JPH046967A - 固体撮像素子 - 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〕 本発明は、複数の画素がマトリクス状に配列されてなる
固体撮像素子に関し、特に各画素内において光信号電荷
が増幅される内部増幅型の固体撮像素子に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、受光素子とその受光素子からの信号電荷を増
幅する増幅手段とその信号電荷をリセットするリセット
手段を各画素に有し、これら画素がマトリクス状に配列
されてなる固体撮像素子において、読出し動作を行なう
信号線に対し、その読出し動作の前に予め該信号線を初
期レベルに設定するように構成することにより、高速で
高Ｓ／Ｎの読出しを可能にすると共に、感度の向上並び
にスミアの低減化をも図れるようにしたものである。

〔従来の技術〕

撮像素子の高解像度化に伴い、各画素毎に増幅機能を有
した内部増幅型の固体撮像素子の研究が行われており、
このような技術については、例えば「増幅型面体撮像素
子ＡＭ　Ｉ　　（Ａｍｐｌｉ４ｉｅｄ　ＭＯ３Ｉｎｔｅ
ｌｌｉｇｅｎｔ　Ｉｍａｇｅｒ）　Ｊ、゛テレビジョン
学会詰”１０７５〜１０８２頁、Ｖｏｌ　４１．　ｌ’
ｈｌｌ、１９８７年にその記載がある。

ここで、簡単な増幅型固体逼像素子の一例（所謂ＡＭＩ
）について説明すると、その素子の回路構成は、ＸＹア
ドレス方式とされ、素子は第２図に一部省略して示すよ
うに７トリクス状に配列された画素を有し、その各画素
は受光素子（１１）、垂直スイッチングトランジスタ（
１２）、増幅用トランジスタ（１３）及びリセット用の
りセントトランジスタ（１４）より構成されている。こ
のマトリクス状に配列された画素からなるイメージ部の
周囲には、垂直走査のための第１垂直走査回路（１５）
と、リセット用の第２垂直走査回路（１Ｇ）と、水平走
査のための水平走査回路（１７）が設けられている。水
平走査回路（１７）は水平スイッチングトランジスタ（
１８）のオン・オフを制御する回路であり、その水平ス
イッチングトランジスタ（１８）は、ビデオラインＳと
各垂直信号線（ｌ、）の接続を制御するように設けられ
ている。第１垂直走査回路（１５）、第２垂直走査回路
（１６）は、それぞれ各行の垂直スイッチングトランジ
スタ（１２）、リセットトランジスタ（１４）を制御し
、それぞれ各行の画素で共通の制御が行われる。

第３図は、この素子の読み出しの際の波形図であり、第
１垂直走査回路（１５）によって成る行が選択されてい
るものとすると、水平走査回路（１７）からの信号ΦＨ
に応して、水平スインチングトランジスタ（１８）がオ
ン・オフし、順に信号ΦＳが各ビデオラインＳに現れる
。

〔発明が解決しようとする課題］ ところで、水平走査回路（Ｉ７）からの選択により、各
画素の情報をビデオラインＳに供給する垂直信号線（ｌ
、）は、水平走査回路（１７）により選択される時以外
は全てオープン、即ち入射光が照射されるようになされ
ている。従って、ＨＤＶＳ　（高精細度撮像袋Ｗ）に対
応させるために感度を上げる場合、垂直信号線（ｌ、）
を細く形成して画素の開口率を上げる必要がある。

しかしながら、従来の固体撮像素子においては、垂直信
号線（ｌ、）を細くすると、垂直信号線（！、）の容量
Ｃと配線抵抗Ｒによる時定数ＲＣが大きくなって応答速
度（読出し速度）が遅くなるという不都合があり、ＨＤ
ＶＳに対応させることができない場合が生じる。このよ
うに、従来の場合、垂直信号ｍ（ｌｓ）を細くして画素
の開口率を上げるには限界があり、高速で高Ｓ／Ｎによ
る読出し及び感度の向上を図ることは不可能であった。

