JPH01293079A

JPH01293079A - 増幅型固体撮像装置

Info

Publication number: JPH01293079A
Application number: JP63124162A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nakazawa; 良雄中澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1989-11-27

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】〔産業上の利用分野〕本発明は増幅型固体撮像装置の構成に関する。

〔発明の概要〕

本発明は増幅型固体撮像装置の構成において、１）フォ
トダイオードの端子電圧をコンデンサセット手段により
コンデンサに充電し、２）コンデンサに充電された電荷
をコンデンサリセット手段により出力電荷として取シ出
すことにより、３）増幅用１１ＰＥＴの増幅率のバラツキの影響を出力
電荷が受けにくくなり、４）増幅型固体撮像装置の固定パターンノイズを減らし
たものである。

〔従来の技術〕

従来の増幅型固体３８像装置の構成は、テレビジョン学
会技術報告　昭和６５年２月２５日（木）発表ＥＤ’　
８８−６１’−増幅型固体撮像装置ＡＭＩのＦＰＮ解析
」の第１図に示されるものが例としてあげられる。（Ｆ
ＰＮは固定パターンノイズの略であり、以下ＦＰＮと略
す。）上記、文献中において、ＩＦＰＮの発生原因として次の
４項目をあげている。

１）増幅用ＩＦＦ！Ｔのしきい電圧Ｖｔのバラツキ２）
増幅用ｌＦＥＴの増幅率１ｍのバラツキ３）フォトダイ
オードの開口率および寄生容量のバラツキ４）フォトダイオードの暗電流のバラツキ上記、文献中
において、ＦＰＮを劣下させる原因は特に上記［１）増
幅用ＦＦ１Ｔのしきい電圧Ｖｔのバラツキ」および「３
）フォトダイオードの開口率および寄生容量のバラツキ
」であると述べている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前述の従来技術では、ＦＰＮを素子の内部構成
によって抑圧する手段が提供されていないという問題点
を有する。

そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、そ
の目的とするところは、増幅用ＩＰＥＴのしきい電圧の
バラツキやフォトダイオードの寄生容量のバラツキの影
響によってＦＰＨの劣下しない増幅型固体撮像装置を提
供するところにある。

〔課題を解決するための手段〕

（１）　　α）本発明の増幅型固体撮像装置は、ｂ）第
２の走査パルスＧ２によって制御されるフォトダイオー
ドリセット手段Ｔ２０と１個以上のフォトダイオードＤ
１〜Ｄ４を直列に接続した直列回路、Ｃ）該フォトダイオード直列回路Ｄ１〜Ｄ４と該フォト
ダイオードリセット手段Ｔ２０の接続点は、第１の走査
パルスＧ１によって制御されるコンデンサセット手段Ｔ
１０のゲート電極に接続され、ｄ）該コンデンサセット手段Ｔ１０ば、コンデンサＣと
第２の走査パルスＧ２によって制御されるコンデンサリ
セット手段Ｔ３０に接続されたことを特徴とする。

（２）本発明の増幅型固体撮像装置は、特許請求の範囲
第１項記載の手段に加え、該コンデンサ０は、該フォトダイオードＤ１〜Ｄ４と同
一の材料および製造工程で構成されたことを特徴とする
。

（３）本発明の増幅型固体撮像装置は、特許請求の範囲
第１項記載の手段に加え、該フォトダイオードリセット手段Ｔ２０と該コンデンサ
セット手段Ｔ１０の有するしきい電圧■Ｔを補償する手
段を有することを特徴とする。

（４）　　本発明の増幅型固体撮像装置は、画素の感光
領域を複数に分割し、分割された感光素子を直列に接続
したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の上記の構成によれば、フォトダイオードに蓄積
された信号電荷ｑｉに従った出力信号電荷ｑＯはｑ　ｏ　＝　ｑ　ｉ　ｘ　ττ であられされる。Ｏｓはフォトダイオードの接合容量で
あり、別途付加容量を設けることもある。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例における増幅型固体撮像装置の
回路図であり、第２図はその駆動波形を示すタイムチャ
ートである。

