JPS63100879A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPS63100879A
JPS63100879A JP61245249A JP24524986A JPS63100879A JP S63100879 A JPS63100879 A JP S63100879A JP 61245249 A JP61245249 A JP 61245249A JP 24524986 A JP24524986 A JP 24524986A JP S63100879 A JPS63100879 A JP S63100879A
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solid
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state imaging
imaging device
signal
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JP61245249A
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Hajime Akimoto
肇 秋元
Toshibumi Ozaki
俊文 尾崎
Shinya Oba
大場　信弥
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Hitachi Ltd
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    • 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
    • H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself
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    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
    • H—ELECTRICITY
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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、特にスメア現象を抑圧せしめ、かつ雑音の少
ない固体撮像装置に関する。
〔従来の技術〕
固体撮像素子は現行のテレビジョン放送で使用されてい
る撮像用電子管なみの解像力を備えていることが必要で
ある。このため、半導体基板上には垂直（列）方向に５
００個、水平（行）方向に８００〜１０００個を配列し
た絵素（光電変換素子）マトリックスとそれに相当する
走査素子が必要となる。したがって、上記固体撮像素子
は高集積化が可能なＭＯ３大規模回路技術を用いて作ら
れ、その構成素子としては一般にＣｈａｒｇｅ　Ｃｏｕ
ｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ　（以下ＣＯＤとする）あるいは
ＭＯＳトランジスタ等が使用されている。
以下、図面を用いて、これらの従来技術について説明す
る。
第９図は従来のＣＣＤ型固体撮像装置の回路図を示す図
である。この図では、簡単のために画素数を２×２に仮
定した場合について示しである。
本図面において、１１，２１，３１．４１は入射光を電
荷に変換するための光電変換素子（ホトダイオード）、
６，７．８は信号電荷転送用のＣＣＤ、９０１．９０２
はソースフォロア用のドライバトランジスタ、９０３，
９０４はソースフォロア用の負荷トランジスタである。
また、５０１，５０２゜５０３は電流バッファ回路、５
０４，５０５゜５０６は抵抗、５０７，５０８は容量、
５０９゜５１０はスイッチ、５１１は電源である。５０
１〜５１１は相関二重サンプリング回路５００を構成し
ている。光がホトダイオード１１〜４１に入射すると、
各ホトダイオードには入射光量に対応した信号電荷が蓄
積し、これら信号電荷は順次ＣＣＤ６，７．８によって
ソースフォロアドライバトランジスタ９０１のゲートへ
転送され、ソースフォロアの出力は相関二重サンプリン
グ回路５００へ入力される。さらに、相関二重サンプリ
ング回路５００は、ソースフォロアの出力について、信
号電荷が寄与する前と後との出力の差分を相関二重サン
プリング回路の出力とする。すなわち、初めはスイッチ
５０９がオン、５１０がオフで、信号電荷が寄与する前
のソースフォロア出力を容量５０７に入力しておく０次
にスイッチ５０９がオフ、５１０がオンで、信号電荷が
寄与した後のソースフォロア出力との差分を存置５０８
にとり出す、この種の装置については、テレビジョン学
会全国大会予講集、　１９８４年、第５９頁から第６０
頁に論じられている。
次に、ＭＯＳ型の固体搬像素子について、第１０図を用
いて説明する。本図は、簡単のために画素数を１つに仮
定した場合を示している。１１路を構成している。また
、４は信号線である。光がホトダイオードに入射すると
、ホトダイオードには入射光量に対応した信号電荷が生
じ、この信号電荷はトランジスタ各０１によって電流に
増幅され、この電流は信号線４を経て出力端に出力され
