JPS63161780A - 固体撮像素子 - Google Patents
固体撮像素子Info
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- JPS63161780A JPS63161780A JP61309499A JP30949986A JPS63161780A JP S63161780 A JPS63161780 A JP S63161780A JP 61309499 A JP61309499 A JP 61309499A JP 30949986 A JP30949986 A JP 30949986A JP S63161780 A JPS63161780 A JP S63161780A
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- Granted
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Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は検出精度を向上させた固体撮像素子に関する。
従来のＭＯ３型イメージセンサの１つの画素の原理的構
成は第４図に示すようになっている。即ち、ホトダイオ
ードＰＤがＭＯＳ−ＰＥＴのスイッチＳＷを介して映像
信号を出力するビデオラインＶＬに接続されている。ビ
デオラインＶＬは抵抗Ｒを介して負電源Ｅに接続されて
おり、この抵抗Ｒの端子間電圧の変化により映像信号■
Ｓが取り出される。 映像信号は、各画素のスイッチＳＷを順次オンとするこ
とより、スイッチＳＷを介して各画素のホトダイオード
ＰＤを負電源Ｅで充電する時の充電電流による抵抗Ｒの
電圧変動として検出される。 この充電電流はホトダイオードＰＤに励起された電荷の
量に依存する。まず、ある走査のタイミングで、ホトダ
イオードＰＤは負電源Ｅにより充電され逆方向にバイア
スされる。次の走査タイミグまでに、ホトダイオードＰ
Ｄは光を受光して電荷を光励起させる。その結果、その
光励起された電荷により予め充電された電荷は緩和され
、ホトダイオードの逆電圧Ｖｐは低下する。この逆電圧
Ｖｐは、第５図に示すように、走査タイミングの１周期
の間に受光された光の光量に応じて減少する。 例えば、光量がＯの場合暗電流によりΔｑａ（Ｄ電圧低
下が生じ、光量が増加するにつれて光励起された電荷に
よりΔｑ＋、Δｑ、の電圧低下が生じ、光量が多いと電
圧低下は飽和する。従ってホトダイオードＰＤの逆電圧
Ｖｐは、光量、暗電流、走査周期（「電荷の蓄積期間」
を意味する。）に依存する。そして、走査タイミングで
スイッチＳＷがオンとなると、ホトダイオードＰＤは再
び負電源Ｅから充電され、ホトダイオードＰＤの逆電圧
Ｖｐは負電源Ｅの電圧に等しくなる。この時流れる充電
電流は、第５図（ｄ）に示すようにホトダイオードＰＤ
の電圧低下に応じて変化する。したがって、充電電流は
ホトダイオードＰＤで１走査周期の間に受光された光量
に応じて変化することになる。しかし、ビデオラインに
は分布容量が存在し、ホトダイオードＦＤにこのビデオ
ライン容量が並列接続されているのと等価であるから、
走査時に負電源Ｅから流出する充電電流は、ビデオライ
ン容量が無い場合に比べて減少する。 第６図は１画素の部分的なパターン図である。 アパーチャ部９０の拡散層部分がホトダイオードＰＤと
なり、他の拡散部分を含めて容量部が形成されている。 ９１はｎ型の基板であり、９２．９３はｐ型の拡散層で
ある。このホトダイオードＰＤにＭＯＳ ＦＥＴスイッ
チ累子ＳＷが接続されている。 ９２はソース、９３はドレインであり、９４がゲートで
ある。そして、ドレイン９３はポリシリコン９５を介し
てビデオラインＶＬに接続されている。ビデオライン容
量には、ポリシリコン９５により形成される浮遊容量、
ドレイン９３の拡散容量、アルミニウムからなるビデオ
ラインＶＬによって形成される浮遊容量がある。
成は第４図に示すようになっている。即ち、ホトダイオ
ードＰＤがＭＯＳ−ＰＥＴのスイッチＳＷを介して映像
信号を出力するビデオラインＶＬに接続されている。ビ
デオラインＶＬは抵抗Ｒを介して負電源Ｅに接続されて
おり、この抵抗Ｒの端子間電圧の変化により映像信号■
Ｓが取り出される。 映像信号は、各画素のスイッチＳＷを順次オンとするこ
とより、スイッチＳＷを介して各画素のホトダイオード
ＰＤを負電源Ｅで充電する時の充電電流による抵抗Ｒの
電圧変動として検出される。 この充電電流はホトダイオードＰＤに励起された電荷の
量に依存する。まず、ある走査のタイミングで、ホトダ
イオードＰＤは負電源Ｅにより充電され逆方向にバイア
スされる。次の走査タイミグまでに、ホトダイオードＰ
Ｄは光を受光して電荷を光励起させる。その結果、その
光励起された電荷により予め充電された電荷は緩和され
、ホトダイオードの逆電圧Ｖｐは低下する。この逆電圧
Ｖｐは、第５図に示すように、走査タイミングの１周期
の間に受光された光の光量に応じて減少する。 例えば、光量がＯの場合暗電流によりΔｑａ（Ｄ電圧低
下が生じ、光量が増加するにつれて光励起された電荷に
よりΔｑ＋、Δｑ、の電圧低下が生じ、光量が多いと電
圧低下は飽和する。従ってホトダイオードＰＤの逆電圧
Ｖｐは、光量、暗電流、走査周期（「電荷の蓄積期間」
を意味する。）に依存する。そして、走査タイミングで
