JPH01196165A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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- JPH01196165A JPH01196165A JP63019678A JP1967888A JPH01196165A JP H01196165 A JPH01196165 A JP H01196165A JP 63019678 A JP63019678 A JP 63019678A JP 1967888 A JP1967888 A JP 1967888A JP H01196165 A JPH01196165 A JP H01196165A
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- JP
- Japan
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- photodiode
- solid
- state imaging
- imaging device
- voltage
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- H—ELECTRICITY
- 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
- H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Light Receiving Elements (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
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、電荷蓄積デバイスよりなる固体撮像装置に関
し、特に受光エレメントから発生した信号電圧のダイナ
ミックレンジの拡大、及び暗電流を低減する際に用いて
好適な技術に関する。
し、特に受光エレメントから発生した信号電圧のダイナ
ミックレンジの拡大、及び暗電流を低減する際に用いて
好適な技術に関する。
（従来技術）
電子カメラ、ＶＴＲの撮像素子として、固体撮像装置が
多用されている。上記固体撮像装置については、「固体
撮像デバイス」 （昭和６１年７月３０日発行、発行所
■昭晃堂）に記載されているが、特に基礎事項について
は第６頁〜第１３頁に、光エレメントとなるフォトダイ
オードと電荷蓄積動作については第５６頁〜第５９頁に
、また各種構成については第８２頁〜第１０２頁に記載
されている。
多用されている。上記固体撮像装置については、「固体
撮像デバイス」 （昭和６１年７月３０日発行、発行所
■昭晃堂）に記載されているが、特に基礎事項について
は第６頁〜第１３頁に、光エレメントとなるフォトダイ
オードと電荷蓄積動作については第５６頁〜第５９頁に
、また各種構成については第８２頁〜第１０２頁に記載
されている。
なお、第８図及び第９図は、従来の固体撮像装置の一例
を示すものである。受光エレメントであるフォトダイオ
ードＰＤは、光量ｈνに対応した電荷を放電するが、一
定の時間内に放電する電荷量はこの期間内に入射する光
量ｈνの積分量に比例する。電荷蓄積容量Ｃ３は、恰も
一個の独立したコンデンサの如く図示されているが、実
際には上記フォトダイオードＰＤと共に形成される接合
容量であり、上記電荷を一時的に蓄積して光電変換され
た電気信号を得る。そして電気信号は、後段の読出し回
路３によって読出される。
を示すものである。受光エレメントであるフォトダイオ
ードＰＤは、光量ｈνに対応した電荷を放電するが、一
定の時間内に放電する電荷量はこの期間内に入射する光
量ｈνの積分量に比例する。電荷蓄積容量Ｃ３は、恰も
一個の独立したコンデンサの如く図示されているが、実
際には上記フォトダイオードＰＤと共に形成される接合
容量であり、上記電荷を一時的に蓄積して光電変換され
た電気信号を得る。そして電気信号は、後段の読出し回
路３によって読出される。
また、ＭＯＳ）ランシスタＴ、、（以下においてトラン
ジスタという）は、ゲートに印加されるＣｓリセットパ
ルスφＲ３によってオン・オフ動作を行ない、上記Ｃ８