また、上記のように、垂直信号線（！、）がオープンに
なっていることから、スミアの発生も問題となる。この
ような不都合は、上記）ＩＤＶＳのほか、ＮＴＳＣ方弐
の衝突度撮影用カメラでも生しる。

本発明は、このような点に鑑み成されたもので、その目
的とするところは、高速で高Ｓ／Ｎの読出しが可能で、
感度の向上並びにスミアの低減化をも図ることができる
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〕

本発明は、受光素子（Ｄ）とその受光素子（Ｉ））から
の信号電荷を増幅する増幅手段（Ｔ、）とその信号電荷
をリセットするリセット手段（”ｒ＊　）を各画素（１
）に有し、これら画素（１）がマトリクス状に配列され
てなる固体撮像素子（Ａ）において、読出し動作を行な
う信号４１（Ｉ！ｉに対し、その読出し動作の前に予め
該信号線（ｌ、）を初期レベルに設定するように構成す
る。

〔作　用〕

上述の本発明の構成によれば、信号線（ｌ、）から信号
を読出す前に予め信号１（７！ｓ、）を初期レベルに設
定するようにしたので、出力側において初期設定を行な
う必要がなくなる。即ち、光の混入等による信号線（ｒ
、）での電荷の蓄積に伴なう信号線（Ｉ！、Ｓ　）及び
ビデオラインＶＬの電位の変動を引き起すことがないた
め、出力側において一定電位に安定させる必要がなくな
る。その結果、信号線（ｌ、）の容量に対し、出力側の
周波数特性に余裕ができ、高速で高Ｓ／Ｎの読出しが可
能となる。また、高速読出しが可能になることから、信
号線（！、）における配線抵抗の許容範囲にも余裕がで
き、信号線（１，）を細く形成して画素（１）の開口率
を上げ、感度を向上させることが可能となる。また、信
号線（ｌ、）を初期レベルに設定するため、光の混入等
によって信号線（１，）に蓄積された電荷を掃き出すこ
とができ、信号線（１，）の蓄積電荷によるスミアの発
生を低減化させることができる。

〔実施例〕

以下、第１図を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図は、本実施例に係る固体撮像素子、特に画素の構
造がフォトダイオードで発生した光信号電荷に基づく電
位をＭＯＳＦＥＴ　（ＭＯ５型電界効果トランジスタ）
のゲートに印加して電流増幅を行なうタイプの増幅型固
体撮像素子（Ａ）を示す回路図である。この固体撮像素
子（Ａ）は、水平走査回路からの１つの選択で２画素分
の信号をパラレルに出力して水平走査周波数を低減する
ようにしたものである。

この固体撮像素子（Ａ）の各画素（１）は、フォトダイ
オード（Ｄ）と、夫々ＭＯ５ＦＥＴで構成された増幅用
トランジスタ（Ｔ、）、垂直スイッチングトランジスタ
（Ｔ、　）及びリセット用トランジスタ（Ｔ、）とを有
して成り、これら画素（１）がマトリクス状に配列され
て固体撮像素子（Ａ）のイメージ部（２）を構成する。

また、このイメージ部（２）の周辺には、垂直走査のた
めの第１垂直走査回路（３ａ）と、リセット用の第２垂
直走査回路（３ｂ）と、水平走査のための水平走査回路
（４）が設けられている。

しかして、本例においては、２本のビデオラインＶＬ、
及びＶＬ、を配置する。そして、２本の垂直信号線（１
ｓｌ）及び（ｆ！、ＳＺ）を１組とし、各組の各垂直信
号線（Ｉ！、ｉｌ）及び（ｐｓｉ）が夫々２つの水平ス
イッチングトランジスタ（Ｔ、、）及び（Ｔ　ｘ□）を
介して対応するビデオラインＶＬ、及びＶＬ、に接続さ
れるようになす。また、各組における水平スイッチング
トランジスタ（ＴＸＩ）及び（”ｒｘｚ）の各ゲートを
第１のゲート線（ｆｆｉ＊＋）で接続し、水平走査回路
（４）から列方向に並ぶ各組選択線＜ｅｘ　＞をそれぞ
れ各組の第１のゲート線（ｆ＊＋）に接続する。このよ
うに構成することにより、水平走査回路（４）からの１
つの組選択信号ΦＨで同時に２つの水平スインチングト
ランジスタ（Ｔｘ＋）及び（Ｔｘｚ）を制御するように
なす。