スイッチＳＷがオンとなると、ホトダイオードＰＤは再
び負電源Ｅから充電され、ホトダイオードＰＤの逆電圧
Ｖｐは負電源Ｅの電圧に等しくなる。この時流れる充電
電流は、第５図（ｄ）に示すようにホトダイオードＰＤ
の電圧低下に応じて変化する。したがって、充電電流は
ホトダイオードＰＤで１走査周期の間に受光された光量
に応じて変化することになる。しかし、ビデオラインに
は分布容量が存在し、ホトダイオードＦＤにこのビデオ
ライン容量が並列接続されているのと等価であるから、
走査時に負電源Ｅから流出する充電電流は、ビデオライ
ン容量が無い場合に比べて減少する。 第６図は１画素の部分的なパターン図である。 アパーチャ部９０の拡散層部分がホトダイオードＰＤと
なり、他の拡散部分を含めて容量部が形成されている。 ９１はｎ型の基板であり、９２．９３はｐ型の拡散層で
ある。このホトダイオードＰＤにＭＯＳ ＦＥＴスイッ
チ累子ＳＷが接続されている。 ９２はソース、９３はドレインであり、９４がゲートで
ある。そして、ドレイン９３はポリシリコン９５を介し
てビデオラインＶＬに接続されている。ビデオライン容
量には、ポリシリコン９５により形成される浮遊容量、
ドレイン９３の拡散容量、アルミニウムからなるビデオ
ラインＶＬによって形成される浮遊容量がある。
以上のように、従来のＭＯＳイメージセンサは、ビデオ
ライン容量により映像信号のレベルが低下し感度が低く
なるという問題がある。また、各画素のホトダイオード
ＰＤは一定の周期で走査して順次充電し、その時の充電
電流を映像信号として検出しているため、各画素の電荷
の蓄積期間はその画素の走査タイミングに応じて異なる
。したがって、映像のサンプルホールドのタイミングが
異なり、全画素において同時性ある映像信号を得ること
ができないという問題がある。同時性のある映像信号が
得られないと、走査周期より高周期で大きく輝度が変化
する光源、例えば蛍光灯の映像信号にスパイクを生じ平
均的な明度を測定するのに問題がある。
ライン容量により映像信号のレベルが低下し感度が低く
なるという問題がある。また、各画素のホトダイオード
ＰＤは一定の周期で走査して順次充電し、その時の充電
電流を映像信号として検出しているため、各画素の電荷
の蓄積期間はその画素の走査タイミングに応じて異なる
。したがって、映像のサンプルホールドのタイミングが
異なり、全画素において同時性ある映像信号を得ること
ができないという問題がある。同時性のある映像信号が
得られないと、走査周期より高周期で大きく輝度が変化
する光源、例えば蛍光灯の映像信号にスパイクを生じ平
均的な明度を測定するのに問題がある。
上記問題点を解決するための発明の構成は、各画素にホ
トダイオードを配列し、各ホトダイオードにおいて光励
起された電荷に基づいて映像信号を出力する固体撮像素
子において、前記ホトダイオードに並列に接続され、少
なくともホトダイオードにより光励起された電荷の蓄積
期間導通されるスイッチ素子と容量素子からなる直列回
路と、前記容量素子の端子電圧を入力し電流増幅した信
号を映像信号として出力する増幅回路とを設けた検出セ
ルを有することである。
トダイオードを配列し、各ホトダイオードにおいて光励
起された電荷に基づいて映像信号を出力する固体撮像素
子において、前記ホトダイオードに並列に接続され、少
なくともホトダイオードにより光励起された電荷の蓄積
期間導通されるスイッチ素子と容量素子からなる直列回
路と、前記容量素子の端子電圧を入力し電流増幅した信
号を映像信号として出力する増幅回路とを設けた検出セ
ルを有することである。
電荷の蓄積期間において、スイッチ素子は導通され、ホ
トダイオードから出力される光電流がホトダイオードに
スイッチ素子を介して並列接続された容量素子に流れる
。この結果、容量素子の充電状態が変化しその端子間電
圧も変化する。電荷の蓄積期間が終了すると、スイッチ
素子はオフとなり、各検出セルのの容量素子の端子電圧
は一定となる。次に各検出セルの増幅回路が順次選択さ
れ、各検出セルの容量素子の端子電圧は電流増幅された
映像信号として順次ビデオラインに出力される。 このように、スイッチ素子の導通期間を制御することに
より、全ての検出セルにおいて電荷の蓄積期間は同一期
間に設定することができ、その蓄積期間の長さも自由に
設定することができる。したがって、全ての検出セルに
おいて同期のとれた映像信号が得られる。また、容量素
子で光励起された電荷を蓄積しているので出力の飽和が
防止でき、電荷の蓄積期間を長くすることにより感度を
向上させることができる。また、電流増幅する増幅器は
各検出セル毎に設けられており、容量素子に接近した位
置に設けられている。したがって、増幅器からは容量素
子の端子電圧が充分な電流を供給しても電圧低下を起こ
さない出力インピーダンスの充分低い電圧信号源から映
像信号としてビデオラインに出力されるので、ビデオラ
イン容量を充電するこ六による映像信号の電圧降下が防
止でき感度が向上する。
トダイオードから出力される光電流がホトダイオードに
スイッチ素子を介して並列接続された容量素子に流れる
。この結果、容量素子の充電状態が変化しその端子間電
圧も変化する。電荷の蓄積期間が終了すると、スイッチ
素子はオフとなり、各検出セルのの容量素子の端子電圧
は一定となる。次に各検出セルの増幅回路が順次選択さ
