JPH01251964A

JPH01251964A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH01251964A
Application number: JP63076174A
Authority: JP
Inventors: Hajime Akimoto; 秋本　肇; Shinya Oba; 大場　信弥
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-10-06

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〕本発明は、固体撮像装置に係り、特に、出力画像の均一
性に優れた固体撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

現在市販されている固体撮像装置としてはｌＭｏ５型固
体撮像装置やＣＣＤ型固体撮像装置があるが、これらに
対して、その感度やダイナミックレンジ等の向上を図る
ために、画素アンプ方式固体撮像装置の研究および開発
が進められている。

（安藤、他による「増幅形ＭＯＳエリアセンサ（ＧＣＭ
Ａ）の試作」昭和５８年電子通信学会総合全国大会予稿
集、１２４１．１９８３年）この画素アンプ方式の特徴
は、受光面上のホトダイオードに隣接して、このホトダ
イオードに生じる光信号電荷を増幅するための信号増幅
手段が設けられていることである。以下、第６図を用い
て、この従来の画素アンプ方式固体撮像装置について説
明する。

第６図は、従来の画素アンプ方式固体撮像装置の構成を
示す図である。

図において、１はホトダイオード、２は画素アンプトラ
ンジスタ、３は選択トランジスタ、４はリセットトラン
ジスタ、５は電源線、６は垂直走査線、７は垂直信号線
、８は水平スイッチトランジスタ、９は出力線、１０は
垂直シフトレジスタ、１１は水平シフトレジスタである
。

ホトダイオード１は、信号増幅機能を持つ画素アンプト
ランジスタ２のゲートに入力しており、画素アンプトラ
ンジスタ２のソースは垂直信号線７に、そのドレインは
画素アンプトランジスタ２の選択を行う選択トランジス
タ３のソースに接続されている。ホトダイオード１、画
素アンプトランジスタ２１選択トランジスタ３、リセッ
トトランジスタ４によって１画素が構成されている。ホ
トダイオード１、画素アンプトランジスタ２、電源線５
は受光面上に形成されている。

また、選択トランジスタ３のゲートは垂直走査線６によ
って走査され、そのドレインには電源線５から電流が供
給される。

ホトダイオード１のリセットを行うリセットトランジス
タ４のゲートは１選択トランジスタ３のゲートを走査し
ている垂直走査線６の隣の垂直走査線６により走査され
、そのソースはホトダイオード１に、ドレインは電源線
５に接続されている。

各画素は１以上の画素アンプトランジスタ２、選択トラ
ンジスタ３、リセットトランジスタ４から成る信号増幅
手段を有しているが、一方、これらのトランジスタは垂
直シフトレジスタ１０から電源線５および垂直走査線６
を介して駆動される。

また、増幅信号電流を伝達する垂直信号線７は。

水平シフトレジスタ１１によって走査される水平スイッ
チトランジスタ８を介して出力線９に接続されており、
水平シフトレジスタ１１および水平スイッチトランジス
タ８は、増幅信号の読み出し手段を形成している。

次に、この従来例の動作について説明する。

ホトダイオード１に入射した光が光電変換されて生じた
信号電荷は、画素アンプトランジスタ２のゲート電圧を
変化させる。今、水平帰線期間内に、垂直方向にｎ行目
の電源線５および垂直走査線ｄが、垂直シフトレジスタ
１０により選択されたとすると、それらの選択された線
の電位が高レベルになり、ｎ行目の選択トランジスタ３
はオンし、ｎ行目の画素アンプトランジスタ２のドレイ
ンが高レベルになる。

次いで、水平走査期間内に、ｍ列目の水平スイッチトラ
ンジスタ８が水平シフトレジスタ１１により走査され、
オンすると、水平方向ｍ列目の垂直信号線７は、水平ス
イッチトランジスタ８を介して出力線９とつながる。こ
のとき、垂直方向ｎ行目、水平方向ｍ列目の画素アンプ
トランジスタ２は、ドレインが高レベルで、かつソース
が出力線９につながることになり、そのゲート電圧に応
じた出力電流が出力線９に供給される。