をリセットすると共にフォトダイオードＰＤに逆バイア
ス電圧を印加する。
ジスタという）は、ゲートに印加されるＣｓリセットパ
ルスφＲ３によってオン・オフ動作を行ない、上記Ｃ８
をリセットすると共にフォトダイオードＰＤに逆バイア
ス電圧を印加する。
ところで、固体撮像装置を用いて撮像する場合、画質を
良好にするために、光電変換され、た電気信号のダイナ
ミックレンジを拡大し、また暗電流ノイズを低減するこ
とが望ましい。そこで、ダイナミックレンジの拡大、暗
電流の低減について種々の検討を行った結果、下記の問
題点が明らかになった。
良好にするために、光電変換され、た電気信号のダイナ
ミックレンジを拡大し、また暗電流ノイズを低減するこ
とが望ましい。そこで、ダイナミックレンジの拡大、暗
電流の低減について種々の検討を行った結果、下記の問
題点が明らかになった。
（発明が解決しようとする課題）
すなわち、従来構造の固体撮像装置では、上記「固体撮
像デバイス」第５６頁に記載されている如く、また第８
図に示した例ではトランジスタＴｒ＋をオン状態にした
場合、フォトダイオードＰＤに逆バイアス電圧が印加さ
れる。この場合、フ第１・ダイオードＰＤの動作範囲が
狭く、また、暗電流の発生を抑制することができないた
め、光電変換時のダイナミックレンジ拡大と暗電流ノイ
ズの低減とに限界がある。
像デバイス」第５６頁に記載されている如く、また第８
図に示した例ではトランジスタＴｒ＋をオン状態にした
場合、フォトダイオードＰＤに逆バイアス電圧が印加さ
れる。この場合、フ第１・ダイオードＰＤの動作範囲が
狭く、また、暗電流の発生を抑制することができないた
め、光電変換時のダイナミックレンジ拡大と暗電流ノイ
ズの低減とに限界がある。
本発明は上記問題点を解消するものであり、光電変換さ
れた電気信号のダイナミックレンジを拡太し、かつ暗電
流ノイズを低減した固体撮像装置を提供するものである
。
れた電気信号のダイナミックレンジを拡太し、かつ暗電
流ノイズを低減した固体撮像装置を提供するものである
。
（課題を解決するための手段）
上記問題点を解決するため本発明は、受光エレメントと
なるフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加すること
なく光電変換動作を行わしめると共に、上記フ第１・ダ
イオードの両電極間電圧に対応した電流を得る電圧電流
変換トランジスタを設け、該トランジスタにより光電変
換された電気信号となる信号電荷を制御するように構成
したものである。
なるフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加すること
なく光電変換動作を行わしめると共に、上記フ第１・ダ
イオードの両電極間電圧に対応した電流を得る電圧電流
変換トランジスタを設け、該トランジスタにより光電変
換された電気信号となる信号電荷を制御するように構成
したものである。
（作用）
上記構成によれば、フォトダイオードが逆バイアス状態
で光電変換動作を行うことがなく、両電極間電圧のダイ
ナミックレンジ、ひいては光電変換された電気信号のダ
イナミック【ノンジが大になり、しかも暗電流が小にな
るので、固体撮像装置によって撮像された画像の質を向
上させることができる。
で光電変換動作を行うことがなく、両電極間電圧のダイ
ナミックレンジ、ひいては光電変換された電気信号のダ
イナミック【ノンジが大になり、しかも暗電流が小にな
るので、固体撮像装置によって撮像された画像の質を向
上させることができる。
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
なお、第１図〜第３図は本発明を適用した固体撮像装置
の基本的動作及び構成を示す回路図であり、第４図〜第
７図は応用例を示す回路図である。
の基本的動作及び構成を示す回路図であり、第４図〜第
７図は応用例を示す回路図である。
先ず第１図を参照して本発明の基本的概念を説明する。
開放状態のフォトダイオ−１” Ｐ Ｄに強度■、の光
を照射すると、フォトダイオードＰＤの両端の電極に発
生ずる電圧■。０は、 上記（１）式において、ｑは電荷、ｋはボルツマン定数
、Ｔは温度を表わし、■、は定数である。
を照射すると、フォトダイオードＰＤの両端の電極に発
生ずる電圧■。０は、 上記（１）式において、ｑは電荷、ｋはボルツマン定数
