JPH09139891A - 光電変換装置およびこれを用いた固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 増幅型固体撮像装置の固定パターン雑音を的
確に除去しつつ、高品質かつ高速度の信号読出しを可能
にする。 【解決手段】 光電変換装置および固体撮像装置におい
て、増幅型の光電変換手段Ｐｉｊと、位相反転型の電圧
・電流変換手段ＱＨｊと、制御信号に応じて電圧・電流
変換手段ＱＨｊの入出力端子間を短絡するスイッチ手段
ＳＳｊと、光電変換手段Ｐｉｊの出力と電圧・電流変換
手段ＱＨｊの入力との間の回路に挿入された電荷蓄積手
段ＣＴｊとを備える。スイッチ手段ＳＳｊによって電圧
・電流変換手段ＱＨｊの入出力端子間を短絡して光電変
換手段Ｐｉｊの読出しを行なうことによって電荷蓄積手
段ＣＴｊを充電した後、スイッチ手段ＳＳｊをオフとし
て再び光電変換手段Ｐｉｊの読出しを行ない、電荷蓄積
手段ＣＴｊを介して読出し出力を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置およ
びこれを用いた固体撮像装置に関し、特に画素からの信
号を効率的に読出し可能にすると共に、画素の読出し前
に従来行なわれていたリセット動作を不要とし、もって
高品質かつ高速度の信号読出しを可能にする技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、光電変換素子からの信号を蓄積す
る蓄積手段を有し、暗信号のばらつきや駆動ノイズなど
の不要成分を除去することができる光電変換装置として
例えば特開昭６４−３９８８０号に示すものが知られて
いる。この従来例の光電変換装置では、光電変換セルの
読出し信号を蓄積する第１のコンデンサとリフレッシュ
後の残存信号を蓄積する第２のコンデンサとを有し、該
第１および第２のコンデンサの信号を重畳して出力する
ことにより読出し信号から残存信号を除去した出力信号
を得て、暗信号のばらつきや駆動ノイズなどの不要成分
を除去している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例の光電変換
装置では、信号成分が蓄積されている蓄積手段すなわち
第１および第２のコンデンサからの電荷をスイッチを介
して水平読出しラインの寄生容量（Ｃ３）に伝達して電
荷を読出しており、したがって信号成分が蓄積されてい
る蓄積手段と水平読出しラインの寄生容量とで電荷を分
配して読出している。このため、光電変換素子の読出し
時に検出された全電荷を水平読出しラインに効率的に伝
達できず、蓄積手段に残った電荷は信号ロス成分とな
る。また、水平読み出しラインの電荷を電圧として読出
しているため、ある光電変換素子の読出し後次の光電変
換素子の信号を読み出す前に、水平読み出しラインの寄
生容量に残存している電荷をリセットすることが必要と
なる。このため、光電変換素子からの高速度の信号読出
しを行なうことができないという不都合を有している。

【０００４】したがって、本発明の目的は、光電変換装
置およびこれを用いた固体撮像装置において、画素から
の信号電荷を電流モードで読み出すという構想に基づ
き、画素からの信号成分を効率的に読出すことができる
ようにして信号品質を向上させると共に、水平読出し時
のリセットを不要として高速読出しができるようにする
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の形態に係わる光電変換装置では、光
信号を電気信号に変換しかつ増幅する機能を有する光電
変換手段と、入力電圧に対応した出力電流を生成する位
相反転型の電圧・電流変換手段と、制御信号に応じて前
記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡するスイッ
チ手段と、前記光電変換手段の出力と前記電圧・電流変
換手段の入力との間の回路に挿入された電荷蓄積手段と
を設け、前記スイッチ手段によって前記電圧・電流変換
手段の入出力端子間を短絡して前記光電変換手段の読出
しを行なうことによって前記電荷蓄積手段を充電した
後、前記スイッチ手段をオフとして再び前記光電変換手
段の読出しを行ない、前記電荷蓄積手段を介して読出し
出力を得る。

【０００６】上記構成においては、電圧・電流変換手段
の入出力端子間を短絡して光電変換手段の第１の読出し
を行なうことによって電荷蓄積手段を充電する。この場
合は前記電荷蓄積手段には、光電変換手段の種類に応じ
て、固定パターン雑音成分または信号と暗出力成分との
合成信号が充電される。次に、前記スイッチ手段をオフ
として再び前記光電変換手段の読出しを行ない、使用さ
れる光電変換手段の種類に応じて、信号と暗出力との合
成信号または暗出力信号を得、前記電荷蓄積手段を介し
て読出しを行なうことにより、信号成分のみが電圧・電
流変換手段に伝達される。電圧・電流変換手段はこの信
号成分の電圧を電流に変換し出力する。

【０００７】したがって、信号電荷を２つの容量の間で
分配して出力することがないから、全信号成分が効率的
に読出される。また、信号成分が電流信号として出力さ
れるから、水平読出しラインのリセットは不要となり、
高速度の読出しが行なわれる。

【０００８】前記光電変換手段は、例えば、光電変換素
子と、増幅素子と、前記光電変換素子で検出および蓄積
された電荷を前記増幅素子の制御電極へ転送する転送素
子と、前記増幅素子の制御電極の電荷をリセットするリ
セットスイッチ素子とを具備するものとすることができ
る。この場合は前記スイッチ手段により前記電圧・電流
変換手段の入出力端子間を短絡した状態で、前記光電変
換手段のリセットスイッチ素子によって前記制御電極の
電荷をリセットした直後の前記増幅素子の出力を暗出力
成分として読出し前記電荷蓄積手段に固定パターン雑音
成分を充電した後に、前記スイッチ手段をオフとしかつ
前記光電変換手段の光電変換素子で検出された電荷を前
記転送素子を通じて前記増幅素子の制御電極へ転送した
後の出力を信号および暗出力成分を含む合成信号として
読出し、前記電荷蓄積手段を介して前記電圧・電流変換
手段に伝達する。