また、第１垂直走査回路（３ａ）及び第２垂直走査回路
（３ｂ）は、夫々各行の垂直スイッチングトランジスタ
（Ｔ、）及びリセット用トランジスタ（Ｔ８）を制御す
る。そして、第１垂直走査回路（３ａ）からの行選択信
号Φ■によって例えばｎ行が選択されているものとする
と、水平走査回路（４）からの組選択信号ΦＨに応じて
、水平スイッチングトランジスタ（ＴＸＩ）及び（ＴＩ
Ｉ２）が同時にオン・オフし、それに応じて図示の例で
は、例えば０行ｍ組における２つの画素（１）の出力電
流が夫々ビデオラインＶＬ、及びＶ　Ｌ　ｚに現われる
ようになされる。尚、各ビデオラインＶＬ、及びＶＬ、
の後端部には、夫々増幅器（５ａ）及び（５ｂ）が接続
される。

次に、各画素（１）の構成を説明すると、各画素（１）
におけるフォトダイオード（Ｄ）の一端子は、増幅用ト
ランジスタ（Ｔ、）のゲートに接続され、フォトダイオ
ード（Ｄ）で発生した光信号電荷に基づく電位が増幅用
トランジスタ（Ｔ、）のゲートに印加されるようになさ
れている。また、増幅用トランジスタ（Ｔ、）には、直
列に垂直スイッチングトランジスタ（Ｔ、）が接続され
ると共に、垂直スイッチングトランジスタ（Ｔｙ）のゲ
ートには、第１垂直走査回路（３ａ）からの行選択線（
ｌア）が接続され、更にこの垂直スイッチングトランジ
スタ（Ｔ、）のドレインには水平スイッチングトランジ
スタ、例えば（ＴＸ、）からの垂直信号線（ＺＳ＋）が
接続される。また、フォトダイオード（Ｄ）の一端子に
は、上記増幅用トランジスタ（Ｔ、）のほか、リセット
用トランジスタ（Ｔ、）にも接続されており、このリセ
ット用トランジスタ（Ｔ＋ｔ　）のゲートには、第２垂
直走査回路（３ｂ）からのリセット線（２ｍ　）が接続
される。

そして、増幅用トランジスタ（Ｔ１）及びリセット用ト
ランジスタ（ＴＲ）の各ドレインには全画素共通の電源
電圧Ｖｄｄが印加される。

更に、本例では、定電圧源（６）により各増幅器（５ａ
）及び（５ｂ）の入力電位と同じ電位に固定されたバイ
パス線（！、）を水平方向に配線し、このバイパス線（
ｚｍ　）と各組の各垂直信号線（ｉ、□）及び（ｆｓｚ
）とを夫々２つのバイパススイッチングトランジスタ（
Ｔ□）及び（Ｔ　＊　ｚ　）を介して接続すると共に、
各バイパススイッチングトランジスタ（ＴＩ、）及び（
Ｔ□）の各ゲートを第２のゲート線Ｃ１，□）で接続し
、水平走査回路（４）からの組選択線（４２Ｋ　）を夫
々各組の第２のゲート線（ｐ、、ｚ）に接続する。図示
の例では、例えばｍ＆ｕ目の選択線（１，）がｍＭに関
する第１のゲート線Ｂ、＋）とｍ＋１組に間する第２の
ゲート線（Ｉ！、、２）に接続される。従って、例えば
ｍ組を選択した場合、ｍ組目の各水平スイッチングトラ
ンジスタ（ＴＸｌ）及び（Ｔ　！−がオンすると共に、
ｍ＋１ｍ目の各バイパススイッチングトランジスタ（Ｔ
１）及び（Ｔｏ）がオンし、ｍ＋１＆Ｉｌの各垂直信号
線（ｌｓｌ）及び（Ｊ！ｓｚ）の電位は、増幅器（５ａ
）及び（５ｂ）の入力電位（初期レベル）に固定される
。