、Ｔは温度を表わし、■、は定数である。
上記（１）式より、ＪＰ＜＜１．のときＶＯＣω１１の
関係になり、■、＞＞１．のとき■。ｃｏＯｉ！、Ｏｇ
ｌ、の関係になる。
関係になり、■、＞＞１．のとき■。ｃｏＯｉ！、Ｏｇ
ｌ、の関係になる。
従って、フォトダイオードＰＤに逆バイアスを印加せず
に動作せしめた場合、■ｏｃの変化を電流の変化に変換
し、時間的に積分することにより、広いダイナミックレ
ンジが得られる。また暗時には、フォトダイオードＰＤ
の両端の電極間に電位差が生じないため、暗電流が小に
なる。
に動作せしめた場合、■ｏｃの変化を電流の変化に変換
し、時間的に積分することにより、広いダイナミックレ
ンジが得られる。また暗時には、フォトダイオードＰＤ
の両端の電極間に電位差が生じないため、暗電流が小に
なる。
次に、第２図及び第３図を参照して光電変換から信号読
出しになる回路動作を説明する。
出しになる回路動作を説明する。
フォトダイオードＰＤの両電極間電圧ＶＯＣは、光量ｈ
νに対応してレベル変化し、電圧電流変換トランジスタ
Ｔｒ□のゲート電圧になる。
νに対応してレベル変化し、電圧電流変換トランジスタ
Ｔｒ□のゲート電圧になる。
従って、トランジスタＴｒ２のドレイン−ソース間電流
は、上記電極間電圧■。０に対応するものになり、電圧
−電流変換が行われる。電荷蓄積容量Ｃｓに蓄積される
電荷は上記ドレイン−ソース間電流によって制御され、
時間積分された出力信号が読出し回路１４によって読出
される。なお、電荷蓄積容量Ｃｓは、トランジスタＴｒ
ｉのソース及びトランジスタＴ、、、のドレインと共に
形成される接合容量を用いることかでき、特に独立した
容量を設けなくても実現できる。
は、上記電極間電圧■。０に対応するものになり、電圧
−電流変換が行われる。電荷蓄積容量Ｃｓに蓄積される
電荷は上記ドレイン−ソース間電流によって制御され、
時間積分された出力信号が読出し回路１４によって読出
される。なお、電荷蓄積容量Ｃｓは、トランジスタＴｒ
ｉのソース及びトランジスタＴ、、、のドレインと共に
形成される接合容量を用いることかでき、特に独立した
容量を設けなくても実現できる。
上記構成において注目すべきことは、電荷蓄積容量Ｃｓ
に電流が蓄積される間、フォトダイオ−ドＰＤに逆バイ
アスが印加されないことである。
に電流が蓄積される間、フォトダイオ−ドＰＤに逆バイ
アスが印加されないことである。
故に第１図を参照して述べた如く、フォトダイオードＰ
Ｄの両電極間電圧■。０は大きな光量に対してｆｆｏｇ
特性になり、再現され得る入力信号のダイナミックレン
ジが大になる。また、フォトダイオードでは暗電流が発
生しないため、暗電流ノイズが低減される。なお、フォ
トダイオードＰＤは、ａ−ｓｉ（アモルファス−シリコ
ン）等を積層して形成したダイオードを用いてもよい。
Ｄの両電極間電圧■。０は大きな光量に対してｆｆｏｇ
特性になり、再現され得る入力信号のダイナミックレン
ジが大になる。また、フォトダイオードでは暗電流が発
生しないため、暗電流ノイズが低減される。なお、フォ
トダイオードＰＤは、ａ−ｓｉ（アモルファス−シリコ
ン）等を積層して形成したダイオードを用いてもよい。
更に、フォトダイオードの極性は、出力特性（ネガティ
ブ型出力特性、ポジティブ型出力特性）に合せて変更す
ることができる。
ブ型出力特性、ポジティブ型出力特性）に合せて変更す
ることができる。
次に、第４図〜第７図を参照して上記固体撮像装置の各
応用例を説明する。
応用例を説明する。
第４図はＭＯＳセンサ型への応用例を示すものであり、
各フォトダイオードＰＤ、電圧電流変換トランジスタＴ
ｒ□、電荷蓄積容量Ｃ３は上記同様に作用する。
各フォトダイオードＰＤ、電圧電流変換トランジスタＴ
ｒ□、電荷蓄積容量Ｃ３は上記同様に作用する。
水平走査回路２１は、トランジスタＴｒ２１を順次駆動
して各フォトダイオードＰＤから発生した電圧にもとづ
き一水平走査期間の出力信号を得る。
して各フォトダイオードＰＤから発生した電圧にもとづ
き一水平走査期間の出力信号を得る。
また垂直走査回路２２は、−水平走査期間の走査が終了
した後、トランジスタＴｒ２゜を垂直方向に順次駆動せ
しめ、上記出力信号を得るものである。
した後、トランジスタＴｒ２゜を垂直方向に順次駆動せ
しめ、上記出力信号を得るものである。