【０００９】また、前記光電変換手段は、例えば、静電
誘導トランジスタ（ＳＩＴ）から構成できる。この場合
は、前記スイッチ手段により前記電圧・電流変換手段の
入出力端子間を短絡して前記光電変換手段の信号および
暗出力成分の合成信号により前記電荷蓄積手段を充電
し、次に前記スイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換
手段をリセットした後前記電荷蓄積手段を介して暗出力
の読出しを行なうことにより信号成分のみを前記電圧・
電流変換手段に伝達する。

【００１０】また、本発明の別の態樣に係わる光電変換
装置では、光信号を電気信号に変換しかつ増幅する機能
を有する光電変換手段と、入力電圧に対応した出力電流
を生成する位相反転型の電圧・電流変換手段と、制御信
号に応じて前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短
絡する第１のスイッチ手段と、前記光電変換手段の出力
と前記電圧・電流変換手段の入力との間の回路に挿入さ
れた第１の電荷蓄積手段と、転送制御信号に応じてオン
とされ、前記光電変換手段の出力を前記第１の電荷蓄積
手段に接続する第２のスイッチ手段と、前記第１の電荷
蓄積手段の一方の端子と実質的にグランドとの間に接続
された第２の電荷蓄積手段とを設けて構成する。

【００１１】このような構成では、前記第１のスイッチ
手段によって前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を
短絡しかつ前記第２のスイッチ手段をオンとして前記光
電変換手段の第１の読出しを行なうことによって前記第
１の電荷蓄積手段を暗出力信号または信号と暗出力との
合成信号によって充電し、次に前記第１のスイッチ手段
をオフとし前記第２のスイッチ手段をオンとして前記光
電変換手段の第２の読出しを行なうことによって前記第
２の電荷蓄積手段を信号と暗出力との合成信号または暗
出力信号によって充電し、その後前記第２のスイッチ手
段をオフとして前記第２の電荷蓄積手段の蓄積電荷に対
応する信号を読出す。

【００１２】この場合は、第１の電荷蓄積手段は、前記
第１の形態に係わる光電変換装置の電荷蓄積手段と同様
の働きをなし、電圧・電流変換手段に暗出力を除去した
信号成分を効率的に伝達する。また、電圧・電流変換手
段によって信号成分を電流モードで読出すことが可能に
なり、リセット動作が不要になるから高速度の動作が行
なわれる。さらに、第２の電荷蓄積手段を充電した後
は、前記第２のスイッチ手段をオフとして光電変換手段
側と出力回路側とを分離できるから、光電変換手段の読
出し時間の変動による暗電流の影響を除去することがで
き、特に周囲温度が高温である場合のように暗電流が大
きくなる環境においても読出しタイミングの変動による
悪影響は生じない。

【００１３】このような構成においても、前記光電変換
手段は、光電変換素子と、増幅素子と、前記光電変換素
子で検出および蓄積された電荷を前記増幅素子の制御電
極へ転送する転送素子と、前記増幅素子の制御電極の電
荷をリセットするリセットスイッチ素子とを具備するも
のとすることができる。この場合は前記第１のスイッチ
手段により前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短
絡した状態で、前記光電変換手段のリセットスイッチ素
子によって前記制御電極の電荷をリセットした直後の前
記増幅素子の出力を暗出力成分として読出し前記第１の
電荷蓄積手段に固定パターン雑音成分を充電した後に、
前記第１のスイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換手
段の光電変換素子で検出された電荷を前記転送素子を通
じて前記増幅素子の制御電極へ転送した後の出力を信号
および暗出力成分を含む合成信号として読出し、前記第
１の電荷蓄積手段を介して前記電圧・電流変換手段に伝
達する。

【００１４】また、前記光電変換手段は、例えば、静電
誘導トランジスタ（ＳＩＴ）から構成できる。この場合
は、前記第１のスイッチ手段により前記電圧・電流変換
手段の入出力端子間を短絡して前記光電変換手段の信号
および暗出力成分の合成信号により前記第１の電荷蓄積
手段を充電した後に、前記第１のスイッチ手段をオフと
しかつ前記光電変換手段をリセットした後前記第１の電
荷蓄積手段を介して暗出力の読出しを行なうことにより
信号成分のみを前記電圧・電流変換手段に伝達する。

【００１５】また、前記第１の電荷蓄積手段と前記第２
の電荷蓄積手段とは互いに積層された構造とすることに
より、電荷蓄積手段の占有スペースを低減し、光電変換
装置を高密度で実装できる。

【００１６】具体的には、前記第２の電荷蓄積手段は半
導体基板上に形成されたＰＮ接合の容量であり、前記第
１の電荷蓄積手段は該ＰＮ接合の一方の半導体領域と、
該半導体領域の上に絶縁膜を介して形成された電極との
間で形成される容量とすることにより、光電変換装置を
効率よく集積回路化することができる。

【００１７】あるいは、前記第２の電荷蓄積手段は前記
光電変換手段から前記電圧・電流変換手段に至る配線の
少なくとも一部によって形成される寄生容量としてもよ
い。この場合は、光電変換装置をさらに高密度で集積回
路化することができる。

【００１８】次に、本発明によれば、上述のような光電
変換装置を使用した固体撮像装置が実現され、該固体撮
像装置は、行および列方向に２次元マトリクス状に配列
され、各々入射光に応じた電荷を蓄積しかつ増幅して出
力する光電流増幅手段からなる複数の画素と、前記画素
を前記マトリクス配列の各行毎に共通に順次列方向に走
査して各画素からの電流信号を列毎に取出すための複数
の垂直読出し線と、前記複数の垂直読出し線からの信号
を順次行方向に走査して各行毎の時系列的な信号を順次
取出すための水平読出し線とを備えたものであって、各
々の垂直読出し線に対応して設けられ、入力電圧に対応
した出力電流を生成する位相反転型の電圧・電流変換手
段と、制御信号に応じて前記電圧・電流変換手段の入出
力端子間を短絡するスイッチ手段と、各々の垂直読出し
線に対応して設けられ、各々の垂直読出し線と対応する
電圧・電流変換手段との間の回路に挿入された電荷蓄積
手段と、各々の垂直読出し線に対応して設けられ、対応
する前記電圧・電流変換手段の出力電流信号を各垂直読
出し線毎に順次前記水平読出し線に出力する複数の水平
読出しスイッチ回路とを備えている。

