JPH07255013A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH07255013A
JPH07255013A JP6075942A JP7594294A JPH07255013A JP H07255013 A JPH07255013 A JP H07255013A JP 6075942 A JP6075942 A JP 6075942A JP 7594294 A JP7594294 A JP 7594294A JP H07255013 A JPH07255013 A JP H07255013A
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reset
signal line
pixel
capacitor
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JP6075942A
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Kazuya Yonemoto
和也 米本
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 増幅型固体撮像装置を容量負荷動作方式に
し、その高信頼性化、水平出力回路部の構成を簡単化す
る。 【構成】 電源ＶDDと垂直信号線５との間に接続され、
光電変換によって発生した電荷をチャネル近傍に蓄積す
る複数の画素ＭＯＳトランジスタ１と、垂直信号線５と
第１の電位との間に接続された負荷容量素子１４と、リ
セットするリセットＭＯＳスイッチ３６を有し、信号読
み出し時には、選択された画素ＭＯＳトランジスタ１の
チャネルポテンシャルと略同一のポテンシャルにし、リ
セットＭＯＳスイッチ３６が動作ＭＯＳスイッチ１３よ
りも負荷容量素子１４側に接続され、負荷容量素子１４
の容量が垂直信号線５のもつ容量よりも大に設定し、リ
セットポテンシャルが入射光がない画素ＭＯＳトランジ
スタ１のチャネルポテンシャルよりも浅く、かつ入射光
がない場合のチャネルポテンシャルとのポテンシャル差
が２．０Ｖ以下に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置、特に容
量負荷動作方式の増幅型固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体撮像素子の高解像度化の要求に従っ
て、画素毎に光信号電荷を増幅する内部増幅型の固体撮
像素子の開発が進められている。この内部増幅型固体撮
像素子の主なものとしては、静電誘導トランジスタ（Ｓ
ＩＴ）、増幅型ＭＯＳイメージャ（ＡＭＩ）、電荷変調
デバイス（ＣＭＤ）、バイポーラトランジスタを画素に
用いたＢＡＳＩＳ等の各種撮像デバイス構造が知られて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、ＷＡＭ型と呼ば
れる増幅型固体撮像素子もその１つである。このＷＡＭ
型とは、Ｗｅｌｌ ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅ
ｄ ＭＯＳ ｉｍａｇｅｒの略称である。この増幅型固
体撮像素子では、光電変換により得られたホール（信号
電荷）をＮチャネルＭＯＳトランジスタ（画素ＭＯＳト
ランジスタ）のＰ型ポテンシャル井戸に蓄積しておき、
このＰ型ポテンシャル井戸における電位変動（すなわ
ち、バックゲートの電位変化）に基づくチャネル電流の
変化を画素信号として出力するようになしている。
【０００４】ところで、上述した増幅型固体撮像装置に
おいては、図１４に示すように、画素ＭＯＳトランジス
タ〔単位画素（セル）〕１が行列状に配列され、各画素
ＭＯＳトランジスタ１のゲートがシフトレジスタ等から
構成される垂直走査回路２にて選択される垂直選択線３
に接続され、そのドレインが電源線（電源ＶDDが供給さ
れる線）４に接続され、そのソースが垂直信号線５に接
続される。
【０００５】各信号線５には、そのゲートにバイアス電
圧ＶB が印加される負荷ＭＯＳトランジスタ６が接続さ
れ、更に画素信号をサンプルホールドするサンプルホー
ルド回路７が接続される。８はシフトレジスタ等から構
成される水平走査回路で、この水平走査回路８は水平Ｍ
ＯＳスイッチ９のゲートへ順次走査信号を供給してサン
プルホールド回路７の画素信号を水平出力信号線１０を
通じて出力するようになされる。
【０００６】この増幅型固体撮像装置１１では、図１７
の構成図及び図１８の画素動作時の等価回路で示すよう
に、単位画素即ち画素ＭＯＳトランジスタ１を垂直走査
回路２により垂直選択線３を通じて選択し、画素ＭＯＳ
トランジスタ１と信号線５に接続された定電流源として
動作する負荷ＭＯＳトランジスタ６とから構成されるソ
ースフォロア回路から得られる信号をサンプルホールド
回路７でメモリし、水平走査回路８に接続した水平ＭＯ
Ｓスイッチ９を順次オンすることで各画素ＭＯＳトラン
ジスタ１の信号を水平出力信号線１０を通じて出力す
る。
【０００７】即ち、選択された画素ＭＯＳトランジスタ
１は、負荷ＭＯＳトランジスタ６によりソースフォロア
動作をし、画素ＭＯＳトランジスタ１に定常的に電流が
流れている状態のソース電位をサンプルホールド回路７
と水平ＭＯＳスイッチ９を介して出力する。この動作
を、選択する垂直選択線３を変えながら、水平走査線毎
に行うことで固体撮像装置の信号出力を得る。
【０００８】しかし、上述の場合、垂直信号線５の分布
抵抗により、負荷ＭＯＳトランジスタ６から遠い画素Ｍ
ＯＳトランジスタ１と、負荷ＭＯＳトランジスタ６に近
い画素ＭＯＳトランジスタ１とで動作条件が変わり、垂
直方向に感度の傾きを持つなど不都合が生じる。
【０００９】また、定電流源として動作する負荷ＭＯＳ
トランジスタ６の定電流性が悪いと感度の低下が生じる
場合がある。即ち、定電流源としての負荷ＭＯＳトラン
ジスタ６は、理想的な定電流源というわけにはいかず、
画素ＭＯＳトランジスタ１のソース電流が変わると、こ
の定電流も僅かながら変動する。この定電流の変動分が
感度の低下につながる。
【００１０】また、画素ＭＯＳトランジスタ１の読み出
し時に必ず定電流が流れるので、撮像装置の消費電力が
大きくなる。更に、負荷ＭＯＳトランジスタ６のバラツ
キが、信号処理では取り除きにくい縦縞状の固定パター
ンノイズ（ＦＰＮ）を発生させる。
【００１１】更にまた、画素ＭＯＳトランジスタ１の読
み出し時には、上記のように定電流、即ち比較的大きな
ドレイン電流が常に流れているため、画素ＭＯＳトラン
ジスタ１の相互コンダクタンスｇｍが大きく、後述する
ように、この相互コンダクタンスｇｍに比例して画素Ｍ
ＯＳトランジスタから発生するランダム雑音が大きくな
る。
【００１２】本発明は、上述の点に鑑み、感度の均一
化、高感度化、低消費電力化、固定パターンノイズの除
去等を可能にした容量負荷動作方式の増幅型の固体撮像
装置を提供するものである。
【００１３】また、本発明は、上記容量負荷動作方式の
固体撮像装置において、高信頼性化を図り、且つ水平出
力回路部の構成の簡単化等を図った固体撮像装置を提供
するものである。
【００１４】また、本発明は、上記容量負荷動作方式の
固体撮像装置において、画素トランジスタのランダム雑
音を低減した固体撮像装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】第１の発明に係る固体撮
像装置は、電源ＶDDと垂直信号線５との間に接続され、
制御電極２７が選択線３に接続され、光電変換によって
発生した電荷２０をチャネル近傍に蓄積する複数の画素
ＭＯＳトランジスタ１と、垂直信号線５と第１の電位と
