JPH09233392A - 光電変換装置 - Google Patents
光電変換装置Info
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- JPH09233392A JPH09233392A JP8039614A JP3961496A JPH09233392A JP H09233392 A JPH09233392 A JP H09233392A JP 8039614 A JP8039614 A JP 8039614A JP 3961496 A JP3961496 A JP 3961496A JP H09233392 A JPH09233392 A JP H09233392A
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＣＭＯＳ型等のＸ−Ｙアドレス方式の光電変
換装置に上澄み電荷転送機能を備えた素子を提供し、上
澄み電荷の蓄積手段としてＣＣＤを用いなくても、同様
に信号の背景輻射による成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の高
い信号を得る。 【解決手段】 光電変換手段１から発生する光信号電荷
をＭＯＳトランジスタ２の制御電極（ゲート）に蓄積す
る光電変換装置であり、上記光電変換手段１から発生し
た電荷の上澄み電荷を転送する手段としてのスキミング
電極１２と、上記転送した上澄み電荷を蓄積する手段と
してのｎ+ 領域３１と、上記上澄み電荷による電位変化
を読み出す手段としてのＭＯＳトランジスタ２と、上記
転送する上澄み電荷量を自動的に制御する手段５１、５
２と、を有することを特徴とする光電変換装置。
換装置に上澄み電荷転送機能を備えた素子を提供し、上
澄み電荷の蓄積手段としてＣＣＤを用いなくても、同様
に信号の背景輻射による成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の高
い信号を得る。 【解決手段】 光電変換手段１から発生する光信号電荷
をＭＯＳトランジスタ２の制御電極（ゲート）に蓄積す
る光電変換装置であり、上記光電変換手段１から発生し
た電荷の上澄み電荷を転送する手段としてのスキミング
電極１２と、上記転送した上澄み電荷を蓄積する手段と
してのｎ+ 領域３１と、上記上澄み電荷による電位変化
を読み出す手段としてのＭＯＳトランジスタ２と、上記
転送する上澄み電荷量を自動的に制御する手段５１、５
２と、を有することを特徴とする光電変換装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置に関
し、例えばビデオカメラ、Ｘ線撮像装置、赤外線撮像装
置等において画像読み取りを行う一次元及び二次元の光
電変換装置に関し、特に上澄み電荷転送方式の光電変換
装置に関するものである。
し、例えばビデオカメラ、Ｘ線撮像装置、赤外線撮像装
置等において画像読み取りを行う一次元及び二次元の光
電変換装置に関し、特に上澄み電荷転送方式の光電変換
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ビデオカメラ、ディジタルカメラ
等の撮像デバイスとして、主にＣＣＤが用いられてきた
が、このような画像読取装置には、例えば、アイ・イー
・イー・イー トランザクションズ エレクトロン デ
バイシィズED-29 巻、３頁、１９８２年（IEEE Trans.E
lectron,vol.ED-29,p3,1982)や、特公平７−４８８２６
号公報に開示されたような「電荷上澄み転送方式」が用
いられている。
等の撮像デバイスとして、主にＣＣＤが用いられてきた
が、このような画像読取装置には、例えば、アイ・イー
・イー・イー トランザクションズ エレクトロン デ
バイシィズED-29 巻、３頁、１９８２年（IEEE Trans.E
lectron,vol.ED-29,p3,1982)や、特公平７−４８８２６
号公報に開示されたような「電荷上澄み転送方式」が用
いられている。
【０００３】図１３は、特公平７−４８８２６号公報に
記載された従来の電荷上澄み転送方式の赤外線撮像装置
の模式図であり、図１２は、電荷上澄み転送による電荷
量の変化を示す図であり、また、図１１（ａ）〜（ｃ）
は、電荷上澄み転送型の赤外線撮像素子の入力回路を示
す模式図である。
記載された従来の電荷上澄み転送方式の赤外線撮像装置
の模式図であり、図１２は、電荷上澄み転送による電荷
量の変化を示す図であり、また、図１１（ａ）〜（ｃ）
は、電荷上澄み転送型の赤外線撮像素子の入力回路を示
す模式図である。
【０００４】図１１，図１３において、１０１はフォト
ダイオード、１０２はシリコンＣＣＤ、１０４は赤外
線、１０５は出力回路、１１０は入力ゲート電極、１１
１は蓄積電極、１１２はスキミング電極、１１３はＣＣ
Ｄ電極、１１４はオーバーフロードレイン、１１５はオ
ーバーフロー電極、１１９はスキミング電圧入力端子で
ある。
ダイオード、１０２はシリコンＣＣＤ、１０４は赤外
線、１０５は出力回路、１１０は入力ゲート電極、１１
１は蓄積電極、１１２はスキミング電極、１１３はＣＣ
Ｄ電極、１１４はオーバーフロードレイン、１１５はオ
ーバーフロー電極、１１９はスキミング電圧入力端子で
ある。
【０００５】また、図１２において、１１６は背景輻射
による電荷、１１７は信号源の輻射による電荷、１１８
はスキミング・レベルである。
による電荷、１１７は信号源の輻射による電荷、１１８
はスキミング・レベルである。
【０００６】このような構成の従来の電荷上澄み転送型