【００１９】このような固体撮像装置では、各行毎に前
記スイッチ手段により前記電圧・電流変換手段の入出力
端子間を短絡して前記光電変換手段の読出しを行なうこ
とによって各列の前記電荷蓄積手段を充電した後、前記
スイッチ手段をオフとして再び前記光電変換手段の読出
しを行ない、前記電荷蓄積手段を介して読出し出力を得
る。

【００２０】このような固体撮像装置においても、各列
の電荷蓄積手段によって暗信号成分が除去された読出し
信号が効率的に電圧・電流変換手段に入力される。そし
て、該電圧・電流変換手段によって読出し信号を電流に
変換して出力するから、水平読出し線のリセット動作な
どを必要とすることなく、高速度の読出しが可能とな
る。

【００２１】このような固体撮像装置においても、前記
光電変換手段は、例えば、光電変換素子と、増幅素子
と、前記光電変換素子で検出および蓄積された電荷を前
記増幅素子の制御電極へ転送する転送素子と、前記増幅
素子の制御電極の電荷をリセットするリセットスイッチ
素子とを具備するものとすることができる。この場合
は、前記スイッチ手段により前記電圧・電流変換手段の
入出力端子間を短絡した状態で、前記光電変換手段のリ
セットスイッチ素子によって前記制御電極の電荷をリセ
ットした直後の前記増幅素子の出力を暗出力成分として
読出し前記電荷蓄積手段に固定パターン雑音成分を充電
した後に、前記スイッチ手段をオフとしかつ前記光電変
換手段の光電変換素子で検出された電荷を前記転送素子
を通じて前記増幅素子の制御電極へ転送した後の出力を
信号および暗出力成分を含む合成信号として読出し、前
記電荷蓄積手段を介して前記電圧・電流変換手段に伝達
する。

【００２２】また、前記光電変換手段は、例えば、静電
誘導トランジスタ（ＳＩＴ）から構成できる。この場合
は、前記スイッチ手段により前記電圧・電流変換手段の
入出力端子間を短絡して前記光電変換手段の信号および
暗出力成分の合成信号により前記電荷蓄積手段を充電し
た後に、前記スイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換
手段をリセットした後前記電荷蓄積手段を介して暗出力
の読出しを行なうことにより信号成分のみを前記電圧・
電流変換手段に伝達する。

【００２３】また、本発明の別の形態に係わる固体撮像
装置は、行および列方向に２次元マトリクス状に配列さ
れ、各々入射光に応じた電荷を蓄積し増幅して出力する
光電流増幅手段からなる複数の画素と、前記画素を前記
マトリクス配列の各行毎に共通に順次列方向に走査して
各画素からの電流信号を列毎に取出すための複数の垂直
読出し線と、前記複数の垂直読出し線からの信号を順次
行方向に走査して各行毎の時系列的な信号を順次取出す
ための水平読出し線とを備えたものであって、各々の垂
直読出し線毎に設けられ、入力電圧に対応した出力電流
を生成する位相反転型の電圧・電流変換手段と、各々の
垂直読出し線毎に設けられ、制御信号にの入出力端子間
を短絡する第１のスイッチ手段と、各々の垂直読出し線
と該垂直読出し線に対応する電圧・電流変換手段の入力
との間の回路に挿入された第１の電荷蓄積手段と、各々
の垂直読出し線毎に設けられ、転送制御信号に応じてオ
ンとなり、各々の垂直読出し線を前記第１の電荷蓄積手
段に接続する第２のスイッチ手段と、各々の垂直読出し
線毎に設けられ、前記第１の電荷蓄積手段の一方の端子
と実質的にグランド間に接続された第２の電荷蓄積手段
と、各々の垂直読出し線に対応して設けられ、前記電圧
・電流変換手段の出力電流信号を各垂直読出し線毎に順
次前記水平読出し線に出力する複数の水平読出しスイッ
チ回路と、を備えている。

【００２４】このような固体撮像装置では、各行毎に、
前記第１のスイッチ手段によって前記電圧・電流変換手
段の入出力端子間を短絡しかつ前記第２のスイッチ手段
をオンとして前記画素の読出しを行なうことによって前
記第１の電荷蓄積手段を充電した後、かつ前記第１のス
イッチ手段をオフかつ前記第２のスイッチ手段をオンと
して画素の読出しを行ない前記第２の電荷蓄積手段を充
電し、その後前記第２のスイッチ手段をオフとして各垂
直読出し線の前記第２の電荷蓄積手段に蓄積された電荷
を各垂直読出し線毎に順次前記水平読出し線に読出す。

【００２５】このような構成に係わる固体撮像装置で
は、水平帰線期間中に読出し出力電圧を前記第２の電荷
蓄積手段に蓄積した後は、前記第２のスイッチ回路をオ
フとして垂直読出し線と水平読出し回路とを分離するこ
とができる。したがって、選択行の全画素の信号を同時
に前記第２の電荷蓄積手段に充電した後、前記第２のス
イッチ手段をオフとする。

【００２６】すなわち、前記第２のスイッチ手段を水平
帰線期間中はオンにし、水平読出し期間中はオフにす
る。これによって水平読出し期間中は前記第２の電荷蓄
積手段と垂直読出し線または画素とを切り離して各垂直
読出し線の第２の電荷蓄積手段に蓄積された電荷を順次
水平読出し線に読出すことができる。したがって、画素
の信号電荷転送後から読出しまでの時間が変動しても、
ゲート暗電流の影響を受けることがなくなり、ゲート暗
電流によるシェーディングを完全に防止できる。