の間に接続されたキャパシタ１４と、キャパシタ１４を
リセットポテンシャルにリセットするリセット手段１５
（３１，３６）を有し、信号読み出し時において、キャ
パシタ１４が選択された画素ＭＯＳトランジスタ１のチ
ャネルポテンシャルと略同一のポテンシャルとなるよう
に構成する。
【００１６】第２の発明は、第１の発明の固体撮像装置
において、キャパシタ１４の容量を垂直信号線５の容量
と同等ないしはそれよりも大きく設定する。
【００１７】第３の発明は、第１又は第２の発明の固体
撮像装置において、垂直信号線５とキャパシタ１４との
間にスイッチ１３を備え、リセット手段３６を上記スイ
ッチ１３よりもキャパシタ１４側に接続して構成する。
【００１８】第４の発明は、第１、第２又は第３の発明
の固体撮像装置において、リセットポテンシャルを入射
光がない場合の画素ＭＯＳトランジスタ１のチャネルポ
テンシャルよりも浅く、かつ入射光がない場合のチャネ
ルポテンシャルとのポテンシャル差が２．０Ｖ以内とな
るように設定して構成する。
【００１９】第５の発明は、電源ＶDDと垂直信号線５と
の間に接続され、制御電極４８が選択線３に接続され、
光電変換によって発生した電荷４６をベース領域４４に
蓄積する複数の画素バイポーラトランジスタ４１と、垂
直信号線５と第１の電位との間に接続されたキャパシタ
１４と、垂直信号線５とキャパシタ１４との間に設けら
れたスイッチ１３と、キャパシタ１４及び垂直信号線５
をリセットポテンシャルにリセットするリセット手段３
６とを有する固体撮像装置において、リセット手段３６
をスイッチ１３よりもキャパシタ１４側に接続して構成
する。
【００２０】第６の発明は、電源ＶDDと垂直信号線５と
の間に接続され、制御電極４８が選択線３に接続され、
光電変換によって発生した電荷４６をベース領域４４に
蓄積する複数の画素バイポーラトランジスタ４１と、垂
直信号線５と第１の電位との間に接続されたキャパシタ
１４と、キャパシタ１４をリセットポテンシャルにリセ
ットするリセット手段３６（３１）を有する固体撮像装
置において、リセットポテンシャルを入射光がない場合
の画素バイポーラトランジスタ４１のベースポテンシャ
ルよりもポテンシャルが浅く、かつ入射光がない場合の
ベースポテンシャルとのポテンシャル差が２．０Ｖ以内
となるように設定して構成する。
【００２１】第７の発明は、第６の発明の固体撮像装置
において、垂直信号線５とキャパシタ１４との間にスイ
ッチ１３を有し、リセット手段３６をスイッチ１３より
もキャパシタ１４側に接続し、かつキャパシタ１４とと
もに垂直信号線５をリセットポテンシャルにリセットす
るように構成する。
【００２２】第８の発明は、容量負荷動作方式の固体撮
像装置において、画素トランジスタから負荷キャパシタ
への信号電圧の読み出し動作を弱反転領域で完了するよ
うに構成する。
【００２３】第９の発明は、容量負荷動作方式の固体撮
像装置において、画素トランジスタから負荷キャパシタ
への信号電圧の読み出し動作を、画素トランジスタから
負荷キャパシタに流れる電流が初期値から１桁以上低い
電流値になった時点で完了するように構成する。
【００２４】
【作用】第１の発明に係る画素ＭＯＳトランジスタ１を
単位画素とした固体撮像装置においては、信号読み出し
時、負荷となるキャパシタ１４に画素ＭＯＳトランジス
タ１のチャネルポテンシャルに相当する電圧が保持さ
れ、この電圧が信号電圧として読み出される。負荷にキ
ャパシタ１４を用いるので、キャパシタ１４に信号電圧
が保持されると、垂直信号線５にはほとんど電流が流れ
ないため、垂直信号線５の抵抗に大きく影響されず、均
一な感度が得られる。
【００２５】負荷がキャパシタ１４であるため、負荷Ｍ
ＯＳトランジスタのようなバラツキが少なく、縦縞状の
固定パターンノイズが発生しにくい。画素ＭＯＳトラン
ジスタ１のチャネルポテンシャルがそのまま負荷のキャ
パシタ１４に保持される電位になるため、負荷にＭＯＳ
トランジスタを用い画素ＭＯＳトランジスタを定常状態
即ちチャネルに一定の電流を流している状態で動作させ
ている場合に比べて感度が高い。また、画素ＭＯＳトラ
ンジスタに定常電流が流れないため、消費電力が低減さ
れる。
【００２６】第２の発明においては、第１の発明の固体
撮像装置において、負荷のキャパシタ１４の容量を垂直
信号線５の容量と同等ないしはそれよりも大きくするこ
とにより、ＫＴＣノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ比のよい
固体撮像装置が得られる。
【００２７】第３の発明においては、第１又は第２の発
明の固体撮像装置において、垂直信号線５とキャパシタ
１４との間にスイッチ１３を備え、リセット手段３６を
スイッチ１３よりもキャパシタ１４側に接続することに
より、リセット時、キャパシタ１４はリセット手段３６
のみ、即ちリセット手段３６を構成する例えば１つのＭ
ＯＳトランジスタのみを通してリセットポテンシャルＶ
RBにリセットされることになり、速いスピードでリセッ
トされる。また、１つのリセット手段３６で垂直信号線
５とキャパシタ１４を同時にリセットできるので、水平
出力回路部の構成が簡単になり、撮像チップ面積の縮小
化が可能となる。
【００２８】第４の発明においては、第１、第２又は第
３の発明の固体撮像装置において、上記のリセットポテ
ンシャルＶRBを入射光がない場合の画素ＭＯＳトランジ
スタ１のチャネルポテンシャルよりも浅く、かつ入射光
がない場合のチャネルポテンシャルとのポテンシャル差
が２．０Ｖ以内に設定することにより、スイッチ１３を
オンしてキャパシタ１４の電位を画素ＭＯＳトランジス
タ１の信号電荷量に応じたチャネルポテンシャルに相当
する電圧、即ち信号電圧に保持する際、ジッタの影響を
少なくし、信号電圧に早く安定させることができる。
【００２９】第５の発明においては、画素バイポーラト
ランジスタ４１を単位画素とし、負荷となるキャパシタ
１４と、垂直信号線５とキャパシタ１４間に設けたスイ
ッチ１３と、キャパシタ１４及び垂直信号線５をリセッ
トするリセット手段３６を有する固体撮像装置におい
て、そのリセット手段３６をスイッチ１３よりもキャパ
シタ１４側に接続することにより、リセット時、キャパ
シタ１４はリセット手段３６のみ、即ちリセット手段３
６を構成する例えば１つのＭＯＳトランジスタのみを通
してリセットポテンシャルＶRBにリセットされることに
なり、速いスピードでリセットされる。
【００３０】第６の発明においては、画素バイポーラト
ランジスタ４１を単位画素とし、負荷となるキャパシタ
１４と、キャパシタ１４をリセットするリセット手段３
６（３１）を有する固体撮像装置において、リセットポ
テンシャルを入射光がない場合の画素バイポーラトラン
ジスタ４１のベースポテンシャルよりもポテンシャルが
浅く、かつ入射光がない場合のベースポテンシャルとの
ポテンシャル差が２．０Ｖ以内に設定することにより、
スイッチ１３をオンしキャパシタ１４の電位を画素バイ
ポーラトランジスタ４１の信号電荷に応じたベースポテ
ンシャルに相当する電圧、即ち信号電圧に保持する際、
ジッタの影響が少なく、キャパシタの電位が信号電圧に
早く安定する。
【００３１】第７の発明においては、第６の発明の固体
撮像装置において、垂直信号線５とキャパシタ１４との
間にスイッチ１３を有し、リセット手段３６をスイッチ
１３よりもキャパシタ１４側に接続し、かつキャパシタ
１４とともに垂直信号線５をリセットポテンシャルにリ
セットすることにより、リセット手段３６が１つで済
み、水平出力回路部の構成が簡単になる。
【００３２】第８の発明においては、画素トランジスタ
から負荷キャパシタへの信号電圧の読み出し動作を弱反
転領域で完了させるので、画素トランジスタに流れる電