故に、上記構成によれば、ダイナミックレンジが大で、
しかも暗電流の少ない出力信号を得ることができる。
しかも暗電流の少ない出力信号を得ることができる。
第５図は、ＩＬ（インターライン）−ＣＣＤ型への応用
例を示すものであり、各フォトダイオードＰＤ、電圧電
流変換トランジスタＴｒ２、電荷蓄積容量Ｃ８は上記同
様に作用する。各トランジスタＴｒ３Ｉ は、トランス
ファゲートパルスφ１．に対応して、各フォトダイオー
ドＰＤから発生し、かつ電荷蓄積容量Ｃ５によって蓄積
された信号電荷量を各垂直ＣＣＤ３１に移送するもので
ある。
例を示すものであり、各フォトダイオードＰＤ、電圧電
流変換トランジスタＴｒ２、電荷蓄積容量Ｃ８は上記同
様に作用する。各トランジスタＴｒ３Ｉ は、トランス
ファゲートパルスφ１．に対応して、各フォトダイオー
ドＰＤから発生し、かつ電荷蓄積容量Ｃ５によって蓄積
された信号電荷量を各垂直ＣＣＤ３１に移送するもので
ある。
各垂直ＣＣＤ３１は、垂直−列毎の信号電荷を垂直転送
するものであり、水平ＣＣＤ３２は上記信号電荷を水平
方向に転送するものである。
するものであり、水平ＣＣＤ３２は上記信号電荷を水平
方向に転送するものである。
従って、バッファアンプ３３から得られる出力信号は、
上記同様にダイナミックレンジが大で暗電流の低減した
ものになる。
上記同様にダイナミックレンジが大で暗電流の低減した
ものになる。
第６図はＴＳＬ型（水平読出し移送型）への応用例を示
すものであり、各フォトダイオードＰＤ、電圧電流変換
トランジスタＴｒ２、電荷蓄積容量Ｃ８は上記同様に作
用する。
すものであり、各フォトダイオードＰＤ、電圧電流変換
トランジスタＴｒ２、電荷蓄積容量Ｃ８は上記同様に作
用する。
本応用例は、上記ＭＯＳセンサ型に類似しているが、水
平走査回路２１によって駆動されるトランジスタＴｒ２
１を設け、水平走査トランジスタのスイッチング・ノイ
ズを低減しかつスミアの少ない出力信号を得られるよう
にしたものである。
平走査回路２１によって駆動されるトランジスタＴｒ２
１を設け、水平走査トランジスタのスイッチング・ノイ
ズを低減しかつスミアの少ない出力信号を得られるよう
にしたものである。
第７図は増幅型への応用例を示すものであり、各フォト
ダイオードＰＤ、電圧電流変換トランジスタＴｒ２、電
荷蓄積容量Ｃ３は上記同様に作用する。
ダイオードＰＤ、電圧電流変換トランジスタＴｒ２、電
荷蓄積容量Ｃ３は上記同様に作用する。
本応用例では、Ｃ３に蓄積された信号電荷に対応した出
力は、各トランジスタＴｒ３□によって増幅され、各ト
ランジスタＴｒ２１を介して出力信号として得られる。
力は、各トランジスタＴｒ３□によって増幅され、各ト
ランジスタＴｒ２１を介して出力信号として得られる。
また、リセット駆動回路２３、各リセットトランジスタ
Ｔｒ３４は、−水平走査が終了した後、各電荷蓄積容量
Ｃｓをリセットするものである。
Ｔｒ３４は、−水平走査が終了した後、各電荷蓄積容量
Ｃｓをリセットするものである。
上記の如く、本発明を適用した固体撮像装置は、読出し
回路の形態の如何に関わらす広く応用することができる
。
回路の形態の如何に関わらす広く応用することができる
。
（発明の効果）
以上に述べた如（、本発明の固体撮像装置は、受光エレ
メントとなるフォトダイオードを逆バイアス電圧を印加
することなく光電変換動作を行うようになし、かつ上記
フォトダイオードのｆｆｏｇ特性を有する両電極間電圧
によって電圧電流変換動作を行うトランジスタを駆動し
、電荷蓄積容量により電流の時間積分に対応する出力信
号を得るものであるから、上記両電極間電圧のダイナミ
ックレンジと出力信号のダイナミックレンジが大になり
、更に暗電流が小になる。
メントとなるフォトダイオードを逆バイアス電圧を印加
することなく光電変換動作を行うようになし、かつ上記
フォトダイオードのｆｆｏｇ特性を有する両電極間電圧
によって電圧電流変換動作を行うトランジスタを駆動し
、電荷蓄積容量により電流の時間積分に対応する出力信
号を得るものであるから、上記両電極間電圧のダイナミ
ックレンジと出力信号のダイナミックレンジが大になり
、更に暗電流が小になる。
従って、上記固体撮像装置によって得られる画質を良好
になすことができる。
になすことができる。
第１図〜第３図は本発明を適用した固体撮像装置の基本
