JPS62154980A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は固体撮像装置に係り、特にオンチップにＡ／Ｄ
変換機構を有する固体撮像装置に関する。

（発明の背景） 従来の装置は、第１図に示すように外界の光画像信号（
アナログ信号）６を取込んでディジタル信号しこ変換す
るシステムとして、一般に固体撮像装置などの光電変換
装置（光センサ）１．前置処処理装置２．Ａ／Ｄ変換装
置３で構成している。

第２図は、上記システムの具体的な回路ブロックを示し
たものである。１１はホトダイオード、１２は垂直読出
しゲートで、これらが受光部アレ−１３を形成している
。１４は受光部アレー１３の行（水平）方向の選択を順
次行う垂直のシフトレジスタ、１６は信号を伝達する垂
直信号線、１．５は行単位で読出された信号を順次出力
側へ送り出すマルチプれフサであって、これらを含む破
線１．′の領域が第１図の光センサ１に対応している。

２′は前置増幅装置、３はＡ／Ｄ変換装置である。

上記マルチプレクサとして電荷転送素子を用いる様な固
体撮像装置が、例えば実開昭５４−５１００゜アイ・イ
ー・イー・イー・ダイジェスト・オブ・テクニカルペー
パーズ・オブ・アイ・イー・ディーエム（ＩＥＥＥ　Ｄ
ｊｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ
　ｏｆ　ＩＥＤＭ）。

ｐ　ｐ、　５３６．１９７７などに記載の様に光センサ
部分と前置増幅装置２′の一体化が報告されている。

しかし、マルチプレクサ１５からの信号はビデオ信号で
あり、一般に数Ｍ１１ｚの帯域を持つ。このため、これ
をデジタル変換するには約１０ＭＩＩｚないしそれ以上
のＡ／Ｄ変換装置が必要とされる。

この結果、Ａ／Ｄ変換装置３は大規模（数ｎｗｎ”以上
）で、消費電力の大きい（１００ｍ　ｗ以−１−）のも
のとなり、固体撮像装置］−′　と独立した装置にする
必要があった。ここで、Ａ／Ｄ変換装置３を固体撮像装
置１′や前置処理装置２とともにオンチップ上に形成す
ることができれば、システム全体の小型化と応用範囲の
拡大に多大な効果がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記の事情を背景として成されたものであり、
その目的は小型のＡ／Ｄ変換機構をモノリシックに形成
した固体撮像装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は貼−基板上に一次元
または二次元状に配置された複数個のホトタイオード、
該ホトダイオードの行の選択を行う垂直スイッチＭＯ８
）−ランジスタのゲート群、前記ホトダイオードから得
られる信号を伝達する複数列の垂直信号読出し部を具備
した固体撮像装置において、上記スイッチＭＯＳトラン
ジスタのゲートに階段状のパレスを印加する手段を有し
た垂直のシフトレジスタと前記垂直信号読出し部の各列
または複数列対応にＡ／Ｄ変換機構を複数設け、光画像
信号を並列処理することにより十分なＡ／Ｄ変換時間を
作る。これにより、Ａ／Ｄ交換機構付の固体撮像装置を
ビデオ信号帯域で使用可能にして、同時に小型、小電力
化を図るものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の１実施例を第３図により説明する。同図
は本発明による実施例の構成ブロックである。図中１０
０はホトダイオードの単位セル（以下ホトセルと略す）
、１０１はホトダイオード、１０２は垂直信号読出しゲ
ートとなるＭＯＳトランジスタ（スイッチング・トラン
ジスタ）である。１０５は行（水平）方向の選択線（行
選択線と略す）であり、階段状パルス（階段波パルスを
略す）を印加する。１０４，１０６は光画像信号を伝達
する列の垂直信号線、１０７は受光部のホトセルのアレ
ー・ブロックである。１１０はダミーのホトセル（ダミ
ーセルと略す）の単位、１］］はダミーの選択ゲートと
なるＭＯＳトランジスタ、１１２はダミーのホトダイオ
ードである。