【００２７】このような固体撮像装置においても、前記
光電変換手段は、例えば、光電変換素子と、増幅素子
と、前記光電変換素子で検出および蓄積された電荷を前
記増幅素子の制御電極へ転送する転送素子と、前記増幅
素子の制御電極の電荷をリセットするリセットスイッチ
素子とを具備するものとすることができる。

【００２８】この場合は、前記第１のスイッチ手段によ
り前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡した状
態で、前記光電変換手段のリセットスイッチ素子によっ
て前記第１の制御電極の電荷をリセットした直後の前記
増幅素子の出力を暗出力成分として読出し前記電荷蓄積
手段に固定パターン雑音成分を充電した後に、前記第１
のスイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換手段の光電
変換素子で検出された電荷を前記転送素子を通じて前記
増幅素子の制御電極へ転送した後の出力を信号および暗
出力成分を含む合成信号として読出し、前記第１の電荷
蓄積手段を介して前記電圧・電流変換手段に伝達する。

【００２９】また、前記光電変換手段は、例えば、静電
誘導トランジスタ（ＳＩＴ）から構成できる。この場合
は、前記第１のスイッチ手段により前記電圧・電流変換
手段の入出力端子間を短絡して前記光電変換手段の信号
および暗出力成分の合成信号により前記第１の電荷蓄積
手段を充電した後に、前記第１のスイッチ手段をオフと
しかつ前記光電変換手段をリセットした後前記第１の電
荷蓄積手段を介して暗出力の読出しを行なうことにより
信号成分のみを前記電圧・電流変換手段に伝達する。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
わる光電変換装置およびこれを用いた固体撮像装置につ
き説明する。図１は、本発明の第１の態様に係わる光電
変換装置を用いた固体撮像装置の構成を示す。図１で
は、説明および図示の簡略化のため３行×３列に画素を
配列して構成した二次元固体撮像装置の例を示してい
る。図１において、Ｐｉｊはｉ行ｊ列の画素を示してお
り（ｉ＝１，２，３；ｊ＝１，２，３）、これらの画素
が３行×３列のマトリクス状に配列されている。

【００３１】各画素Ｐｉｊは、光電変換素子であるフォ
トダイオードＤｉｊ、例えば接合型ＦＥＴからなる増幅
素子ＱＡｉｊ、前記フォトダイオードＤｉｊの電荷を増
幅素子ＱＡｉｊのゲートに転送するＭＯＳＦＥＴからな
る転送素子ＱＴｉｊ、増幅素子ＱＡｉｊのゲート電極を
プリセットするためのＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素
子ＳＰｉｊで構成されている。

【００３２】各フォトダイオードＤｉｊのカソードは電
源ＶＤＤに接続され、アノードは転送素子ＱＴｉｊのソ
ースに接続されている。転送素子ＱＴｉｊのドレインは
増幅素子ＱＡｉｊのゲートおよびプリセット用スイッチ
素子ＳＰｉｊのソースに接続されている。増幅素子ＱＡ
ｉｊのドレインは電源ＶＤＤに接続され、ソースはそれ
ぞれの列の垂直読出し線ＬＶｊに接続されている。転送
素子ＱＴｉｊのゲートは各行の転送制御ラインから転送
制御信号φＴｉを受ける。さらに、各プリセット用スイ
ッチ素子ＳＰｉｊのドレインは各行のプリセット信号線
からプリセット信号φＤｉを受ける。

【００３３】また、図１において、ＬＶｊは前述のよう
にｊ列目の垂直読出し線であり（ｊ＝１，２，３）であ
り、ＱＲＳＴＶｊは該垂直読出し線ＬＶｊのリセットを
行なうためのＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子であ
る。各列のスイッチ素子ＱＲＳＴＶｊのゲートは共通に
接続されリセット制御信号φＲＳＴＶが供給できるよう
に構成されている。各垂直読出し線ＬＶｊと低レベル側
の電源ＶＳＳとの間には選択された増幅素子ＱＡｉｊの
負荷となる第１の定電流源ＣＳＶｊが接続されている。
したがって、後述の垂直走査手段ＶＳＲで選択された画
素の増幅素子ＱＡｉｊはソースフォロアとして動作す
る。

【００３４】次に、Ｈｊはｊ列目の水平読出し回路であ
り、各列ごとに設けられ、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ
からなる増幅素子ＱＨｊ、該増幅素子ＱＨｊの直線性を
改善するため該増幅素子ＱＨｊのソースとグランド間に
接続された抵抗Ｒｊを備えている。また、各水平読出し
回路Ｈｊは、前記増幅素子ＱＨｊの負荷となり、前記増
幅素子ＱＨｊのドレインと電源ＶＤＤ間に接続された第
２の定電流源ＣＳＨｊ、増幅素子ＱＨｊのゲートとドレ
イン間に接続され該ゲートとドレインとを制御信号φＳ
Ｈにより短絡させるためのサンプルスイッチ素子ＳＳ
ｊ、そして前記増幅素子ＱＨｊのドレインと出力端子Ｉ
ＯＵＴ間に接続された垂直読出しスイッチ素子ＳＨｊと
を備えている。

【００３５】このような水平読出し回路の入力、すなわ
ち前記増幅素子ＱＨｊのゲートはそれぞれの垂直読出し
線ＬＶｊと蓄積手段を兼ねる結合容量ＣＴｊによって結
合されている。このＣＴｊの機能動作については後に詳
細に説明する。

【００３６】次に、ＶＳＲは垂直走査回路であり、選択
画素の転送素子ＱＴｉｊを選択行ごとに駆動する転送駆
動信号φＴｉ、および各画素のプリセット素子ＳＰｉｊ
を通じて選択画素の増幅素子ＱＡｉｊをプリセットため
の信号φＤｉを各行ごとに出力する。また、ＨＳＲは水
平走査回路であり、各列ごとに順次水平走査信号φＨｊ
を出力して水平読出し回路Ｈｊの水平読出しスイッチ素
子ＳＨｊのゲートに供給し、前記水平読出し回路Ｈｊの
出力を順次出力端子ＩＯＵＴに接続する働きをなす。