れ、各検出セルの容量素子の端子電圧は電流増幅された
映像信号として順次ビデオラインに出力される。 このように、スイッチ素子の導通期間を制御することに
より、全ての検出セルにおいて電荷の蓄積期間は同一期
間に設定することができ、その蓄積期間の長さも自由に
設定することができる。したがって、全ての検出セルに
おいて同期のとれた映像信号が得られる。また、容量素
子で光励起された電荷を蓄積しているので出力の飽和が
防止でき、電荷の蓄積期間を長くすることにより感度を
向上させることができる。また、電流増幅する増幅器は
各検出セル毎に設けられており、容量素子に接近した位
置に設けられている。したがって、増幅器からは容量素
子の端子電圧が充分な電流を供給しても電圧低下を起こ
さない出力インピーダンスの充分低い電圧信号源から映
像信号としてビデオラインに出力されるので、ビデオラ
イン容量を充電するこ六による映像信号の電圧降下が防
止でき感度が向上する。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。第
１図は実施例のＭＯ３型固体撮像素子の主要部の構成を
示した電気回路図である。ｘｌは一つの検出セル（第１
検出セル）を表し、Ｗはダミーセルである。ダミーセル
は固体撮像素子において１つ設けられている。 まず、検出セルＸ１について説明する。 ホトダイオードＰＤＩのカソードは、ＭＯＳ−ＦＥＴ（
以下単に「トランジスタ」という）ＦＴ２（エンハンス
メントタイプ）のソースに接続され、ホトダイオードＰ
ＤＩのアノードは接地されている。 そして、トランジスタＦＴ２のドレインには正のリファ
レンス電圧Ｖ ｒｅｆが印加されている。また、ホトダ
イオードＰＩ）１の陰極はトランジスタＦＴ１（エンハ
ンスメントタイプ）のソースに接続され、そのトランジ
スタＦＴＩのドレインは容量素子Ｃ１に接続され、その
容量素子Ｃ１の他の端子は接地されている。この容量素
子Ｃ１はＭＯＳ型の容量素子で構成されている。このト
ランジスタＦＴＩと容量素子ＣＩとで直列回路を構成し
、その直列回路がホトダイオードＰＣＩの両端子間に接
続されている。 また、容量素子Ｃ１の陽極はトランジスタＦＴ３（エン
ハンスメントタイプ）のソースに接続され、そのトラン
ジスタＦＴ３のドレインにはリファレンス電圧Ｖ ｒｅ
ｆが印加されている。さらに、容量素子Ｃ１の陽極はセ
ンス増幅回路Ａ１を構成するトランジスタＦＴ４（ノン
ドープエンハンスメントタイプ）のゲートに接続され、
そのトランジスタＦＴ４のドレインには電圧Ｖ ｒｅｆ
が印加され、そのソースは負荷抵抗を構成するトランジ
スタＦＴ６（ノンドープエンハンスメントタイプ）のド
レインに接続されている。トランジスタＦＴ６のソーａ
はトランジスタＦＴ７（ノンドープエンハンスメントタ
イプ）のドレインに接続され、トランジスタＦＴ７のソ
ースは接地されている。 両トランジスタＦＴ６、ＦＴ７のゲートには安定した電
圧が印加されている。また、トランジスタＦＴ４のソー
スはトランジスタＦＴ５（エンハンスメントタイプ）の
ドレインに接続され、そのトランジスタＦＴ５のソース
はビデオラインＶＬに接続されている。 トランジスタＦＴ３はゲートにアクティブハイのリセッ
ト信号Ｓ２を入力しており、リセット信号Ｓ２が高レベ
ルとなると導通する。また、トランジスタＦＴＩはゲー
トにアクティブハイのデータ信号Ｓ１を入力しており、
データ信号Ｓ１が高レベルとなると導通する。また、ト
ランジスタＦＴ５はゲートにアクティブハイのＸ１選択
信号Ｓ３を入力しており、Ｘ１選択信号Ｓ３が高レベル
となると導通する。さらに、トランジスタＦＴ２はデー
タ信号Ｓ１を反転したロック信号Ｓ４が入力しており、
ロック信号Ｓ４が高レベルとなると導通する。 係る構成において、第２図のタイミングチャートに示す
ように、リセット信号Ｓ２が時刻ｔ１で高レベルとなる
と、トランジスタＦＴ３は導通し容量素子Ｃ１は電圧Ｖ
ｒｅｆに充電される。尚、口ツク信号Ｓ４は時刻ｔ１
において高レベルであるので、この時ホトダイオードＰ
ＤＩには逆方向に電圧Ｖ ｒｅｆが印加されている。次
に時刻ｔ２において、データ信号Ｓ１が高レベルとなり
ロック信号Ｓ４が低レベルとなると、トランジスタＦＴ
ＩがオンとなりトランジスタＦＴ２がオフとなる。 すると、ホトダイオードＰＤＩはトランジスタＦＴ１、
ＦＴ３を介して、逆方向に電圧Ｖ ｒｅｆが継続して印
加される。 次に、時刻ｔ３においてリセット信号Ｓ２が低レベルと
なると、トランジスタＦＴ３はオフとなり、トランジス
タＦＴＩのみがオン状態を継続する。すると、ホトダイ
オードＰＤＩにより生じる光電流ＩＬは自己の容量を充
電すると共に、Ｉｔで示すように容量素子Ｃ１、トラン
ジスタＦＴＩ、ホトダイオードＰＤＩの閉回路に分流す
る。このため、光電流ＩＬの分流成分により容量素子Ｃ
１は逆方向に充電され、その端子電圧Ｖｃは初期電圧Ｖ
ｒｅｆから漸次減少する。 次に、時刻ｔ４においてデータ信号Ｓ１が低レベルとな
ると、トランジスタＦＴＩがオフとなり、光電流ＩＬの
分流成分による容量素子Ｃ１に対する逆充電が停止し、
容量素子Ｃ１の端子電圧Ｖｃの減少が停止する。このよ
うにして、容量素子ＣＩの端子電圧Ｖｃは光電流ＩＬの
分流成分の大きさと容量素子Ｃ１を逆方向に充電する期
間（時刻ｔ３〜時副時刻の期間）、即ち、電荷の蓄積期
間の長さに依存して変化する。 次に、時刻ｔ５において、シフトレジスタで構成された
