作の競合を避けるため、言
い換えるならば、独立した選択動作を確保するために、
それぞれによって形成される選択信号が供給される。

この構成においては、上記感度可変用の垂直選択回路に
よって、読み出し動作に先行させて特定の水平信号線に
設けられる画素セルを読み出して、それを掃き出させる
。これによって、実際に読み出しが行われる水平信号線
に結合される画素セルのフォトダイオードの一積時間は
、先行する水平信号線の選択動作の時間差になるから、
上記感度可変用の垂直走査タイミングの制御によって感
度可変が可能になる。なお、この実施例では、リセット
用のＭＯＳＦＥＴＱ２０〜Ｑ２２等は、上記共通の垂直
走査線に結合させることによって、読み出しと掃き出し
が行われる画素セルのリセットが同時に行われる。

上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りであ
る。すなわち、 （１）スイッチ素子を介して光電変換素子から読み出さ
れた電荷の形態の信号を電圧信号に変換する増幅素子を
設けるとともに、この増幅素子の出力信号を受けるプリ
アンプの出力を、上記信号読み出し経路、に負帰還され
せるスイッチ回路を設ける。

この構成においては、増幅素子により増幅された出力信
号を外部に送出するとともに読み出し経路に負傷させる
ことにより、上記増幅素子の入力°容量や等価雑音抵抗
及びスイッチＭＯＳＦＥＴのオン抵抗等からなる読み出
し信号経路が帰還ループとなるため、そのノイズを抑制
できるから固体撮像装置の実質的な高感度化が実現でき
るという効果が得られる。

（２）増幅素子として、ジャンクションＦＥＴを用いる
ことにより、低ノイズの増幅出力を得ることができると
いう効果が得られる。

（３）画素セルの水平読み出し方式を採用し、その水平
帰線期間内において、水平信号線の偽信号をリセットす
ることにより、上記（１）の効果と相俟って高感度で高
品質の画像信号を得ることができるとりう効果が得られ
る。

（４）感度可変用の垂直走査回路を設けることにより、
上記（１）の効果と相俟って高感化を図りつつ感度可変
機能を実現することができるという効果が得ら。

れる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない０例えば、第１図又は第２
図の実施例回路において、増幅トランジスタのドレイン
出力を得るものであってもよい。この場合、例えば増幅
トランジスタのソースを接地して、そのドレインに負荷
抵抗が設けられる。この場合には、反転出力信号が得ら
れることから、外部に設けられるプリアンプとし、ては
非反転の増幅回路とすればよい。

また、増幅トランジスタとしては、低ノイズのジャンク
ションＦＥＴを用いることが望ましいが、それに限定さ
れるものではなく、ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ等を用いるもので
あってもよい。

画素プレイの読み出し動作は、奇数フィールドと偶数フ
ィールドとで１木分づらセて−・対づつ選択状態にする
ようにしてもよい、これにより、インタレースに対応し
た空間的重心が上下に移動させた画像信号を得ることが
できる。この場合、上記一対つづ選択される水平信号線
に対応して一対からなる出力線を設けるものとしてもよ
い。

この発明は、スイッチ素子を介して充電変換素子の出力
信号を読み出す方式の固体撮像装置に広く利用できるも
のである。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。すなわち、スイッチ素子を介して光電変換素子から読
み出された電荷の形態の信号を電圧信号に変換する増幅
素子を設けるとともに、この増幅素子の出力信号を受け
るプリアンプの出力を、上記信号読み出し経路に負帰還
されせるスイッチ回路を設けることにより、上記増幅素
子の入力容量や等価雑音祇抗及びスイッチＭＯＳＦＥＴ
のオン抵抗等からなる読み出し１８号経路が４還ループ
となるため、そのノイズを抑制できるとともに、増幅信
号が出力されるから実質的な高感度化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す要部回路図、 第２図は、この発明の他の一実施例を示す要部回路図、 第３図は、その等価回路図である。 Ｈ３Ｒ・・水平走査回路、ＶＳＲ・・垂直走査回路、Ｉ
ＴＧ・・インタレースゲート回路、ＰＡ・・プリアンプ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水平及び垂直方向にマトリックス配置される光電変
   換素子と、上記光電変換素子と直列形態に接続され、垂
   直走査回路で選択される第１のスイッチ素子及び水平走
   査回路で選択される第２のスイッチ素子と、水平方向に
   並んで配置される光電変換素子が上記第１及び第２のス
   イッチ素子を介して結合される水平信号線と、上記水平
   信号線を上記垂直走査回路で選択されるスイッチ素子を
   介して結合される垂直信号線と、上記垂直信号線に読み
   出された電荷の形態の信号を電圧信号に変換する増幅素
   子と、上記垂直走査回路で選択されるスイッチ素子を介
   して上記水平信号線に結合される帰還用の信号線とを含
   む固体撮像素子と、上記増幅素子を初段回路として、そ
   の増幅出力信号を上記帰還用の信号線に伝えるプリアン
   プとを具備することを特徴とする固体撮像装置。 ２、上記水平信号線には、水平走査のブランキング期間
   に所定の電位にリセットさせる回路が設けられるもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体
   撮像装置。 ３、上記水平信号線は、感度可変用の垂直走査回路によ
   って選択されるスイッチＭＯＳＦＥＴを介して信号掃き
   だし用の信号線に結合されるものであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１又は第２項記載の固体撮像装置。 ４、上記各スイッチ素子はＭＯＳＦＥＴであり、増幅素
   子はジャンクションＦＥＴであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１、第２又は第３項記載の固体撮像装置。