【００３７】以上のような構成を有する固体撮像装置の
動作を図２のタイミングチャートを用いて説明する。こ
こで各画素はすでに図示しない被写体などからの光信号
に応じた電荷を蓄積しており、垂直走査回路ＶＳＲによ
って第１行目より順次選択して読出しを行なうものとす
る。

【００３８】まず、第１行目の画素Ｐ１ｊの暗出力の読
出しを行なう。すなわち、期間Ｔ１において、プリセッ
ト制御信号φＰＧをローレベルにして１行目の前記画素
のプリセット用スイッチ素子ＳＰ１ｊをオンにした状態
で、垂直走査回路ＶＳＲから選択された画素、すなわち
第１行目の画素に対してプリセット信号φＤ１を印加す
る。プリセット信号φＤ１の電圧は、増幅素子ＱＡ１ｊ
がオンになる電圧とする。この増幅素子ＱＡ１ｊがオン
になる電圧をＶＰＤＨとする。

【００３９】なお、このとき非選択画素、すなわち第２
行目および第３行目の画素Ｐ２ｊ，Ｐ３ｊのプリセット
用スイッチ素子ＳＰ２ｊ，ＳＰ３ｊに加えられるプリセ
ット信号φＤ２，φＤ３は各画素の増幅素子ＱＡ２ｊ，
ＱＡ３ｊが深くバイアスされてカットオフするような電
圧とする。この電圧をＶＰＤＬとする。このようにする
と選択された画素、この場合はＰ１ｊ、のみの増幅素子
ＱＡ１ｊのみがオンになり、そのゲート電圧がＶＰＤＨ
であるから、該増幅素子ＱＡ１ｊは入力電圧をＶＰＤＨ
とし、定電流源ＣＳＶｊ（ＣＳＶ１〜ＣＳＶ３）を負荷
とするソースフォロアとして動作し出力電圧を発生して
各垂直読み出し線ＬＶｊに供給する。

【００４０】なお、このとき各増幅素子ＱＡ１１〜ＱＡ
１３のゲート電圧は等しいから、もし各増幅素子ＱＡ１
１〜ＱＡ１３の特性が完全に同じならばそれらの出力電
圧も等しくなるはずであるが、実際には各増幅素子のば
らつきにより、出力電圧は若干異なる電圧となるこれが
いわゆる固定パターン雑音である。このような固定パタ
ーン雑音を含めた各画素の増幅素子ＱＡｉｊの出力電圧
をＶＤｉｊとする。

【００４１】このとき、各水平読出し回路Ｈ１〜Ｈ３の
サンプルスイッチ素子ＳＳ１〜ＳＳ３は制御信号φＳＨ
により閉じられている。したがって、水平読出し増幅素
子ＱＨ１〜ＱＨ３のドレインには電源ＶＤＤから定電流
素子ＣＳＨ１〜ＣＳＨ３を介して定電流ＩＨが流れるよ
うに各増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３のゲートがバイアスされ
る。このバイアス電圧も各々の水平読出し増幅素子ＱＨ
１〜ＱＨ３などのばらつきにより若干異なってくる。し
たがって、このときの各増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３のゲー
ト電圧をＶＧＨ１〜ＶＧＨ３とすると、各列の蓄積容量
ＣＴｊの一端には前記固定パターン雑音を含めた各画素
の増幅素子ＱＡ１ｊの出力電圧ＶＤ１ｊが印加され、他
端にはＶＧＨｊが印加される。したがって、各蓄積容量
ＣＴｊには電圧ＶＤ１ｊ−ＶＧＨｊが充電される。この
状態で制御信号φＳＨを例えばローレベルとしてサンプ
ルスイッチＳＳｊをオフにすると、各蓄積容量ＣＴｊに
は充電された電圧（ＶＤ１ｊ−ＶＧＨｊ）がそのまま保
持される。

【００４２】期間Ｔ２の始めに前述のように制御信号φ
ＳＨをローレベルとして各サンプルスイッチＳＳ１〜Ｓ
Ｓ３をオフにした状態で、垂直走査回路ＶＳＲより選択
画素、この場合はＰ１１〜Ｐ１３、に対して転送パルス
φＴ１を加えると、例えばローレベルにすると、各転送
素子ＱＴ１１〜ＱＴ１３がオンとなる。なお、前記期間
Ｔ１の終りにすでにプリセット制御信号φＰＧはハイレ
ベルに戻っているから、プリセット用スイッチ素子ＳＰ
１ｊはカットオフしている。したがって、それまでフォ
トダイオードＤ１１〜Ｄ１３に蓄積されていた電荷が増
幅素子ＱＡ１１〜ＱＡ１３のゲートに転送され、各ゲー
ト電圧が上昇する。その結果、各増幅素子ＱＡ１１〜Ｑ
Ａ１３のソース電圧すなわち垂直読出し線ＬＶ１〜ＬＶ
３の電圧も信号分だけ上昇する。各増幅素子ＱＡ１１〜
ＱＡ１３はソースフォロアとして動作しているのでゲイ
ンはほぼ１でありばらつきは無視できる。したがって、
垂直読出し線ＬＶ１〜ＬＶ３の電圧の上昇分、すなわち
変化分、はフォトダイオードＤ１ｊに蓄積されていた電
荷すなわち信号成分に比例する。以上の動作は、水平帰
線期間に行なわれる。