流が極めて小さくなり、相互コンダクタンスｇｍが小さ
くなって、画素トランジスタのランダム雑音が低減す
る。同時に消費電力の低減が図れる。
【００３３】第９の発明においては、画素トランジスタ
から負荷キャパシタへの信号電圧の読み出し動作を、画
素トランジスタから負荷キャパシタに流れる電流が初期
値から１桁以上低い電流値になった時点で完了させるの
で、上記電流が極めて小さくなり、画素トランジスタで
発生するランダム雑音が低減する。同時に消費電力の低
減が図れる。
【００３４】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。
【００３５】図１は、本発明に係る容量負荷動作方式の
増幅型固体撮像装置の一実施例を示す。同図において、
１は単位画素（セル）を構成する画素ＭＯＳトランジス
タを示し、複数の画素ＭＯＳトランジスタ１が行列状に
配列される。２はシフトレジスタ等から構成される垂直
走査回路、３は画素ＭＯＳトランジスタ１のゲートに接
続される垂直選択線で垂直走査回路２に入力される。
【００３６】画素ＭＯＳトランジスタ１のソースは垂直
信号線５に接続され、そのドレインは電源ＶDDが供給さ
れる電源線４に接続される。垂直信号線５には、動作Ｍ
ＯＳスイッチ１３を介して信号電圧（電荷）を保持する
負荷容量素子（負荷キャパシタ）１４が接続される。即
ち、負荷容量素子１４は、垂直信号線５と第１の電位本
例では接地電位との間に接続される。動作ＭＯＳスイッ
チ１３のゲートには動作パルスφSHが印加される。
【００３７】負荷容量素子１４には、負荷容量リセット
ＭＯＳスイッチ１５が並列接続され、負荷容量リセット
ＭＯＳスイッチ１５のゲートにリセットパルスφCRSTが
印加される。
【００３８】負荷容量素子１４は、水平ＭＯＳスイッチ
９のドレインに接続され、この水平ＭＯＳスイッチ９の
ソースは水平信号線１０に接続される。
【００３９】ここで、負荷容量素子１４の容量は、垂直
信号線５のもつ容量と同等ないしはそれよりも大きく設
定される。
【００４０】８はシフトレジスタ等から構成される水平
走査回路である。この水平走査回路８は、水平信号線５
に接続された水平ＭＯＳスイッチ９のゲートへ順次水平
走査信号（パルス電圧）φH 〔φH1‥‥φHn, φHn+1,
‥‥〕を供給し、負荷容量素子１４に保持された信号電
圧を水平信号線１０を通じて出力回路へ供給するように
なされる。
【００４１】図４は、単位画素（即ち画素ＭＯＳトラン
ジスタ）１の半導体構造を示す断面図である。この図に
おいて、２１は第１導電型例えばｐ型の半導体基板、２
２は光電変換された信号電荷、本例ではホール２０を蓄
積するｐ型ウエル領域、２３は第２導電型即ちｎ型のウ
エル領域である。ｐ型ウエル領域２２にｎ型のソース領
域２４及びドレイン領域２５が形成され、両領域２４及
び２５間のｐ型ウエル領域２２上にゲート絶縁膜を介し
て例えば光を透過し得る薄膜の多結晶シリコンからなる
ゲート電極２６が形成される。ゲート電極２６直下のｐ
型ウエル領域２２に光電変換によって蓄積されたホール
２０は、後述する読み出し動作時におけるチャネル電流
（ドレイン電流）を制御し、そのチャネル電流の変化量
が信号出力となる。
【００４２】上述の増幅型固体撮像装置１８では、読み
出し動作が行われる水平ブランキング期間中に、負荷容
量素子１４がそれぞれの画素ＭＯＳトランジスタ１に蓄
積された信号電荷量に応じたチャネルポテンシャルに相
当するポテンシャル即ち電圧に保持され、この電圧が信
号電圧として、水平走査回路８で走査される水平ＭＯＳ
スイッチ９を通じて水平信号線１０より出力される。
【００４３】図２は単位画素である画素ＭＯＳトランジ
スタ１の動作を示す等価回路、図３はその動作タイミン
グチャートを示す。
【００４４】図２に示すように、画素ＭＯＳトランジス
タ１のゲート端子２７は垂直選択線３を介して垂直走査
回路２に接続され、ドレイン端子２９は電源ＶDDに接続
されている。また、ソース端子２８は、垂直信号線５に
接続され、この垂直信号線５が動作ＭＯＳスイッチ１５
を介して負荷容量素子１４に接続されている。負荷容量
素子１４と動作ＭＯＳスイッチ１３との接続点が負荷容
量リセットＭＯＳスイッチ１５に接続されると共に、水
平ＭＯＳスイッチ９に接続されている。
【００４５】画素ＭＯＳトランジスタ１が読み出される
場合について説明する。まず、各行の選択線３に順次垂
直走査回路２からの垂直走査信号（垂直選択線パルス）
φV〔φV1, ‥‥φVm, φVm+1, ‥‥〕が印加され、各
行の画素ＭＯＳトランジスタ１が順次選択される。即
ち、画素ＭＯＳトランジスタ１のゲート端子２７に接続
された例えばｍ行の選択線３が水平ブランキング期間Ｈ
ＢＫ中に電圧Ｍの状態になり、ｍ行の画素ＭＯＳトラン
ジスタ１が選択状態になる。
【００４６】なお、非選択の行に対応する選択線３の電
位は、水平ブランキング期間ＨＢＫ中、電圧Ｌの状態と
なり、この選択線３に接続されている他の行の画素ＭＯ
Ｓトランジスタ１は非選択状態となる。
【００４７】次に、負荷容量リセットＭＯＳスイッチ１
５をリセットパルスφCRSTにてオン状態となして、読み
出し動作に使う負荷容量素子１３を所定の電圧、本例で
は接地電圧ＧＮＤにリセットしておく。
【００４８】次に、動作ＭＯＳスイッチ１３のゲートに
動作パルスφSHが印加され動作ＭＯＳスイッチ１３がオ
ン状態となり、垂直信号線５とリセット動作の終わった
負荷容量素子１４とが導通する。動作ＭＯＳスイッチ１
３がオンした瞬間から負荷容量素子１４に電荷がチャー
ジされ始め、負荷容量素子１４が読み出し動作期間中に
画素ＭＯＳトランジスタ１に蓄積された信号電荷量（ホ
ール）に応じたチャネルポテンシャルに相当する電圧に
落ち着く。
【００４９】図３において、垂直信号線の電圧Ｘ1 ，Ｘ
2 及びＸ3 は、夫々画素ＭＯＳトランジスタ１の入射光
が強い時、入射光が弱い時及び入射光が０のときに相当
する。また、負荷容量素子の電圧ＶCL1,ＶCL2 及びＶ
CL3 は、夫々画素ＭＯＳトランジスタ１の入射光が強い
時、入射光が弱い時、及び入射光が０の時に相当する。
【００５０】動作ＭＯＳスイッチ１３がオフすると、チ
ャネルポテンシャルに相当する電圧、即ち信号電圧が負
荷容量素子１３にそのまま保持される。負荷容量素子１
３に保持された信号電圧（電荷）は、水平走査回路８か
らの走査信号φH 〔φH1, ‥‥φHn, φHn+1, ‥‥〕に
より水平ＭＯＳスイッチ９が有効走査期間ＴA 中にオン
されることにより、水平信号線１０に流れる。
【００５１】水平信号線１０の出力端には、図示せざる
も、負荷抵抗素子、又は電荷検出回路等の出力回路が接
続されており、その出力端子から信号電圧として検出さ
れる。
【００５２】また、通常の固体撮像装置（イメージセン
サ）の場合、信号電圧を一旦読み出したらリセットして
新しい信号電荷を画素ＭＯＳトランジスタ１に蓄積し始
める必要があるので、上記の読み出し動作が終了した
後、即ち水平ブランキング期間の終りに、画素ＭＯＳト
ランジスタ１のゲート電圧を高レベルの状態に或は画素
ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を高レベルにすると共
に基板電圧を低レベルにし、或は基板電圧のみを低レベ
ルに制御して蓄積していた古い信号電荷２０を基板２１
側に排出する動作が行われる。
【００５３】上述の増幅型固体撮像装置１８によれば、
負荷容量素子１４に画素ＭＯＳトランジスタ１のチャネ
ルポテンシャルに相当する信号電圧が保持されると、垂
直信号線５にはほとんど電流が流れないため、垂直信号
線５の抵抗に大きく影響されることがなく、均一な感度
が得られる。
【００５４】また、負荷が容量素子１３であるため、前