の赤外線撮像素子の動作を、図に沿って説明すると、 まず、図１１（ａ）に示すように、赤外線１０４は
フォトダイオード１０１により光電流に変換され、入力
ゲート電極１１０を介して蓄積電極１１１の下に入力さ
れ、蓄積される。 そして、蓄積終了後、図１１（ｂ）に示すように、
スキミング電極１１２にパルス信号を加え、ポテンシャ
ル井戸の高さを変化させ、蓄積電荷の一部をＣＣＤ電極
１１３下へ移送する。移送する電荷量は、スキミング電
極１１２に加えるパルス信号（以下、スキミング電圧と
称す）により制御する。 その後、図１１（ｃ）に示すように、蓄積電極１１
１下に残留した電荷を、オーバーフロー電極１１５を介
してオーバーフロー・ドレイン１１４へ排出する。
の赤外線撮像素子の動作を、図に沿って説明すると、 まず、図１１（ａ）に示すように、赤外線１０４は
フォトダイオード１０１により光電流に変換され、入力
ゲート電極１１０を介して蓄積電極１１１の下に入力さ
れ、蓄積される。 そして、蓄積終了後、図１１（ｂ）に示すように、
スキミング電極１１２にパルス信号を加え、ポテンシャ
ル井戸の高さを変化させ、蓄積電荷の一部をＣＣＤ電極
１１３下へ移送する。移送する電荷量は、スキミング電
極１１２に加えるパルス信号（以下、スキミング電圧と
称す）により制御する。 その後、図１１（ｃ）に示すように、蓄積電極１１
１下に残留した電荷を、オーバーフロー電極１１５を介
してオーバーフロー・ドレイン１１４へ排出する。
【０００７】以上のようにして、電荷上澄み転送を行な
うことにより、図１２に示すように背景輻射による直流
成分１１６が除去され、コントラストが強調されるとと
もに、ＣＣＤ電極１１３下へ移送される電荷量が低減さ
れる。
うことにより、図１２に示すように背景輻射による直流
成分１１６が除去され、コントラストが強調されるとと
もに、ＣＣＤ電極１１３下へ移送される電荷量が低減さ
れる。
【０００８】なお、ＣＣＤ電極１１３下へ移送された電
荷は、電荷上澄み転送方式でない場合と全く同様にＣＣ
Ｄ１０２により順次転送され、出力回路１０５を通して
外部回路へ出力される。
荷は、電荷上澄み転送方式でない場合と全く同様にＣＣ
Ｄ１０２により順次転送され、出力回路１０５を通して
外部回路へ出力される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の光電変換装置では、背景輻射のフォトン数が信号源の
輻射するフォトン数に比べて極めて多い場合、信号のコ
ントラストが小さいという問題点があり、更に、この問
題は、単にシリコンＣＣＤの蓄積時間を長くするだけで
は解決できなかった。前述した従来例では、上澄み電荷
転送を行なうことにより、上記問題点を解決しているも
のの、スキム電圧は、各画素の信号電圧をもとに、外部
回路で演算、生成している為、処理時間が長い、システ
ム全体のコストがアップする、という新たな問題点が生
じる。
の光電変換装置では、背景輻射のフォトン数が信号源の
輻射するフォトン数に比べて極めて多い場合、信号のコ
ントラストが小さいという問題点があり、更に、この問
題は、単にシリコンＣＣＤの蓄積時間を長くするだけで
は解決できなかった。前述した従来例では、上澄み電荷
転送を行なうことにより、上記問題点を解決しているも
のの、スキム電圧は、各画素の信号電圧をもとに、外部
回路で演算、生成している為、処理時間が長い、システ
ム全体のコストがアップする、という新たな問題点が生
じる。
【００１０】また、ＣＣＤ以外の、例えば、ＣＭＯＳ型
センサ等のＸ−Ｙアドレス方式の光電変換装置に電荷上
澄み転送手段を備えたものは、今だに実用的なものが開
発されていないという解決すべき課題がある。
センサ等のＸ−Ｙアドレス方式の光電変換装置に電荷上
澄み転送手段を備えたものは、今だに実用的なものが開
発されていないという解決すべき課題がある。
【００１１】［発明の目的］本発明の目的は、優れた特
性を持つＣＭＯＳ型等のＸ−Ｙアドレス方式の光電変換
装置に上澄み電荷転送機能を備えた素子を提供すること
にある。
性を持つＣＭＯＳ型等のＸ−Ｙアドレス方式の光電変換
装置に上澄み電荷転送機能を備えた素子を提供すること
にある。
【００１２】また、本発明の目的は、上澄み電荷の蓄積
手段としてＣＣＤを用いなくても、同様に信号の背景輻
射による成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得るこ
とにある。
手段としてＣＣＤを用いなくても、同様に信号の背景輻
射による成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得るこ
とにある。
【００１３】
【課題を解決する為の手段および作用】本発明は、上記
課題を解決するための手段として、光電変換手段から発
生する光信号電荷を制御電極に蓄積する光電変換装置に
おいて、上記光電変換手段から発生した電荷の上澄み電
荷を転送する手段と、上記転送した上澄み電荷を蓄積す
る手段と、上記上澄み電荷による電位変化を読み出す手
段と、上記転送する上澄み電荷量を自動的に制御する手
段と、を有することを特徴とする光電変換装置を有す
る。
課題を解決するための手段として、光電変換手段から発
生する光信号電荷を制御電極に蓄積する光電変換装置に
おいて、上記光電変換手段から発生した電荷の上澄み電
荷を転送する手段と、上記転送した上澄み電荷を蓄積す
る手段と、上記上澄み電荷による電位変化を読み出す手
段と、上記転送する上澄み電荷量を自動的に制御する手
段と、を有することを特徴とする光電変換装置を有す
る。
【００１４】また、一導電型の半導体基板上に形成され