次に、本例に係る固体撮像素子（Ａ）の動作を説明する
。

まず、初期状態において、各画素（１）のフォトダイオ
ード（Ｄ）は、リセット用トランジスタ（Ｔｌｌ）を介
して初期値νｄｄがセットされている。続く受光期間に
おいて、第１垂直走査回路（３ａ）からの行選択信号Φ
■で例えばｎ行が選択され、更に水平走査回路（４）か
らの組選択信号ΦＨで例えばｍｌが選択されると、ｎ行
の各画素（１）における垂直スイッチングトランジスタ
（Ｔ、）がオンし、ｍ組の２つの水平スイッチングトラ
ンジスタ（Ｔｘｌ）及び（ＴＲ２）がオンする。これら
トランジスタのオンにより、ｎ行の各画素（１）のうち
、水平のｍ＆ｔｌに対応する２つの画素（１）からの各
出力電流が夫々２本の垂直信号線（ｊ！Ｓ、）及び（４
１！ｓｚ）を介して対応する２本のビデオラインＶＬ、
及びＶ　Ｌ　Ｚに夫々供給される。ビデオラインＶＬ、
及びＶ　Ｌ　ｔに供給された各出力電流は、対応する増
幅器（５ａ）及び（５ｂ）を介して夫々出力信号Ｓ、及
びＳ２としてパラレルに出力される。その後、これらの
出力信号Ｓ１及びＳ２を例えばマルチプレクサ（図示せ
ず）にてシリアル変換（順序を補正）したのち、後段の
信号処理系に供給する。このｍ組の選択時、ｍ＋１＆ｇ
の各バイパススイッチングトランジスタ１丁、）及び（
”ｒ　ｍ　ｚ　）もオンするため、ｍ＋１組の各垂直信
号ｍ（ｌｓｌ）及び（／！ｓｚ）が増幅器（５ａ）及び
（５ｂ）の各入力電位に固定されると共に、受光期間、
光の混入等によって垂直信号線（ｌｓｌ）及び（１−５
２）に蓄積されていた電荷が掃き出される。

次に、水平走査回路（４）にて次の組、即ちｍ＋１組を
選択すると、今度は、ｎ行の各画素（］）のうち、水平
のｍ＋１＃Ｊｌに対応する２つの画素（１）がらの各出
力電流が夫々対応するビデオラインＶＬ、及びＶＬ、に
供給され、各増幅器（５ａ）及び（５ｂ）より夫々出力
信号Ｓｌ及びＳ２として取出される。このとき、ｍ＋２
組の各垂直信号線（ｌｓｌ）及び（、ｉｓ□）が増幅器
（５ａ）及び（５ｂ）の入力電位に固定される。そして
、順次、水平走査回路（４）にて全ての組を選択して１
つの行（ｎ行）の全画素（１）における出力信号Ｓ１及
びｓ２を取出すと、第１垂直走査回路（３ａ）にて次の
行、即ちｎ＋１行を選択すると共に、第２垂直走査回路
（３ｂ）にて今続出した行（ｎ行）の各画素（１）に対
しりセントを行なう。

即ち、リセット線（１ｍ　）からリセット信号φＲによ
って、その行の各画素（１）におけるリセット用トラン
ジスタ（ＴＲ）のゲートがオンし、それによりフォトダ
イオード（Ｄ）が初期値Ｖｄｄにリセットされる。もち
ろん、読出す行の選択とリセットする行の選択は、夫々
第１垂直走査回路（３ａ）と第２垂直走査回路（３ｂ）
で行なうため、今続出した打板外の行をリセットしても
よく、リセットする行は、読出す行とは独立に選択する
ことができる。