述の図１４の負荷ＭＯＳトランジスタ６のようなバラツ
キが少なく、縦縞状の固定パターンノイズ（ＦＰＮ）が
発生しにくい。
【００５５】また、画素ＭＯＳトランジスタ１のチャネ
ルポテンシャルがそのまま負荷容量素子１４に保持され
る電圧になるため、前述の負荷ＭＯＳトランジスタ６を
用いて画素ＭＯＳトランジスタ１を定常状態で、即ちチ
ャネルに一定電流を流している状態で動作させている場
合に比べて、感度が高くなる。
【００５６】また、画素ＭＯＳトランジスタ１に定常電
流が流れないため、消費電力を低減することができる。
【００５７】さらに、負荷容量素子１４の容量が垂直信
号線５のもつ容量と同等ないしはそれよりも大きく設定
されることにより、ＫＴＣノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ
比の良い固体撮像装置が得られる。
【００５８】一方、上述した増幅型固体撮像装置におい
て、実用に供する容量負荷動作を行わせるためには、負
荷容量素子１４と共に、垂直信号線５のリセットが必要
である。その理由は後述する。
【００５９】図５は、負荷容量素子１４及び垂直信号線
５にリセットＭＯＳスイッチを設けた本発明に係る他の
実施例を示す。同図において、図１と対応する部分には
同一符号を付して重複説明を省略する。本例の増幅型固
体撮像装置１９は、図１の構成に加えて、さらに動作Ｍ
ＯＳスイッチ１３側の垂直信号線５に垂直信号線リセッ
トＭＯＳスイッチ３１が接続される。即ち、この垂直信
号線リセットＭＯＳスイッチ３１のソースが垂直信号線
５に接続され、そのドレインがリセットバイアス電圧Ｖ
RBのリセットバイアス端子３２に接続され、そのゲート
にリセットパルスφVRSTが供給されるように構成され
る。１６は水平信号線１０の出力端に接続された負荷抵
抗素子、又は電荷検出回路等の出力回路である。他の構
成は図１と同様である。
【００６０】図６は、この増幅型固体撮像装置１９の動
作タイミングチャートを示す。水平ブランキング期間Ｈ
ＢＫ中の画素ＭＯＳトランジスタ１の動作期間の前に垂
直信号線リセットＭＯＳスイッチ３１のゲートと、負荷
容量リセットＭＯＳスイッチ１５のゲートに同時に、夫
々垂直信号線リセットパルスφVRST及び負荷容量リセッ
トパルスφCRSTを印加して、両リセットＭＯＳスイッチ
３１及び１５をオンし、垂直信号線５の初期電圧を電圧
ＶRBにリセットし、負荷容量素子１５の初期電圧を接地
電位ＧＮＤにリセットする。
【００６１】この後、前述と同様に画素ＭＯＳトランジ
スタ１の動作期間で垂直走査回路２からの垂直選択線パ
ルスφV 〔‥‥φVm, φVm+1, ‥‥〕により画素ＭＯＳ
トランジスタ１が選択される。同時に、動作パルスφSH
により動作ＭＯＳスイッチ１３がオンすることにより、
画素ＭＯＳトランジスタ１からの信号電圧が負荷容量素
子１４に保持される。水平ブランキング期間ＨＢＫの終
りには例えば基板に基板パルスφVSUbが印加され、一度
読み出された画素ＭＯＳトランジスタ１の蓄積されてい
る信号電荷が基板側に排出される。次いで、水平走査期
間中に水平走査回路８からの水平走査信号φH 〔‥‥，
φHn, φHn+1, ‥‥〕で順次水平ＭＯＳスイッチ９がオ
ンし負荷容量素子１４に保持された信号電圧が信号電荷
として水平信号線１０に流れ、出力回路１６を通じて出
力される。
【００６２】図５に示す増幅型固体撮像装置１９では、
画素ＭＯＳトランジスタ１を容量負荷動作させるための
動作ＭＯＳスイッチ１３と、垂直信号線５の電位をリセ
ットするための垂直信号線リセットＭＯＳスイッチ３１
と、負荷容量素子１４をリセットするための負荷容量リ
セットＭＯＳスイッチ１５の合計３つのスイッチ用ＭＯ
Ｓトランジスタを備え、垂直信号線５及び負荷容量素子
１４を別々にリセットしている。しかし、かかる構成は
水平出力回路部の構成の簡単化、チップ面積の縮小化等
を考えたときに合理的でない。
【００６３】図７はこの点を改善した本発明の他の実施
例を示す。同図において、図５と対応する部分には同一
符号を付して重複説明を省略する。本例の増幅型固体撮
像装置３３においても、複数の画素ＭＯＳトランジスタ
１が行列状に配列され、画素ＭＯＳトランジスタ１のゲ
ートが垂直走査回路２により選択される垂直選択線３に
接続され、そのドレインが電源線４に接続され、そのソ
ースが垂直信号線５に接続される。また、８は水平走査
回路、９は水平ＭＯＳスイッチ、１０は水平信号線、１
６は水平信号線１０に接続された出力回路を夫々示す。
【００６４】本例においては、特に、垂直信号線５に動
作ＭＯＳスイッチ１３を介して信号電圧を保持する負荷
容量素子１４が接続されると共に、負荷容量素子１４よ
りも動作ＭＯＳスイッチ１３側の垂直信号線５に負荷容
量素子１４のリセットも兼用する垂直信号線リセットＭ
ＯＳスイッチ３１が接続される。このリセットＭＯＳス
イッチ３１のソースは垂直信号線５に接続され、そのド
レインはリセットバイアス電圧ＶRBが与えられるリセッ
トバイアス端子３２に接続され、そのゲートにリセット
パルスφVRSTが供給されるようになされる。一方、負荷
容量素子１４は信号線５と第１の電位、本例では接地電
位との間に接続される。動作ＭＯＳスイッチ１３のゲー
トには、動作パルスφSHが印加される。
【００６５】ここで、負荷容量素子１４のリセットポテ
ンシャル、即ちリセットバイアス電圧ＶRBは、入射光が
ない場合の画素ＭＯＳトランジスタ１のチャネルポテン
シャルよりも浅く、かつ入射光がない場合の画素ＭＯＳ
トランジスタ１のチャネルポテンシャルとのポテンシャ
ル差が２．０Ｖ以内に設定される。
【００６６】負荷容量素子１４の容量は、垂直信号線５
のもつ容量と同等ないしはそれよりも大に設定される。
【００６７】次に、かかる図７の実施例の増幅型固体撮
像装置３３の動作を、図８の動作タイミングチャートを
参照して説明する。
【００６８】まず、水平ブランキング期間ＨＢＫ中の画
素ＭＯＳトランジスタの動作期間Ｔ B の前につまり、期
間ＴC で垂直信号線５と負容量素子１４を垂直信号線リ
セットバイアス電圧ＶRBにリセットする。即ち、この動
作では、垂直信号線リセットＭＯＳスイッチ３１と動作
ＭＯＳスイッチ１３に夫々印加される垂直信号線リセッ
トパルスφVRSTと動作パルスφSHを共に、高レベルに
し、垂直信号線リセットＭＯＳスイッチ３１と動作ＭＯ
Ｓスイッチ１３とを同時にオンする。
【００６９】この結果、画素ＭＯＳトランジスタ１の動
作期間ＴB 前の垂直信号線５と負荷容量素子１４の初期
電圧は、垂直信号線リセットバイアス電圧ＶRBになる。
【００７０】この後、垂直信号線リセットパルスφVRST
を低レベルに戻してから、画素ＭＯＳトランジスタ１の
動作を開始すべく、垂直選択線パルス例えばｍ行の垂直
選択線３に与えるパルスφVmを高レベルとする。この
時、動作パルスφSHは引き続き高レベルを保つ。
【００７１】この時点で、ｍ行の垂直選択線３に接続さ
れた画素ＭＯＳトランジスタ１列分の信号電圧が夫々の
負荷容量素子１４に保持される。水平ブランキング期間
ＨＢＫの終りの画素ＭＯＳトランジスタ１のリセット期
間ＴD には、例えば基板に基板パルスφVSUBが印加さ
れ、画素ＭＯＳトランジスタ１に蓄積されている信号電
荷が基板側に排出される。
【００７２】これらの負荷容量素子１４に保持された信
号電圧を水平走査期間中に水平走査回路８からの水平走
査信号φH 〔‥‥φHn, φHn+1, ‥‥〕で順次水平ＭＯ
Ｓスイッチ９をオンし、信号電荷として水平信号線１０
に流して出力回路（例えば電荷検出回路）１６で増幅し
て出力する。
【００７３】次に、容量負荷動作において、垂直信号線
５と負荷容量素子１４のリセットが必要である理由につ
