JPH08228314A

JPH08228314A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH08228314A
Application number: JP7055168A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Izawa; 哲朗伊沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 1996-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成の２値化出力機能を備えた固体撮
像素子を提供する。【構成】ＣＣＤ転送路を通して出力ゲート部に転送さ
れた信号電荷のうち所定量を超えて電荷を転送させるし
きい値設定用ゲートを設け、かかるしきい値設定用ゲー
トを超えて転送されて信号電荷を受けて電圧信号に変換
する拡散層の電圧を高利得の増幅出力回路を通して出力
させる。【効果】増幅出力回路が大きな増幅利得を持つのでし
きい値設定用ゲートに対応したポテンシャルを超えるよ
うな信号電荷があるか否かに対応した２値信号を得るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像素子に関
し、特にＣＣＤを用いて光電変換された信号電荷を転送
させて、それを順次に電圧信号に変換して出力させるラ
インセンサ又はエリアセンサに利用して有効な技術に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤにより転送された信号電荷を出力
拡散層（構造上等価的にダイオードＤの形態で示され
る）に供給し、その接合容量からなるキャパシタにより
信号電圧の形態に変換し、浮遊拡散層型増幅器（FDA;Fl
oating Diffusion Amplifier)と呼ばれる増幅回路を通
して出力させるラインセンサ又はエリアセンサがある。
上記のようなＦＤＡに関しては、例えばラジオ技術社昭
和６１年１１月３日発行『ＣＣＤカメラ技術』頁６４が
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなラインセ
ンサをバーコードリーダ等に用いるときには、出力され
るアナログ信号を２値信号に変換するための２値化回路
が設けられる。本願発明者においては、外部回路の簡素
化等のためにＣＣＤ転送路の出力部において２値化させ
ることを考えた。

【０００４】この発明の目的は、簡単な構成の２値化出
力機能を備えた固体撮像素子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。

【０００５】

【課題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、ＣＣＤ転送路を通して出力
ゲート部に転送された信号電荷のうち所定量を超えて電
荷を転送させるしきい値設定用ゲートを設け、かかるし
きい値設定用ゲートを超えて転送されて信号電荷を受け
て電圧信号に変換する拡散層の電圧を高利得の増幅出力
回路を通して出力させる。

【０００６】

【作用】上記した手段によれば、増幅出力回路が大きな
増幅利得を持つのでしきい値設定用ゲートに対応したポ
テンシャルを超えるような信号電荷があるか否かに対応
した２値信号を得ることができる。

【０００７】

【実施例】図１には、この発明に係る固体撮像素子にお
ける出力部の概略構成図が示されている。ＣＣＤ（電荷
移送素子ともいう）では、電子（又は正孔）が通り易い
転送チャンネルがシリコン基板中に作られる。シリコン
基板の表面に酸化膜を挟み、転送ゲートと蓄積ゲートと
が対とされて信号転送路にそって形成される。これらの
転送ゲートと蓄積ゲートには、転送用のクロックパルス
φ２とφ１が交互に供給される。転送ゲートのチャンネ
ルと蓄積ゲート下のチャンネルとでは不純物濃度が異な
り、ゲートに電圧を印加していない状態のときに、内部
電位に差が生じ、蓄積ゲート下に電子（又は正孔）が集
まり易くしてある。

【０００８】同図のポテンシャルに示すようにシリコン
基板表面のゲートに適当な電圧を加え、転送チャンネル
内の電荷に対するポテンシャルを「波」形に出来たとす
ると、電荷（電子又は正孔）はその「波」の谷に集ま
る。ゲートにかかる電圧をパルスφ１とφ２とし、適当
に高電位／低電位に変化させ、上記「波」形を一方向に
移動させて「波」の谷に集まった電荷を転送チャンネル
内に移送させる。

【０００９】以下、電子を転送電荷とする場合について
述べる。正孔を転送電荷とする場合は、電子を転送電荷
とする場合から容易に推論できるので略す。例えば、Ｐ
型シリコン基板の表面にチャンネル幅を残して酸化膜を
形成し、リン原子イオンをイオン打ち込み法で注入させ
る。次いで熱処理を行い約０．７μｍ程度の深さ方向の
厚みを持つＮ型の導電性（電子を主荷電子とする）チャ
ンネルを形成する。