る。この種の装置については、電子通信学会全国天子詩
集、　１９８１年、第５−１３６頁に論じられている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第９図の従来例では、信号電荷をＣＣＤを用いて電荷の
まま出力アンプ９に運んでいた。そのため、Ｃ０Ｄ６，
７．８による電荷転送中に雑音が混入し、この雑音電荷
によってＳ／Ｎが劣化し易いという問題点があった。
特に、入射光の一部が遮光膜のすきまから漏れ込むこと
によって生じた雑音電荷が、ＣＣＤ６゜７．８中に漏れ
込むことによって発生するスメア現象が大きな問題であ
った。
また、第１０図の上記従来例では、複数ある電荷増幅用
トランジスタ５０１のゲート下の不純物１度や界面準位
のばらつきに起因するオフセットｒ と呼びれる出力信号レベルのばらつきが、そのまう ま出力されてしま＃、そのため、この利得のばらつきが
まるで信号のように観測されてしまい、固定パターン雑
音とよばれる雑音を発生させるという問題点があった。
本発明の目的は、スメア現象を抑圧し、かつ雑音の小さ
い固体撮像装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、受光面の各ホトダイオードに隣接して、入
射光による電荷を電圧もしくは電流に増幅する手段を設
け、出力端では、相関二重サンプリング法（Ｃｏｒｒｅ
ｌａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ）によっ
て、増幅手段の入力部に信号電荷がない場合とある場合
の増幅手段の出力の差分を求めるための検山手段を設け
ることによって、達成される。
〔作用〕
上記の、問題点を解決するための手段について、その作
用を第１１図により説明する。第１１図は本発明の概念
を示す図である。簡単のために画素数を２×２に仮定し
である。１１，２１，３１゜４１はホトダイオード、１
９，２９，３９．４９は電荷を電圧もしくは電流に変換
するための増幅手段、４はこれら増幅手段からの電流、
電圧を転送するための信号線、９は信号ａ４からの電流
。
電圧を増幅する出力アンプ、５は相関二重サンプリング
（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｓａｍｐｌｉ
ｎｇ）を行うための手段である。光がホトダイオード１
１，２１゜３１．４１に入射すると、各ホトダイオード
には入射光量に対応した信号電荷が蓄積する。これら信
号電荷は、増幅手段１９，２９，３９．４９によって、
信号電圧もしくは信号電流に順次変換され、信号線４を
経て出力アンプ９、相関二重サンプリング法を行うため
の手段５から、映像信号として出力される。
第９図の従来例では各ホトダイオード１１゜２１．３１
，４１から出力アンプ９へは信号電荷をそのまま転送し
ていたが、本発明では増幅手段１９．２９，３９，４９
によって変換された信号電圧もしくは信号電流を出力ア
ンプ９へ伝達する。
このため、本発明は、各ホトダイオード１９，２９．３
９．４９から出力アンプへの信号経路における雑音電荷
の漏れ込みに起因するＳ／Ｎの劣化を、大幅に抑圧する
ことができる。即ち、本発明によれば、入射光によって
生じた雑音電荷の漏れ込みによって発生するスメア現象
をも、著しく抑圧することが可能である。
本発明は、電荷を電圧もしくは電流に変換する手段を複
数個設けている。その際に問題となるのは、オフセット
と呼ばれる入力信号電荷がないときの信号電圧、もしく
は信号電流レベルのばらつきであり、このばらつきによ
って、固体撮像装置の出力において、固定パターン雑音
とよばれる雑音が発生していた。
しかしながら、本発明は、出力において相関二重サンプ
リング法を行うための手段５によって、上記のオフ七つ
トに起因する固定パターン雑音を抑圧することができる
。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は本発明の一実施例を示す図である。
本図は、簡単のために画素数を２×２に仮定して示しで
ある。１１，２１，３１，４１はホトダイオード、１２
，２２，３２，４２はホトゲートトランジスタ、１３，
２３，３３，４３はリセットトランジスタ、１４，２４
，３４．４４は前段のソースフォロアのドライバトラン
ジスタ、１は前段のソースフォロアの負荷トランジスタ
、２，３はそれぞれ後段のソースフォロアのドライバト
ランシタ及び負荷トランジスタ、４は信号線、５は相関
二重サンプリング法を行うための手段、１１０はレジス
タ、１１１，１１２はＭＯＳ）−ランジスタ等のスイッ
チである。光がホトダイオード１１〜４１に入射すると
、各ホトダイオードには入射光量に応じた信号電荷が蓄
積する。
ここでホトダイオード１１が選択されたとすると、レジ
スタ１１０によりまずリセットトランジスタ１３がオン
し、ドライバトランジスタ１４のゲートの電荷をリセッ
トする０次にドライバトランジスタ１４のドレインがオ
ンし、スイッチ１１１がオンしてドライバトランジスタ
１４のゲート電位に対応するソースフォロア出力が相関
二重サンプリング手段５に入力される。この間、ドライ
バトランジスタ２４，３４，４４のドレインはオフして
いる０次いでホトゲートトランジスタ１２がオンし、ホ
トダイオード１１に蓄積されていた信号電荷が、ドライ
バトランジスタ１４のゲートに流れ込む。このときドラ