いて説明する。画素ＭＯＳトランジスタ１の動作開始時
の垂直信号線５や負荷容量素子１４の初期電圧が、動作
が終わった後の保持される信号電圧に対して影響するた
め、垂直信号線５と負荷容量素子１４のリセットが必要
となる。この様子を図９に示す。
【００７４】この図９からわかるように、画素ＭＯＳト
ランジスタ１の動作期間ＴB に画素ＭＯＳトランジスタ
１のソース電圧（＝垂直信号線電圧＝負荷容量素子の端
子電圧）が垂直信号線リセットバイアス電圧ＶRBを初期
電圧として之より上昇するが、動作期間ＴB 終了時点で
も負荷容量素子１４の端子電圧が定常状態に達しておら
ず、上昇中である。
【００７５】もちろん、十分な時間を与えれば負荷容量
素子１４の端子電圧も定常状態に落ち着くが、水平ブラ
ンキング期間ＨＢＫ中の画素ＭＯＳトランジスタ１の動
作期間ＴB ぐらいでは十分に定常状態に達しない。この
ため、画素ＭＯＳトランジスタの動作前の垂直信号線初
期電圧が図中の保持レベル（即ち信号電圧）に少なから
ず影響を与える。
【００７６】上述の増幅型固体撮像装置３３によれば、
図５の固体撮像装置１９に比べて、負荷容量リセットＭ
ＯＳスイッチ１５が減るため、水平出力回路部の構成が
簡単化され、固体撮像チップ面積の縮小化が可能にな
る。
【００７７】同時に、負荷容量リセットＭＯＳスイッチ
１５の入力端子が不要となり端子ピン数を削減すること
ができる。
【００７８】また、垂直信号線５に接続されるリセット
ＭＯＳスイッチの個数が減ると配線長も短くなり、隣接
画素とのクロストークも減少する。
【００７９】負荷容量素子１４のリセットポテンシャ
ル、即ちリセット電位ＶRBを入射光がない場合の画素Ｍ
ＯＳトランジスタ１のチャネルポテンシャルよりも浅
く、かつ入射光がない場合の画素ＭＯＳトランジスタの
チャネルポテンシャルとのポテンシャル差を２．０Ｖ以
内に設定することにより、動作ＭＯＳスイッチを通して
負荷容量素子１４に画素ＭＯＳトランジスタの信号電荷
に応じたチャネルポテンシャルに相当する電圧を保持す
る際に、ジッタの影響を少なくし、負荷容量素子１４の
電位を信号電圧に早く安定させることができる。
【００８０】また、負荷容量素子１４の容量が垂直信号
線５のもつ容量と同等ないしはそれより大に設定される
ので、ＫＴＣノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ比を良好なら
しめる。
【００８１】図１０は本発明のさらに他の実施例であ
る。同図において、図５と対応する分には同一符号を付
して重複説明を省略する。本例の増幅型固体撮像装置３
５においても、複数の画素ＭＯＳトランジスタ１が行列
状に配列され、画素ＭＯＳトランジスタ１のゲートが垂
直走査回路２により選択される垂直選択線３に接続さ
れ、そのドレインが電源線４に接続され、そのソースが
垂直信号線５に接続される。また、８は水平走査回路、
９は水平ＭＯＳスイッチ、１０は水平信号線、１６は水
平信号線１０に接続された出力回路を夫々示す。
【００８２】本例においては、特に、垂直信号線５に動
作ＭＯＳスイッチ１３を介して信号電圧を保持する負荷
容量素子１４が接続されると共に、動作ＭＯＳスイッチ
１３よりも負荷容量素子１４側の垂直信号線５に垂直信
号線のリセットも兼用する負荷容量リセットＭＯＳスイ
ッチ３６が接続される。
【００８３】このリセットＭＯＳスイッチ３６のソース
は垂直信号線５に接続され、そのドレインはリセットバ
イアス電圧ＶRBが与えられるリセットバイアス端子３７
に接続され、そのゲートにリセットパルスφVRSTが供給
されるようになされる。一方負荷容量素子１４は垂直信
号線５と第１の電位、本例では接地電位との間に接続さ
れる。動作ＭＯＳスイッチ１３のゲートには動作パルス
φSHが印加される。
【００８４】ここでも、リセットポテンシャル、即ちリ
セットバイアス電圧ＶRBは、入射光がない場合の画素Ｍ
ＯＳトランジスタ１のチャネルポテンシャルよりも浅
く、且つ入射光がない場合の画素ＭＯＳトランジスタ１
のチャネルポテンシャルとのポテンシャル差が２．０Ｖ
以内に設定される。また、負荷容量素子１４の容量は垂
直信号線５のもつ容量と同等ないしはそれよりも大に設
定される。
【００８５】この増幅型固体撮像装置３５の動作タイミ
ングやパルス電圧は図８と同じである。即ち、水平ブラ
ンキング期間ＨＢＫ中の画素ＭＯＳトランジスタ１の動
作期間ＴB の前に、つまり期間ＴC に、リセットパルス
φVRST及び動作パルスφSHにより、リセットＭＯＳスイ
ッチ３６と動作ＭＯＳスイッチ１３が共にオンし、垂直
信号線５と負荷容量素子１４が同時にリセットし、画素
ＭＯＳトランジスタ１の動作期間ＴB の前の垂直信号線
５と負荷容量素子１４の初期電圧がリセットバイアス電
圧ＶRBになる。
【００８６】その後は、前述と同様に、垂直走査回路２
により、画素ＭＯＳトランジスタ１が選択され、画素Ｍ
ＯＳトランジスタ１の動作期間ＴB 終了後、動作ＭＯＳ
スイッチ１３がオフとなり、負荷容量素子１４に画素Ｍ
ＯＳトランジスタ１からの信号電圧が保持される。次い
で、水平ＭＯＳスイッチ９が順次オンして水平信号線を
通して負荷容量素子１４の信号電圧が出力される。
【００８７】かかる固体撮像装置３５の構成では、垂直
信号線５に動作ＭＯＳスイッチ１３を介して負荷容量素
子１４が接続され、その負荷容量素子１４側にリセット
ＭＯＳスイッチ３６を接続することにより、負荷容量素
子のリセットスピードが早くなり、リセットバイアス電
圧ＶRBに、より安定に落ちつかせることができる。
【００８８】即ち、ＭＯＳスイッチを通して容量をリセ
ットする際、そのＭＯＳスイッチのチャネル抵抗分によ
って、リセットスピードが影響を受ける。前述の図７の
構成では、負荷容量素子１４が２つのＭＯＳスイッチ３
１及び１３を通してリセットバイアス電圧ＶRBにリセッ
トされるが、本例の固体撮像装置３５の構成では容量の
大きい負荷容量素子１４が１つのＭＯＳスイッチ３６を
通してリセットバイアス電圧ＶRBにリセットされるの
で、図７に比してリセットスピードが早くなり、負荷容
量素子１４のリセット電位がより安定に落ちつく。
【００８９】一方、垂直信号線５は２つのＭＯＳスイッ
チ３６及び１３を通してリセットされるが、容量が小さ
いので、問題は生じない。
【００９０】そして、本例の固体撮像装置３５において
も、リセットＭＯＳスイッチ３６が１つで済むので、水
平出力回路部の構成が簡単化され、固体撮像チップ面積
の縮小化が可能となる。また、リセットＭＯＳスイッチ
の個数が減ることによる端子ピン数の削減及び配線長の
短縮で隣接画素とのクロストークの減少が可能となる。
【００９１】さらに、負荷容量素子１４のリセットポテ
ンシャル、即ちリセット電圧ＶRBを、入射光がない場合
の画素ＭＯＳトランジスタ１のチャネルポテンシャルよ
りも浅く、かつ入射光がない場合の画素ＭＯＳトランジ
スタ１のチャネルポテンシャルとのポテンシャル差を
２．０Ｖ以内に設定することにより、動作ＭＯＳスイッ
チ１３を通して負荷容量素子１４に画素ＭＯＳトランジ
スタの信号電荷に応じたチャネルポテンシャルに相当す
る電圧を保持する際に、ジッタの影響を少なくし、負荷
容量素子１４の電位を信号電圧に早く安定させることが
できる。
【００９２】また、負荷容量素子１４の容量が垂直信号
線５のもつ容量と同等ないしはそれより大に設定される
ので、ＫＴＣノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ比の良い固体
撮像装置が得られる。
【００９３】本発明では、上述の画素ＭＯＳトランジス
タ１のソースに動作ＭＯＳスイッチ１３を介して負荷容
量素子１４を接続した容量負荷動作方式の増幅型固体撮
像装置において、画素ＭＯＳトランジスタ１から負荷容