【００１０】次に、その表面全体を酸化させ、チャンネ
ル部表面に５００〜１０００Åのシリコン酸化膜を形成
する。酸化膜の上にポリシリコンからなる０．５μｍ程
度の膜を積層し、蓄積ゲートをホトリソグラフィ技術に
よって形成する。これらの蓄積ゲートのゲート長（転送
チャンネルの長手方向に向かっての寸法）は出来るだけ
短いことが転送効率の点から望まれる。これらの各蓄積
ゲートの繰り返しピッチは、ゲート長の１．５〜２．０
倍である。上記各蓄積ゲートの間にはボロン原子イオン
をイオン打ち込みし、Ｎ型導電性を少しキャンセルし、
その上に転送ゲートを蓄積ゲートと同様に酸化膜、ポリ
シリコン膜をホトリソグラフィ技術により形成する。

【００１１】転送ゲートと蓄積ゲートを相隣合うものを
結合させて同じタイミングで同一電位を加えるように
し、かつこられの電極群を１つおきに２つのグループに
分け、一方に低電位（例えば０Ｖ）を、他方に高電位
（１２Ｖ）を与える。すなわち、クロックパルスφ１と
クロックパルスφ２を供給する。

【００１２】例えば、クロックパルスφ１を０Ｖとし、
クロックパルスφ２を１２Ｖにすると、同図に実線で示
したような内部ポテンシャル分布が形成される。これに
より、（イ）から（ロ）のように電子が移動して谷の部
分に電荷が集まり、電子の転送が行われる。クロックパ
ルスφ１が１２Ｖになり、クロックパルスφ２が０Ｖに
なると、同図に点線で示すようなポテンシャル分布とな
り、電子が半クロック分だけ右方向に移動させられる。

【００１３】この実施例では、クロックパルスφ２に対
応して変化させられるタイミングパルスφAGが供給され
た出力ゲートと、信号電荷を電圧信号に変換する拡散層
（ＦＤＡ）との間には、しきい値設定ゲートＴＨが設け
られる。このしきい値設定ゲートＴＨには、２値化設定
のための所定のバイアス電圧が供給される。特に制限さ
れないが、このバイアス電圧は、外部端子から供給され
るようにされる。

【００１４】上記拡散層ＦＤＡと電源電圧ＶＤＤが印加
された拡散層との間には、リセットゲートが設けられ、
リセットパルスφＲが供給される。リセットパルスφＲ
を上記のような１２Ｖの電圧を供給すると、そのポテン
シャル分布が同図に点線で示すように低くなっている。
そして、出力ゲート部のタイミングパルスφAGもそれに
同期して１２Ｖのようなハイレベルが供給されて、同図
に点線で示すようなポテンシャル分布となっているた
め、上記しきい値設定用ゲートＴＨを超えない電子もし
きい値設定ゲートＴＨを超えてＦＤＡに転送させて、そ
の前のタイミングで上記しきい値設定用ゲートを超えて
電子が転送されていたならそれといっしょに電源電圧Ｖ
ＤＤに掃き出されることになる。

【００１５】第２図には、この発明に係る固体撮像素子
に設けられる増幅出力回路の一実施例の回路図が示され
ている。同図の各回路素子は、公知の半導体集積回路の
製造技術により、上記ＣＣＤ固体撮像素子を構成する他
の素子とともに単結晶シリコンのような１個の半導体基
板上において形成される。

【００１６】転送パルスφ１とφ２によりＣＣＤ転送回
路及び上記のような出力ゲート及びしきい値設定用ゲー
トを通して転送された信号電荷は、出力拡散層ＦＤＡに
入力される。この出力拡散層ＦＤＡにより電圧信号に変
換されて、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ１と負荷ＭＯＳＦＥＴＱ
２からなるソースフォロワ回路により電力増幅される。
ここで、上記負荷ＭＯＳＦＥＴＱ２は、ディプレッショ
ン型ＭＯＳＦＥＴから構成され、そのゲートとソースが
共通化されることによって定電流負荷として作用する。

【００１７】この実施例では、ソースフォロワ回路によ
り電力増幅された電圧信号を、電圧増幅するためにソー
ス接地増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲートに伝えられる。こ
の場合、ソースフォロワ回路の電圧信号に含まれる直流
電圧に対して無関係にソース接地増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５
の動作点を最適に設定するため、ソースフォロワ回路の
出力とソース接地増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲートとの間
には、結合容量としてのキャパシタＣ１が設けられる。