イバトランジスタ１４のゲート電位は信号電荷量に応じ
て変化し、このゲート電位に対応するソースフォロア出
力が再び相関二重サンプリング手段５に入力さｈる。こ
の後、相関二重サンプリング手段５は、−上記の２回の
入力の差分に相当する出力を検出する。以上でホトダイ
オード１１に関する出力動作が完了し、次のホトダイオ
ードの信号読み出し動作に移る。
上記の一連の動作では、各画素から出力部への信号の伝
搬は信号線４を介した電圧及び電流で行でいる。このた
め、本実施例では雑音電荷の漏れ込みによるＳ／Ｎの劣
化が著しく小さい。従って、従来より問題となっていた
スメア現象の抑圧効果も非常に大きい。また、ドライバ
トランジスタ１４．２４，３４．４４のしきい電圧■い
のばらつき等に起因するソースフォロア出力におけるオ
フセット雑音の発生については、相関二重サンプリング
手段５を用いることにより、その抑圧が可能である。
以下、本発明の他の実施例を第２図に示す、第２図は、
ホトゲートトランジスタ１８のゲート配線が異なる他は
、構造、動作とも第１図と同じである。この他に、リセ
ットトランジスタ１３、ドライバトランジスタ１４の配
線の縦横の組合せを適切に異ならせても、第１図と同様
な効果を得ることができる。
本発明の他の実施例を第３図に示す。第３図は、前段の
ソースフォロア負荷トランシタ１５，２５゜３５．４５
、後段のソースフォロア負荷トランジスタ１６，２６，
３６．４６が各画素に設けられている。その他は、第１
図と同じであり、その動作も第１図と同様である。しか
しながら、第３図では各画素のソースフォロアが２段に
なっているため、各画素の持つ電流駆動能力が第１図よ
りも大きい。従って第３図では各画素をより高い周波数
で走査でき、画素数の多い高精細画像用の固体ボ 撮像装置への適用に好適な実施例と得られる。
本発明の他の実施例を第４図に示す。第４図はリセット
トランジスタ２０１，２０３及び前段のドライバトラン
ジスタ２０２，２０４が、画素４個に対して各１個の割
合になっている。その他は、第１図と同じであり、その
動作も第１図と同様である。ただし、第４図は分り易く
するために、画素数を４×２で示している。受光面上の
全素子を同一平面上に形成した場合、第４図によればリ
セットトランジスタ及びドライバトランジスタの占有面
積を第１図よりも小さくすることが可能であり、ホトダ
イオードの面積を大きくして、固体撮像装置の感度の向
上を計ることができる。また、第４図では、リセットト
ランジスタ２０１，２０３及びドライバトランジスタ２
０２，２０４を画素４個に各１個の割合で設けたが、同
様に画素３個に各１個、画素２個に各１個としても、第
４図の実施例に準じた効果が得られる。
本発明の他の実施例を第５図に示す。第５図は、第４図
の実施例と同様にリセットトランジスタ２０５．２０７
，２０９，２１１及びドライバトランジスタ２０６，２
０８，２１０，２１２を画素２個に対して、各１個ずつ
設けた例であり、さらに出力部を、トランジスタ１，２
．３と相関二重サンプリング手段５より成る系とトラン
ジスタ１０１．１０２，１０３と相関二重サンプリング
手段１０５より成る系との２系統に分け、スイッチｉ１
５，１１６，１１７，１１８を１つおきに交互にこれら
２系統の出力につなげた点が異なる。
不実施例の動作は第１図のそれと同様であるが、出力部
が２系統あるため、隣接する２行分の信号を同時に出力
することが可能である。各フィールドごとに隣接する異
なる２行分の信号を同時に出力すれば、ビデオ信号のイ
ンターレースに対応する出力を得ることができる。
本発明の他の実施例を第６図に示す。第６図は、前段の
ソースフォロアの負荷トランジスタ２１３゜２１５．２
１７，２１９及び後段のソースフォロアのドライバトラ
ンジスタ２１４，２１６，２１８゜２２０が、スイッチ
１１５，１１６，１１７゜１１８の前に設けられている
他は、第５図の実施例と同じであり、その動作も第５図
と同様である。
本実施例によれば、前段のソースフォロアが駆動する必
要のある信号線は横一列だけであり、第５図の実施例と
比較して駆動容量を減らすことができる。従って、本実
施例によれば、各画素の信号をより速く出力することが
可能となり、画素数の多い高精細画像用の固体撮像装置
等を得ることができる。
本発明の他の実施例を第７図に示す、第７図は、前・後
段のソースフォロアが、バイポートトランジスタ１７．
２７．３７，４７，２３３，２３４゜２３５から成るエ
ミッタフォロアに置き換えられていること、及び各前段
のエミッタフォロアのドライバトランジスタのベースに
、容［２２１゜２２４．２２７，２３０及び抵抗２２２
，２２３゜２２５．２２６，２２８，２２９，２３１，
２３２が動作点バイアスを与えていることを除けば、第
１図の実施例と同じであり、その動作も第１図と同様で
ある。一般にソースフォロア回路を用いるよりも、エミ
ッタ回路を用いた場合の方が、より大きい電流駆動能力
を得ることができる０本実施例によれば各画素の信号を
より速く出力できることから、画素数の多い高精細画像
用の固体撮像装置等を得ることができる。
本発明の他の実施例を第８図に示す。第８図は、本発明
の一実施例の画素部分の断面図の一部を示す図であり、
その回路図は第１図から第７図まで３１１．３２１，３
３１はホトダイオード、３１２゜３２２はホトゲートト
ランジスタ、３１０はアモルファスもしくは単結晶シリ