量素子１４への信号電圧の読み出し動作をサブスレッシ
ヨルド領域（即ち弱反転領域）で終了するようになす。
【００９４】即ち、上述した容量負荷動作方式の増幅型
固体撮像装置においては、図１１の画素ＭＯＳトランジ
スタ１の動作を示す等価回路で示すように、負荷容量素
子１４の負荷容量ＣL 、画素ＭＯＳトランジスタ１の相
互コンダクタンスｇｍ、動作ＭＯＳスイッチ１４をオン
している期間（即ち読み出し期間）ｔｒ、負荷容量素子
１４の初期電圧ＶCLi を適切な値に決めることで、読み
出し期間の終了時点で画素ＭＯＳトランジスタ１の動作
点がサブスレッシヨルド領域に入るようにすることがで
きる。
【００９５】この動作の様子を図１２及び図１３に示
す。容量負荷動作（いわゆる画素ＭＯＳトランジスタ１
の信号電圧を負荷容量素子１４に読み出す動作）に入る
前の負荷容量素子１４の初期電圧がＶCLi であるとした
とき、動作ＭＯＳスイッチ１３がオンになると画素ＭＯ
Ｓトランジスタ１のゲート・ソース間電圧ＶG −ＶCLが
大きいため、サチュレイション領域（飽和領域、即ち強
反転領域）で動作し始め、図１２の曲線Ｉに示すように
大きなソース電流ＩS （いわゆるチャネル電流）が流れ
る。その後、このソース電流Ｉｓにより負荷容量素子１
４の電圧ＶCLが上昇し（図１３の曲線II参照）、ゲート
・ソース間電圧ＶG −ＶCLが小さくなる。このゲート・
ソース間電圧の減少とともにソース電流ＩS も減少し、
画素ＭＯＳトランジスタ１の動作点は、ゲート・ソース
間電圧がＶG −ＶCLb よりも小さくなると、サチュレイ
ション領域からサブスレッシヨルド領域へと移行する。
画素ＭＯＳトランジスタ１の動作点がサブスレッシヨル
ド領域へ移ってしばらくして動作ＭＯＳスイッチ１３が
オフし、画素ＭＯＳトランジスタからの信号電圧（読み
出し電圧）ＶCLr が負荷容量素子１４に保持される。
【００９６】画素ＭＯＳトランジスタ１を、このように
動作させることにより、読み出し期間の最後には、画素
ＭＯＳトランジスタ１の動作点がサブスレッシヨルド領
域に入るため、ドレイン電流（いわゆるチャネル電流）
が極めて小さくなって、相互コンダクタンスｇｍが小さ
くなる。その結果、画素ＭＯＳトランジスタ１のチャネ
ル抵抗に起因した熱雑音や、表面準位とチャネル間のキ
ャリアの出入りに起因する１／ｆ雑音が極めて小さくな
る。
【００９７】即ち、画素ＭＯＳトランジスタのランダム
雑音は、概してチャネル抵抗に起因した熱雑音と、表面
準位とチャネル間のキャリアの出入りに起因する１／ｆ
雑音に分けられる。熱雑音は、ドレイン雑音電流パワー
スペクトル＊ｉｎ2 （但し、この＊ｉｎ2は、ｉｎの２
乗平均を表わす）で示すと、
【００９８】
【数１】 但し、ｇｍ：相互コンダクタンス Δｆ：帯域幅 Ｋ：ボルツマン定数 Ｔ：絶対温度（ケルビン） で表わされる。
【００９９】１／ｆ雑音は、ゲート入力換算雑音電圧パ
ワースペクトル＊Ｖn 2 （但し、この＊Ｖn 2 は、Ｖn の
２乗平均を表わす）で示すと、
【０１００】
【数２】 但し、 ｇ：電子の電荷量 ｔOX：ゲート酸化膜厚 ｎＴe ：有効雑音トラップ密度 εOX：酸化膜の比誘電率 Ｌ：ゲートチャネル長 Ｗ：ゲートチャネル幅 ｆ：スペクトル周波数
【０１０１】で表わされる。この両者の雑音が図１１の
等価回路で負荷容量素子１４の端子に表わされるときの
雑音電圧パワースペクトル＊ＶnCL 2 （但し、＊ＶnCL 2
は、ＶnCLの２乗平均を表わす）は、
【０１０２】
【数３】
【０１０３】になる。容量負荷動作の動作最終時点で
は、上述したようにサブスレッシヨルド領域に入ってお
り、熱雑音と１／ｆ雑音の項のどちらにも係わっている
相互コンダクタンスｇｍが桁で小さくなるため、画素Ｍ
ＯＳトランジスタ１のランダム雑音は、軽減される。ま
た、相互コンダクタンスｇｍが低下するため帯域幅が狭
くなり、高域にわたる熱雑音がカットされる。
【０１０４】よって、固体撮像装置の重要な評価規準の
一つであるランダム雑音が抑えられ、極めて良好な画質
の信号が出力できる。また、読み出し期間の内、ドレイ
ン電流の大きい動作点がサチュレイション領域に有する
時間は限られており、画素ＭＯＳトランジスタの動作に
必要な電力も極めて小さくて済む。
【０１０５】ここで、画素トランジスタから負荷容量素
子に流れる電流、この例の場合、チャネル電流は、初期
値から１桁以上低い電流値、好ましくは２桁低い電流
値、より好ましくは３桁低い電流値となった時点で読み
出し動作を終了するようになす。これによって、更なる
ランダム雑音の低減化が図られる。
【０１０６】上述した各実施例の固体撮像装置では、単
位画素として図４に示すＭＯＳ構造による画素トランジ
スタ、即ち画素ＭＯＳトランジスタ１を用いたが、之に
代えてバイポーラ構造の画素トランジスタ、即ち画素バ
イポーラトランジスタを用いて構成することもできる。
【０１０７】図１４Ａに単位画素となる画素バイポーラ
トランジスタの半導体構造、図１４Ｂはその等価回路を
示す。この画素バイポーラトランジスタ４１は、第１導
電型例えばｎ型の高濃度シリコン基板４２の一端に、順
次同導電型、即ちｎ型のコレクタ領域４３、光電変換さ
れた信号電荷（本例ではホール）４６を蓄積する第２導
電型、即ちｐ型のベース領域４４及びｎ型のエミッタ領
域４５が形成され、ベース領域４４上に例えばＳｉＯ2
等による絶縁膜４７を介して制御電極４８が形成され、
また、エミッタ領域４５にエミッタ電極４９が、基板４
２の裏面にコレクタ電極５０が、夫々形成されて成る。
５１は各単位画素を分離するための例えば絶縁層からな
る素子分離領域である。
【０１０８】この画素バイポーラトランジスタ４１で
は、入射光によって発生した電子、ホールのうちのホー
ル４６がベース領域４４に蓄積され、ベース電位が変化
する。次いで、制御電極４８に読み出し用パルスが印加
され、ベース電位変化分に対応した読み出し信号がエミ
ッタ電極４９から出力される。読み出し後、ベース領域
４４に蓄積されている信号電荷４６は、エミッタ電極４
９を接地し、制御電極４８に正電圧のリセットパルスを
印加することにより、基板５０側に除去される。
【０１０９】図１５及び図１６は、夫々単位画素として
画素バイポーラトランジスタ４１を用いた本発明の他の
実施例である。
【０１１０】図１５の増幅型固体撮像装置５３は、前述
の図７の固体撮像装置３３に対応する。即ち、この固体
撮像装置５３は、複数の画素バイポーラトランジスタ４
１が行列状に配列され、画素バイポーラトランジスタ４
１の制御電極４８がシフトレジスタ等からなる垂直走査
回路２に接続されて垂直選択線３に接続され、そのコレ
クタ電極５０が電源ＶDDの電源線４に接続され、そのエ
ミッタ電極４９が垂直信号線５に接続される。
【０１１１】垂直信号線５には、動作ＭＯＳスイッチ１
３を介して信号電圧を保持する負荷容量素子１４が接続
されると共に、動作ＭＯＳスイッチ１３側の垂直信号線
５に負荷容量素子１４のリセットも兼用する垂直信号線
リセットＭＯＳスイッチ３１が接続される。このリセッ
トＭＯＳスイッチ３１のソースは垂直信号線５に接続さ
れ、そのドレインはリセットバイアス電圧ＶRBが与えら
れるリセットバイアス端子３２に接続され、そのゲート
にリセットパルスφVRSTが供給されるようになされる。
負荷容量素子１４は、信号線５と第１の電位、本例では
接地電位との間に接続される。動作ＭＯＳスイッチ１３
のゲートには、動作パルスφSHが印加される。
【０１１２】負荷容量素子１４のリセットポテンシャ
ル、即ちリセット電圧ＶRBは、入射光がない場合の画素
バイポーラトランジスタ４１のベースポテンシャルより
もポテンシャルが浅く、かつ入射光がない場合の画素バ
イポーラトランジスタ４１のベースポテンシャルとのポ