選択信号出力回路１に、アクティブローのスタート信号
が入力されると、選択信号出力回路１はクロック信号に
同期して、選択信号を順次各セルのトランジスタＦＴ５
のゲートに出力する。 シフトレジスタは、初期状態において全桁が「０」にプ
リセットされており、１桁だけが「１」となり「１」が
下位桁から上位桁ヘクロツタ信号に同期６して伝搬す るように構成されている。 時刻ｔ６において、クロック信号に同期してアクティブ
ハイのＸ１選択信号Ｓ３が第１検出セルＸ１のトランジ
スタＦＴ５のゲートに出力されると、そのトランジスタ
ＦＴ５は１クロツタ周期の間（時刻ｔ６〜ｔ７）オンと
なり、その第１検出セルＸ１の容量素子Ｃ１の端子電圧
ＶｃがビデオラインＶＬに出力される。次に、時刻ｔ７
において、クロック信号に同期してアクティブハイの選
択信号がｍ２セルのトランジスタＦＴ５のゲートに出力
されると、そのトランジスタＦＴ５は１クロック周期の
間（時刻ｔ７〜ｔ８）オンとなり、その第２検出セルの
容量素子Ｃ１の端子電圧ＶｃがビデオラインＶＬに出力
される。このようにして、最終セルに至るまで走査され
、各検出セルの容量素子Ｃ１の端子電圧Ｖｃがビデオラ
インＶＬに映像信号■Ｓ５として出力される。最終の検
出セルまで走査が進行すると、エンド信号が選択信号出
力回路１に出力され、時刻ｔ９で検出セルの走査が停止
する。その後、上記した時刻ｔ１か次のサイクルの処理
が繰り返される。 上記処理において、時刻ｔ３〜ｔ４間における光電流に
よる電荷の蓄積の処理は、各検出セルにおいて同時に実
行される。したがって、時系列的に出力された映像信号
■Ｓは、全検出セルにおいて同時性のある受光量を表す
ことになる。また、容量素子Ｃ１に電荷を蓄積している
ため電荷の蓄積量を多くとることができるので、感度を
向上させることができる。 尚、上記実施例において、電荷の蓄積期間以外の期間は
、アクティブハイのロック信号Ｓ４によりトランジスタ
ＦＴ２がオンとなり、ホトダイオードＰＤＩに初期電圧
Ｖ ｒｅｆが印加される。この場合には、電荷の蓄積期
間外はホトダイオードＰＤ１により生じる光電流ＩＬは
、■２で示すようにホトダイオードＰＤＩ等に蓄積され
ることなく電源に流れ込むことになりブルーミングが防
止される。 次に、ダミーセルＷについて述べる。 ダミーセルＷはホトダイオードＰＤ１１のアパーチャ部
９０がアルミニウム層９６により遮光されていることを
除き、検出セルＸ１の構成と同一である。即ち、ダミー
セルＷのトランジスタＦＴ１１、ＦＴ１２、ＦＴ１３、
ＦＴ１４、ＦＴ１５、ＦＴ１６、ＦＴ１７は、ツレツ
レ、検出セルｘ１のトランジスタＦＴＩ、ＦＴ２、ＦＴ
３、ＦＴ４、ＦＴ５、ＦＴ６、ＦＴ７に対応する。ダミ
ーセルＷは各検出セルと同様に作動し、電荷の蓄積期間
（ｔ３〜ｔ４）にホトダイオードＰＤＩＩにより生じた
暗電流１０は自己の容量と容量素子Ｃ１ｌを逆方向に充
電し、容量素子Ｃ１ｌの端子電圧■ｄを減少させる。そ
して、各検出セルが順次走査され映像信号■Ｓが順次出
力されている走査期間（時刻ｔ６〜ｔ９）高レベルとな
るアクティブハイのダミーセル選択信号Ｓ５がトランジ
スタＦＴ１５のゲートに入力しているので、ダミーセル
Ｗの容量素子Ｃ１ｌの端子電圧Ｖｄは、走査期間ダミー
ラインＤＬに暗信号ＤＳとして出力される。 このようにしてビデオラインＶＬに出力された映像信号
■ＳからダミーラインＤＬに出力された暗信号ＤＳを減
算することにより、映像信号■Ｓから暗電流の影習を除
去した信号を得ることができる。 センス増幅回路Ａ１はソースホロワであり、トランジス
タＦＴ６とトランジスタＦＴ７とで定電流源を構成して
いる。トランジスタＦＴ７のゲート電圧をｖｌ、トラン
ジスタＦＴ６のソース電圧を■２、トランジスタＦＴ６
のゲート電圧を■３、トランジスタＦＴ４の閾値電圧を
Ｖｔ４、トランジスタＦＴ６の閾値電圧をＶｔ６、トラ
ンジスタＦＴ７の閾値電圧をＶｔ７、トランジスタＦＴ
４のゲート電圧をＶｉｎ１ソース電圧をＶｏｔとすると
、トランジスタＦＴ４とトランジスタＦＴ７を流れる電
流が等しいことから良く知られたように次式の関係が成
立する。 Ｖｉｎ−Ｖｏｔ−Ｖｔ４＝Ｖ３−Ｖ２−Ｖｔ６＝Ｖ１−
Ｖｔ７ よって Ｖｏｔ＝Ｖｉｎ−Ｖ １− （Ｖｔ４−Ｖｔ７）となり
、トランジスタＦＴ４の出力電圧Ｖｏｔは、トランジス
タＦＴ７のゲート電圧■１だけ減少すると共にトランジ
スタＦＴ４とトランジスタＦＴ７の閾値電圧の差に依存
する。したがって、トランジスタＦＴ４とトランジスタ
ＦＴ７を均一に作成すれば、Ｖｔ４−Ｖｔ７を零とする
ことができ、各検出セルの出力する映像信号をトランジ
スタＦＴ４の閾値電圧に依存しない均一なものとするこ
とができる。このとき、各検出セルの映像信号を不均一
とするのは、閾値電圧のミスマツチング、基板効果、ア
ーリー効果による不均一性がある。ミスマツチングはト
ランジスタを同一大きさでパターンを同一とすると、第
１に、ゲート酸化膜の不均一性、第２に、酸化膜中の可
動イオン濃度及び空乏層中の電荷濃度の不均一性、第３
に、チャンネルドープの不均一性により生じる。第１と
第２の不均一性はトランジスタの配設位置を接近させる
ことにより除去できる。また、第３の不均一性はノンド
ープタイプに構成することにより解決された。このノン
ドープタイプのトランジスタは閾値電圧が略Ｏボルトと
なるため、第３図（ａ）に示すバイアス電圧発生回路を
