JP2708455B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は特に各画素の光信号蓄積時間を全く同一にし
た、高画質カメラに好適な固体撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

ホトダイオードに近傍の受光面上において、ホトダイ
オードに発生した信号電荷を増幅してから出力するとい
う画素アンプ形固体撮像装置については、昭和58年電子
通信学会総合全国大会予講集1241において論じられてい
る。以下、第３図を用いて、上記従来例について述べ
る。第３図は従来例の固体撮像装置の回路構成図であ
る。受光面上に２次元状に配置された各画素は、光電変
換を行うホトダイオード１、ホトダイオード１の電圧を
増幅するための画素アンプトランジスタ2,画素アンプト
ランジスタ２と垂直ドレイン線５とを接続する垂直スイ
ツチトランジスタ３、ホトダイオード１をリセツトする
ためのリセツトトランジスタ４をそれぞれ有している。
画素アンプトランジスタ２のゲート及びリセツトトラン
ジスタ４のソースはホトダイオード１に、リセツトトラ
ンジスタ４のドレイン及び垂直スイツチトランジスタ３
のドレインは垂直ドレイン線５にそれぞれ接続されてい
る。また、画素アンプトランジスタ２のドレインは垂直
スイツチトランジスタのソースに、画素アンプトランジ
スタ２のソースは垂直信号線７を介して水平スイツチト
ランジスタ８のドレインに接続され、水平スイツチトラ
ンジスタ８のソースは水平信号線９につながり、水平信
号線９の一端は出力端子となつている。そして垂直スイ
ツチトランジスタ３とリセツトトランジスタ４のゲート
に接続する垂直ゲート６及び垂直ドレイン線５は垂直シ
フトレジスタ10により、水平スイツチトランジスタ８の
ゲートは水平シフトレジスタ11により選択走査される。

次にこの従来例の動作を説明する。受光面に入射した
光のシリコン中における光電変換によつてホトダイオー
ド１内には信号電荷が生じ、蓄えられる。水平帰線期間
内に、垂直シフトレジスタ10によつて１組の垂直ゲート
線６及び垂直ドレイン線５が高レベルになると、これら
２本の線につながる横一列に画素の垂直スイツチトラン
ジスタ３がオンし、ソースに接続されている画素アンプ
トランジスタ２のドレインを垂直ドレイン線５に導通さ
せる。次いで水平走査期間内に、水平シフトレジスタ11
が水平スイツチトランジスタ８を順次オンさせると、画
素アンプトランジスタ２のソースは順次水平信号線９と
導通し、この結果選択された横一列の画素について、画
素アンプトランジスタ２が順次動作することになる。ホ
トダイオード１の電圧はホトダイオード１に蓄えられて
いる電荷量によつて決まり、画素アンプトランジスタ２
のゲートにはこのホトダイオード１の電圧が加わるた
め、結局ホトダイオード１の信号電荷量に応じた画素ア
ンプトランジスタ２のドレイン・ソース間電流が、水平
信号線９から出力されることになる。

以上が本従来例の読み出し動作であるが、なお、画素
アンプトランジスタ２のゲートとホトダイオード１との
リセツト動作については、ｎ列目の一列の画素の水平走
査出力が終了後、ｎ＋１列目の画素に対応する垂直ゲー
ト線６を高レベルにしてｎ列目の画素のリセツトトラン
ジスタ４を導通させることにより、ｎ列目の全てのホト
ダイオード１を一括してリセツトすることによつて行
う。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、画素アンプトランジスタ２のゲー
トをリセットした後、信号電荷をホトダイオード１に蓄
え、このホトダイオード１に蓄えられた信号電荷量に応
じた画素アンプトランジスタ２の出力電圧を水平スイッ
チングトランジスタ８を通して読み出している。その結
果、画素アンプトランジスタ２の出力電圧は信号電荷電
圧にリセット雑音電圧が重畳した形で読み出される。こ
のように、上記従来技術では、リセット雑音の除去に対
する配慮がなされていず、画質の劣化が生じるという問
題があった。本発明の目的は、上記理由による画質の劣
化のない固体撮像装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、光信号を信号電荷に変換して蓄積する光
電変換手段と、この光電変換手段に蓄積された信号電荷
を読み出す読み出し手段と、読み出し手段を通して読み
出された信号電荷を増幅する増幅手段と、増幅手段にお
ける上記信号電荷をリセットするリセット手段を画素の
構成要素として含み、かつ増幅手段をリセットした時お
よび増幅手段に信号電荷を入力した時における増幅手段
の２つの出力の差分を得る手段を有する固体撮像装置に
より達成される。

〔作用〕

本発明では、増幅手段をリセットした時の増幅手段の
出力であるリセツト雑音出力と、増幅手段に信号電荷を
入力した時の増幅手段の出力であるリセツト雑音出力と
信号電荷出力の和を別々に取り出すことができるため、
これらの差分を得ることによりリセツト雑音を除去で
き、画質の劣化を防ぐことができる。

〔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の回路構成図である。受光面上
に２次元状に配置された各画素は、光電変換を行うホト
ダイオード１、ホトダイオード１の電圧を増幅するため
の垂直ドレイン線12に接続された画素アンプトランジス
タ２、ホトダイオード１をリセツトするためのリセツト
トランジスタ４をそれぞれ有している。画素アンプトラ
ンジスタ２のゲート及びリセツトトランジスタ４のソー
スはホトダイオード１に、リセツトトランジスタ４のド
レイン及び垂直スイツチトランジスタ３のドレインとゲ
ートとは垂直ドレイン線12にそれぞれ接続されている。
また、画素アンプトランジスタ２のドレインは垂直スイ
ツチトランジスタ３のソースに、画素アンプトランジス
タ２のソースは垂直信号線14につながつている。ここで
リセツトトランジスタ４のゲートに接続する垂直ゲート
線13と垂直ドレイン線12とは、共に垂直シフトレジスタ
10により選択され走査される。垂直信号線14の一端は信
号リセツトゲート線16がゲートを制御している信号リセ
ツトスイツチトランジスタ15を介して信号リセット線1
4′に接続されており、また蓄積容量ゲート線18がゲー
トを制御している蓄積容量スイツチトランジスタ17を介
して蓄積容量19に接続されている。蓄積容量19は、水平
シフトレジスタ22より水平ゲート線21を介して選択され
走査される水平スイツチトランジスタ20により、水平信
号線23に接続されており、さらに水平信号線23の端には
出力アンプ24がつながつている。

また、垂直シフトレジスタ10よりホトゲート線25を介
して走査されるホトゲートトランジスタ26をホトダイオ
ード１と画素アンプトランジスタ２のゲートとの間に有
している。

次に本実施例の動作を説明する。受光面に入射した光
の半導体中における光電変換によつて、ホトダイオード
１内には信号電荷が生じ、蓄えられる。

水平帰線期間の初めに、垂直シフトレジスタ10によつ
て、垂直方向ｎ列目の横一列の画素に対応する一組の垂
直ドレイン線12及び垂直ゲート線13を高レベルに設定
し、同時に信号リセツトゲート線16及び信号リセツト線
14′を高レベルに設定することによつて垂直方向ｎ列目
の画素アンプトランジスタ２のゲートをリセツトする。
垂直ドレイン線12及び垂直ゲート線13を高レベルにした
のは、リセツトトランジスタ４を動作させるためであ
り、信号リセツトゲート線16及び信号リセツト線14′を
高レベルにするのは、信号リセツトスイツチトランジス
タ15を介して垂直信号線14を高レベルに設定することに
より画素アンプトランジスタ２の動作を防ぐためであ
る。これは、画素アンプトランジスタ２が動作すると、
垂直ドレイン線12に比較的大きな瞬時電流が流れて電圧
降下が無視できなくなり、画素アンプトランジスタ２の
ゲートのリセツトに支障をきたすからである。

この後に以上の垂直ドレイン線12,垂直ゲート線13,信
号リセツトゲート線16及び信号リセツト線14′を低レベ
ルに下げ、ゲートをリセツトした画素アンプトランジス
タ２の出力の蓄積容量19への読み込みを続けて行う。即
ち、垂直シフトレジスタ10によつて一本の垂直ドレイン
線12が高レベルになると、この垂直ドレイン線12に接続
されている画素アンプトランジスタ２が動作する。この
とき、１列目の蓄積容量ゲート線18を高レベルにし、蓄
積容量スイツチトランジスタ17をオンさせると、１列目
の蓄積容量19には画素アンプトランジスタ２からの増幅
信号電荷が垂直信号線14を通して蓄積される。蓄積容量
19に増幅信号電荷が蓄積された後、蓄積容量スイツチト
ランジスタ17はオフする。

続いてホトゲート線25を高レベルにすることによつ
て、ホトダイオードトランジスタ26をオンし、ホトダイ
オード１に蓄積されていた信号電荷を、画素アンプトラ
ンジスタ２のゲート部へと読み出すが、この動作はホト
ダイオード１のリセツト動作も兼ねている。このとき、
信号電荷読み出し後のホトダイオード１が完全に空乏化
するようにホトダイオード１の構造を決定しておくと、
ホトダイオード１の読み残し電荷によつて発生するリセ
ツト雑音や残像を取り除くことができる。

この後に再び画素アンプトランジスタ２の出力の蓄積
容量19への読み込みを繰り返すが、この信号入力時の画
素アンプトランジスタ２の増幅信号電荷は、前のリセツ
ト時の画素アンプトランジスタ２の増幅信号電荷とは別
の２列目の蓄積容量19に入力させることは言うまでもな
い。

次いで水平走査期間内に、水平シフトレジスタ22が水
平スイツチトランジスタ20を順次オンさせると、各蓄積
容量19は水平スイツチトランジスタ20及び水平信号線23
を介して順次出力アンプ24と接続されることになり、蓄
積容量19に蓄積されていた増幅信号電荷による出力が得
られる。

このとき、２つの出力アンプ24から得られる出力は、
一方が画素アンプトランジスタ２のゲートをリセツトし
た場合、一方がさらにこのゲートにホトダイオード１か
らの信号電荷を入力した場合、にそれぞれ対応してい
る。そこで最終的な出力端24′では、これら両出力アン
プ24の差分が得られるようにしている。

本実施例では上記のように、画素アンプトランジスタ
２のゲートをリセツトした場合の増幅信号と、画素アン
プトランジスタ２のゲートに信号電荷を入力した場合の
増幅信号との差分を出力とするため、画素アンプトラン
ジスタ２のゲートのリセツトに伴うリセツト雑音や、画
素アンプトランジスタ２の雑音の低周波成分を抑圧でき
る長所がある。このような差分をとる方式は、相関二重
サンプリング法として知られる手法と原理的には同じも
のである。

なお、本実施例では蓄積容量19を２列設けているが、
これを４列として、２行同時読み出し動作を行うことも
可能であることは言うまでもない。

以下、本発明の他の実施例を第２図により説明する。
第２図は本発明の他の実施例の回路構成図であり、蓄積
容量19の数が画素と同数であること、蓄積容量19と水平
スイツチトラジスタ20との間に、蓄積容量垂直レジスタ
31から蓄積容量垂直ゲート線28によつて選択走査される
垂直スイツチトランジスタ27を設けてあること、各水平
信号線23は、やはり蓄積容量垂直ゲート線28によつて選
択走査される読み出しスイツチトランジスタ28を介して
アンプ垂直信号線30に接続され、さらにアンプ垂直信号
線30の端に出力アンプ24が設けられていることを除け
ば、第１図により説明した実施例と同じ構造を有してい
る。

次に本実施例の動作を説明する。本実施例において
は、全画素アンプトランジスタからの増幅信号電荷の蓄
積容量19への読み取りを、例えば垂直帰線期間を用いて
連続的に行う。各画素アンプトランジスタ２の出力を蓄
積容量19へ読み込ます方法は第１図により説明した実施
例と同様である。

なお、第２図では信号入力時の画素アンプトランジス
タ２の増幅信号電荷用の蓄積容量部と、リセツト時の画
素アンプトランジスタ２の増幅信号電荷用の蓄積容量部
のうち、一方の蓄積容量部を簡単のために省略して示し
ている。

次に、垂直走査期間内の動作を説明する。垂直走査期
間内には、蓄積容量垂直レジスタ31より蓄積容量垂直ゲ
ート線28を介して垂直スイツチトランジスタ27及び読み
出しスイツチトランジスタ29を、水平シフトレジスタ22
より水平ゲート線21を介して水平スイツチトランジスタ
20を、それぞれ垂直走査方向、水平走査方向に選択走査
することにより、各蓄積容量19に蓄積されている増幅信
号電荷を、水平信号線23及びアンプ垂直信号線30を介し
て出力アンプ24より順次出力する。

なお、垂直信号線14のリセツトは、信号リセツトゲー
ト線16を高レベルにし、信号リセツトスイツチトランジ
スタ15をオンすることによつて行うが、これは画素アン
プトランジスタ２から蓄積容量19への増幅信号電荷読み
出し時を除く任意のタイミングで行える。またホトダイ
オード１は、ホトダイオード線25を高レベルにしてホト
ゲートトランジスタ26をオンすることによりリセツトす
ることができる。このときホトダイオード１のリセツト
タイミングを適当に変えれば、全てのホトダイオード１
について、リセツトからの信号の読み出しまでの光信号
蓄積時間を同一にそろえたまま、蓄積時間を変化させる
ことができる。これが本実施例における電子シヤツタ動
作であるが、他の実施例の電子シヤツタ動作が１フイー
ルド期間にかけて全画面を走査するフオーカルプレーン
シヤツタであり、受光面上の上端の画素と下端の画素の
映像とり込み時間が１フイールド分異なるのに対して、
本実施例の電子シヤツタ動作は、垂直帰線期間内の画素
アンプトランジスタ２の動作時間内に全画面の走査を終
了させることのできるフオーカルプレーンシヤツタであ
り、受光面上の上端の画素と下端の画素の映像とり込み
時間のずれを、他の実施例に比べて著しく圧縮すること
ができる。

以上の実施例の説明では読み出し画素の選択を垂直シ
フトレジスタ10及び水平シフトレジスタ22を用いて行っ
たが、必ずしもシフトレジスタでなくとも、何らかの画
素選択回路を用いれ良いこと、信号蓄積容量19の一端、
及びホトダイオード１の一端をウェルに落としていた
が、必ずしもウェルでなくとも、何らかの電圧印加手段
に接続すれば良いこと、信号リセットスイッチ15は必ず
しも垂直信号線14の一端でなくとも、受光面以外の任意
の場所に設けられること、ホトダイオード１は必ずしも
pn接合でなくとも、MOS型ホトダイオード等の構造をと
ることも可能なこと、２×２画素に限らず任意の画素数
の固体撮像装置に拡張できること、半導体特性のｐ型と
ｎ型を逆にしても、電位の大小関係を逆にすれば良いこ
と、シリコンに限らず他の半導体材料を用いても、シリ
コンに準じた効果が得られることは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、各画素の光信号蓄積時間を全く同一
にすることができるので、画素間の光信号蓄積時間の違
いによる画素の劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路構成を示す図、第２図
は本発明の他の実施例の回路構成を示す図、第３図は従
来技術の回路構成を示す図である。 １……ホトダイオード、２……画素アンプトランジス
タ、４……リセツトトランジスタ、19……蓄積容量、20
……水平スイツチトランジスタ、26……ホトゲートトラ
ンジスタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−46374（ＪＰ，Ａ) テレビジョン学会誌 41［11］ （1987） Ｐ．1075−1082

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光信号を信号電荷に変換して蓄積する光電
   変換手段と、該光電変換手段に蓄積された上記信号電荷
   を読み出す読み出し手段と、該読み出し手段を通して読
   み出された上記信号電荷を増幅する増幅手段と、該増幅
   手段における上記信号電荷をリセットするリセット手段
   を画素の構成要素として含み、かつ上記増幅手段をリセ
   ットした時および上記増幅手段に上記信号電荷を入力し
   た時における上記増幅手段の２つの出力の差分を得る手
   段を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】上記２つの出力の差分を得る手段は相関二
   重サンプリングする手段であることを特徴とする請求項
   １記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】上記増幅手段をリセットした時の上記増幅
   手段の出力を蓄積する第１の蓄積手段と、上記増幅手段
   に上記信号電荷を入力した時の上記増幅手段の出力を蓄
   積する第２の蓄積手段を有し、上記増幅手段の２つの出
   力の差分を得る手段は上記第１の演算手段と上記第２の
   蓄積手段を通った上記２つの出力の差分を得るものであ
   ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。