テンシャル差が２．０Ｖ以内に設定される。
【０１１３】負荷容量素子１４の容量は垂直信号線５の
もつ容量と同等ないしはそれよりも大に設定される。
【０１１４】なお、８はシフトレジスタ等から構成され
る水平走査回路、９は垂直信号線５に接続された水平Ｍ
ＯＳスイッチ、１０は水平ＭＯＳスイッチに接続された
水平信号線、１６は水平信号線１０の端部に接続された
出力回路である。
【０１１５】この増幅型固体撮像装置５３の動作は、画
素バイポーラトランジスタに関する点を除いて、図７の
増幅型固体撮像装置３３と同様であるので、説明は省略
する。
【０１１６】従って、かかる図１５の増幅型固体撮像装
置５３においても、水平ブランキング期間中の画素バイ
ポーラトランジスタ４１の動作期間前に、垂直信号線リ
セットＭＯＳスイッチ３１と、動作ＭＯＳスイッチ１３
が同時にオンして垂直信号線５と負荷容量素子の初期電
圧が共に、リセットバイアス電圧ＶRBにリセットされる
ことになり、リセットＭＯＳスイッチ３１が１つで済
み、水平出力回路部の構成を簡単にし、固体撮像チップ
面積を縮小化できる。
【０１１７】また、リセットＭＯＳスイッチの個数が減
ることによる端子ピン数の削減、及び配線長の短縮で隣
接画素とのクロストークの減少が可能となる。
【０１１８】また、負荷容量素子１４のリセットポテン
シャル、即ちリセット電圧ＶRBを、入射光がない場合の
画素バイポーラトランジスタ４１のベースポテンシャル
よりも浅く、かつ入射光がない場合の画素バイポーラト
ランジスタ４１のベースポテンシャルとのポテンシャル
差を２．０Ｖ以内に設定することにより、動作ＭＯＳス
イッチ１３を通じて負荷容量素子１４に、画素バイポー
ラトランジスタ４１の信号電荷に応じたベースポテンシ
ャルに相当する電圧を保持する際に、ジッタの影響を少
なくし、負荷容量素子１４の電位を信号電圧に早く安定
させることができる。
【０１１９】また、負荷容量素子１４の容量が垂直信号
線５のもつ容量と同等ないしはそれより大に設定される
ので、ＫＴＣノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ比の良い固体
撮像装置が得られる。
【０１２０】図１６の増幅型固体撮像装置５５は、前述
の図１０の固体撮像装置３５に対応する。即ち、この固
体撮像装置５５は、複数の画素バイポーラトランジスタ
４１が行列状に配列され、画素バイポーラトランジスタ
４１の制御電極４８が垂直走査回路２からの垂直選択線
３に接続され、そのコレクタ電極５０が電源線４に接続
され、そのエミッタ電極４９が垂直信号線５に接続され
る。
【０１２１】垂直信号線５には、動作ＭＯＳスイッチ１
３を介して信号電圧を保持する負荷容量素子１４が接続
されると共に、負荷容量素子１４側の垂直信号線５に垂
直信号線のリセットも兼用する負荷容量リセットＭＯＳ
スイッチ３６が接続される。
【０１２２】このリセットＭＯＳスイッチ３６のソース
は垂直信号線５に接続され、そのドレインはリセットバ
イアス電圧ＶRBが与えられるリセットバイアス端子３７
に接続され、そのゲートにリセットパルスφVRSTが供給
されるようになされる。
【０１２３】負荷容量素子１４は垂直信号線５と第１の
電位、本例では接地電位との間に接続される。動作ＭＯ
Ｓスイッチ１３のゲートには動作パルスφSHが印加され
る。
【０１２４】ここでも、負荷容量素子１４のリセットポ
テンシャル、即ちリセット電圧ＶRBは、入射光がない場
合の画素バイポーラトランジスタ４１のベースポテンシ
ャルよりもポテンシャルが浅く、かつ入射光がない場合
の画素バイポーラトランジスタ４１のベースポテンシャ
ルとのポテンシャル差が２．０Ｖ以内に設定される。負
荷容量素子１４の容量は垂直信号線５のもつ容量と同等
ないしはそれよりも大に設定される。
【０１２５】なお、８はシフトレジスタ等から構成され
る水平走査回路、９は垂直信号線５に接続された水平Ｍ
ＯＳスイッチ、１０は水平信号線、１６は出力回路であ
る。
【０１２６】この増幅型固体撮像装置５５の動作は、画
素バイポーラトランジスタに関する点を除いて、図１０
の増幅型固体撮像装置３５と同様であるので説明は省略
する。
【０１２７】従って、かかる図１６の増幅型固体撮像装
置５５においても、水平ブランキング期間中の画素バイ
ポーラトランジスタ４１の動作期間前に、リセットＭＯ
Ｓスイッチ３６と動作ＭＯＳスイッチ１３が同時にオン
して垂直信号線５と負荷容量素子１４の初期電圧が共に
リセットバイアス電圧ＶRBにリセットされるので、リセ
ットＭＯＳスイッチ３６が１つで済み、水平出力回路部
の構成を簡単にし、固体撮像チップ面積を縮小化でき
る。リセットＭＯＳスイッチの削減で端子ピン数が減
り、また配線長の短縮で隣接画素とのクロストークの減
少が可能となる。
【０１２８】また、リセットＭＯＳスイッチ３６が負荷
容量素子１４側の垂直信号線５に接続されるので、負荷
容量素子１４がリセットバイアス電圧ＶRBにリセットさ
れる際、１つのＭＯＳスイッチ３６のみを通してリセッ
トされるため、ＭＯＳスイッチのチャネル抵抗分の影響
が少なく、図１５の固体撮像装置５３に比してリセット
スピードが早くなり、負荷容量素子のリセット電位がよ
り早く安定に落ちつく。
【０１２９】さらに、負荷容量素子１４のリセットポテ
ンシャル、即ちリセット電圧ＶRBを、入射光がない場合
の画素バイポーラトランジスタ４１のベースポテンシャ
ルよりも浅く、かつ入射光がない場合の画素バイポーラ
トランジスタ４１のベースポテンシャルとのポテンシャ
ル差を２．０Ｖ以内に設定するので、動作ＭＯＳスイッ
チ１３を通じて負荷容量素子１４に、画素バイポーラト
ランジスタ４１の信号電荷に応じたベースポテンシャル
に相当する電圧を保持する際に、ジッタの影響を少なく
し、負荷容量素子１４の電位を信号電圧に早く安定させ
ることができる。
【０１３０】また、負荷容量素子１４の容量が垂直信号
線５のもつ容量と同等ないしはそれより大に設定される
ので、ＫＴＣノイズが小さくなり、Ｓ／Ｎ比の良い固体
撮像装置が得られる。
【０１３１】尚、上述した実施例の画素ＭＯＳトランジ
スタ１では、ｎチャネルＭＯＳトランジスタの画素構造
としたが、不純物のｎ型／ｐ型を反転させたｐチャネル
ＭＯＳトランジスタの画素構造のものにしても適用であ
る。また、上述した実施例の画素バイポーラトランジス
タ４１では、ｎｐｎバイポーラトランジスタの画素構造
としたが、不純物のｎ型／ｐ型を反転させたｐｎｐバイ
ポーラトランジスタの画素構造のものについても適用可
能である。上例の場合、印加電圧の極性を反転させるだ
けで、上述に全く同様に適応することができる。
【０１３２】上述した実施例では、ノンインタレースの
動作タイミングに対応しているが、インタレースの動作
にも適用できることは言うまでもない。
【０１３３】
【発明の効果】本発明に係る固体撮像装置によれば、容
量負荷動作方式をとるため、均一な感度が得られると共
に、高感度化を図ることかできる。負荷がキャパシタで
あるため、バラツキが少なく縦縞状の固定パターンノイ
ズ（ＦＰＮ）が発生しにくく、且つ消費電力を低減する
ことができる。
【０１３４】キャパシタの容量が垂直信号線のもつ容量
と同等ないしはそれよりも大きいので、ＫＴＣノイズが
小さくなり、Ｓ／Ｎ比を良好にすることができる。
【０１３５】垂直信号線とキャパシタとの間にスイッチ
を有し、リセット手段がスイッチよりもキャパシタ側に
接続されるので、負荷となるキャパシタをリセットする
際に、早く、より安定にリセット電位に落ちつかせるこ
とができる。また、１つのリセット手段で垂直信号線と
キャパシタを共にリセットできるので、水平出力回路の
構成を簡単にすることができ、チップ面積を縮小化する
ことができる。