【００１８】上記増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲートにはス
イッチＭＯＳＦＥＴＱ３を介して間欠的にバイアス電圧
ＶＢが与えられる。すなわち、スイッチＭＯＳＦＥＴＱ
３は、そのゲートにタイミングパルスφCPが供給され、
後述するように上記出力拡散層ＦＤＡをリセットするタ
イミングにほゞ同期して、言い換えるならば、信号電荷
の出力期間以外の期間においてスイッチＭＯＳＦＥＴＱ
３がオン状態にされてソース接地増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５
のゲートにバイアス電圧ＶＢを供給する。

【００１９】特に制限されないが、ソース接地増幅ＭＯ
ＳＦＥＴＱ５のドレインには、ゲートとドレインが共通
接続された負荷ＭＯＳＦＥＴＱ４が設けられる。この増
幅ＭＯＳＦＥＴＱ４とＱ５のコンダクタンス比に従っ
て、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲートに供給された電圧信
号が電圧増幅され、電力増幅を行う増幅ＭＯＳＦＥＴＱ
６とデプレッション型負荷ＭＯＳＦＥＴＱ７からなるソ
ースフォロワ出力回路を通して出力される。

【００２０】この実施例のようにキャパシタＣ１を介し
てソースフォロワ回路の出力とソース接地増幅ＭＯＳＦ
ＥＴＱ５を用いた反転増幅回路の入力とを直流的に分離
したのは、次のような理由による。ソースフォロワ出力
回路の出力と反転増幅回路の入力とを直結すると、反転
増幅回路の動作点が合わなくなる。ＣＣＤの性能を保っ
て信号電荷を効率よく引き出すためには出力拡散層（Ｆ
ＤＡ）を約１２Ｖ程度の高い電圧ＶＤＤにリセットする
必要がある。このため、ソースフォロワ回路の出力電圧
は、電圧ＶＤＤよりソースフォロワ増幅ＭＯＳＦＥＴＱ
１のしきい値電圧だけレベル低下した電圧を基準にして
低下するものとなる。そこで、ソースフォロワ増幅ＭＯ
ＳＦＥＴＱ１のしきい値電圧を高くして、反転増幅回路
に入力される電圧レベルを低下させることも考えられ
る。しかしながら、このようにすると、ソースフォロワ
増幅ＭＯＳＦＥＴＱ１の動作としては、電源電圧ＶＤＤ
に対して出力電圧が約半分以下になるような条件では特
性が劣化してしまう。

【００２１】上記のようにソースフォロワ回路と反転増
幅回路を直結したのでは、リセットパルスφ_Rをハイレ
ベルからロウレベルにしてリセットＭＯＳＦＥＴをオフ
状態にするときのフィードスルー成分も反転増幅回路が
増幅してしまい、熱雑音もそのまま増幅してしまうなど
実用上難点が多くとうてい実用に供し得なくなってしま
う。そこで、この実施例では上述のようにキャパシタＣ
１を介してソースフォロワ回路の出力とソース接地増幅
ＭＯＳＦＥＴＱ５を用いた反転増幅回路の入力とを直流
的に分離し、それぞれ２つの増幅回路を最適な条件で動
作させるようにするものである。

【００２２】図３には、上記反転増幅回路の入出力特性
図が示されている。上記バイアス電圧ＶＢを基準にし
て、ＦＤＡに転送された信号電圧がΔＶより大きく負方
向に変化したなら出力信号はハイレベルとなり、信号電
荷が内ならバイアス電圧ＶＢのままとなるのでロウレベ
ルの出力信号が得られる。つまり、ＦＤＡに信号電荷が
あるか無いかにより、ハイレベル／ロウレベルの２値信
号が出力される。

【００２３】図４には、この発明に係る固体撮像素子の
出力動作を説明するための波形図が示されている。時刻
ｔ０からｔ１まではクロックパルスφ１とφCPがハイレ
ベルで、クロックパルスφ２とφAGがロウレベルとな
り、リセットパルスφＲがその間にハイレベルからロウ
レベルに変化させられる。つまり、図１において点線で
示すようなポテンシャル分布とされ、ＦＤＡに出力ゲー
トからの電子の転送とリセット動作とが行われる。増幅
出力回路では、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲートにバイア
ス電圧ＶＢがセットされる。

【００２４】時刻ｔ１からｔ２まではクロックパルスφ
１とφCPがロウレベルで、クロックパルスφ２とφAGが
ハイレベルとなる。これは、図１において実線で示すよ
うなポテンシャル分布とされ、出力ゲートからＦＤＡへ
の電子の転送が行われる。このとき、しきい値ゲートＴ
Ｈをポテンシャルを超える電子量のみがＦＤＡに出力さ
れる。このときの出力ゲート部の電子が上記しきい値ゲ
ートＴＨを超える量だけないときには、出力信号ＯＵＴ
はロウレベルにされる。

【００２５】時刻ｔ２からｔ４まではクロックパルスφ
１とφCPがハイレベルで、クロックパルスφ２とφAGが
ロウレベルとなり、クロック期間の前周期である時刻ｔ
２からｔ３まではリセットパルスφＲがハイレベルにさ
せられ、後周期である時刻ｔ３からｔ４まではロウレベ
ルにされる。つまり、図１において点線で示すようなポ
テンシャル分布とされ、ＦＤＡに出力ゲートからの電子
の転送とリセット動作とが行われる。増幅出力回路で
は、前半周期間に増幅ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲートにバイ
アス電圧ＶＢがセットされる。

【００２６】時刻ｔ４からｔ５まではクロックパルスφ
１とφCPがロウレベルで、クロックパルスφ２とφAGが
ハイレベルとなる。これは、図１において実線で示すよ
うなポテンシャル分布とされ、出力ゲートからＦＤＡへ
の電子の転送が行われる。このときの出力ゲート部の電
子が上記しきい値ゲートＴＨを少しでも超えてＦＤＡに
転送させられると増幅出力回路により増幅されて出力信
号ＯＵＴはハイレベルにされる。

【００２７】図５には、この発明に係るラインセンサの
一実施例の要部回路図が示されている。同図の各回路
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、単結晶シリコンのような１個の半導体基
板上において形成される。同図においては、転送ゲート
を示すＭＯＳＦＥＴに付された回路記号が、前記図２の
増幅出力回路と重複しているが、それぞれは別個の回路
機能を実現するために設けられたものである。

【００２８】光電変換素子としてのフォトダイオードＤ
１、Ｄ２〜Ｄ３は、例示的に示されているように横方向
に並べられて配置される。フォトダイオードＤ１〜Ｄ３
は、一列に配列されることによって一次元フォトトダイ
オードアレイを構成する。上記フォトダイオードＤ１〜
Ｄ３のアノード電極側には、回路の接地電位点に結合さ
れる。上記フォトダイオードＤ１のカソード側の電極
は、特に制限されないが、ゲート手段として用いられる
ＭＯＳＦＥＴＱ１と、転送用のＭＯＳＦＥＴＱ２を通し
て転送回路ＣＣＤの対応する転送段の蓄積ゲート下の半
導体領域に結合される。他の例示的に示されているフォ
トダイオードＤ２及びＤ３のカソード電極も、上記同様
にＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４及びＱ５、Ｑ６を介して上記
転送回路ＣＣＤの対応する転送段に結合される。

【００２９】上記ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ３及びＱ５のゲ
ートには、タイミングパルスＰＧが共通に供給される。
また、ＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ４及びＱ６のゲートには、
転送用のタイミングパルスＴＧが共通に供給される。特
に制限されないが、上記タイミングパルスＰＧは、５Ｖ
系のタイミングパルスとされ、上記転送用のタイミング
パルスＴＧは１２Ｖ系のタイミングパルスとされる。

【００３０】上記フォトダイオードアレイにおいて、１
つのフォトダイオードの占有面積に対して後述する転送
回路ＣＣＤの単位のＣＣＤ転送チャンネルの長さが大き
い場合、上記フォトダイオードを高密度に配置させるた
めに、転送回路ＣＣＤを上記フォトダイオードアレイに
対して上下に分割して配置するものとしてもよい。すな
わち、奇数段のフォトダイオードＤ１等からの読み出し
信号は、上側に配置される転送回路ＣＣＤによって転送
し、偶数段のフォトダイオードＤ２等は、下側に配置さ
れる転送回路ＣＣＤによって転送するものとしてもよ
い。この場合、上記転送回路ＣＣＤの分割に応じて、そ
れに対応したＭＯＳＦＥＴを上下に分けて配置される。

【００３１】上記フォトダイオードＤ１〜Ｄ３により光
電変換された電子は、上記ＭＯＳＦＥＴの形態で示され
てゲートを通してパラレルにＣＣＤに読み出され、上記
のようなＣＣＤの動作によってシリアルに転送され、出
力部に設けられた増幅出力回路ＡＭＰを通して２値化さ
れて出力される。

【００３２】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）ＣＣＤ転送路を通して出力ゲート部に転送され
た信号電荷のうち所定量を超えて電荷を転送させるしき
い値設定用ゲートを設け、かかるしきい値設定用ゲート
を超えて転送されて信号電荷を受けて電圧信号に変換す
るキャパシタ電圧を高利得の増幅出力回路を通して出力
させることにより、しきい値設定用ゲートに対応したポ
テンシャルを超えるような信号電荷があるか否かに対応
した２値信号を得ることができるという効果が得られ
る。

【００３３】（２）上記（１）により、バーコードリ
ーダとして用いるときには、外部回路に２値化回路が省
略でき、小型軽量化と低消費電力化が可能になるという
効果が得られる。

【００３４】以上本発明者よりなされた発明を実施例に
基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限
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。例えば、反転
増幅回路としてはＣＭＯＳインバータ回路を利用するも
のであってもよい。しきい値設定用ゲートは、電源電圧
を分圧して内部回路で固定的に設定したものであっても
よい。外部端子からしきい値設定用電圧を供給するもの
では、定常的にハイレベルを供給してゲート機能を無効
にしてアナログ信号を出力させるようにできるものであ
る。

【００３５】カラー化する場合には、フォトダイオード
を赤、青及び緑に対応してそれぞれ設け、それぞれのカ
ラー画素信号に対応してＣＣＤと増幅出力回路を設ける
ようにすればよい。エリアセンサにおいては、上記ＣＣ
Ｄは水平転送路とされ、それぞれには垂直転送用ＣＣＤ
を介してマトリックス配置されたフォトダイオードから
の光電変換信号を上記のように２値化させて出力させる
ことができる。この発明は、上記のようなラインサンサ
又はエリアセンサとしての固体撮像素子に広く利用でき
る。

【００３６】

【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、ＣＣＤ転送路を通して出力
ゲート部に転送された信号電荷のうち所定量を超えて電
荷を転送させるしきい値設定用ゲートを設け、かかるし
きい値設定用ゲートを超えて転送されて信号電荷を受け
て電圧信号に変換するキャパシタ電圧を高利得の増幅出
力回路を通して出力させることにより、しきい値設定用
ゲートに対応したポテンシャルを超えるような信号電荷
があるか否かに対応した２値信号を得ることができる。

【００３７】上記により、バーコードリーダとして用い
るときには、外部回路に２値化回路が省略でき、小型軽
量化と低消費電力化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る固体撮像素子における出力部の
一実施例を示す概略構成図である。

【図２】この発明に係る固体撮像素子に設けられる増幅
出力回路の一実施例を示す回路図である。

【図３】図２の増幅出力回路における反転増幅回路の動
作を説明するための入出力特性図である。

【図４】この発明に係る固体撮像素子の出力動作を説明
するためのタイミング波形図である。

【図５】この発明に係るラインセンサの一実施例を示す
要部回路図である。

【符号の説明】

ＣＣＤ…電荷移送素子、Ｑ１〜Ｑ７…ＭＯＳＦＥＴ、Ｃ
１…キャパシタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換された信号電荷を転送させるＣ
ＣＤ転送路と、かかるＣＣＤ転送路の出力ゲート部に転
送された信号電荷のうち所定量を超えた電荷だけを転送
させるしきい値設定用ゲートと、上記しきい値設定用ゲ
ートを超えて転送されて信号電荷を受けて電圧信号に変
換する拡散層と、この拡散層の電圧を高利得で増幅して
出力させる増幅出力回路とを備えてなることを特徴とす
る固体撮像素子。
【請求項２】上記増幅出力回路は、上記拡散層により
形成された電圧信号を受けるソースフォロワ回路と、こ
のソースフォロワ回路の出力信号が結合用キャパシタを
介してゲートに供給されるソース接地形態の増幅ＭＯＳ
ＦＥＴと、上記拡散層の信号電荷をリセットさせる間に
おいて上記増幅ＭＯＳＦＥＴのゲートに所定のバイアス
電圧を供給するスイッチ素子とを含み、上記増幅ＭＯＳ
ＦＥＴのドレインから増幅信号を形成する増幅回路と、
かかる増幅回路の増幅信号を電流増幅して出力させるソ
ースフォロワの出力回路とを含むものであることを特徴
とする請求項１の固体撮像素子。
【請求項３】上記固体撮像素子は、バーコードリーダ
として用いられるものであることを特徴とする請求項１
又は請求項２の固体撮像素子。