以上のように、水平および垂直方向に画素アンプトラン
ジスタ２を順次動作させることによって、増幅信号出力
を得ることができる。なお、ホトダイオード１のリセッ
トは、次の水平帰線期間内に垂直方向ｎ＋１行目の垂直
走査線６が高レベルになり、リセットトランジスタ４を
オンすることによって行われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、電源線５の配線抵抗による電圧降下
については配慮がなされておらず、性能を向上させるた
めに行う製造プロセスにおける素子の微細化に伴って、
受光面端部の（すなわち、垂直シフトレジスタ１ｏに遠
い）画素アンプトランジスタ２の増幅動作に支障をきた
し、出力画像の均一性に問題があった。

すなわち、画素アンプトランジスタ２を流れる電流ｒｏ
ｓは、次の式で求められる。

ただし、Ｗ：画素アンプトランジスタゲート幅Ｌ：画素
アンプトランジスタゲート長 μ：シリコン中の電子移動度 εｏｘ：ｓｉｏ、の誘電率ｔａｘ：ゲート酸化膜厚ｖＧ：ゲート電圧ｖｔｈ：しきい電圧また、垂直シフトレジスタ１０から最も遠い受光面端部
の画素アンプトランジスタ２について考えると、電源線
５の電圧降下Ｖは１次の式で求められる。

Ｖ＝　Ｉｏｓ＃ｐ＾＋　０　　　　　　　　　　　　　
（２）ただし、ρ＾１：態配線のシート抵抗Ｗ：Ａ鳳配線幅Ｑ：ｕ配線長ここで、−例として、次の値を仮定する。Ｗ＝５、ｇ、
Ｌ：１．ｍ、μ＝７００ａ１２／ｖ−８、ｔｏｘ＝３．
４５Ｘ１０−”Ｆ／ａ１．　　ｔｏｘ＝２００人、ＶＧ
＝５Ｖ、Ｖｔｈ＝ＩＶ、ρ＾＋＝５０ｍΩ／口、Ｑ　＝
８．８ｍｓ　（２７３インチ光学フォーマット）。

このとき、（１）、（２）式から、電圧降下Ｖは、次の
ように求められる。

２．１３Ｖ＝−（Ｖ）（３）すなわち、電圧降下の量は、Ａｎ配線幅Ｗに反比例し、
Ｗ　＝　２　ｔｍ　（７）　トき、１．０７Ｖ、　Ｗ　
＝　１　ｔｓ　テは、２．１３Ｖにもなる。このように
、素子の微細化が進み、ＡＱ配線幅Ｗか細くなるに従っ
て、垂直シフトレジスター０より最も遠い受光面端部の
画素アンプトランジスタ２における電源線５の電圧降下
は、著しく増大し、画素アンプトランジスタ２の増幅動
作に支障をきたすようになる。また、高精細化しようと
すると、画素数の増加に伴って、ますます配線抵抗によ
る電圧降下が大きくなる。

本発明の目的は、信号増幅機能に支障をもたらす電圧降
下を抑制できる固体撮像素子を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、
複数個の受光領域と、上記各受光領域に入射した光信号
によって生じたそれぞれの電気信号を入力してそれぞれ
増幅する上記受光領域の数と同数もしくは異なる数の信
号増幅手段と、上記信号増幅手段に電源を供給する電源
線と、上記電源線を駆動する電源線駆動手段と、上記信
号増幅手段の出力を読み出す読み出し手段とを具備する
固体撮像装置において、同一タイミングで駆動する少な
くとも２個の上記電源線駆動手段が設けられ、かつ、少
なくとも１個の上記信号増幅手段が上記電源線駆動手段
間に接続された上記電源線に接続されていることを特徴
とする。

〔作用〕

本発明では、同一タイミングで駆動する複数の上記電源
線駆動手段を設け、かつ、少なくとも１個の信号増幅手
段を電源線駆動手段間に接続された上記電源線に接続す
るため、例えば、電源線を両端から駆動する２個の電源
線駆動手段を設ける場合は、電源線駆動手段より最も遠
い受光面中央部の信号増幅手段において、電源線の電圧
降下Ｖは、次の式で求められる。