【００４３】このとき、各水平読出し回路Ｈ１〜Ｈ３の
サンプルスイッチＳＳ１〜ＳＳ３がオフになっているの
で、結合容量ＣＴ１〜ＣＴ３には電流パスが形成されな
い。したがって、各結合容量ＣＴ１〜ＣＴ３の充放電は
なく、垂直読出し線ＬＶ１〜ＬＶ３の電圧変化分がその
まま垂直読出し増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３のゲートに伝達
される。したがって、各増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３のゲー
ト電圧は、固定パターン雑音の除去された信号電圧成分
だけ上昇する。すなわち、予め暗電圧成分を蓄積容量と
しても作用する結合容量ＣＴｊに充電しておき、その後
に信号成分を読出すと増幅素子ＱＨｊのゲートには信号
成分だけが伝達され固定パターン雑音が除去できる。

【００４４】増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３は電圧・電流変換
手段として動作し、該増幅手段ＱＨ１〜ＱＨ３のゲート
には電圧変化分として上述のように固定パターン雑音の
除去された信号成分が印加される。したがって、各増幅
素子ＱＨ１〜ＱＨ３のドレイン電流も信号成分に相当す
る分だけ変化する。すなわち、各増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ
３のドレイン電流は暗電圧成分の蓄積時に流れていた定
電流ＩＨから信号成分だけ増加してＩＨ＋ＩＳｊにな
る。ここでＩＳｊはｊ列目の信号電流を示す。

【００４５】図２の垂直読出し線の電圧ＶＤｉｊの波形
が一点鎖線、実線、および点線の３種類で示されている
のは、例えば各列の垂直読出し線の電圧がばらつきこれ
らの一点鎖線、実線、点線で示されるように若干異なる
場合を想定しているためである。

【００４６】なお、増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３のゲート電
圧は、前記期間Ｔ１の場合と同様に、期間Ｔ２において
も図示の如くばらつきを有するものとしている。しかし
ながら、増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３のゲートに伝達される
信号成分は前述のように固定パターン雑音の除去された
ものとなる。

【００４７】このような固定パターン雑音が除去された
信号成分電圧が増幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３によって対応す
る信号電流に変換される。すなわち、信号成分転送後の
ＱＨｊのドレイン電流はＩＨ＋ＩＳｊになっているが、
定電流成分ＩＨは常時定電流源ＣＳＨｊより供給されて
いるので、図３のＴ３で示される期間中に水平走査回路
ＨＳＲを走査して水平読出しスイッチＳＨｊを順番にオ
ンにすることにより、出力端子には、信号成分ＩＳｊの
みがＩＯＵＴ１ｊとして順次得られる。

【００４８】以上のようにして、１行目の画素の読出し
を終了した後、垂直走査回路ＶＳＲによって順次同様に
第２行目、第３行目の画素を走査して読出しを行なう。

【００４９】以上のように、本発明に係わる固体撮像装
置においては、蓄積手段として動作している結合容量Ｃ
Ｔｊと水平読出し線の寄生容量との間に電荷の分配が行
なわれることはないので、信号成分のロスがなくなり光
電変換した信号をきわめて有効に読出すことができる。
また、水平読出しごとに水平読出し線をリセットする必
要はないので高速度の読出しが可能となる。

【００５０】図３は、本発明の第２の態様に係わる固体
撮像装置の構成を示す。同図の固体撮像装置では、各列
の垂直読出し線ＬＶ１〜ＬＶ３と結合容量ＣＴ１〜ＣＴ
３との間に転送スイッチＳＴ１〜ＳＴ３を接続し、かつ
転送スイッチＳＴ１〜ＳＴ３と結合容量ＣＴ１〜ＣＴ３
との接続点からグランドとの間に第２の蓄積容量ＣＳ１
〜ＣＳ３を設けたものである。各転送スイッチＳＴ１〜
ＳＴ３のゲートは共通に接続され転送制御信号φＳＴが
供給できるよう構成されている。その他の部分は、図１
の回路と同じ構成を有し、同じ部分には同じ参照符号が
付されている。

【００５１】図１の構成では、水平走査回路ＨＳＲによ
って選択行の画素の信号を順次選択して読出す水平読出
し期間中は当該画素を動作状態に保つことが必要であっ
た。これに対し、図３の構成では、水平帰線期間中に転
送スイッチＳＴ１〜ＳＴ３をオンとして選択行の画素の
読出し出力電圧をそれぞれの列の第２の蓄積容量ＣＳ１
〜ＣＳ３に蓄積した後は、転送制御信号φＳＴによって
転送スイッチＳＴ１〜ＳＴ３をカットオフする。したが
って、以後は垂直読出し線、したがって画素、と水平読
出し回路Ｈ１〜Ｈ３とを分離することができる。各転送
スイッチＳＴ１〜ＳＴ３をカットオフした後、水平読出
し期間中は第２の蓄積容量ＣＳ１〜ＣＳ３に蓄積された
電圧を各垂直読出し線の電圧として図１の場合と同様に
読み出せばよい。

【００５２】このようにした目的の１つは画素部の増幅
素子ＱＡｉｊのゲート暗電流によるシェーディングの防
止である。図１の構成では、水平読出しは例えば図の左
端から右端まで順に走査を行なうので、左端の画素は水
平読出し期間の始め、すなわち信号電荷を増幅素子ＱＡ
ｉｊのゲートに転送した直後に読出されるのに対して、
右端の画素は最後すなわち信号電荷を該ゲートに転送後
しばらくおいて読出されるのでその間の増幅素子のゲー
ト電流が蓄積加算されて読出される。このゲート暗電流
は一般に微小であり、通常の用途ではあまり問題にはな
らないが、例えば周囲温度が高い場合には暗電流が増加
するので好ましくない影響を与える。

【００５３】このため、図３の構成では各画素のフォト
ダイオードＤｉｊの信号電荷を増幅素子ＱＡｉｊに転送
した後に、選択行の全画素の信号をオンとなった転送ス
イッチＳＴ１〜ＳＴ３を介して同時に第２の蓄積容量Ｃ
Ｓ１〜ＣＳ３に蓄積し、その後に転送スイッチＳＴ１〜
ＳＴ３をカットオフするよう構成した。すなわち、転送
スイッチＳＴｊを転送制御信号φＳＴにより水平帰線期
間中はオンにし、水平読出し期間中はオフにすればよ
い。このようにすると水平読出し期間には、画素部を切
り離して第２の蓄積容量ＣＳｊに充電した電荷を順次読
出すので前記問題は避けられる。