コン、３１３，３２３は５ｉＯｚ等の絶縁物、３１４，
３２４はＡ１等の遮光物、３００は半導体基板、３０１
はウェルである。これらのうち、例えば３１１，３２１
゜３３１．３００はｎ型、３１０，３０１はｐ型半導体
であるが、ｎ＋Ｐはこれと逆にしても良い。
なお、リセットトランジスタ、ドライバトランジスタ等
の、ホトゲートトランジスタ３１２，３２２以外の素子
は第８図中からは省いであるが、これらの素子もホトゲ
ートトランジスタ：３１２，３２２と同様に基板３００
上に形成されていることは言うまでもない。本実施例の
動作は前述第１図から第７図までの実施例と同様である
が、特に受光するための領域３１０と、基板３００上の
走査領域とを上下２段重ねにしである。このために、受
光面全体に対する光電変換領域の割合を著しく大きくす
ることができ、小さな受光面に対しても撮像素子の感度
を非常に高くすることが可能である。
なお、遮光物３１４，３２４は、各光電変換領域を分離
し、画質を向上させるために設けたが、これらはなくと
もよい。
以上の実施例では光電変換領域にホトダイオードを仮定
したが、これらはＭＯ３容量その他の光電変換特性を有
する素子でもよい、また、信号電荷を信号電圧、電流に
変換する手段としてはＭＯＳトランジスタより成る２段
のソースフォロア回路、及びバイポーラトランジスタよ
り成る２段のエミッタフォロア回路を用いて説明したが
、これらは１段のソース又はエミッタフォロア回路や、
利得のばらつきの非常に小さな他の回路でもよい。
実施例の動作においては、始めにリセットトランジスタ
１３をオンさせた。しかし、リセットのタイミングにつ
いては、ホトゲートトランジスタ１２がオンしてこの時
の出力が相関二重サンプリング手段５に入力される期間
を除けば、他の任意のタイミングに任意の回数のリセッ
トを行っても、実施例の動作に準する効果をもつ、第１
図から第７図までの回路図については、図中の各々のト
ランジスタの回路的に離れている部分のいくつか、例え
ばリセットトランジスタ１３〜４３の全てのドレイン等
を共通としても一般には支シにはない。
また、第１図、第２図、第３図、第７図において、出力
部を第５図もしくは第６図のように構成し、２行分の画
素信号の同時８力や、高精細化をはかることも可能であ
ることは、言うまでもない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、光によって生じた雑音電荷の信号への
混入によるＳ／Ｎの劣化を著しく抑圧できるため、スメ
ア現象の発生を大きく抑圧する効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図及び
第７図は本発明の一実施例を示す図、第９図及び第１０
図は従来例を示す図、第１１図は本発明の概念を示す図
、第８図は本発明の一実施例の画素部分の断面の一部を
示す図である。 １．３．１５・・・ソースフォロアの負荷トランジスタ
、２，１４．１６・・・ソースフォロアのドライバトラ
ンジスタ、４・・・信号線、５・・・相関二重サンプリ
ングを行うための手段、３１０・・・アモルファス又は
単結晶シリコン、１１，３１１・・・ホトダイオード、
１２，３１２・・・ホトゲートトランジスタ、１３・・
・リセットトランジスタ、３１３・・・絶縁物、３００
・・・半導体基体、３０１・・・ウェル、１１０・・・
レジスタ、１１１〜１１８・・・スイッチ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、同一半導体基板上に２次元状に配列され光情報に応
    じた電荷を蓄積する複数個の光電変換素子と、この光電
    変換素子のそれぞれに蓄積された電荷を電流又は電圧に
    変換増幅する複数個の増幅手段と、この増幅手段からの
    出力を出力端に伝送する伝送手段と、上記増幅手段の入
    力部に上記光電変換素子からの電荷がある場合及びない
    場合の上記増幅手段の出力の差分を上記出力端から検出
    する検出手段とを有することを特徴とする固体撮像装置
    。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記増幅手段を前
    記光電変換素子毎に設け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項において、前記増幅手段を前
    記光電変換素子の４個に対して１個設けることを特徴と
    する固体撮像装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記増幅手段を前
    記光電変換素子の２個に対して１個設けることを特徴と
    する固体撮像装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記出力端と前記
    検出手段との間に出力アンプを設けることを特徴とする
    固体撮像装置。 ６、特許請求の範囲第１項において、前記検出手段は相
    関２重サンプリング回路で構成されていることを特徴と
    する固体撮像装置。
JP61245249A 1986-10-17 1986-10-17 固体撮像装置 Pending JPS63100879A (ja)

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