ただし、工：信号増幅手段入力電流上記（４）式を、前述の（２）式と比較すると、本発明
により、電源線の電圧降下を従来例の１／４に抑制でき
ることがわかる。

〔実施例〕

実施例　１第１図は１本発明の第１の実施例の固体撮像装置の構成
を示す図である。本実施例では、図中、第６図と同様の
符号のものは、同一のものを示す。

図において、１２は、電源線駆動手段である垂直シフト
レジスタである。すなわち、本実施例では、各電源線５
の両端に垂直シフトレジスタ１０．１２がそれぞれ接続
されていることに特徴がある。

その他の構造は、第６図の従来例と同様の構造を有して
いる。また、本実施例の動作についても、電源線５の駆
動を左右両方の垂直シフトレジスタ１０．１２から同一
タイミングで行う他は、第６図を用いて説明した従来例
の動作と同様である。

実施例　２第２図は、本発明の第２の実施例の構成図である。ホト
ダイオード１と、ホトダイオード１の接続している信号
増幅手段１３とは、１画素を構成しており、両端に垂直
シフトレジスタ１４を有する電源線５、およびその一端
に増幅信号読み出し手段１５を有する垂直信号線７とが
、信号増幅手段１３に接続している。また、増幅信号読
み出し手段１５からは出力線１６が延びている。

次に、本実施例の動作について説明する。ホトダイオー
ド１に入射した光の光電変換によって生じた信号電荷は
、信号増幅手段１３に入力する。

今、水平帰線期間内に、垂直方向にｎ行目の電源線５が
左右両方の垂直シフトレジスタ１４により選択され、ｎ
行目の電源線５の電位が高レベルになったとする。この
とき、ｎ行目の信号増幅手段１３は活性化され、この時
点で垂直信号線７に増幅信号を出力するか、この時点で
垂直信号線７に増幅信号を出力するか、もしくは増幅信
号読み出し手段１５によって垂直信号線７が順次選択さ
れ、ｎ行目の信号増幅手段１３の増幅出力が順次出力線
１６上に出力される。また、ホトダイオード１のリセッ
トは、両方の、もしくは一方の垂直シフトレジスタ１４
から電源線５を介して、適当なタイミングで行う。

実施例　３第３図は、本発明の第３の実施例の構成図である。本実
施例では、一方の垂直シフトレジスタ１７から垂直走査
線１８が、信号増幅手段１３′へと延びている他は、第
２図の実施例と同様の構造を有している。

また、本実施例の動作についても、垂直方向の信号増幅
手段１３′　の選択、もしくはリセット動作等に垂直シ
フトレジスタ１７によって走査される垂直走査線１８を
用いる他は、第２図の実施例の動作と同様である。

実施例　４第４図は、本発明の第４の実施例の構成図である。本実
施例では、水平シフトレジスタ１９およびこの水平シフ
トレジスタ１９から信号増幅手段１３＃八と延びる水平
走査線２０を有する他は、第３図の実施例と同様の構造
を有している。

また、本実施例の動作についても、水平方向の信号増幅
手段１３′の選択、もしくはリセット動作等に、水平シ
フトレジスタ１９によって走査される水平走査線２０を
用いる他は、第３図の実施例の動作と同様である。

実施例　５第５図は、本発明の第５の実施例の構成図である。本実
施例では、ホトダイオード１およびこのホトダイオード
１の接続している信号増幅手段１３”’は、１画素を構
成しており、両端に垂直シフトレジスタ１４を有する電
源線５．一端に増幅信号読み出し手段２１を有する水平
信号線２２、および一端に水平シフトレジスタ１９を有
する水平走査線２０とが、信号増幅手段１３″に接続し
ている。また、増幅信号読み出し手段２１からは出力線
２３が延びている。

