JPH0294880A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、固体撮像装置に係わり、特に光電変換素子と
してフォトトランジスタを用いた固体撮像装置に関する
。

（従来の技術） 光電変換素子としてフォトダイオードを配列した固体撮
像装置は、小型、軽量であり、しかも信頼性が高く消費
電力が少ない等の特徴を有するため、急速に進歩してい
る。しかし、画素の高密度化が進むに従い画素面積が小
さくなり、１画素から取出される信号電荷数が少なくな
り、ＳＮ比の低減は避けられないものとなっている。

このような問題を解決するための１つの手段として、増
幅型固体撮像装置が提案されている。増幅型固体撮像装
置は、光電変換素子としてフォトトランジスタを用い、
トランジスタ中の電気的に浮遊した領域に光電変換され
た電荷を蓄積し、トランジスタの出力電流を変調させる
ことにより、入射光量に応じて増幅された出力信号を得
るという方法により動作する。現在までにＳＩＴ、バイ
ポーラ、ＭＯＳ等、幾つかの異なる方式を持つ増幅型固
体撮像装置が提案されている。

第４図はバイポーラトランジスタにより構成された増幅
型固体撮像装置の一例の断面図を示している。また、第
５図はｎｐｎ型のバイポーラトランジスタの場合の単位
画素の回路構成を示している。第４図に示すように従来
のバイポーラトランジスタにより構成された増幅型固体
撮像装置では、ｎ型基板４１にコレクタ電極４８を設け
、基板４１上（正確にはコレクタ領域となる基板４１上
のｎ型層４３上）にｐ型層（ベース領域）４４及びｎ型
層（エミッタ領域）４５を形成することにより、トラン
ジスタを構成している。なお、図中４６は素子分離領域
、４７は絶縁膜である。

また、上記トランジスタを用いた１画素は第５図に示す
ように構成されている。即ち、ｎｐｎ型バイポーラトラ
ンジスタ５１のベースはＭＯＳトランジスタ５６を介し
て接地端に接続されている。

トランジスタ５１のエミッタは信号電荷蓄積用キャパシ
タ５２及びＭＯＳトランジスタ５３を並列に介１．て接
地端に接続されている。さらに、エミッタは°ＭＯＳト
ランジスタ５４を介して信号出力線５５に接続されてい
る。

このような構造の増幅型固体撮像装置では、トランジス
タ５１のベース領域４４に対しコレクタ領域４１．４３
に逆バイアスを加えることにより生じる空乏領域で光電
変換が行われる。例えば、ｎｐｎ型トランジスタの場合
、光電変換により発生した正孔はベース領域４４に蓄積
される。そのため、ベース領域４４の７１ｉ位は増加し
、エミッタ領域４５とベース領域４４が順バイアスされ
た状態になり、コレクタ領域４１．４３からエミッタ会
ｎ域４５に入射光量に応じて電流が流れる。出力信号は
エミッタ領域４５に接続されたキャパシタ５２の蓄積電
荷量の変化として得られる。

トランジスタ５１のベース領域に蓄積された正孔の消去
は、エミッタに接続されているＭＯＳトランジスタ５３
をオンすると同時に、ベースに接続されているＭＯ３＋
−ランジスタ５６をオンすることにより行われる。つま
り、エミッタ・ベース間が順バイアスとなるように電位
を与えることにより、トランジスタ５１に電子注入を行
い、ベース領域中の正孔と再結合させる。

ベース領域中の電荷の消去をこのような方法で行うと、
消去過程においてＭＯＳ）ランジスタ５６のチャネル抵
抗の持つ熱雑音が導入され、ベース領域に電位ゆらぎが
生じる。そして、ベース領域の電位ゆらぎは、トランジ
スタ５１により増幅された形で出力信号に反映されるこ
とになる。

つまり、ベース領域中の電荷の消去に伴い電位のゆらぎ
が生じ、これがＳＮ比を低下させる要因となる。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の増幅型固体撮像装置においては、出
力信号のリセットを行う際に生じる雑音電圧のゆらぎが
増幅された形で出力信号に加わることになり、ＳＮが高
いという増幅型固体撮像装置の特徴を著しく損なってい
る。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、リセット時に生じる熱雑音に起因し
た電位ゆらぎによる雑音成分を低減することができ、Ｓ
Ｎ比の向上をはかり得る増幅型固体撮像装置を提供する
ことにある。