た反対導電型の不純物を拡散した第１の拡散層から成る
光電変換手段と、該光電変換手段で発生した光電荷を転
送する転送電極と、上記転送された光電荷を蓄積するた
めの蓄積電極と、上記蓄積された光電荷の上澄み電荷を
転送するスキミング電極と、上記上澄み電荷を蓄積する
反対導電型の第２の拡散層と、上記第２の拡散層に接続
され、前記上澄み電荷による電位変化を出力線に出力す
る手段と、上記上澄み電荷を転送した残りの電荷をリセ
ットする手段と、を有することを特徴とする光電変換装
置でもある。
た反対導電型の不純物を拡散した第１の拡散層から成る
光電変換手段と、該光電変換手段で発生した光電荷を転
送する転送電極と、上記転送された光電荷を蓄積するた
めの蓄積電極と、上記蓄積された光電荷の上澄み電荷を
転送するスキミング電極と、上記上澄み電荷を蓄積する
反対導電型の第２の拡散層と、上記第２の拡散層に接続
され、前記上澄み電荷による電位変化を出力線に出力す
る手段と、上記上澄み電荷を転送した残りの電荷をリセ
ットする手段と、を有することを特徴とする光電変換装
置でもある。
【００１５】また、上記光電変換手段を有する画素の全
上澄み電荷信号を読み出し、その最大電圧に応じたスキ
ミング電圧でスキム量を制御する手段を有することを特
徴とし、また、上記光電変換手段による電荷の蓄積期間
中に、各画素電圧をモニターし、上記スキミング電圧を
自動的に設定する手段を有することを特徴とする光電変
換装置でもある。
上澄み電荷信号を読み出し、その最大電圧に応じたスキ
ミング電圧でスキム量を制御する手段を有することを特
徴とし、また、上記光電変換手段による電荷の蓄積期間
中に、各画素電圧をモニターし、上記スキミング電圧を
自動的に設定する手段を有することを特徴とする光電変
換装置でもある。
【００１６】［作用］本発明によれば、上澄み電荷の蓄
積手段として、従来用いられていたＣＣＤの代わりにＭ
ＯＳトランジスタを用いることにより、従来と同様に、
信号の背景成分を除去することができ、Ｓ／Ｎ比の高
い、従ってコントラストの向上した電荷上澄み転送方式
の光電変換装置を得ることができる。
積手段として、従来用いられていたＣＣＤの代わりにＭ
ＯＳトランジスタを用いることにより、従来と同様に、
信号の背景成分を除去することができ、Ｓ／Ｎ比の高
い、従ってコントラストの向上した電荷上澄み転送方式
の光電変換装置を得ることができる。
【００１７】また、本発明によれば、スキミング電圧を
自動的に、しかもリアルタイムで制御できるため、最適
の上澄み電荷量を容易に得ることができる。
自動的に、しかもリアルタイムで制御できるため、最適
の上澄み電荷量を容易に得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。
基づいて詳細に説明する。
【００１９】［実施形態１］図１は、本発明の第１の実
施形態の光電変換素子の断面構造とその周辺回路を同時
に示す模式図であり、電荷上澄み転送の動作も模式的に
表わしている。
施形態の光電変換素子の断面構造とその周辺回路を同時
に示す模式図であり、電荷上澄み転送の動作も模式的に
表わしている。
【００２０】図において、１はフォトダイオード（ただ
し、実際のフォトダイオード１は、ｐ型の半導体基板
と、ｎ+ 拡散層３０のｐｎ接合で構成されており、説明
上、回路図として付けられている。以下の図でも同様で
ある。）、２は信号を出力するためのドライバーＭＯＳ
ＦＥＴであり、このドレイン端子は、選択スイッチ１３
を通して出力線につながり、出力線には、抵抗負荷又は
定電流負荷（不図示）が設けられ、この負荷素子とドラ
イバーＭＯＳＦＥＴ２でアンプが構成されている。ま
た、１０は入力ゲート電極、１１は蓄積電極、１２はス
キミング電極、１６はＭＯＳＦＥＴ２のフローティング
ゲートのリセット用ＭＯＳスイッチである。
し、実際のフォトダイオード１は、ｐ型の半導体基板
と、ｎ+ 拡散層３０のｐｎ接合で構成されており、説明
上、回路図として付けられている。以下の図でも同様で
ある。）、２は信号を出力するためのドライバーＭＯＳ
ＦＥＴであり、このドレイン端子は、選択スイッチ１３
を通して出力線につながり、出力線には、抵抗負荷又は
定電流負荷（不図示）が設けられ、この負荷素子とドラ
イバーＭＯＳＦＥＴ２でアンプが構成されている。ま
た、１０は入力ゲート電極、１１は蓄積電極、１２はス
キミング電極、１６はＭＯＳＦＥＴ２のフローティング
ゲートのリセット用ＭＯＳスイッチである。
【００２１】このような光電変換装置は、光電変換手段
１から発生する光信号電荷をＭＯＳトランジスタ２の制
御電極（ゲート）に蓄積する光電変換装置であり、上記
光電変換手段１から発生した電荷の上澄み電荷を転送す
る手段としてのスキミング電極１２と、上記転送した上
澄み電荷を蓄積する手段としてのｎ+ 領域３１と、上記
上澄み電荷による電位変化を読み出す手段としてのＭＯ
Ｓトランジスタ２と、上記転送する上澄み電荷量を自動
的に制御する手段（図２に後述）と、を有することを特
徴とする光電変換装置である。
１から発生する光信号電荷をＭＯＳトランジスタ２の制
御電極（ゲート）に蓄積する光電変換装置であり、上記
光電変換手段１から発生した電荷の上澄み電荷を転送す
る手段としてのスキミング電極１２と、上記転送した上
澄み電荷を蓄積する手段としてのｎ+ 領域３１と、上記
上澄み電荷による電位変化を読み出す手段としてのＭＯ
Ｓトランジスタ２と、上記転送する上澄み電荷量を自動
的に制御する手段（図２に後述）と、を有することを特
徴とする光電変換装置である。
【００２２】また、一導電型の半導体基板上に形成され
た反対導電型の不純物を拡散した第１の拡散層３０から