１１５はダミーセルの選択線であり階段波パルスが印加
される、１１７はダミーセルのアレー・ブロック、１１
８はダミーセルのリセット・ゲート、１１９はダミーセ
ルのリセット信号線である。また、１３２は光画像信号
が多値に分割され、極めて小さな電圧になった垂直信号
線」二の信号電圧を精度良く大きな電圧に増幅するバイ
アス電圧増幅器（Ｂｉａｓ　ｃｈａｒｇｅＴｒａｎｓｆ
ｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）　、　Ｌ　１３はバイアス
電荷を供給するセルであって、ゲートにはダミーセル同
様のリセット信号と階段波パルスが印加され、常にバイ
アス電荷を垂直信号線に供給して、信号電荷およびダミ
ーセル電荷の転送効率を向上させることができる。１．
２２は１３２および１１３のアレーブロック、１−３３
はホトセルとダミーセルとの電荷差を比較増幅するセン
スアンプ、１２３はそのアレー・ブロックである。

さらに、１３４は読出されたビデオ信号の一時記憶部で
あり、本実施例では一時記憶部は、−特記憶セル群１４
０，１４１を２組設けてあり、それぞれ垂直信号線１０
４上のホトセル信号と同１０６上の信号が切換えスイッ
チ１４２を介して交互に蓄えられる。１２４は、上記一
時記憶部のアレーブロック、１３５は基準パルス発生器
、１３６は階段波パルス発生器、１３７はセンス系１２
２．１２３を制御するコントロール部、１３８はシフト
レジスタで構成し一時記憶部へタイミングパルスを送る
コントロール部、１２９は行方向のホトセル選択を行う
シフトレジスタ、１２５はそのバッファ回路、〕−２６
は行単位で読出された信号を順次出方側へ送り出すクル
チプレクサ、１２８はディジタル信号化された信号の出
力バッファ群、１３０はその出方端子群である。

本実施例において、Ａ、　／　Ｄ変換機能は基準パルス
発生器１３５によってコントロールされる階段波パルス
発生器１．３６およびシフ１−レジスタ１３８、階段波
パルスを行選択線１０５へ伝達するバッファ回路］−２
５、ホトセル１．　ＯＯｌ一時記憶部１３４、マルチプ
レクサ１，２６によって実現されている。以下、Ａ／Ｔ
）変換機構を第４図で説明する。ここでの説明は、光画
像信号の多値レベルを４値（２ビツト）とするが、これ
は実際にはさらに深い（多い）多値をとることができる
。

同図の（ａ）は行選択線１０５に印加される階段波パル
ス（φｗ）　、　Ｖは電圧の正方向、（ｂ）はホトセル
の電子ポテンシャルＥＰであり、符号の４４はホトダイ
オードの信号電荷、４５は垂直信号読出しゲート１０２
．４６は垂直信号線１０６のそれぞれのポテンシャルに
対応しており、下方が正である。また、（ｃ）は多値レ
ベルの一時記憶で、多値レベルに対応して４個あり、４
８は行選択線１０５を示している。

今仮に、外界の光画像信号によりＪ′２　ｔ＋のレベル
（２進コードでは”　１．０　”　）がホトセルに蓄積
されたとする。選択１！１０５に印加する階段波パルス
φＷを時刻ｔ、１．　ｔ２．　ｔｘ・・・に対応して順
次上昇させると、それに対応してｔ１〜ｔ８までは信号
電荷は出ないが、ｔ８〜ｔ４とｔ４〜ｔ５ではそれぞれ
信号電荷が垂直信号線１０６上に読出される。