次に、本実施例の動作について説明する。ホトダイオー
ド１に入射した光の光電変換によって生じた信号電荷は
、信号増幅手段１３″’に入力する。

今、水平帰線期間内に、垂直方向にｎ行目の電源線５が
左右両方の垂直シフトレジスタ１４により選択されたと
すると、ｎ行目の電源線５の電位が高レベルになる。続
いて、水平走査期間では、水平走査線２０が水平シフト
レジスタ１９により順次選択され、電源線５および水平
走査線２０の雨者により選択された信号増幅手段１３″
が活性化され、水平走査線２２に増幅信号を出力する。

水平信号線２２に出力された増幅信号は、増幅信号読み
出し手段２１を介して出力線２３に出力される。また、
ホトダイオード１のリセットは、両方の、もしくは一方
の垂直シフトレジスタ１４から電源線５を介して、また
は水平シフトレジスタ１９から水平走査線２０を介して
、適当なタイミングで行う。

以上の各実施例では、ホトダイオードの数を２×２個に
限定して説明したが、任意のｘＸｙ個とした場合につい
ても、同様であることは明らかであり、また、半導体の
不純物導電型のｐ型、ｎ型は逆であってもよく、この場
合は、電圧の正と負を逆にすればよいことも明らかであ
る。さらに、各ホトダイオードに１個ずつの信号増幅手
段を設けなくても１例えば２〜４個のホトダイオードに
信号増幅手段を１個ずつ設けてもよいことも、上記の各
実施例から容易に理解される。また、上記各実施例では
、電源線を全て水平走査方向に平行に設けたが、これを
全て水平走査方向に垂直に設けてもよいことも容易に理
解されよう。さらに、上記各実施例では、電源線を両端
から駆動する電源線駆動手段を２個設けたが、これに限
定されず。

同一タイミングで駆動する電源線駆動手段を複数設け、
かつ、少なくとも１個の信号増幅手段をこれらの電源線
駆動手段間に接続された上記電源線に接続することによ
り、本発明の目的は達成される。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明は、同一タイミングで駆動
する複数の電源線駆動手段を設け、かつ、少なくとも１
個の信号増幅手段を電源線駆動手段間に接続された上記
電源線に接続したことにより、電源線の電圧降下を従来
例の１／４に抑制できるので、受光面端部の信号増幅手
段の増幅動作における支障を抑制でき、出力画像の均一
性を向上できるという効果がある。近年、高精細化によ
る画素数の増加に伴って、ますます配線抵抗による電圧
降下が大きくなる傾向にあるので、本発明の効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の固体Ｍ＆像装置の構
成図、第２図は、本発明の第２の実施例の構成図、第３
図は、本発明の第３の実施例の構成図、第４図は、本発
明の第４の実施例の構成図、第５図は、本発明の第５の
実施例の構成図、第６図は、従来の画素アンプ方式固体
撮像装置の構成図である。１・・・ホトダイオード２・・・画素アンプトランジスタ３・・・選択トランジスタ４・・・リセットトランジスタ５・・・電源線６・・・垂直走査線７・・・垂直信号線８・・・水平スイッチトランジスタ９・・・出力線１０．１２．１４．１７・・・垂直シフトレジスタ１１
．１９・・・水平シフトレジスタ１３．１３’、１３’、１３″’・・・信号増幅手段１
５．２１・・・増幅信号読み出し手段１６．２３・・・
出力線１８・・・垂直走査線２０・・・水平走査線２２・・・水平信号線

Claims

【特許請求の範囲】

１、複数個の受光領域と、上記各受光領域に入射した光
信号によって生じたそれぞれの電気信号を入力してそれ
ぞれ増幅する上記受光領域の数と同数もしくは異なる数
の信号増幅手段と、上記信号増幅手段に電源を供給する
電源線と、上記電源線を駆動する電源線駆動手段と、上
記信号増幅手段の出力を読み出す読み出し手段とを具備
する固体撮像装置において、同一タイミングで駆動する
少なくとも２個の上記電源線駆動手段が設けられ、かつ
、少なくとも１個の上記信号増幅手段が上記電源線駆動
手段間に接続された上記電源線に接続されていることを
特徴とする固体撮像装置。