用いた。そのバイアス電圧発生回路のトランジスタもノ
ンドープタイプのＭＯＳ−ＰＵＴを用いた。また、トラ
ンジスタＦＴ６とトランジスタＦＴ７の接続はアーリー
効果を低減させるためである。尚、ダミーセルＷのセン
ス増幅回路Ａｌｌについてもセンス増幅回路Ａ１と同じ
構成である。また、バイアス電圧発生回路は第３図（ｂ
）の回路を使用してもよい。 尚、上記実施例において、容量素子Ｃ１をリセットしホ
トダイオードＰＤＩをロックするためにトランジスタＦ
Ｔ３とトランジスタＦＴ２が使用されているが、トラン
ジスタＦＴ３を省略することもできる。省略した場合に
は、トランジスタＦＴ２とトランジスタＦＴＩがオンす
ることにより容量素子Ｃ１がリセットされ、トランジス
タＦＴ２がオンし、トランジスタＦＴＩがオフすること
によりホトダイオードＰＤＩのリセットとロックが行わ
れる。また、トランジスタＦＴ２がオフしトランジスタ
ＦＴＩがオンすることにより、容量素子Ｃ１に電荷の蓄
積が行われる。このことはダミーセルＷについても同様
である。
１図は実施例のＭＯ３型固体撮像素子の主要部の構成を
示した電気回路図である。ｘｌは一つの検出セル（第１
検出セル）を表し、Ｗはダミーセルである。ダミーセル
は固体撮像素子において１つ設けられている。 まず、検出セルＸ１について説明する。 ホトダイオードＰＤＩのカソードは、ＭＯＳ−ＦＥＴ（
以下単に「トランジスタ」という）ＦＴ２（エンハンス
メントタイプ）のソースに接続され、ホトダイオードＰ
ＤＩのアノードは接地されている。 そして、トランジスタＦＴ２のドレインには正のリファ
レンス電圧Ｖ ｒｅｆが印加されている。また、ホトダ
イオードＰＩ）１の陰極はトランジスタＦＴ１（エンハ
ンスメントタイプ）のソースに接続され、そのトランジ
スタＦＴＩのドレインは容量素子Ｃ１に接続され、その
容量素子Ｃ１の他の端子は接地されている。この容量素
子Ｃ１はＭＯＳ型の容量素子で構成されている。このト
ランジスタＦＴＩと容量素子ＣＩとで直列回路を構成し
、その直列回路がホトダイオードＰＣＩの両端子間に接
続されている。 また、容量素子Ｃ１の陽極はトランジスタＦＴ３（エン
ハンスメントタイプ）のソースに接続され、そのトラン
ジスタＦＴ３のドレインにはリファレンス電圧Ｖ ｒｅ
ｆが印加されている。さらに、容量素子Ｃ１の陽極はセ
ンス増幅回路Ａ１を構成するトランジスタＦＴ４（ノン
ドープエンハンスメントタイプ）のゲートに接続され、
そのトランジスタＦＴ４のドレインには電圧Ｖ ｒｅｆ
が印加され、そのソースは負荷抵抗を構成するトランジ
スタＦＴ６（ノンドープエンハンスメントタイプ）のド
レインに接続されている。トランジスタＦＴ６のソーａ
はトランジスタＦＴ７（ノンドープエンハンスメントタ
イプ）のドレインに接続され、トランジスタＦＴ７のソ
ースは接地されている。 両トランジスタＦＴ６、ＦＴ７のゲートには安定した電
圧が印加されている。また、トランジスタＦＴ４のソー
スはトランジスタＦＴ５（エンハンスメントタイプ）の
ドレインに接続され、そのトランジスタＦＴ５のソース
はビデオラインＶＬに接続されている。 トランジスタＦＴ３はゲートにアクティブハイのリセッ
ト信号Ｓ２を入力しており、リセット信号Ｓ２が高レベ
ルとなると導通する。また、トランジスタＦＴＩはゲー
トにアクティブハイのデータ信号Ｓ１を入力しており、
データ信号Ｓ１が高レベルとなると導通する。また、ト
ランジスタＦＴ５はゲートにアクティブハイのＸ１選択
信号Ｓ３を入力しており、Ｘ１選択信号Ｓ３が高レベル
となると導通する。さらに、トランジスタＦＴ２はデー
タ信号Ｓ１を反転したロック信号Ｓ４が入力しており、
ロック信号Ｓ４が高レベルとなると導通する。 係る構成において、第２図のタイミングチャートに示す
ように、リセット信号Ｓ２が時刻ｔ１で高レベルとなる
と、トランジスタＦＴ３は導通し容量素子Ｃ１は電圧Ｖ
ｒｅｆに充電される。尚、口ツク信号Ｓ４は時刻ｔ１
において高レベルであるので、この時ホトダイオードＰ
ＤＩには逆方向に電圧Ｖ ｒｅｆが印加されている。次
に時刻ｔ２において、データ信号Ｓ１が高レベルとなり
ロック信号Ｓ４が低レベルとなると、トランジスタＦＴ
ＩがオンとなりトランジスタＦＴ２がオフとなる。 すると、ホトダイオードＰＤＩはトランジスタＦＴ１、
ＦＴ３を介して、逆方向に電圧Ｖ ｒｅｆが継続して印
加される。 次に、時刻ｔ３においてリセット信号Ｓ２が低レベルと
なると、トランジスタＦＴ３はオフとなり、トランジス
タＦＴＩのみがオン状態を継続する。すると、ホトダイ
オードＰＤＩにより生じる光電流ＩＬは自己の容量を充
電すると共に、Ｉｔで示すように容量素子Ｃ１、トラン
ジスタＦＴＩ、ホトダイオードＰＤＩの閉回路に分流す
る。このため、光電流ＩＬの分流成分により容量素子Ｃ
１は逆方向に充電され、その端子電圧Ｖｃは初期電圧Ｖ
ｒｅｆから漸次減少する。 次に、時刻ｔ４においてデータ信号Ｓ１が低レベルとな
ると、トランジスタＦＴＩがオフとなり、光電流ＩＬの
分流成分による容量素子Ｃ１に対する逆充電が停止し、
容量素子Ｃ１の端子電圧Ｖｃの減少が停止する。このよ
うにして、容量素子ＣＩの端子電圧Ｖｃは光電流ＩＬの
分流成分の大きさと容量素子Ｃ１を逆方向に充電する期
間（時刻ｔ３〜時副時刻の期間）、即ち、電荷の蓄積期
間の長さに依存して変化する。 次に、時刻ｔ５において、シフトレジスタで構成された