【００５４】図４は、本発明の第３の態樣に係わる固体
撮像装置を示す。図４の固体撮像装置では、前記図３の
固体撮像装置における第２の蓄積容量ＣＳ１〜ＣＳ３を
第１の蓄積容量ＣＴ１〜ＣＴ３の後段に移したものであ
る。すなわち、第２の蓄積容量ＣＳ１〜ＣＳ３は第１の
蓄積容量ＣＴ１〜ＣＴ３とそれぞれの列の水平読み出し
回路Ｈ１〜Ｈ３の入力端との接続部とグランド間に接続
されている。その他の部分の構成は図３のものと同じで
ある。

【００５５】図４の装置も図３の装置と同様に動作し、
転送スイッチＳＴ１〜ＳＴ３を転送制御信号φＳＨによ
り水平帰線期間中はオンにし、水平読出し期間中はオフ
にする。これによって、水平読出し期間には画素部を切
り離して第２の蓄積容量ＣＳ１〜ＣＳ３に充電した電荷
を順次読出す。ただし、図４の構成では、垂直読出し線
ＬＶ１〜ＬＶ３の電圧が容量ＣＴｊとＣＳｊとで容量分
圧されて第２の蓄積容量ＣＳｊに蓄積される点が図３の
ものと異なっている。

【００５６】したがって、前記図３の構成では、垂直読
出し線の電圧が直接第２の蓄積容量ＣＳ１〜ＣＳ３に充
電されて効率よく信号電荷の読出しを行なうことができ
る。これに対し、図４の構成では、垂直読出し線の電圧
が容量分圧されるから、若干の信号損失はあるものの、
例えば垂直読出し線ＬＶ１〜ＬＶ３の信号電圧変化があ
まりにも大きい場合には垂直読出し回路Ｈ１〜Ｈ３の増
幅素子ＱＨ１〜ＱＨ３が若干のひずみを生じることがあ
る。このような場合に、図４の回路構成を使用すること
により、信号ひずみを低減できる。

【００５７】図５は、本発明の第４の態樣に係わる固体
撮像装置を示す。図５の固体撮像装置では、前記図１の
固体撮像装置における画素を異なる構造のものとして構
成している。すなわち、画素として光電変換と蓄積と増
幅とが単一の素子で可能な素子、例えば静電誘導トラン
ジスタ（ＳＩＴ）を使用している。図５では、これらの
ＳＩＴからなる画素を３行×３列のマトリクス状に配列
し、それぞれのＳＩＴに参照符号ＱＳ１１，ＱＳ１２，
ＱＳ１３，ＱＳ２１，…，ＱＳ３３を付している。各Ｓ
ＩＴ ＱＳｉｊ（ｉ＝１，２，３；ｉ＝１，２，３）の
ドレインは共通の電源ＶＤＤに接続されている。各列の
ＳＩＴ ＱＳ１ｊ，ＱＳ２ｊ，ＱＳｊは共通に垂直読出
し線ＬＶｊに接続されている。各行のＳＩＴ ＱＳｉ
１，ＱＳｉ２，ＱＳｉ３のゲートはそれぞれ垂直走査回
路ＶＳＲから行選択信号φＶｉが供給できるよう構成さ
れている。その他の部分は図１の回路と同じ構成を有
し、同じ構成要素には同じ参照符号が付されている。

【００５８】ＳＩＴを画素として用いる場合には、前記
図１、図３および図４の固体撮像装置の場合と信号と暗
出力を読出す順序が異なる。すなわち、始めに信号を読
出して蓄積容量を兼ねる結合容量ＣＴｊに信号電荷を蓄
積した後に画素のリセットを行ない、続けて暗出力を読
出す必要がある。

【００５９】すなわち、図６のタイミング図に示すよう
に、まず第１行目より読出すものとすると、期間Ｔ１に
おいて、垂直走査回路ＶＳＲより加えられる行選択信号
φＶ１として垂直読出し電圧ＶＰＲを加えると、選択行
すなわち第１行のＳＩＴ ＱＳ１１，ＱＳ１２，ＱＳ１
３がオンとなりそれまでに蓄積されていた信号に対応し
た出力が得られる。この出力は、ソースフォロアとして
動作する各ＳＩＴ ＱＳ１１，ＱＳ１２，ＱＳ１３から
対応する垂直読出し線ＬＶ１，ＬＶ２，ＬＶ３に信号電
圧として出力される。このとき、水平読出し回路Ｈｊの
サンプルスイッチ素子ＳＳｊをオンにしておくと、蓄積
容量を兼ねる結合容量ＣＴｊには信号電圧が充電され
る。この充電後サンプルスイッチ素子ＳＳｊをオフにし
て、該信号電圧が結合容量ＣＴｊにホールドされるよう
にする。

【００６０】次に、期間Ｔ２において、垂直リセット素
子ＱＲＳＴＶｊに垂直リセット信号φＲＳＴＶを加えて
各水平読出し線ＬＶｊを接地し、さらに選択行、この場
合は第１行、のＳＩＴ ＱＳ１ｊのゲートに画素リセッ
ト信号ＶＰＣを加える。これによって、各ＳＩＴ ＱＳ
１ｊのゲート電極下に反転層ができ蓄積されていた信号
がリセットされる。

【００６１】次に、期間Ｔ３において、選択行、すなわ
ち第１行、のＳＩＴ ＱＳ１ｊのゲートに再度読出し電
圧ＶＰＲを加えると、各画素のＳＩＴ ＱＳ１ｊは再び
読出し動作を行なう。しかしながら、このときにはゲー
トはリセット直後であり該ゲートには信号電荷の蓄積が
ないので、暗出力の読出しを行なったことになり、垂直
読出し線ＬＶｊには暗出力電圧が出力される。