この読出された信号をセンスアンプ１３３で増幅して一
時記憶部へ送る。ｔ１〜ｔ８では電荷は出ないので１１
空″情報ＯＦＦが送られる。しかし、ｔ８〜ｔ５では電
荷が出るので“有”情報ＯＮが送られ、シフトレジスタ
１３８で選ばれた一時記憶セルの一つに蓄えられる。さ
らに、一度セルに蓄えられると後続のセルに対して書込
みをしない方式を取ることにより、図に示すように“２
”の位置だけに、ホトセルに蓄えられていた多値レベル
が記憶される。従って、二次元状態におけるホトセル・
アレーの光画像信号は一特記憶セル群１４０．１４１お
よび行選択線１．０４，１．０６をマルチプレクサにょ
ろり交互に選択し、水平方向にディジタル信号を出力す
ることにより得られる。

ここで一時記憶セル群は各列に１組でも動作可能である
が、本実施例のように各行選択線に対応させて２組設け
ると固体撮像装置として極めて好適な動作をさせること
ができる。すなわち、例えば商用のビデオカメラではイ
ンターレース走査時にフィールド残像をさけるために２
行同時読出しく９） を行う。これについては例えば、特開昭５６−１．５２
３８２に詳しく説明されている。本実施例では、これは
次のようにして行われる。まず第１フイールドでは、行
選択線１０５が選択されダミーセル１１．２と比較され
てレベル情報が１４０に蓄えられる。

次に行選択線１０３が選択されダミーセル１０８と比較
されて１４１に蓄えられる。これを水平のスキャンニン
グで読出しすれば２線同時に出力が得られる。第２フイ
ールドでは、９９が選択され１】４０に蓄えられた後、
９８が選択され１４１に蓄えられる。このようにしてフ
ィールド毎に行選択線のペアをずらすことにより、２線
同時選択のインターレース走査ができる。この場合、行
選択線の切換え回路は、上記第３図のようなものを用い
れば良い。

上記Ａ／Ｄ変換方式の特長は、ホトセルからの信号が出
た後は、電荷パケットは有（ＯＮ）　、無（ＯＦ　Ｆ）
の５進デイジタル情報を担うだけで、多値レベル情報は
一時記憶部と行選択印加パルスφＷとを制御する基準パ
ルス発生器がらのパルスによって与えられるタイミング
ｔ１〜ｔ５が実効的に担っていることである。これによ
り垂直信号線上の信号電圧は、通常のＡ／Ｄ変換に必要
とされるような高精度のアナログ増幅を必要としない。

従って、従来のＡ／Ｄ変換回路のように大規模、大電力
の回路となるこしはなく、固体撮像装置のオンチップ上
にＡ／Ｄ変換機構を設けることが容易になり、システム
の小形化が図れる。

第５図は、第３図に示した実施例の一特記憶セル群１４
０の具体的な回路例である６１個の一時記憶セルは転送
ＭＯＳトランジスタ６０．６１−および蓄積ＭＯＳトラ
ンジスタ６２．６３より成る４Ｍ０Ｓトランジスタで構
成され、１６０゜１６１はそのアレー・ブロックである
。また、６４は一時記憶セルへの信号書込み用のワード
線１５８の選択スイッチ、６５は一時記憶セルのノード
Ａのプリチャージおよび信号読出し用のワード線１５８
の選択スイッチである。、１５０は最下位ビットのデー
タｄｏの信号線、］、５１はその反転データｄｏの信号
線、同様に１５２，１５３はその上位ビットのデータｄ
ｉ、ｄｉである。なお、一時記憶セルは４セルを２進コ
ードで表示するため２ビツト構成のセルとなっている。

以下、同回路の具体的な動作を第４図の階段波パルスを
例にして説明する。一時記憶セルへの書込みは、始めに
データ線信号ｄｏ、ｄｚを低レベル（ｄｏ、ｄｔ：高レ
ベル）に設定し、スイッチ６５を選択（ＯＮ）すること
で、ノードＡを低レベルにプリチャージする。次にスイ
ッチ６５を非選択（ＯＦ　Ｆ）にして、データ線ｄｏ、
ｄｔを高レベル（ｄｏ、ｄｔ：低レベル）にして、スイ
ッチ６５をＯＮする。この状態でホトセルから読出され
増幅された信号がｔ１〜ｔ８までは信号がなく、ｔ８〜
ｔ４．ｔｔ〜ｔ　１１のタイミングでは、高レベルの信
号電圧が現われるので、シフトレジスタ１３８で選択さ
れた記憶セル１６１のノードＡは高レベルが書込まれる
。しかし、ｔ８〜ｔ４の高レベルの最初のタイミングで
高レベルが書込まれるとスイッチ６４をＯＦＦするため
、その後のｔ４〜ｔ６の信号電圧は１６０に書かれない
ので一時記憶セルの内容は１１１０”＝２となる。