選択信号出力回路１に、アクティブローのスタート信号
が入力されると、選択信号出力回路１はクロック信号に
同期して、選択信号を順次各セルのトランジスタＦＴ５
のゲートに出力する。 シフトレジスタは、初期状態において全桁が「０」にプ
リセットされており、１桁だけが「１」となり「１」が
下位桁から上位桁ヘクロツタ信号に同期６して伝搬す るように構成されている。 時刻ｔ６において、クロック信号に同期してアクティブ
ハイのＸ１選択信号Ｓ３が第１検出セルＸ１のトランジ
スタＦＴ５のゲートに出力されると、そのトランジスタ
ＦＴ５は１クロツタ周期の間（時刻ｔ６〜ｔ７）オンと
なり、その第１検出セルＸ１の容量素子Ｃ１の端子電圧
ＶｃがビデオラインＶＬに出力される。次に、時刻ｔ７
において、クロック信号に同期してアクティブハイの選
択信号がｍ２セルのトランジスタＦＴ５のゲートに出力
されると、そのトランジスタＦＴ５は１クロック周期の
間（時刻ｔ７〜ｔ８）オンとなり、その第２検出セルの
容量素子Ｃ１の端子電圧ＶｃがビデオラインＶＬに出力
される。このようにして、最終セルに至るまで走査され
、各検出セルの容量素子Ｃ１の端子電圧Ｖｃがビデオラ
インＶＬに映像信号■Ｓ５として出力される。最終の検
出セルまで走査が進行すると、エンド信号が選択信号出
力回路１に出力され、時刻ｔ９で検出セルの走査が停止
する。その後、上記した時刻ｔ１か次のサイクルの処理
が繰り返される。 上記処理において、時刻ｔ３〜ｔ４間における光電流に
よる電荷の蓄積の処理は、各検出セルにおいて同時に実
行される。したがって、時系列的に出力された映像信号
■Ｓは、全検出セルにおいて同時性のある受光量を表す
ことになる。また、容量素子Ｃ１に電荷を蓄積している
ため電荷の蓄積量を多くとることができるので、感度を
向上させることができる。 尚、上記実施例において、電荷の蓄積期間以外の期間は
、アクティブハイのロック信号Ｓ４によりトランジスタ
ＦＴ２がオンとなり、ホトダイオードＰＤＩに初期電圧
Ｖ ｒｅｆが印加される。この場合には、電荷の蓄積期
間外はホトダイオードＰＤ１により生じる光電流ＩＬは
、■２で示すようにホトダイオードＰＤＩ等に蓄積され
ることなく電源に流れ込むことになりブルーミングが防
止される。 次に、ダミーセルＷについて述べる。 ダミーセルＷはホトダイオードＰＤ１１のアパーチャ部
９０がアルミニウム層９６により遮光されていることを
除き、検出セルＸ１の構成と同一である。即ち、ダミー
セルＷのトランジスタＦＴ１１、ＦＴ１２、ＦＴ１３、
ＦＴ１４、ＦＴ１５、ＦＴ１６、ＦＴ１７は、ツレツ
レ、検出セルｘ１のトランジスタＦＴＩ、ＦＴ２、ＦＴ
３、ＦＴ４、ＦＴ５、ＦＴ６、ＦＴ７に対応する。ダミ
ーセルＷは各検出セルと同様に作動し、電荷の蓄積期間
（ｔ３〜ｔ４）にホトダイオードＰＤＩＩにより生じた
暗電流１０は自己の容量と容量素子Ｃ１ｌを逆方向に充
電し、容量素子Ｃ１ｌの端子電圧■ｄを減少させる。そ
して、各検出セルが順次走査され映像信号■Ｓが順次出
力されている走査期間（時刻ｔ６〜ｔ９）高レベルとな
るアクティブハイのダミーセル選択信号Ｓ５がトランジ
スタＦＴ１５のゲートに入力しているので、ダミーセル
Ｗの容量素子Ｃ１ｌの端子電圧Ｖｄは、走査期間ダミー
ラインＤＬに暗信号ＤＳとして出力される。 このようにしてビデオラインＶＬに出力された映像信号
■ＳからダミーラインＤＬに出力された暗信号ＤＳを減
算することにより、映像信号■Ｓから暗電流の影習を除
去した信号を得ることができる。 センス増幅回路Ａ１はソースホロワであり、トランジス
タＦＴ６とトランジスタＦＴ７とで定電流源を構成して
いる。トランジスタＦＴ７のゲート電圧をｖｌ、トラン
ジスタＦＴ６のソース電圧を■２、トランジスタＦＴ６
のゲート電圧を■３、トランジスタＦＴ４の閾値電圧を
Ｖｔ４、トランジスタＦＴ６の閾値電圧をＶｔ６、トラ
ンジスタＦＴ７の閾値電圧をＶｔ７、トランジスタＦＴ
４のゲート電圧をＶｉｎ１ソース電圧をＶｏｔとすると
、トランジスタＦＴ４とトランジスタＦＴ７を流れる電
流が等しいことから良く知られたように次式の関係が成
立する。 Ｖｉｎ−Ｖｏｔ−Ｖｔ４＝Ｖ３−Ｖ２−Ｖｔ６＝Ｖ１−
Ｖｔ７ よって Ｖｏｔ＝Ｖｉｎ−Ｖ １− （Ｖｔ４−Ｖｔ７）となり
、トランジスタＦＴ４の出力電圧Ｖｏｔは、トランジス
タＦＴ７のゲート電圧■１だけ減少すると共にトランジ
スタＦＴ４とトランジスタＦＴ７の閾値電圧の差に依存
する。したがって、トランジスタＦＴ４とトランジスタ
ＦＴ７を均一に作成すれば、Ｖｔ４−Ｖｔ７を零とする
ことができ、各検出セルの出力する映像信号をトランジ
スタＦＴ４の閾値電圧に依存しない均一なものとするこ
とができる。このとき、各検出セルの映像信号を不均一
とするのは、閾値電圧のミスマツチング、基板効果、ア
ーリー効果による不均一性がある。ミスマツチングはト
ランジスタを同一大きさでパターンを同一とすると、第
１に、ゲート酸化膜の不均一性、第２に、酸化膜中の可
動イオン濃度及び空乏層中の電荷濃度の不均一性、第３
に、チャンネルドープの不均一性により生じる。第１と
第２の不均一性はトランジスタの配設位置を接近させる
ことにより除去できる。また、第３の不均一性はノンド
ープタイプに構成することにより解決された。このノン
ドープタイプのトランジスタは閾値電圧が略Ｏボルトと
なるため、第３図（ａ）に示すバイアス電圧発生回路を