０１〜Ｇ６は走査パルスであり、第２図に示すように時
系列的に印加される。また走査パルス０１〜Ｇ６は第２
図において破線で示したように、マスタースレーブ型シ
フトレジスタのマスター出力とスレーブ出力をそのまま
印加した波形でも良いが、その場合は、フォトダイオー
ドリセット手段Ｔ２０とコンデンサリセット手段’１’
３０には第１図において、２画素右伴りのコンデンサセ
ット手段Ｔ１０に印加された走査パルスを供給しなけれ
ばならない。走査パルス０１〜Ｇ６はルベルにおいてフ
ォトダイオードリセット手段Ｔ２０とコンデンサセット
手段Ｔ１０およびコンデンサリセット手段Ｔ３０を能動
にする。

フォトダイオードリセット手段であるＮチャネルダブル
ゲート型ＭＯ’Ｓ）ランジスタ’Ｉ’２０．７オトダイ
オードＤ１〜Ｄ４．コンデンサセット手段であるＮチャ
ネルダブルゲート型ＭＯＳ）ランラスタＴ１０．コンデ
ンサ０．コンデンサリセツト手段であるＮチャネルＭＯ
３）ランジスタＴ３０が特許請求の範囲第１項対応の構
成要素であり、しきい電圧ＶＴを補償する手段であるＮ
チャネルＭＯ８）ランジスタ’ｒ３．Ｔ４．Ｔ５が特許
請求の範囲第３項対応の構成要素であり、以上の構成要
素から画素１は構成されている。

ＮチャネルＭｏＳトランジスタ’ｒ５．’ｒ２０゜Ｔ１
０のドレイン電極を共通に接続して、端子６とし、各画
素１の端子６を共通に接続して端子２とし、電源ＶＤＤ
に接続する。画素１における端子７は走査パルスが印加
され、端子８には隣接画素の走査パルスが印加される。

ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ′５のソース電極を端
子１１として、各画素１の端子１１を共通に接続して端
子５として電源ＶＢＨに接続する。フォトダイオードＤ
４のアノード電極とコンデンサＯの一端を共通に接続し
て端子１０とし、各画素１の端子１０を共通に接続して
端子４として接地する。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
テ３ΩのソースＩＥ［ｊを端子９として、各画素１の端
子９を共通に接続して端子５として、仮想接地となって
いるアンプＡＭＰの反転入力端子に接続される。アンプ
ＡＭＰ、コンデンサＣ１、スイッチＳで積分器を構成し
、第２図に示す信号Ｒ８Ｔが１でスイッチＳがオンとな
り積分器をリセットする。走査パルス０１〜Ｇ６がルベ
ルとなった時間を１＝０とするとＴ＝ｔ（Ｔはリセット
信号Ｒ５Ｔの周期より小さい。）のビデオ出力電圧Ｖよ
りとビデオ出力電流工Ｖの関係は、ＴＶより＝−−Ｉ　工Ｖａｔで、あられされ波形は第２図に示すとおりである。ただ
し工Ｖは端子５から出力されるビデオ出力電流である。

画素１はライン状にも、エリア状にも設けることができ
、エリア状に設ける場合は２次元的に走査回路及画素選
択手段を設ける必要がある。フォトダイオードリセット
手段であるＮチャネルダブルゲート型ＭｏＳトランジス
タで２０は、スイッチ手段とソースフォロワのバッファ
アンプという２種類の機能を有する。スイッチ手段はフ
ォトダイオードＤ１〜Ｄ４を再充電するための機能であ
り、バッファアンプは再充電する電圧を決める機能であ
る。コンデンサセット手段であるＮチャネルダブルゲー
ト型ＭＯＳ）ランジスタＴ１０はスイッチ手段とソース
フォロワのバッファアンプという２種類の機能を有する
。スイッチ手段はコンデンサＣを再充電するための機能
であり、バッファアンプはフォトダイオードＤ１〜Ｄ４
の端子電圧に従ってコンデンサＣを再充電する電圧を制
御する機能である。

次に画素１の動作を説明する。

１）初期状態としてフォトダイオードＤ１〜Ｄ４の直列
回路は、ＶＤＴ＝ＶＢＢ＋　Ｖｔまで逆方向に充電されている。ただしＶＢＢは電源電圧
、ｖｔはＮ型ＭＯ８）ランジスタのしきい電圧、ＶＤｔ
はフォトダイオードＤ１〜Ｄ４の直列回路の端子電圧で
ある。

２）次にフォトダイオードＤ１〜．Ｄ４に照射された光
量に比例した電流がフォトダイオードＤ１〜Ｄ４内部で
流れ、フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の逆方向電圧はΔｖ
Ｏ減電圧するので、ＶＤＴ＝ＶＢＢ−ＩＶｔ　−ΔｖＯとなる。

３）そこでコンデンサセット手段Ｔ１０が走査パルスに
より能動にされると、コンデンサ０の端子電圧は、Ｖ（＋＝ＶＢＢ−ΔＶＯまで再充′鑞される。ただしＶａはコンデンサ０の端子
電圧である。

４）次に走査パルスによりコンデンサセット手段Ｔ１０
を非能動にして、コンデンサリセット手段Ｔ３０を能動
にする。コンデンサＯに充電された電荷はコンデンサリ
セット手段Ｔ３０を介して端子５ヘビデオ出力電流工Ｖ
として流れる。

５）上記４）の動作と並行してフォトダイオードリセッ
ト手段Ｔ２０を走査パルスにより能動ににして、フォト
ダイオードＤ１〜Ｄ４の直列回路をＶＤＴ＝’ＶＢＢ＋４ｔまで逆方向に再充電する。その際に再充電される電荷量
ｑｉがフォトダイオードに照射された光量と露光時間に
比例したものとなる。

以上からビデオ出力電流工Ｖの積分値である出力信号電
荷ｑＱとフォトダイオードの再充電電荷ｑｉの関係は、ｑｏ＝ｇ＝ｘｎｘ　− Ｏｓとなり増幅動作が行なわれる。０日はフォトダイオード
Ｄ１〜Ｄ４の有する接合容量の１画素分の総和で別途付
加容量を設けた場合はその値も含む。また、ｎはフォト
ダイオードの直列にされた数であり、第１図の場合ｎ＝
４である。

第６図は本発明の増幅型固体撮像装置の画素１の一実施
例魁示す回路図であり、第４図はフォトダイオードＤの
等価回路を示す回路図であり、第５図はフォトダイオー
ドＤ１〜Ｄ４の直列回路の等価回路を示す回路図であり
、第６図はＭＯＳトランジスタのしきい電圧ＶＴを説明
するための特性図である。

一般に固体撮像装置の１画素におけるフォトダイオード
の面積は有限であり、たとえば１００μｍ角であるとか
２５μｍ角であるとかいう値をとる。こノ有限な面積の
フォトダイオードをｎ個に分割して、ｎ個直列に接続し
た場合の効果を第４．５図を用いて説明する。（特許請
求の範囲第４項対応）フォトダイオードの面積は感光領
域をあられし、フォトダイオードは感光素子に含まれる
第４，５図において電流源ｉθ、４ｓｎ（ｆｓｌ、ｉθ
２・・・・・・・・・）はフォトダイオードの光′電流
であり、フォトダイオードに照射された光量に比例する
。）ンデンサＯｓ、０ｓｎ（Ｏｓ１．Ｏｓ２・・・・・
・・・・）はフォトダイオードの接合容量などであり、
別途コンデンサを付加することもある。

Ｖａはアノード電極、ＶＣはカソード電極である次に、
光電流ｉ８とｎ分割した場合の光電流ｊａｎ（４θ１．
ｊｓ２・・・・・・・・・）との関係は、ｉ　　ｓ　　
＝　　ｎ　　Ｘ　　ｉ　　ｓ　　ｎである。接合容量Ｏ
θとｎ分割した場合の接合容１ｉ０ｓｎ（Ｏａｌ　、０
ｓ２＝）との関係は、０８　千　ｎＸ０８ｎである。端子Ｖｃ、Ｖａ間の有する静電容量ＣＤと同じ
くｎ分割した場合の静電容量ＯＤｎの関係は、・’、ＯＤ：ｎ”　ＯＤｎである。そのためフォトダイオードリセット手段のオン
抵抗がｎ２倍大きくても同一の時定数でフォトダイオー
ドを再充電できるからフォトダイオードリセット手段を
小型にできる。

フォトダイオードに光が照射されることによってフォト
ダイオードに光電流が流れるので、接合容量に充電され
た電荷は放電され、フォトダイオードの端子１を田は減
電田する。端子電圧ＶＤの減電圧量ΔＶＤとｎ分割した
場合の端子電圧ＶＤｎの減電圧量ΔＶＤｎの関係は１、°、ΔＶＤ＝ΔＶＤｎである。ｎ分割した場合のフォトダイオード直列回路の
端子電圧ＶＤＴの減電圧量ΔＶＤＴは、Δ’ＶＤＴ＝ｎ
Ｘ　　ΔＶＤｎである。以上からフォトダイオードなｎ分割したことに
よりフォトダイオードリセット手段を小型にでき、フォ
トダイオード直列回路の端子電圧変化量はｎ倍となる。

第３図において、ＮチャネルＭＯＳ）ランジスタＴ２お
よび走査パルスにより制御されるスイッチＳ２によって
フォトダイオードリセット手段を構成し、ＮチャネルＭ
Ｏ’Ｓ）ランジスタＴ１および走査パルスにより制御さ
れるスイッチＳ１によってコンデンサセット手段を構成
し、走査パルスにより制御されるスイッチＳ３はコンデ
ンサリセット手段であり、Ｒ４は負荷抵抗である。

第６図はＭＯＳ）ランジスタのゲートソース間電圧ＶＧ
Ｓ対ドレイン電流よりを示したものであり、パラメータ
はドレインソース間電圧Ｖ　Ｄ　Ｓである。ゲートソー
ス間電圧ＶＧＳがしきい電圧ＶＴ以下ではドレイン電流
は流れない。

第３図において、ＮチャネルＭＯＳ）ランジスタＴ５　
、Ｔ４に微小電流を流す。ただしＶＢＢ＜ＶＤＤである
。ＮチャネルＭＯＳ）ランジスタＴ５は微小電流を流す
手段であり、抵抗でも良く、定電流源でも良い。第６図
でも明らかなように、ｖＤＳ＝ｖＧＳでドレイン電流よ
りを微小に流すとＶＤＳ−＝ＶＴとなる。そのためＮチ
ャネルＭＯＳトランジスタで２のゲート電極には、ＶＧ
２＝ＶＢＢ＋２ＸＶＴの電圧が印加される。ＶＯ２はＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタテ２のゲート電圧である。以上、述べたようにＮ
チャネルＭＯＳトランジスタＴ３゜Ｔ４　、Ｔ５によっ
てＮチャネルＭＯＳ）ランジスタＴＩ、Ｔ２のしきい電
圧ＶＴを補償し、これらの方法が特許請求の範囲第３項
に記されている手段である。

次に第３図を用いて画素の信号蓄積読出動作について説
明する。

１）スイッチＣ２を能動にすると、フォトダイオードＤ
１〜Ｄ４の直列回路の端子電圧ＶＤＴはＶＤＴ＝ＶＢＢ
４−ＶＴまで再充電される。ＮチャネルＭＯＳ）ランジスタＴ２
のゲート電圧ＶＧ２＝ＶＢＢ＋２ＸＶＴであるから、Ｎ
チャネルＭＯＳ）ランジスタＴ２のゲートソース間電圧
ＶＧ　５＝ＶＴに減少するまで再充電される。これは第
６図からも明らかなようにしきい電圧’ＶＴにおいてド
レイン電流工ｏ＝＝０となるためである。

２）次にスイッチＳ２を非能動とし、この時間を１＝０
とする。すると、ＶＤＴ＝ＶＢＢ＋ＶＴ　　（ｔ＝ｏ）である。

５）次に、スイッチＳ１を能動とする。この時間をｔ　
＝　Ｔ　ｉとし、Ｔｉは電荷蓄積時間である。

この時間におけるフォトダイオードＤ１〜Ｄ４の直列回
路の端子電圧ＶＤＴは、である。コンデンサＣの端子電圧ＶＯは、まで再充電さ
れる。なぜならＮチャネルＭＯＳ）ランジスタＴ１のゲ
ートソース間電圧ｖａｓがＶＴに減少するまで再充電さ
れるからであり、第６図においてしきい電圧ＶＴにおい
てドレイン電流工ｎ＝Ｑとなるためである。

４）次にスイッチＳ１を非能動とする。

５）次にスイッチＳ３を能動とする。コンデンサ０に蓄
えられた電荷ｑＯはスイッチＳ３を介してビデオ出力電
流工Ｖとして負荷抵抗ａＬを流れる。

出力信号電荷ｑＯはとなる。フォトダイオードによって得られた信号電荷９
（は、（Ｉｉ＝、ｌ″　１θｄｔであるから、出力信号電荷９ｏは、ｑ　ｏ　”　ＯＸＶＢ　Ｂ−−９−ｑ　ｉ　　＝　ＩＩ
ｖｄｔ）、　　　　　　　　　。。

〕ともあられされる。この式から明らかなように、ｑ　ｉ
　：　ｄにおいてｑ　ｏ＝ＯＸＶＢＢの出力電荷が得ら
れ、フォトダイオ寸ドの露光量が増加するに従って出力
電荷が減少する特性である。上式において信号電荷ｑｉ
と出力信号電荷ｑｏの変化分の絶対値のみに注目すると
、一９− ｑｏ−Ｏｓｘｑ。

となりフォトダイオードの接合容量ｏ８とコンデンサＯ
の比で増幅率が決定される。

６）次にスイッチＳ５を非能動にする。１）にもどりス
イッチＳ２を能動にする。

以上のように本発明の増幅型固体撮像装置においては、
。

１）フォトダイオードをｎ分割したためにｎ倍の出力信
号電荷が得られ、フォトダイオードのリセット手段がｎ
２倍小型で良い。

２）増幅用ＦＥＴの増幅率９ｍのバラツキの影響を受け
ない。

５）増幅率がフォトダイオードの接合容量Ｏｓとコンデ
ンサＯの比で決まるので増幅率の精度が高い。（以上特
許請求項第１項対応の効果）４）増幅用ＩＦＫ’ｌ”の
しきい電圧Ｖｔのバラツキの影響を受けない。（以上特
許請求項第５項対応の効果）第７図は本発明の他の実施例を示す回路図である。Ｄは
フォトダイオードであり、第５図の実施例におけるスイ
ッチＳ１を省略し、コンデンサＣに対する充電を長い時
定数で行なうようにＮチャネルＭＯ８）ランジスタＴ１
を小さい素子サイズで構成したものである。スイッチｓ
３能動時におけるＮチャネルＭＯ８）ランジスタＴ１の
ソース電流が充分無視できる素子サイズを選択する。画
素のトータルの素子サイズが小型にできるのが特徴であ
る。

第８図は本発明の他の実施例を示すもので、特許請求項
第２項対応の増幅型固体撮像装置の画素の回路図である
。第３図におけるコンデンサ０に代替としてフォトダイ
オードＤＣを遮光処理して用いている。フォトダイオー
ドに付加容量を設けた場合には、付加容量と接合容量の
比に合わせてフォトダイオードＤＣにも付加容量を設け
る。これらの特許請求項第２項対応の技術的手段により
、フォトダイオードの寄生容量（膜厚のバラツキなど）
のバラツキやコンデンサＯ（［厚のバラツキなど）のバ
ラツキ及びそれらの比のバラツキによって出力信号電荷
がバラツクということを防止できるという効果を有する
。　　゛第９図は本発明の他の実施例を示すもので、特許請求項
第６項対応の増幅型固体撮像装置の画素の回路図である
。Ｒは抵抗、Ｔ６はＮチャネルＭＯＳトランジスタであ
る。動作及効果の概要は第３図の説明と同様であり、第
３図の例より素子数が少ないことが特徴である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば次のような効果を有す
る。

１）フォトダイオードをｎ分割したためにｎ倍の出力信
号電荷が得られ、フォトダイオードのり壷セット手段がｎ２倍小型で良い。（特許請求項第１．４
項対応）２）増幅用ＦＥＴの増幅率ｇｍのバラツキの影響を受け
ない。

３）増幅率がフォトダイオードの接合容ｔｏｓとコンデ
ンサ０の比で決まるので増幅率の精度が高い。（以上特
許請求項第１項対応の効果）４）コンデンサＯの替りに
遮光したフォトダイオードを用いることにより、フォト
ダイオードやコンデンサの容量比のバラツキ（同一構成
材料でないため製造上相互間のバラツキが大きい。）に
よって増幅率が変わらない。（以上特許請求項第２項対
応の効果）５）増幅用ＰＥＴのしきい電圧Ｖｔのバラツキの影響を
受けない。（以上特許請求項第３項対応の効果）本発明が特に効果を有するのは、等倍率の光学率を有す
る密着型イメージセンサである。なぜなら原稿と同一サ
イズの増幅型固体撮像装置を必要とするので、大型の半
導体装置を形成しなければならない。たとえばＡ４サイ
ズの原稿の短辺は約２１６ｒｒｒＩＲであり、このよう
な大型の半導体装置の構成素子のパラメータのバラツキ
を少なくスるのは容易ではないので、本発明のように、
各画素内の相補性によって信号を処理するという方法は
有用である。

また昨今薄膜半導体デバイスの開発が盛んである。薄膜
半導体デバイスの信頼性は単結晶半導体デバイスの信頼
性と比べて見劣りする。そこで本発明のように画素を選
択した場合だけ増幅動作を行なわせるというのは、高信
頼性デバイスを構成するのに効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の増幅型固体撮像装置の一実施例を示す
回路図。第２図は第１図のタイムチャート。第３図は画素の一実施例を示す回路図。第４，５図はフォトダイオードの等何回路を示す回路図
。第６図はしきい電圧ＶＴを示す特性図。第７図は画素の他の実施例を示す回路図。第８図は画素の他の実施例を示す回路図。第９図は画素の他の実施例を示す回路図。０１〜Ｇ６・・・・・・走査ハルス１　　　　・・・・・・画　素Ｔ０ｎ　　　・・・・・・フォトダイオードリセット手
段Ｄ１〜Ｄ４・・・・・・フォトダイオードＴ１０　　
　・・・・・・コンデンサリセット手段Ｏ・・・・・・
コンデンサＴ３０　　　・・・・・・コンデンサセット手段第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）α）時系列的な走査パルスＧ１〜Ｇ６によって制
御される画素１を１個以上有する増幅型固体撮像装置に
おいて、ｂ）第２の走査パルスＧ２によって制御されるフォトダ
イオードリセット手段Ｔ２０と１個以上のフォトダイオ
ードＤ１〜Ｄ４を直列に接続した直列回路、ｃ）該フォトダイオード直列回路Ｄ１〜Ｄ４と該フォト
ダイオードリセット手段Ｔ２０の接続点は、第１の走査
パルスＧ１によって制御されるコンデンサセット手段Ｔ
１０のゲート電極に接続され、ｄ）該コンデンサセット手段Ｔ１０は、コンデンサＣと
第２の走査パルスＧ２によって制御されるコンデンサリ
セット手段Ｔ３０に接続されたことを特徴とする増幅型
固体撮像装置。
（２）該コンデンサＣは、該フォトダイオードＤ１〜Ｄ
４と同一の材料および製造工程で構成されたことを特徴
とする請求項１記載の増幅型固体撮像装置。
（３）該フォトダイオードリセット手段Ｔ２０と該コン
デンサセット手段Ｔ１０の有するしきい電圧Ｖ＿Ｔを補
償する手段を有することを特徴とする請求項１記載の増
幅型固体撮像装置。
（４）画素ごとに増幅手段を有する増幅型固体撮像装置
において、画素の感光領域を複数に分割し、分割された
感光素子を直列に接続したことを特徴とする増幅型固体
撮像装置。