成る光電変換手段と、該光電変換手段で発生した光電荷
を転送する転送電極１０と、上記転送された光電荷を蓄
積するための蓄積電極１１と、上記蓄積された光電荷の
上澄み電荷を転送するスキミング電極１２と、上記上澄
み電荷を蓄積する反対導電型の第２の拡散層３１と、上
記第２の拡散層３１に接続され、前記上澄み電荷による
電位変化を出力線に出力する手段２と、上記上澄み電荷
を転送した残りの電荷をリセットする手段１４，１５
と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
た反対導電型の不純物を拡散した第１の拡散層３０から
成る光電変換手段と、該光電変換手段で発生した光電荷
を転送する転送電極１０と、上記転送された光電荷を蓄
積するための蓄積電極１１と、上記蓄積された光電荷の
上澄み電荷を転送するスキミング電極１２と、上記上澄
み電荷を蓄積する反対導電型の第２の拡散層３１と、上
記第２の拡散層３１に接続され、前記上澄み電荷による
電位変化を出力線に出力する手段２と、上記上澄み電荷
を転送した残りの電荷をリセットする手段１４，１５
と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
【００２３】次に、本実施形態の電荷上澄み転送の動作
について、図を参照しながら、説明する。 まず、図１（ａ）に示すように、光４は、光電変換
手段であるフォトダイオード１により光電流に変換さ
れ、入力ゲート電極１０を介して蓄積電極１１の下に入
力され、蓄積される。 そして、蓄積終了後、図１（ｂ）に示すように、ス
キミング電極１２にパルス信号を加え、ポテンシャル井
戸の高さを変化させ、蓄積電荷の一部（上澄み電荷）を
ＭＯＳトランジスタ２のフローティングゲートに接続さ
れるｎ+ 拡散層３１に移送する。移送する電荷量は、ス
キミング電極１２に加えるパルス信号（スキミング電
圧）により制御する。 その後、図１（ｃ）に示すように、蓄積電極１１下
に残留した電荷を、オーバーフロー電極１５を介してオ
ーバーフロー・ドレイン１４へ排出する。
について、図を参照しながら、説明する。 まず、図１（ａ）に示すように、光４は、光電変換
手段であるフォトダイオード１により光電流に変換さ
れ、入力ゲート電極１０を介して蓄積電極１１の下に入
力され、蓄積される。 そして、蓄積終了後、図１（ｂ）に示すように、ス
キミング電極１２にパルス信号を加え、ポテンシャル井
戸の高さを変化させ、蓄積電荷の一部（上澄み電荷）を
ＭＯＳトランジスタ２のフローティングゲートに接続さ
れるｎ+ 拡散層３１に移送する。移送する電荷量は、ス
キミング電極１２に加えるパルス信号（スキミング電
圧）により制御する。 その後、図１（ｃ）に示すように、蓄積電極１１下
に残留した電荷を、オーバーフロー電極１５を介してオ
ーバーフロー・ドレイン１４へ排出する。
【００２４】以上のようにして、電荷上澄み転送を行な
うことにより、図１２に示すように、背景輻射による直
流成分が除去され、コントラストが強調されるととも
に、Ｓ／Ｎ比の向上した信号を得ることができる。
うことにより、図１２に示すように、背景輻射による直
流成分が除去され、コントラストが強調されるととも
に、Ｓ／Ｎ比の向上した信号を得ることができる。
【００２５】以上、〜の動作を適宜繰り返し行なう
ことにより、信号の背景成分を除去することができ、Ｓ
／Ｎ比の高い信号を得ることができる。
ことにより、信号の背景成分を除去することができ、Ｓ
／Ｎ比の高い信号を得ることができる。
【００２６】本実施形態では、信号電荷は非破壊で読み
出すことが可能である為、蓄積期間中に信号読み出しを
行ない、例えば、全画素の上澄み電荷の最大信号に応じ
た電圧で、スキミング電圧を設定することにより、スキ
ミング量を自己最適化することが可能である。
出すことが可能である為、蓄積期間中に信号読み出しを
行ない、例えば、全画素の上澄み電荷の最大信号に応じ
た電圧で、スキミング電圧を設定することにより、スキ
ミング量を自己最適化することが可能である。
【００２７】また、上記光電変換手段を有する画素にお
いて、画素のブロック単位で信号を読み出し、その最低
電圧に応じたスキミング電圧でスキム量を、上記画素の
ブロック単位で制御することもできる。このようなブロ
ック単位での制御は、例えば、それぞれの画素を走査す
る走査回路を制御して、部分的に走査する方法等により
実施することができる。
いて、画素のブロック単位で信号を読み出し、その最低
電圧に応じたスキミング電圧でスキム量を、上記画素の
ブロック単位で制御することもできる。このようなブロ
ック単位での制御は、例えば、それぞれの画素を走査す
る走査回路を制御して、部分的に走査する方法等により
実施することができる。
【００２８】図２は、図１で概略説明した実施形態１の
光電変換装置の一例としてのＭＯＳ型ラインセンサを示
す概略回路図である。図２には、４画素分が示されてお
り、１画素分の周辺回路である点線部分Ｇ１について説
明する。なお、図１の選択スイッチ１３は省かれてい
る。
光電変換装置の一例としてのＭＯＳ型ラインセンサを示
す概略回路図である。図２には、４画素分が示されてお
り、１画素分の周辺回路である点線部分Ｇ１について説
明する。なお、図１の選択スイッチ１３は省かれてい
る。
【００２９】図２において、１は光電変換手段としての
フォトダイオード、（ただし、実際のフォトダイオード
１は、ｐ型の半導体基板と、ｎ+ 拡散層３０のｐｎ接合
で構成されており、説明上、回路図として付けられてい
る。以下の図でも同様である。）、２は信号を出力する
ためのドライバーＭＯＳＦＥＴであり、このドレイン端
子は、出力線につながり、出力線には、負荷抵抗として
のＭＯＳＦＥＴ１７が設けられ、この負荷素子１７とド
ライバーＭＯＳＦＥＴ２で、各画素単位でソースホロア
アンプが構成されている。また、１０は入力ゲート電
極、１１は蓄積電極、１２はスキミング電極、１６はＭ
ＯＳＦＥＴ２のフローティングゲートのリセット用ＭＯ
Ｓスイッチである。
フォトダイオード、（ただし、実際のフォトダイオード
１は、ｐ型の半導体基板と、ｎ+ 拡散層３０のｐｎ接合
で構成されており、説明上、回路図として付けられてい
る。以下の図でも同様である。）、２は信号を出力する
ためのドライバーＭＯＳＦＥＴであり、このドレイン端
子は、出力線につながり、出力線には、負荷抵抗として
のＭＯＳＦＥＴ１７が設けられ、この負荷素子１７とド
ライバーＭＯＳＦＥＴ２で、各画素単位でソースホロア
アンプが構成されている。また、１０は入力ゲート電
極、１１は蓄積電極、１２はスキミング電極、１６はＭ
ＯＳＦＥＴ２のフローティングゲートのリセット用ＭＯ
Ｓスイッチである。
【００３０】また、１４はオーバーフロードレイン、１
５はオーバーフロー制御スイッチとなるＭＯＳＦＥＴで
ある。
５はオーバーフロー制御スイッチとなるＭＯＳＦＥＴで
ある。
【００３１】また更に、５１はスキミング電圧の自動制
御回路、５２は、各画素の上澄み電荷の最大値を検出す
る回路である。
御回路、５２は、各画素の上澄み電荷の最大値を検出す
る回路である。
【００３２】５１、５２の上澄み電荷量を自動的に制御
する手段は、上澄み電荷の最大信号を検出し、該上澄み
電荷の最大信号と適正信号レベルとを比較し、該上澄み
電荷の信号が小さければ、スキミング電圧を制御して該
上澄み電荷を増加させ、該上澄み電荷の信号が大きけれ
ば、該上澄み電荷を減少させる。
する手段は、上澄み電荷の最大信号を検出し、該上澄み
電荷の最大信号と適正信号レベルとを比較し、該上澄み
電荷の信号が小さければ、スキミング電圧を制御して該
上澄み電荷を増加させ、該上澄み電荷の信号が大きけれ
ば、該上澄み電荷を減少させる。
【００３３】また、図中、スキミング電極１２は、上記
光電変換手段から発生する電荷の上澄み電荷を転送する
手段であり、また更に、スキミング電圧の自動制御回路
５１、各画素の上澄み電荷の最大値検出回路５２は、上
記転送する上澄み電荷量を制御する手段であり、また、
ｎ+ 領域３１は、上記転送した上澄み電荷を蓄積する手
段、また、ＭＯＳスイッチ１５、上記光電変換手段から
発生する電荷の上記上澄み電荷を転送した残りの電荷を
リセットする手段である。
光電変換手段から発生する電荷の上澄み電荷を転送する
手段であり、また更に、スキミング電圧の自動制御回路
５１、各画素の上澄み電荷の最大値検出回路５２は、上
記転送する上澄み電荷量を制御する手段であり、また、
ｎ+ 領域３１は、上記転送した上澄み電荷を蓄積する手
段、また、ＭＯＳスイッチ１５、上記光電変換手段から
発生する電荷の上記上澄み電荷を転送した残りの電荷を
リセットする手段である。
【００３４】図３は、図２の回路図のタイミングチャー
トであり、図４は、図２の回路の制御方法及び動作を示
すフローチャートである。
トであり、図４は、図２の回路の制御方法及び動作を示
すフローチャートである。
【００３５】以下、これをもとに、本実施例の動作を簡
単に説明する。
単に説明する。
【００３６】まず、時刻ｔ0 において、φR 、φT 、φ
SKM にパルスを印加し、画素の残留電荷をリセットす
る。このリセットの終了時（ｔ1 ）において、光電荷の
蓄積動作が開始される。
SKM にパルスを印加し、画素の残留電荷をリセットす
る。このリセットの終了時（ｔ1 ）において、光電荷の
蓄積動作が開始される。
【００３７】次に、時刻ｔ2 において、φT 、φS にパ
ルスを印加するとともに、スキミング電極φSKM に初期
電圧のパルスを印加すると、その電圧に応じた上澄み電
荷が、各画素のトランジスタ２のフローティングゲート
に読み出される。この時刻において、φL 、φTRにもパ
ルスを印加すると、各画素のソースフォロアアンプが動
作し、画素の信号が容量ＣT1〜ＣT4に読み出される。
ルスを印加するとともに、スキミング電極φSKM に初期
電圧のパルスを印加すると、その電圧に応じた上澄み電
荷が、各画素のトランジスタ２のフローティングゲート
に読み出される。この時刻において、φL 、φTRにもパ
ルスを印加すると、各画素のソースフォロアアンプが動
作し、画素の信号が容量ＣT1〜ＣT4に読み出される。
【００３８】その後、時刻ｔ3 からｔ4 にかけて、走査
回路２１を動作させ、容量ＣT1〜Ｃ T4の信号を出力端子
５３にシリアルに読み出すとともに、回路ブロック５２
において、それらの例えば最大値を求める。
回路２１を動作させ、容量ＣT1〜Ｃ T4の信号を出力端子
５３にシリアルに読み出すとともに、回路ブロック５２
において、それらの例えば最大値を求める。
【００３９】そして、その最大信号量に応じて、最適ス
キム電圧φSKM を回路ブロック５１で生成し、時刻ｔ5
において、各画素に印加し、再び、上澄み転送及び信号
読み出しを行なう。
キム電圧φSKM を回路ブロック５１で生成し、時刻ｔ5
において、各画素に印加し、再び、上澄み転送及び信号
読み出しを行なう。
【００４０】上述した一連の動作を繰り返し行なうこと
により、最適な上澄み信号を得ることができる。
により、最適な上澄み信号を得ることができる。
【００４１】ここで、上述の説明では、上澄み転送した
後、蓄積電極はリセットせず、画素は、引き続き蓄積動
作を行なっているが、１回の走査毎に、蓄積電極、画素
部をリセットし、新たな蓄積を行なっても、何ら問題は
ない。
後、蓄積電極はリセットせず、画素は、引き続き蓄積動
作を行なっているが、１回の走査毎に、蓄積電極、画素
部をリセットし、新たな蓄積を行なっても、何ら問題は
ない。
【００４２】図５は、図２の５１に示した、蓄積期間中
のスキミング電圧の自動設定回路の一例を示す図であ
る。この回路では、入力信号（図２に示した出力アンプ
５４からの信号）を反転アンプ６１で反転増幅し、その
出力電圧をφSKM のパルス振幅に反映する。すなわち、
入力信号が小さいほど、φSKM のパルス振幅を大きく
し、上澄み電荷転送量を自動的に多くすることができる
ものである。
のスキミング電圧の自動設定回路の一例を示す図であ
る。この回路では、入力信号（図２に示した出力アンプ
５４からの信号）を反転アンプ６１で反転増幅し、その
出力電圧をφSKM のパルス振幅に反映する。すなわち、
入力信号が小さいほど、φSKM のパルス振幅を大きく
し、上澄み電荷転送量を自動的に多くすることができる
ものである。
【００４３】図６は、図２の５２に示した各画素の上澄
み電荷信号の最大値を検出する回路の一例を示すもので
あり、（ａ）は回路図、（ｂ）は、そのタイミングチャ
ートを示すものである。動作としては、まずパルスφ
INITをＨｉとして、ＭＯＳスイッチ７１をＯＮし、容量
７２をリセットする。その後、信号が入力される毎に、
容量７２の電圧と比較し、容量７２の電圧より低けれ
ば、ＯＵＴは、（ｂ）に示すＶCCレベルとなり、高けれ
ばＧＮＤレベルになるため、ＰＭＯＳ７３がＯＮし、入
力信号が容量７２に書き込まれる。一連の動作が終了す
ると、パルスφREADをＨｉとして、ＭＯＳスイッチ７４
をＯＮし、帰還ループを作って、容量７２の電圧を出力
する ［実施形態２］図７は、第２の実施形態を示す回路図で
あり、画素の最大信号を検出する手段が異なる他は、実
施形態１と同様である。
み電荷信号の最大値を検出する回路の一例を示すもので
あり、（ａ）は回路図、（ｂ）は、そのタイミングチャ
ートを示すものである。動作としては、まずパルスφ
INITをＨｉとして、ＭＯＳスイッチ７１をＯＮし、容量
７２をリセットする。その後、信号が入力される毎に、
容量７２の電圧と比較し、容量７２の電圧より低けれ
ば、ＯＵＴは、（ｂ）に示すＶCCレベルとなり、高けれ
ばＧＮＤレベルになるため、ＰＭＯＳ７３がＯＮし、入
力信号が容量７２に書き込まれる。一連の動作が終了す
ると、パルスφREADをＨｉとして、ＭＯＳスイッチ７４
をＯＮし、帰還ループを作って、容量７２の電圧を出力
する ［実施形態２］図７は、第２の実施形態を示す回路図で
あり、画素の最大信号を検出する手段が異なる他は、実
施形態１と同様である。
【００４４】図７では、各画素の出力線にＮＰＮトラン
ジスタ２３を設け、そのエミッタを共通接続することに
より、各画素の信号を容量Ｃ1 〜Ｃ4 に読み出す際に、
ただちに信号の最大値が得られる。
ジスタ２３を設け、そのエミッタを共通接続することに
より、各画素の信号を容量Ｃ1 〜Ｃ4 に読み出す際に、
ただちに信号の最大値が得られる。
【００４５】また、この場合、５２’は、単なるバッフ
ァアンプでかまわない。
ァアンプでかまわない。
【００４６】［実施形態３］図８は、第３の実施形態を
示す図であり、画素の最大信号を検出する手段が背景光
を検出する手段になった他は、実施形態１と同様であ
る。
示す図であり、画素の最大信号を検出する手段が背景光
を検出する手段になった他は、実施形態１と同様であ
る。
【００４７】図８では、例えば、点線で囲った一つの画
素Ｇ４をダミー画素として、信号光が当たらない場所に
配置し、これによる背景光の電圧を求め、スキミング電
圧を制御する。
素Ｇ４をダミー画素として、信号光が当たらない場所に
配置し、これによる背景光の電圧を求め、スキミング電
圧を制御する。
【００４８】［実施形態４］図９は、本発明の第４の実
施形態を示す光電変換素子の模式回路図である。
施形態を示す光電変換素子の模式回路図である。
【００４９】本実施形態では、実施形態１で前述した装
置の出力アンプがＮＭＯＳ反転回路となっている点が異
なり、これにより、ゲインを１以上にすることも可能で
ある。なお、各符号は、図１で説明したものと同じであ
るので省略する。
置の出力アンプがＮＭＯＳ反転回路となっている点が異
なり、これにより、ゲインを１以上にすることも可能で
ある。なお、各符号は、図１で説明したものと同じであ
るので省略する。
【００５０】［実施形態５］図１０は、本発明の第５の
実施形態を示す光電変換素子の模式回路図である。
実施形態を示す光電変換素子の模式回路図である。
【００５１】本実施形態では、スキミング電極１２のみ
を設け、前述した実施形態の入力ゲート電極、及び蓄積
電極の役割を兼ねさせている。
を設け、前述した実施形態の入力ゲート電極、及び蓄積
電極の役割を兼ねさせている。
【００５２】フォトダイオードの発生する電荷の内の上
澄み電荷をｎ+ 領域３１に取り出した後、ｎ+ 領域３０
に設けられたＭＯＳスイッチ１５により、残留電荷を排
出する。
澄み電荷をｎ+ 領域３１に取り出した後、ｎ+ 領域３０
に設けられたＭＯＳスイッチ１５により、残留電荷を排
出する。
【００５３】スキミング電極１２により、上澄み電荷量
を制御する点は、上記実施形態と同様である。
を制御する点は、上記実施形態と同様である。
【００５４】なお、上述した実施形態では、すべて、Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート電極に光信号を転送し、読み
出すタイプの光電変換装置に関するものを述べたが、Ｆ
ＧＡ（floating gate array device）、ＡＭＩ（amplif
ied MOS intelligent imager）、ＢＡＳＩＳ（base-sto
red image sensor）、その他の光電変換装置に用いて
も、全く問題はない。
ＯＳトランジスタのゲート電極に光信号を転送し、読み
出すタイプの光電変換装置に関するものを述べたが、Ｆ
ＧＡ（floating gate array device）、ＡＭＩ（amplif
ied MOS intelligent imager）、ＢＡＳＩＳ（base-sto
red image sensor）、その他の光電変換装置に用いて
も、全く問題はない。
【００５５】また、上記実施形態では、一次元の光電変
換装置について説明したが、二次元の光電変換装置に関
しても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
換装置について説明したが、二次元の光電変換装置に関
しても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５６】また、本実施形態では、拡散層３０，３１
としてｎ型を用いたが、半導体基板をｎ型として、ｐ型
の拡散層を用いても良い。
としてｎ型を用いたが、半導体基板をｎ型として、ｐ型
の拡散層を用いても良い。
【００５７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
上澄み電荷の蓄積手段として、従来用いられていたＣＣ
Ｄの代わりに、例えばＭＯＳトランジスタを用いること
により、従来と同様に、信号の背景成分を除去すること
ができ、Ｓ／Ｎ比の高い、従ってコントラストの向上し
た電荷上澄み転送方式の光電変換装置を得ることができ
る。
上澄み電荷の蓄積手段として、従来用いられていたＣＣ
Ｄの代わりに、例えばＭＯＳトランジスタを用いること
により、従来と同様に、信号の背景成分を除去すること
ができ、Ｓ／Ｎ比の高い、従ってコントラストの向上し
た電荷上澄み転送方式の光電変換装置を得ることができ
る。
【００５８】また、本発明によれば、スキミング電圧を
自動的にリアルタイムに制御できるため、最適の上澄み
電荷量を容易に得ることができる。
自動的にリアルタイムに制御できるため、最適の上澄み
電荷量を容易に得ることができる。
【図１】本発明の実施形態１の１画素分の模式回路図と
上澄み電荷転送方式を示す模式図である。
上澄み電荷転送方式を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態１の回路図である。
【図３】本発明の実施形態１のタイミングチャートであ
る。
る。
【図４】本発明の実施形態１の動作を示すフローチャー
トである。
トである。
【図５】本発明の実施形態１のスキミング電圧の自動制
御回路図である。
御回路図である。
【図６】本発明の実施形態１の画素信号の最大値検出回
路図である。
路図である。
【図７】本発明の実施形態２の模式回路図である。
【図８】本発明の実施形態３の模式回路図である。
【図９】本発明の実施形態４の１画素分の模式回路図で
ある。
ある。
【図１０】本発明の実施形態５の１画素分の模式回路図
である。
である。
【図１１】従来の電荷上澄み転送方式の模式回路図であ
る。
る。
【図１２】スキミング動作と電荷量の関係を示す図であ
る。
る。
【図１３】従来の電荷上澄み転送方式の模式回路図であ
る。
る。
１ フォトダイオード ２ 信号を出力するためのドライバーＭＯＳＦＥＴ １０ 入力ゲート電極 １１ 蓄積電極 １２ スキミング電極 １３ 選択スイッチ １６ フローティングゲートのリセット用ＭＯＳスイッ
チ ５１ スキミング電圧自動制御回路 ５２ 画素最大値信号検出回路 ５３ 出力端子 ５４ 出力アンプ １０１ フォトダイオード １０２ シリコンＣＣＤ １０４ 赤外線 １０５ 出力回路 １１０ 入力ゲート電極 １１１ 蓄積電極 １１２ スキミング電極 １１３ ＣＣＤ電極 １１４ オーバーフロードレイン １１５ オーバーフロー電極 １１６ 背景輻射による電荷 １１７ 信号源の輻射による電荷 １１８ スキミング・レベル １１９ スキミング電圧入力端子
チ ５１ スキミング電圧自動制御回路 ５２ 画素最大値信号検出回路 ５３ 出力端子 ５４ 出力アンプ １０１ フォトダイオード １０２ シリコンＣＣＤ １０４ 赤外線 １０５ 出力回路 １１０ 入力ゲート電極 １１１ 蓄積電極 １１２ スキミング電極 １１３ ＣＣＤ電極 １１４ オーバーフロードレイン １１５ オーバーフロー電極 １１６ 背景輻射による電荷 １１７ 信号源の輻射による電荷 １１８ スキミング・レベル １１９ スキミング電圧入力端子
Claims (7)
- 【請求項１】 光電変換手段から発生する光信号電荷を
制御電極に蓄積する光電変換装置において、 上記光電変換手段から発生した電荷の上澄み電荷を転送
する手段と、 上記転送した上澄み電荷を蓄積する手段と、 上記上澄み電荷による電位変化を読み出す手段と、 上記転送する上澄み電荷量を自動的に制御する手段と、
を有することを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項２】 一導電型の半導体基板上に形成された反
対導電型の不純物を拡散した第１の拡散層から成る光電
変換手段と、 該光電変換手段で発生した光電荷を転送する転送電極
と、 上記転送された光電荷を蓄積するための蓄積電極と、 上記蓄積された光電荷の上澄み電荷を転送するスキミン
グ電極と、 上記上澄み電荷を蓄積する反対導電型の第２の拡散層
と、 上記第２の拡散層に接続され、前記上澄み電荷による電
位変化を出力線に出力する手段と、 上記上澄み電荷を転送した残りの電荷をリセットする手
段と、を有することを特徴とする請求項１記載の光電変
換装置。 - 【請求項３】 上記転送する上澄み電荷量を自動的に制
御する手段は、 上澄み電荷の最大信号を検出する手段と、 該上澄み電荷の最大信号と適正信号レベルとを比較し、
該上澄み電荷の信号が小さければ、スキミング電圧を制
御して該上澄み電荷を増加させ、該上澄み電荷の信号が
大きければ、該上澄み電荷を減少させる手段と、を有す
ることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。 - 【請求項４】 上記光電変換手段による電荷の蓄積期間
中に、各画素電圧をモニターし、上記スキミング電圧を
自動的に設定する手段を有することを特徴とする請求項
４記載の光電変換装置。 - 【請求項５】 上記光電変換手段を有する画素におい
て、複数の上記画素のブロック単位で、上記上澄み電荷
量の制御を行なうことを特徴とする請求項１記載の光電
変換装置。 - 【請求項６】 ＭＯＳ反転増幅回路による出力手段を有
することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。 - 【請求項７】 上記転送電極と、上記蓄積電極と、上記
スキミング電極とを兼ねる１つの電極を有することを特
徴とする請求項２記載の光電変換装置。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03961496A JP3559640B2 (ja) | 1996-02-27 | 1996-02-27 | 光電変換装置 |
| US08/805,968 US6064431A (en) | 1996-02-27 | 1997-02-25 | Photoelectric conversion device |
| DE69721109T DE69721109T2 (de) | 1996-02-27 | 1997-02-26 | Photoelektrische Umwandlervorrichtung mit Ladungsabschöpfung |
| ES97301258T ES2194154T3 (es) | 1996-02-27 | 1997-02-26 | Dispositivo de conversion fotoelectrica que utiliza el barrido superficial de cargas. |
| EP97301258A EP0793378B1 (en) | 1996-02-27 | 1997-02-26 | Photoelectric conversion device using charge skimming |
| HK98101574A HK1002576A1 (en) | 1996-02-27 | 1998-02-27 | Photoelectric conversion device using charge skimming |
| US09/407,298 US6342920B2 (en) | 1996-02-27 | 1999-09-29 | Photoelectric conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03961496A JP3559640B2 (ja) | 1996-02-27 | 1996-02-27 | 光電変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09233392A true JPH09233392A (ja) | 1997-09-05 |
| JP3559640B2 JP3559640B2 (ja) | 2004-09-02 |
Family
ID=12557995
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03961496A Expired - Fee Related JP3559640B2 (ja) | 1996-02-27 | 1996-02-27 | 光電変換装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6064431A (ja) |
| EP (1) | EP0793378B1 (ja) |
| JP (1) | JP3559640B2 (ja) |
| DE (1) | DE69721109T2 (ja) |
| ES (1) | ES2194154T3 (ja) |
| HK (1) | HK1002576A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP4200545B2 (ja) | 1998-06-08 | 2008-12-24 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラシステム |
| US7015964B1 (en) | 1998-11-02 | 2006-03-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Solid-state image pickup device and method of resetting the same |
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