用いた。そのバイアス電圧発生回路のトランジスタもノ
ンドープタイプのＭＯＳ−ＰＵＴを用いた。また、トラ
ンジスタＦＴ６とトランジスタＦＴ７の接続はアーリー
効果を低減させるためである。尚、ダミーセルＷのセン
ス増幅回路Ａｌｌについてもセンス増幅回路Ａ１と同じ
構成である。また、バイアス電圧発生回路は第３図（ｂ
）の回路を使用してもよい。 尚、上記実施例において、容量素子Ｃ１をリセットしホ
トダイオードＰＤＩをロックするためにトランジスタＦ
Ｔ３とトランジスタＦＴ２が使用されているが、トラン
ジスタＦＴ３を省略することもできる。省略した場合に
は、トランジスタＦＴ２とトランジスタＦＴＩがオンす
ることにより容量素子Ｃ１がリセットされ、トランジス
タＦＴ２がオンし、トランジスタＦＴＩがオフすること
によりホトダイオードＰＤＩのリセットとロックが行わ
れる。また、トランジスタＦＴ２がオフしトランジスタ
ＦＴＩがオンすることにより、容量素子Ｃ１に電荷の蓄
積が行われる。このことはダミーセルＷについても同様
である。
本発明は各検出セルに、ホトダイオードに並列に接続さ
れ、少なくともホトダイオードにより光励起された電荷
の蓄積期間導通されるスイッチ素子と容量素子からなる
直列回路と、容量素子の端子電圧を入力し電流増幅した
信号を映像信号きして出力する増幅回路とを設けている
ので、映像信号は内部インピーダンスの小さな信号源か
らビデオラインに出力されることになり、ビデオライン
８歯による感度の低下を防止することができる。
れ、少なくともホトダイオードにより光励起された電荷
の蓄積期間導通されるスイッチ素子と容量素子からなる
直列回路と、容量素子の端子電圧を入力し電流増幅した
信号を映像信号きして出力する増幅回路とを設けている
ので、映像信号は内部インピーダンスの小さな信号源か
らビデオラインに出力されることになり、ビデオライン
８歯による感度の低下を防止することができる。
第１図は本発明の具体的な一実施例に係る固体撮像素子
の主要部の構成を示した回路図。第２図は実施例回路の
動作を説明するタイミングチャート。第３図（ａ）、（
ｂ）はその回路のセンス増幅回路にバイアス電圧を与え
るバイアス電圧発生回路を示した回路図。第４図は従来
のＭＯ３型イメージセンサの１画素の主要部の構成を示
した構成図。第５図はその素子の動作特性を示した波形
図。第６図（ａ）はその素子の構造を示した平面図、第
６図（ｂ）はその素子の構造を示した断面図である。 ＦＴＩ〜ＦＴ？、ＦＴ １１〜Ｆ Ｔ １ ７ ＭＯ
Ｓ−ＦＥＴＰＤ、ＰＤＩ、ＰＤＩＩ °ホトダイオー
ドＣ１、Ｃ１１−容量素子 ｘｌｏ−検出（！ ルＷ・
・°°ダミーセル Ａｌ５Ａｌｌ°−センス増幅回路Ｖ
Ｌ“・・・ビデオライン ＤＬ ・ダミーライン９０・
°゛アパーチヤ部９１・パｎ型基板９２−・・・ソース
９３−ドレイン ９４−ゲート９６・°”アルミニウ
ム層
の主要部の構成を示した回路図。第２図は実施例回路の
動作を説明するタイミングチャート。第３図（ａ）、（
ｂ）はその回路のセンス増幅回路にバイアス電圧を与え
るバイアス電圧発生回路を示した回路図。第４図は従来
のＭＯ３型イメージセンサの１画素の主要部の構成を示
した構成図。第５図はその素子の動作特性を示した波形
図。第６図（ａ）はその素子の構造を示した平面図、第
６図（ｂ）はその素子の構造を示した断面図である。 ＦＴＩ〜ＦＴ？、ＦＴ １１〜Ｆ Ｔ １ ７ ＭＯ
Ｓ−ＦＥＴＰＤ、ＰＤＩ、ＰＤＩＩ °ホトダイオー
ドＣ１、Ｃ１１−容量素子 ｘｌｏ−検出（！ ルＷ・
・°°ダミーセル Ａｌ５Ａｌｌ°−センス増幅回路Ｖ
Ｌ“・・・ビデオライン ＤＬ ・ダミーライン９０・
°゛アパーチヤ部９１・パｎ型基板９２−・・・ソース
９３−ドレイン ９４−ゲート９６・°”アルミニウ
ム層
Claims (4)
- （１）各画素にホトダイオードを配列し、各ホトダイオ
ードにおいて光励起された電荷に基づいて映像信号を出
力する固体撮像素子において、前記ホトダイオードに並
列に接続され、少なくともホトダイオードにより光励起
された電荷の蓄積期間導通されるスイッチ素子と容量素
子からなる直列回路と、前記容量素子の端子電圧を入力
し電流増幅した信号を映像信号として出力する増幅回路
とを設けた検出セルを有する固体撮像素子。 - （２）前記電荷の蓄積期間前に、前記検出セルにおける
前記ホトダイオードは逆電圧が印加され前記容量素子は
その逆電圧で充電されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の固体撮像素子。 - （３）前記検出セルにおける前記ホトダイオード又は前
記容量素子は第２のスイッチ素子を介して、基準電圧に
接続されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の固体撮像素子。 - （４）前記検出セルにおける前記電荷の蓄積期間以外の
期間は、前記ホトダイオードに接続された前記第２のス
イッチ素子が導通されることにより、前記ホトダイオー
ドは基準の逆電圧が印加されることを特徴とする特許請
求の範囲第３項記載の固体撮像素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61309499A JPS63161780A (ja) | 1986-12-25 | 1986-12-25 | 固体撮像素子 |