的概念、基本的構成及び動作を説明する回路図。 第４図〜第Ｙ図は上記固体撮像装置の各応用例を示す回
路図。 第８図及び第９図は従来の固体撮像装置の一例を示す回
路図である。 （図中の符号） ＰＤ・・・・・・フォトダイオ−１・、Ｃ８・・・・・
・電荷蓄積容量、Ｔｒ＋、Ｔｒ２． Ｔｒ２１． Ｔ
ｒ２２． Ｔｒｚ３． Ｔ＋−３１１・・’・・・トラ
ンジスタ、１．１１・・・・・・光電変換回路、１２・
・・・・・電圧電流変換回路、２，１３・・・・・・電
流時間積分回路、３，１４・・・・・・読出し回路、２
１・・・・・・水平走査回路、２２・・・・・・垂直走
査回路、２３・・・・・・リセット駆動回路、３１・・
・・・・垂直ＣＣＤ、３２・・・・・・水平ＣＣＤ０ 第 ８ 図 λ 、８膝へ
的概念、基本的構成及び動作を説明する回路図。 第４図〜第Ｙ図は上記固体撮像装置の各応用例を示す回
路図。 第８図及び第９図は従来の固体撮像装置の一例を示す回
路図である。 （図中の符号） ＰＤ・・・・・・フォトダイオ−１・、Ｃ８・・・・・
・電荷蓄積容量、Ｔｒ＋、Ｔｒ２． Ｔｒ２１． Ｔ
ｒ２２． Ｔｒｚ３． Ｔ＋−３１１・・’・・・トラ
ンジスタ、１．１１・・・・・・光電変換回路、１２・
・・・・・電圧電流変換回路、２，１３・・・・・・電
流時間積分回路、３，１４・・・・・・読出し回路、２
１・・・・・・水平走査回路、２２・・・・・・垂直走
査回路、２３・・・・・・リセット駆動回路、３１・・
・・・・垂直ＣＣＤ、３２・・・・・・水平ＣＣＤ０ 第 ８ 図 λ 、８膝へ
Claims (1)
- 逆バイアス電圧が印加されることなく光電変換動作を
行うフォトダイオードと、上記フォトダイオードの両電
極間電圧を電流に変換するトランジスタと共に、上記電
流を蓄積する電荷蓄積容量を設けたことを特徴とする固
体撮像装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63019678A JPH01196165A (ja) | 1988-02-01 | 1988-02-01 | 固体撮像装置 |
| US07/304,081 US4945418A (en) | 1988-02-01 | 1989-01-31 | Solid state image pickup apparatus with charge storage device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63019678A JPH01196165A (ja) | 1988-02-01 | 1988-02-01 | 固体撮像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01196165A true JPH01196165A (ja) | 1989-08-07 |
Family
ID=12005889
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63019678A Pending JPH01196165A (ja) | 1988-02-01 | 1988-02-01 | 固体撮像装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4945418A (ja) |
| JP (1) | JPH01196165A (ja) |
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| KR100429571B1 (ko) * | 1999-12-28 | 2004-05-03 | 주식회사 하이닉스반도체 | 저전력화 및 화질 개선을 위한 단위 화소 회로 및 판독 회로를 갖는 이미지센서 |
| WO2009025223A1 (ja) * | 2007-08-21 | 2009-02-26 | Sharp Kabushiki Kaisha | 表示装置 |
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- 1988-02-01 JP JP63019678A patent/JPH01196165A/ja active Pending
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