一方、読出しはデータ線信号ｄ　Ｏ，ｄ　ｏ　（ｄ　１
．　ｄ　ｚ）を同レベルにイコライズしておき、スイッ
チ６５を閉じ、ワード線１５８をＯＮにして、一時記憶
セル１６０，１６１の内容（ディジタル信号）を出力回
路を介して２進コードで出力する。

以上の一時記憶回路は４Ｍ０Ｓトランジスタによるフリ
ップ・フロップ形のセルであるためデータを高速に書込
み／続出しできる特徴を有している。また、同回路は２
ビツト状態で説明したが、これは多ビットでも同様であ
り、この場合は一時記憶セルを並列に多数配置すれば良
い。

第６図は本発明に用いる階段波パルスの印加方法の別の
実施例である。同図の横軸は時間、縦軸は電圧、同図（
ａ）〜（ｂ）は階段波パルスをそれぞれ示している。本
実施例では固体撮像装置に垂直信号線を４分割し、その
各々の選択スイッチＭＯＳトランジスタのゲートを各々
（ａ）〜（ｂ）の階段波パルスで駆動することにより、
さらに高速なＡ／Ｄ変換が達成される。この場合、水平
方向のスキャンニングと一時記憶セルからの読出しが同
時になるが、これは一時記憶部（第３図では４セル）を
１対ずつにするか、他にレジスタを設けるかすれば良い
。なお、第６図は４分割の例を示したが、分割数を多く
することにより、高速性能が期待できることは言うまで
もない。

以上の説明は情報源として電子を用いたが、正孔を用い
る場合も、パルス、電源の極性、半導体の導電形を逆に
することにより同様に適用できる。

また、ダーミセルの上部は光の遮断をすることが望まし
く、ＡＱ等のしゃ断材量で覆えば良い。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、固体撮像装置の垂直信号
読出し部の各列にＡ／Ｄ変換機構を設は光画像信号を並
列処理することにより、高速なＡ／Ｄ変換時間を得るこ
とができる。また、ホトセルからの多値情報は、既にア
ナログ信号ではなくディジタル情報であって、これを増
幅１判定するのは信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の点からも容
易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置のブロック図、第２図は従来例の具体
的な回路ブロック図、第３図は本発明の一実施例を示す
回路ブロック図、第４図は第３図の装置内波形を例示し
た図、第５図は第３図の具体的な回路の一部を例示した
図、第６図は階段波パルスの印加方法の別の実施例であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単一基板上に一次元または二次元状に配列された複
   数個のホトダイオードを有し、該ホトダイオードに光、
   放射線等の手段により電圧値を蓄積させ、該ホトダイオ
   ードの選択を行うスイッチＭＯＳトランジスタ群、前記
   ホトダイオードから得られる信号を伝達する複数列の信
   号読出し部および一次記憶部を具備し、上記スイッチＭ
   ＯＳトランジスタのゲートに階段状のパルスを印加する
   手段を設けたことを特徴とする固体撮像装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、前記階段状のパルスは最低レベルから順次上昇し、最
   高のレベルに到達後は最低レベルに直接遷移するパルス
   であることを特徴とする固体撮像装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、前記一時記憶部を一列に複数備えたことを特徴とする
   固体撮像装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、前記信号読出部および一次記憶部を多分割し、上記ス
   イッチＭＯＳトランジスタのゲートに時間的にシフトし
   た階段状のパルスを印加する手段を設けたことを特徴と
   する固体撮像装置。