| US07/135,382 US4839735A (en) | 1986-12-22 | 1987-12-21 | Solid state image sensor having variable charge accumulation time period |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61309499A JPS63161780A (ja) | 1986-12-25 | 1986-12-25 | 固体撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63161780A true JPS63161780A (ja) | 1988-07-05 |
| JPH0511830B2 JPH0511830B2 (ja) | 1993-02-16 |
Family
ID=17993728
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61309499A Granted JPS63161780A (ja) | 1986-12-22 | 1986-12-25 | 固体撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63161780A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010141929A (ja) * | 2010-03-10 | 2010-06-24 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Ｍｏｓ型センサ及びその駆動方法 |
| US8164652B2 (en) | 2000-05-26 | 2012-04-24 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | MOS sensor and drive method thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56124279A (en) * | 1980-02-06 | 1981-09-29 | Origin Electric Co Ltd | Image pickup device |
| JPS58168922A (ja) * | 1982-03-30 | 1983-10-05 | Takeomi Suzuki | 光検出回路 |
| JPS596677A (ja) * | 1982-07-02 | 1984-01-13 | Olympus Optical Co Ltd | 光電変換装置 |
| JPS6162284A (ja) * | 1984-09-03 | 1986-03-31 | Mitsubishi Electric Corp | 固体撮像素子 |
| JPS61214870A (ja) * | 1985-03-20 | 1986-09-24 | Mitsubishi Electric Corp | 固体撮像装置 |
-
1986
- 1986-12-25 JP JP61309499A patent/JPS63161780A/ja active Granted
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56124279A (en) * | 1980-02-06 | 1981-09-29 | Origin Electric Co Ltd | Image pickup device |
| JPS58168922A (ja) * | 1982-03-30 | 1983-10-05 | Takeomi Suzuki | 光検出回路 |
| JPS596677A (ja) * | 1982-07-02 | 1984-01-13 | Olympus Optical Co Ltd | 光電変換装置 |
| JPS6162284A (ja) * | 1984-09-03 | 1986-03-31 | Mitsubishi Electric Corp | 固体撮像素子 |
| JPS61214870A (ja) * | 1985-03-20 | 1986-09-24 | Mitsubishi Electric Corp | 固体撮像装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8164652B2 (en) | 2000-05-26 | 2012-04-24 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | MOS sensor and drive method thereof |
| JP2010141929A (ja) * | 2010-03-10 | 2010-06-24 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Ｍｏｓ型センサ及びその駆動方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0511830B2 (ja) | 1993-02-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |