JPS5980070A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は自動利得制御機能を有する固体撮像装置に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

テレビカメラ等に用いられる固体撮像装置では、被写体
輝度が大きく異なる場合があるため、被写体輝度によら
ずほぼ一定の出力となるようにする自動利得制御（ＡＧ
Ｃ）機能が不可欠である。そのため、信号電荷を蓄積す
る積分時間を変化させて信号電荷のａ量を被写体輝度に
よらずほぼ一定の出力を確保する方法がとられている。

第１図はこのようなＡＧＣ機能を有する固体撮像装置で
、現在提案されているものである。まず積分開始の前に
信号発生部１２から信号を発生して移送電極８とすセッ
トゲート６を開き、感光画素２−ａ、２−ｂ。

２−ｃ、２−ｄ、２　　ｅの信号電荷をＣＣＤレジスタ
９に移し、かつ浮遊拡散領域５の電荷をクリアする。そ
の後感光画素２−ａ　、　２−ｂ　、　２−ｃ　。

２−ｄ、２−ｅは受光する光量に応じて信号電荷の蓄積
を開始する。一方感光画累２−ａ、２−ｂ。

２−ｃ　、　２−ｄ　、　２−ｅに隣接する光ダイオー
ド３もほぼ同じ光量の光を受光して電荷を発生し、障壁
蛋４ｆ！４の電位を超えた電荷が浮遊拡散領域５に流入
する。この流入した電荷によって浮遊拡散領域５の電位
は変化するが、この電位は光ダイオード３全体に入射し
た元の光量に依存し、結局は各感光画素２−ａ　、　２
−ｂ　、　２−ｃ　、　２−ｄ　、　２−ｅに蓄積され
ている信号′（荷の平均値に対応する。浮遊拡散領域５
の電位が一定値を超えるとソースフォロワ回路１１のト
ランジスタがオンし、信号発生部１２から移送電極８お
よびリセットゲート６にリセット信号を発生する。この
リセット信号により移送電極８は開き、感光画素２−ａ
、２−ｂ、２−ｃ、２−ｄにその時蓄積されている信号
電荷がＣＣＤレジスタ９に移される。ＣＣＤレジスタ９
に移された信号・電荷は出力部１０により時系列信号と
して順次出力される。したがって被写体輝度が変化した
としても、出力信号の平均値は常に一定となるように利
得制御されることとなる。

ところが、このように出力信号の平均値が一定となる様
に利得制御する固体撮像装置では、被写体全体の輝度が
一様に変化する場合には問題がないが、被写体に局所的
に強い輝度の部分がある場合に問題・となる。これは出
力信号の平均値が一定でも、強い光があたる感光画素は
飽和してしまい、近隣の感光画素に信号電荷があふれて
ブルーミング現象を生じ、出力信号を著しく劣化させて
しまうからである。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、被写体に
局所的に強い輝度の部分がある場合でも適切な自動利得
制御がなされる固体撮像装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明による固体撮像装置
は、所定の電位に設定して電荷蓄積部に蓄積しうる信号
電荷の電荷量を制御する制御電極と、この制御電極の電
位を超えて流出した流出電荷を検出する検出部と、この
検出部により検出された流出電荷により移送信号を発生
する信号発生部とを備え、この信号発生部が発生する移
送信号を入力して移送部が信号電荷を電荷蓄積部から電
荷転送部に移送することにより、前記電荷移送部に移送
された信号′電荷の最大値が常に一定の値となるように
入射光に対して自動利得制御することを特徴とり−る。

〔発明の実施例〕

本発明の第１の実施例を第２図を用いて説明する。半導
体基板１３上゛に形成された感光画素２３−１　。

・・・、２３−５に対してそれぞれ障壁電極２２−１．
・・・。

２２−５、蓄積電極１７−１．・・・、１７−５を設け
る。

蓄積・ｄ極１７−１．・・・、１７．−５には、感光画
素２３−１゜・・・、２３−５で発生した信号電荷のう
ち障壁電極２２−１．・・・、２２−５の電位を超えた
電荷が流入し蓄積される。蓄積電荷１７−１．・・、１
７−５の一方の側には電荷排出電極１８−１．・・、１
８−５および電荷排出用ドレイン１９−１．・・・、１
９−５が設ケラレ、蓄積電荷１７−！、・・・、１７−
５下の′由；荷を排出することができる。また反対側に
は検出制御ｔｆｆ１２ｔＪ−１゜・・、２０−５および
電荷検出用ドレイン２１−１　・・・２１−５が設けら
れ、蓄積電荷１７−１．・・・、１７−５の電荷量が所
定値を超えた場合の検出ができる。

移送’に極１６は蓄積電極１７−１．・・・、１７−５
の信号電荷をＣＣＤレジスタ１４に移送するもので、移
送された信号電荷は出力部１５により順次時系列１６号
としてとり出される。

次にこの固体撮像装置による自動利得制側１動作を説明
する。まず積分開始の前に電荷排出電極１８、　．１８
−５の電位を制御することにより蓄積電極１７−１．・
・・、１７−５下の１ｄ号嵐荷を蒐荷排出用ドレイン１
９−１．・・・、　ｌ’ｊ　−５に排出してクリアする
。感光画素お−１，・・５．・お−５は入射光量に応じ
て光電変換をおこない信号電荷を発生する。

この信号′電荷は障壁電極２２−１．・・−，２２−５
を超えて蓄積電極１７−１．　　・、１７−５下に流入
する。感光画素２：３−１．・・・、２３−５のうち特
に感光画素ｎ−１への入射光の光量が多いとすると、感
光画素２３−１には信号′電荷が多く発生し、ついには
その感光画素２３−１の蓄積電極１７−１下の信号電荷
が構出用制御１１Ｌ＋Ｉ１．加−１の設定電位を超えて
電荷検出用ドレイン２１−１に流入する。電荷検出用ド
レイン２１−１．　　・、　２１−５に信号電荷が少し
でも流入すると、電流検出部２４により検出され、これ
により信号発生部５は移送電極１６に′ｌｔｌ検流信号
を発生する。移送・電極１６に電流検出信号が入力する
と、蓄＠電極１．７−１．・・、１７＝５にそのとき蓄
積されている信号電荷がＣＣＤレジスタ１４に移送され
る。スナわチ、ＣＣＤレジスタ１４に信号電荷を移送す
るか否かは、信号′醒荷の最大１１Ｈが所定値を超える
か否かにより定まり、結局最大の信号電荷により利得制
御がおこなわれることになる。

次に本発明の第２の実施例を第３図を用いて説明する。

本実施例では蓄積′区極１７−１　、　．１７−５に対
してそれぞれ検出制御電極２６−１．・・・、２６−５
と電荷検出用ドレイン２７−１．・・・、２７−５だけ
が設けられている。これら検出制御電極２６−１゜・・
・、２６−５と電荷検出用ビレ１イン２７−１．・・・
、２７−５で電荷排出と電荷検出との両方の機能をなす
。

自動利得制御動作は次のようになる。まず検出制御電極
２６−１．・・・、２６−５を開いて、蓄積電極１７−
１．・・・１７−５に蓄積された電荷を電荷検出用ドレ
イン２７−１．′・・、２７−５に排出する。このとき
は′電流検出しないようにする。次に感光画素２３−ｉ
。

・・・、２３−５では、入射する光により’＋４１＃が
発生し、障壁電極２２−１．・・・、２２−５を超えて
その′電荷が蓄ｓ！電極１７−１．・・、１７−５下に
蓄積する。検出用制御゛電極２６−１．・・・、２６−
５は同じ設定電位に設定されており、いずれかの蓄積電
極下の信号電荷がこの設定電位を超えれば゛電荷検出用
ドレインに流出する。それは電流検出部２４で検出され
、信号発生部５から移送電極１６に電流検出信号が出力
される。これにより蓄積電極１７−１・、・・・１７−
５の信号電荷はＣＣＤレジスタ１４に移送される。

このように本実施例では、ひとつの電極とドレインで電
荷排出と電荷検出をおこなうようにしているため、簡単
な構成で最大の信号電荷による自動利得制御ができる。

次に本発明の第３の実施例を第４図を用いて説明する。

本実施例では本来の感光画素２３−１．・・・。

２３−５に加えて、自動利得制御用のダミーの感光画素
２Ｂ−１，・・・、２８−５を設けている。すなわち感
光画素２３−１．・・・、２３−５の隣に感光画素あ−
１、・・・、２８−５を設け、これら感光画素２８−１
゜、・、２Ｂ−５に対しても障壁電極２９−１．・・・
、２９−５、蓄積電極３０−１．・・・、３ｆｌ）−５
、検出用制御電極３１−１．・・・、３１−５、゛電極
検出用ドレイン３２−１、・・・、３２−５を設ける。

自動利得制御動作は次のようになる。ます電荷すド出電
極１８−１．・・・、　１８−５と検出用制御′４極３
１−１．・・・、３１−５の電位を制御して、蓄積電極
１７−１．・・、１７−８と蓄積電極３０−ｉ、・・・
、３０−５の信号電荷を排出してクリアする。次に感光
画素Ｚ３−ｉ、・・・、２３−５とダミーの感光画素２
８−１．・・・、２８−５には、入射する光音に応じて
１荷を発生する。ダミーの感光画素２８−１．・・・、
２８−５は本来の感光画素２３−１゜・・・、２３・・
・５に隣接しているのでそれぞれ同じ電荷が発生する。

このように発生した信号電荷はそれぞれ蓄積電荷１７−
７．・・・、１７−５と蓄積電荷３０−１、・・・、３
０−５に蓄積されるが、蓄積゛電荷３０−ｉ。

・・・　３０−５のうち最大入射光量のダミーの感光画
素の蓄積′電極の信号電荷があふれて電荷検出用ドレイ
ンに流入すると、それを電流検出信号で検出し、信号発
生部δにより移送電極１６へ信号を出力して、蓄積電極
１７−１．・・・、１７−５の信号電荷をＣＣＤレジス
タ１４に移送する。

このように本実施例では、自動利得制御用に別の感光画
素、蓄積電極等を設けており、本来の信号電荷を用いて
最大値を検出することがないため、ＣＯＤレジスタに移
送される信号電荷はクリップされない正常な波形となる
。

次に第１、第２および第３の実施例による固体撮像装置
ばの電流検出部の具体例を第５図から第８図を用いて説
明する。第５図に示す′電流検出部は抵抗３８の電圧降
下を利用したものである。電荷が流出すると電流が流れ
るので抵抗あて電圧降下が生じ、その電圧降下を検出す
る。次に第６図に示す電流検出部は第５図に示す具体例
と同様に抵抗３８の電圧降下を利用したものであるが、
抵抗３８と並列にＭＯＳトランジスタ３３を設けている
。ＭＯＳトランジスタおを制御入力により開閉すること
により、検出信号を出力するか否かを制御でき、第２の
実施例の電流検出部として最適である。次に第７図に示
す′電流検出部は２つのＭＯ８＋−ランジスタ３４　、
３５とソースフォロワ回路３６とからなる。ＭＯＳトラ
ンジスタ３５を制御入力により開き、■ΩＳトランジス
タ３５のソースを浮遊状態ζこした後−ここに流入する
電荷によってひきおこされる電位変化をソースフォロワ
回路３６により検出する。この電流検出部によれば微少
′電流の検出が容易である。次に第８図に示す電流検出
部は第７図に示す電流検出部におけるソースフォロワ回
路３６の代わりにインバータ回路３７を接続したもので
ある。この電流検出部によれば微少電流の検出が容易で
あるとともに、出力がディジタル信号としてとり出せる
こ〔発明の効果〕 以上の通り本発明によれば、信号電荷の最大値に基づい
て利得制御することとしているため、局所的に強い光が
入射した場合でも適切な自動利得制御をおこなうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像装置を示す平面構成図、第２図
は本発明の第１の実施例による固体撮像装置を示す平面
構成図、第３図は本発明の第２の実施例による固体撮像
装置を示す平面構成図、第４図は本発明の第３の実施例
による固体撮像装置を示す平面構成図、第５図、第６図
、第７図、第８図はそれぞれ本発明による固体撮像装置
誰の′電流検出部の具体例を示す回路図である。 １・・・半導体基板、２−ａ　、　２　＝ｂ　、　２−
ｃ　、　２−ｄ、２−ｅ・・・感光画素、３・・・元ダ
イオード、４・・・障壁電極、５・・・浮遊拡散領域、
６・・・リセットゲート、７・・・ドレイン、８・−・
・移送電極、９・・・ＣＯＤレジスタ、１０・・・出力
部、１１・・・ソースフォロワ回路、１２・・・信号発
生部、１３・・・半導体基板、１４・・・ＣＯＤレジス
タ、１５・・・出力部、１６・・・移送電極、１７−１
　、１７−２　、１７−３　、１７−４　、１７−５・
・・蓄積電極、１８−１゜１８−２　、１８−３　、１
８−４　、１８−５・・・電荷排出電極、１９−１　、
１９−２　、１９−３　、１９−４　’、　１９−５・
・・電荷排出用ドレイン、２ｉＪ−１，２０−２，２０
−３，２０−４，２０−５・・検出制御電極、２１−１
．２１−２．２１−３　、２１−４　、２１−４５−’
＋［荷検出用ドレイン、ｎ−１，２２−２，２２−３，
２２−４，２２−５・・・障壁電極、２３−１．２３−
２．２３−３．２３−４．２３−５・・感光画素、詞・
・電流検出部、５・・信号発生部、２６−１．２６−２
．２６−３．２６−４．２６−５・・・検出制御電極、
２７−１　、２７−２　、２７−３　、２７−４　、２
７−５・・・′電荷検出用ドレイン、２１１５−１．２
８−２．２８−３　、２８−４　、２８−’５・・・ダ
ミーの感光画素、２９−１゜２９−２．２９−３．２９
−４．２９−５・・・障壁電極、加−１，３０−２，３
０−３，３０−４，３０−５・・・蓄積電極、３１−１
　、３１−２　、３１−３　、３１−４　、３１−５−
１゜検出用ｔ５り御’ｔｍ、３２−１．３２−２．３２
−３．３２−４．３２−５・・・電荷検出用ドレイン、
３３　、３４　、３５・・・ＭＯＳトランジスタ、３６
・・・ソースフォロワ回路、３７・・・インバータ回路
、３８・・・抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 受光した入射光を光電変換して信号電荷を発生する感光
   部と、この感光部が発生した信号電荷を一時蓄積する電
   荷蓄積部と、この′電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を
   移送する移送部と、この移送部により移送された信号電
   荷を転送する電荷転送部と、この電荷転送部により転送
   された信号電荷を順次出力する出力部とを備えた固体つ
   厳像装置において、 予め定められた′電位に設定して前記電荷蓄積部に蓄積
   しうる信号電荷の電荷量を制御する制御電極と、この制
   御電極の電位を超えて流出した流出電荷を検出する検出
   部と、この検出部により検出された流出電荷により移送
   イぎ号を発生する信号発生部とを備え、この信号発生部
   が発生する移送信号を入力して前記移送部が信号電荷を
   前記電荷蓄積部から前記電荷転送部ｌこ移送することに
   より、前記電荷移送部に移送された信号電荷の最大値が
   常に一定の値となるように入射光に対して自動利得制御
   することを特徴とする固体撮像装置。