そして、この一連の動作を順次繰返してイメージ部（２
）で撮像した映像情報を順次、後段の信号処理系に供給
する。

上記例は、第１垂直走査回路（３ａ）にて１行ずつ選択
して読出すフレーム続出しの例を示したが、その他、第
１垂直走査回路（３ａ）にて同時に２行ずつ、例えばｎ
行とｎ＋１行を同時に選択して読出すようにしてもよい
。この場合、ｎ行とｎ＋１行の２画素分の出力電流が１
つの垂直信号線（ｆｆｌｓｌ）又は（４２ｓｚ）に流れ
るため、フレーム読出しの場合よりも感度が２倍になる
。また、この２行同時読出しくフィールド読出し）では
、４画素分を同時に読出すことができ、フィールド続出
しに関する水平走査周波数を２に低減させることができ
る。

従って、高精細度の撮像装置（）１０νＳ）のような水
平走査周波数の高いものに有効となる。

上述の如く、本例によれば、垂直信号線（Ｉ！、ｓｌ）
及び（ＺＳＺ）から信号を読出す前に予め垂直信号Ｍ（
Ｎｓ＋）及び（ｊ２ｓｚ）を増幅器（５ａ）及び（５ｂ
）の入力電位に固定、即ち初期レベルに設定するように
したので、光の混入等による垂直信号線（ｊ！Ｓ１）及
び（ｌｓｚ）での電荷の蓄積に伴なう垂直信号線（ｌＳ
＋）及び（ｊ！ｓｚ）並びにビデオラインＶＬ及びＶＬ
２の電位の変動は発生しなくなる。その結果、増幅器（
５ａ）及び（５ｂ）の入力点において一定電位に安定さ
せる必要がなくなり、垂直信号線（ＺＳ＋）及び（ｆ！
ｓｚ）の容量に対し、出力側の周波数特性に余裕ができ
、高速で高Ｓ／Ｎの読出しが可能となる。また、高速読
出しが可能になることから、垂直信号Ｈ（４２ｓ＋）　
及ヒ（Ｌｚ）　ニオケる配線抵抗の許容範囲にも余裕が
でき、垂直信号線（ｐｓ＋）及び（ＺＳＺ）を細く形成
して画素（１）の開口率を上げ、感度を向上させること
ができる。

また、垂直信号線（ｅｓ＋）及び（ｆｓｚ）を上述の如
く初期レベル設定するため、光の混入等によって垂直信
号線（ｔ！ｓ＋）及び（１３２）に蓄積された電荷を掃
き出すことができ、垂直信号線（ＺＳ＋）及び（ｌ　ｓ
ｚ）の蓄積電荷によるスミアの発生を低減化させること
ができる。

また、本例においては、イメージ部（２）の周辺に２つ
の垂直走査回路（３ａ）及び（３ｂ）を配し、そのうち
第２垂直走査回路（３ｂ）で各画素（１）のりセント用
トランジスタ（Ｔ、）を行単位で独立に制御するように
したので、読出しとリセットを夫々独立に行なうことが
できる。従って、フレーム読出しのほか、フィールド読
出しが可能となり、また、水平走査周波数も低減できる
ことから、感度の向上を図ることができると共に、高精
細度の撮像装置への適用の際、水平走査周波数の取扱い
に関し、回路上余裕を持たせることが可能になる。また
、電子シャッターの機能をも持たせることが可能になる
。

（Ｔ　ｍ　、）及び（Ｔｌｌりはバイパススイッチング
トランジスタである。

〔発明の効果〕

本発明に係る固体撮像素子によれば、高速で高Ｓ／Ｎの
続出しが可能になると共に、感度の向上並びにスミアの
低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る固体撮像素子を示す回路図、第
２図は従来例に係る固体撮像素子を示す回路図、第３図
はその動作を示す波形間である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　受光素子とその受光素子からの信号電荷を増幅する増
   幅手段とその信号電荷をリセットするリセット手段を各
   画素に有し、これら画素がマトリクス状に配列されてな
   る固体撮像素子において、読出し動作を行なう信号線に
   対し、その読出し動作の前に予め該信号線を初期レベル
   に設定して成る固体撮像素子。