【０１３６】キャパシタのリセットポテンシャルを入射
光のない場合の画素トランジスタのチャネルポテンシャ
ル又はベースポテンシャルよりも浅く、かつ入射光がな
い場合のチャネルポテンシャル又はベースポテンシャル
との差を２．０Ｖ以内に設定することにより、画素トラ
ンジスタの信号電荷に応じたチャネルポテンシャル又は
ベースポテンシャルに相当する電圧を保持する際に、ジ
ッタの影響を少なくし、キャパシタの電位を信号電圧に
早く安定させることができる。
【０１３７】容量負荷動作方式の固体撮像素子におい
て、画素トランジスタから負荷キャパシタへの信号電圧
の読み出し動作を弱反転領域で完了させるので、画素ト
ランジスタから発生するランダム雑音を低減することが
できる。また、消費電力を少なくすることができる。
【０１３８】画素トランジスタから負荷キャパシタへの
信号電圧の読み出し動作を、画素トランジスタから負荷
キャパシタに流れる電流が初期値から１桁以上低い電流
値になった時点で完了させるので、より確実に画素トラ
ンジスタから発生するランダム雑音を低減することがで
き、消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る増幅型固体撮像装置の実施例を示
す構成図である。
【図２】図１の動作説明に供する等価回路図である。
【図３】図１の動作説明に供する動作タイミングチャー
トである。
【図４】画素ＭＯＳトランジスタの半導体構造を示す断
面図である。
【図５】本発明に係る増幅型固体撮像装置の他の実施例
を示す構成図である。
【図６】図５の動作説明に供する動作タイミングチャー
トである。
【図７】本発明に係る増幅型固体撮像装置の他の実施例
を示す構成図である。
【図８】図７の動作説明に供する動作タイミングチャー
トである。
【図９】負荷容量素子に現われる信号波形を示す波形図
である。
【図１０】本発明に係る増幅型固体撮像装置の他の実施
例を示す構成図である。
【図１１】本発明に係る増幅型固体撮像装置の画素ＭＯ
Ｓトランジスタの動作説明に供する等価回路図である。
【図１２】本発明の動作説明に係る動作ＭＯＳスイッチ
のオン、オフ期間に対する画素ＭＯＳトランジスタのソ
ース電流ＩS の状態を示すグラフである。
【図１３】本発明の動作説明に係る動作ＭＯＳスイッチ
のオン、オフ期間に対する負荷容量の電圧ＶCLの状態を
示すグラフである。
【図１４】Ａ 画素バイポーラトランジスタの半導体構
造を示す断面図である。 Ｂ 画素バイポーラトランジスタの等価回路図である。
【図１５】本発明に係る増幅型固体撮像装置の他の実施
例を示す構成図である。
【図１６】本発明に係る増幅型固体撮像装置の他の実施
例を示す構成図である。
【図１７】増幅型固体撮像装置の比較例を示す構成図で
ある。
【図１８】図１７の画素ＭＯＳトランジスタの動作を示
す等価回路図である。
【符号の説明】
１ 画素ＭＯＳトランジスタ ２ 垂直走査回路 ３ 垂直選択線 ４ 電源線 ５ 垂直信号線 ６ 負荷ＭＯＳトランジスタ ７ サンプルホールド回路 ８ 水平走査回路 ９ 水平ＭＯＳスイッチ １０ 水平信号線 １３ 動作ＭＯＳスイッチ １４ 負荷容量素子 １５，３１，３６ リセットＭＯＳスイッチ ４１ 画素バイポーラトランジスタ １８，１９，３３，３５，５３，５５ 増幅型固体撮像
素子

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電源と垂直信号線との間に接続され、制
    御電極が選択線に接続され、光電変換によって発生した
    電荷をチャネル近傍に蓄積する複数の画素ＭＯＳトラン
    ジスタと、 上記垂直信号線と第１の電位との間に接続されたキャパ
    シタと、 該キャパシタをリセットポテンシャルにリセットするリ
    セット手段を有し、 信号読み出し時において、上記キャパシタが選択された
    上記画素ＭＯＳトランジスタのチャネルポテンシャルと
    略同一のポテンシャルとされるようにしたことを特徴と
    する固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 上記キャパシタの容量が上記垂直信号線
    の容量と同等ないしはそれよりも大きいことを特徴とす
    る請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 上記垂直信号線と上記キャパシタとの間
    にスイッチを備え、上記リセット手段は上記スイッチよ
    りも上記キャパシタ側に接続されていることを特徴とす
    る請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 上記リセットポテンシャルは、入射光が
    ない場合の上記画素ＭＯＳトランジスタのチャネルポテ
    ンシャルよりも浅く、かつ上記入射光がない場合のチャ
    ネルポテンシャルとのポテンシャル差が２．０Ｖ以内に
    設定されることを特徴とする請求項１、請求項２又は請
    求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項５】電源と垂直信号線との間に接続され、制御
    電極が選択線に接続され、光電変換によって発生した電
    荷をベース領域に蓄積する複数の画素バイポーラトラン
    ジスタと、 上記垂直信号線と第１の電位との間に接続されたキャパ
    シタと、 上記垂直信号線と上記キャパシタとの間に設けられたス
    イッチと、 上記キャパシタ及び上記垂直信号線をリセットポテンシ
    ャルにリセットするリセット手段とを有する固体撮像装
    置において、 上記リセット手段は上記スイッチよりも上記キャパシタ
    側に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 電源と垂直信号線との間に接続され、制
    御電極が選択的に接続され、光電変換によって発生した
    電荷をベース領域に蓄積する複数の画素バイポーラトラ
    ンジスタと、 上記垂直信号線と第１の電位との間に接続されたキャパ
    シタと、 上記キャパシタをリセットポテンシャルにリセットする
    リセット手段を有する固体撮像装置において、 上記リセットポテンシャルは入射光がない場合の上記画
    素バイポーラトランジスタのベースポテンシャルよりも
    ポテンシャルが浅く、かつ上記入射光がない場合のベー
    スポテンシャルとのポテンシャル差が２．０Ｖ以内に設
    定されることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 上記垂直信号線と上記キャパシタとの間
    にスイッチを有し、上記リセット手段は上記スイッチよ
    りも上記キャパシタ側に接続され、かつ、上記キャパシ
    タとともに上記垂直信号線を上記リセットポテンシャル
    にリセットする請求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 容量負荷動作方式の固体撮像装置におい
    て、画素トランジスタから負荷キャパシタへの信号電圧
    の読み出し動作を弱反転領域で完了することを特徴とす
    る固体撮像装置。
  9. 【請求項９】 容量負荷動作方式の固体撮像装置におい
    て、画素トランジスタから負荷キャパシタへの信号電圧
    の読み出し動作を上記画素トランジスタから負荷キャパ
    シタに流れる電流が初期値から１桁以上低い電流値にな
    った時点で、完了することを特徴とする固体撮像装置。
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