〔発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光電変換素子としてバイポーラトラン
ジスタを用い、このトランジスタをエミッタ接地状態で
動作させ、出力信号をコレクタから取り出すことにより
、リセット時に生じる電位ゆらぎによる雑音成分を低減
することにある。

即ち本発明は、光信号を電気信号に変換して増幅する光
電変換用トランジスタを用いた固体撮は装置において、
前記光電変換用トランジスタのエミッタを接地電位にし
、ベース領域を電気的に浮遊状態で動作し、出力信号を
コレクタから取出すようにしたものである。

また本発明は、光信号を電気信号に変換して出力する１
画素を一列又は７トリツクス状に配置してなる固体撮像
装置において、前記１画素を、エミッタが接地されベー
スが電気的に浮遊された光電変換用トランジスタと、こ
のトランジスタのコレクタと接地端との間に接続された
信号電荷蓄積用キャパシタと、前記トランジスタのコレ
クタと基準電位との間に接続されたリセット用スイッチ
ング素子と、前記トランジスタのコレクタと信号出力線
との間に接続された信号電荷読出し用スイッチング素子
とから構成するようにしたものである。

（作　用） 本発明では、エミッタを接地電位にしエミッタ上に形成
されたベース・コレクタ間に逆バイアスを印加し、ベー
ス・コレクタ間に広がる空乏領域において光電変換を行
い、光電変換によって生じた電荷をベース領域に蓄積さ
せることにより、トランジスタを動作させる。出力信号
の検出は、コレクタ電極中の電荷を放電することにより
行う。

そしてこの場合、ベース領域に蓄積された電荷の消去は
行わなくてよい。従って、リセット時に生じる熱雑音に
起因した電位ゆらぎによる雑音成分を低減することが可
能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図及び第２図は本発明の一実施例に係わる増幅型固
体撮像装置を示すもので、第１図は素子断面図、第２図
は単位画素構成の回路図である。

ｐ型Ｓｔ基板１１上にｎ、Ｑ層１２．１３（エミッタ領
域）が積層形成され、ｐ型層の表面部にｐ型層（ベース
領域）１４及びｎ型層（コレクタ領域）１５が拡散によ
り形成されている。また、１６は素子分離領域、１７は
絶縁膜、１８はコレクタ７ｕ極である。

上記トランジスタを用いた１画素は第２図に示すように
構成されている。即ち、ｎｐｎ型バイポーラトランジス
タ２１のエミッタは接地され、ベースは浮遊状態となっ
ている。トランジスタ２１のコレクタは、信号電荷蓄積
用のキャパシタ２２を介して接地端に接続され、またリ
セット用のＭＯＳ）−ランジスタ２３を介して基準電位
に接続されている。また、コレクタは信号電荷読出し用
のＭ　ＯＳ　ｌ−ランジスタ２４を介して信号出力線２
５に接続されている。なお、上記１画素は、列又はマト
リックス状に配列されている。

この装置が前記第４図及び第５図に示した従来装置と異
なる点は、トランジスタ５１のエミッタを形成する領域
１２．１３が半導体ＪＪ、、Ｗ中に形成され、コレクタ
を形成する拡散領域１５が半導体基板表面に設けられて
いることである。また、エミッタが接地電位となり、ベ
ースは浮遊されている。

このような構造の増幅型固体撮像装置では、コレクタ電
極１８にはベース・コレクタ間に逆バイアスが加わるよ
うに正の電圧を与える。ベース・コレクタ間に広がる空
乏領域に光が照射されることにより発生した電荷のうち
、正孔がベース領域に注入されるため、ベースＪｊ域の
電位は上昇し、エミッタ・ベース間が順バイアスされた
状態となる。そのため、直ちにエミッタからの電子の注
入が生じる。また、同時にベースからエミッタへの正孔
の流出が生じ、エミッタ・ベース間は僅かに順バイアス
された状態が維持される。また、コレクタ電極１８の電
位は電子の流入により減少していく。第３図は光照射前
後のトランジスタ部のバンド図を示している。図中破線
３１はリセット直後の状態、実線３２は光電変換中の状
態を示している。

次に、読出し動作について説明する。読出しは、コレク
タ電極１８に接続されたＭＯＳ）ランジスタ２４をオン
状態にし、コレクタ電極１８及びキャパシタ２２に蓄え
られた電荷を放電してやることにより行う。出力信号は
、例えばコレクタ電極１８にゲートを接続させたＭＯＳ
トランジスタ２４のドレイン電流として取出すことがで
きる。

次に、読出し後のリセット動作について説明する。リセ
ットはＭＯＳトランジスタ２３をオン状態にし、コレク
タ電極の電位をＭＯＳ）ランジスタ２３のドレインに印
加されているリセット電位に回復されてやることにより
行う。ベース領域にはリセット後にも、ベース領域で電
位の変化を生じないのに十分な程の正孔が存（［する。

従って、リセット時に生じる熱雑音によるコレクタ電極
の電位のゆらぎは、ベース・コレクタ間の空乏領域の幅
を変えるが、ベースの電位を変えることはない。そのた
め、熱雑音に起因する電位ゆらぎは光信号を増幅した後
に重畳するので、ＳＮ比は従来より向上することになる
。

かくして本実施例によれば、バイポーラトランジスタに
よって構成される増幅型固体撮像装置において、エミッ
タを接地電位にし、コレクタ電極側で出力信号を取出す
ことにより、ベースにリセット用のＭＯＳ）ランジスタ
等を接続する必要はない。このため、リセット時に生じ
る熱雑音に起因した電位ゆらぎはコレクタには発生する
ものの、ベースの電位を変えることはなく、増幅される
ことはない。従って、この電位ゆらぎによる雑音成分を
実効的に減少させることができ、ＳＮ比の向上をはかる
ことができる。ことができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記光電変換用トランジスタはｎｐｎに限
るものではなく、ｐｎｐ型のバ・ｒポーラトランジスタ
でもよい。また、スイッチング素子はＭＯＳ）ランジス
タに限るものではなく、制御信号によりオン・オフする
ものであればよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、光電変換用トラン
ジスタのエミッタを接地電位にし、コレクタ電極側で出
力信号を取出すことにより、リセット時に生じる熱雑音
に起因した電位ゆらぎによる雑音成分を実効的に減少さ
せることができ、ＳＮの優れた固体撮像装置を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例に係わる増幅型固
体撮像装置を説明するためのもので、第１図は素子構造
を示す断面図、第２図は１画素構成を示す回路構成図、
第３図は光照射前後のトランジスタ部のバンド状態を示
す特性図、第４図及び第５図は従来装置を説明するため
のもので、第４図は素子構造断面図、第５図は回路構成
図である。 １１・・・ｐ型Ｓｉ基板、１２．１３・・・ｎ型゛ト導
体層（エミッタ領域）、１４・・・ｎ型拡散層（ベース
領域）　　１５・・・ｎ型拡散層（コレクタ領域）１６
・・・素子分離領域、１７・・・絶縁膜、１８・・・コ
レクタ電極、２１・・・光電変換用バイポーラトランジ
スタ、２２・・・信号電荷蓄積用キャパシタ、２３・・
・リセット用ＭＯ３）ランジスタ、２４・・・信号電荷
読出し用ＭＯ３）ランジスタ、２５・・・信号出力線。 ｊＩ　１　図 出願人代理人　弁理士　鈴ｌ玉武彦 第２図 第 図 第 図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光信号を電気信号に変換して増幅する光電変換用
   トランジスタを用いた固体撮像装置において、前記光電
   変換用トランジスタのエミッタを接地電位にし、ベース
   領域を電気的に浮遊状態で動作し、出力信号をコレクタ
   から取出すことを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）光信号を電気信号に変換して出力する１画素を一
   列又はマトリックス状に配置してなる固体撮像装置にお
   いて、前記１画素は エミッタが接地されベースが電気的に浮遊された光電変
   換用トランジスタと、このトランジスタのコレクタと接
   地端との間に接続された信号電荷蓄積用キャパシタと、
   前記トランジスタのコレクタと基準電位との間に接続さ
   れたリセット用スイッチング素子と、前記トランジスタ
   のコレクタと信号出力線との間に接続された信号電荷読
   出し用スイッチング素子とからなるものであることを特
   徴とする固体撮像装置。