【００６２】以上の２つの読出し動作において得られる
蓄積容量ＣＴｊの入力端の電圧の変化分は信号電圧と暗
電圧との差であり、この変化分が各水平読出し回路Ｈｊ
の増幅素子ＱＨｊのゲートに加えられるので、前記図１
に示す第１の態樣に係わる固体撮像装置とは信号の極性
が異なるが固定パターン雑音が除去された信号が得られ
る。期間Ｔ４における水平読出しの方法は図１の固体撮
像装置の場合と同様であり、詳細な説明は省略する。

【００６３】図７は、本発明の第５の態樣に係わる固体
撮像装置の構成を示す。図７の固体撮像装置は、前記図
３の固体撮像装置の画素部を単一素子型の受光部、すな
わちＳＩＴ ＱＳ１１，ＱＳ１２，ＱＳ１３，ＱＳ２
１，…，ＱＳ３３に置き換えたものである。その他の部
分は図３のものと同じであり、同じ構成要素には同じ参
照符号が付されている。

【００６４】また、図８は本発明の第６の態樣に係わる
固体撮像装置を示し、前記図４に示される固体撮像装置
の画素部を単一素子型の受光部、すなわちＳＩＴ ＱＳ
１１，ＱＳ１２，ＱＳ１３，ＱＳ２１，…，ＱＳ３３に
置き換えたものである。その他の部分は図４の構成と同
じであり、同じ部分には同じ参照符号が付されている。

【００６５】図７および図８の固体撮像装置では、前記
図５の固体撮像装置と同様に、水平帰線期間中に始めに
信号を読出して第１の蓄積容量ＣＴｊに信号電荷を蓄積
した後に、画素のリセットを行ない、続けて暗出力を読
出し第２の蓄積容量ＣＳｊに充電する。次に、水平読出
し期間中は転送スイッチ素子ＳＴｊをオフにして第２の
蓄積容量ＣＳｊに充電された暗出力を第１の蓄積容量Ｃ
Ｔｊを介して読出す。これによって、図５の場合と同様
に、図１などの固体撮像装置とは信号の極性が異なるが
固定パターン雑音が除去された信号が得られる。しか
も、水平読出し期間中は、画素と第２の蓄積容量ＣＳｊ
とは分離されているから、画素の位置によってリセット
から読出し間での時間が異なることはなくなり、シェー
ディングの発生が防止できる。

【００６６】以上のような、第１〜第６の態樣に係わる
固体撮像装置のうち、分離素子型の第１（図１）、第２
（図３）、および第３（図４）の態樣に係わる固体撮像
装置の場合には、水平読出し期間中は画素部の増幅素子
ＱＡｉｊは転送された電荷を保存しておくのみであり、
増幅素子ＱＡｉｊのゲートは暗電流成分のみを積分する
ので暗電流成分のシェーディングの影響を受けるのみで
ある。これに対し、単一素子型の第４（図５）、第５
（図７）、および第６（図８）の態樣に係わる固体撮像
装置の場合には、画素部のＳＩＴ ＱＳｉｊは、水平読
出し期間において画像信号の蓄積、すなわち積分、動作
を開始しており、リセットから読出しまでの時間が異な
ると信号成分のシェーディングを発生するため、明るい
画像ではシェーディングの影響が大きくなる。したがっ
て、単一素子型の場合には第５（図７）または第６（図
８）の態樣に係わる構成を基本とし、上記シェーディン
グが許容できる場合にのみ第４（図５）の態樣に係わる
構造を採用するのが望ましい。

【００６７】図９は、上記第２（図３）、第３（図
４）、第５（図７）、および第６（図８）の態様に係わ
る固体撮像装置において第１および第２の蓄積容量ＣＴ
ｊおよびＣＳｊを形成するための具体的な構造を示す。
一般に、半導体チップの中で使用できる容量は異なる導
電型の半導体の接合面で形成される接合容量と、酸化膜
のような絶縁膜をはさむ導体または半導体の間で形成さ
れる酸化膜容量の２種類がある。

【００６８】図９の（ａ）はこれら２種類の容量を積層
して構成したもので、同図（ｂ）はその等価回路を示
す。これらの図に示されるように、接合容量としては、
例えば、図示しない半導体基板の表面近くに形成された
第１の導電型、例えばＰ型、の拡散層２と、該拡散層２
の上に形成された第２の導電型、例えばＮ型、の拡散層
４との接合面にできる容量、すなわちＰＮ容量を使用す
る。また、酸化膜容量は、第２の導電型の拡散層４など
の上面に形成された薄い酸化膜６の上に金属膜のような
導電膜８を設けることにより形成する。そして、例え
ば、導電膜８と拡散層４との間の酸化膜容量を前記第１
の蓄積容量とし、拡散層４と拡散層２との間に形成され
る接合容量を前記第２の蓄積容量として使用することが
できる。すなわち、このような導電膜８と拡散層４とで
形成される酸化膜容量の下部電極に使用される拡散層４
の下部には必ず寄生容量として拡散層２との間に接合容
量が存在し、回路的には直列接続された２つの容量が形
成される。しかしながら、これら２つの容量が占有する
表面積は単一の容量と変わらず、したがって２つの容量
を小さな占有面積で形成することができる。

【００６９】なお、上記第２、第３、第５、第６の態樣
に係わる固体撮像装置で使用した容量は、一端が接地さ
れている方の容量、すなわち第２の蓄積容量ＣＳｊを接
合容量で構成し、両端とも接地されていない方の容量Ｃ
Ｔｊを酸化膜容量で構成すれば、チップ上の占有面積を
大きくすることなく２つの容量を効率的に形成できる。

【００７０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
ように信号成分が蓄積されている蓄積手段と水平読出し
ラインの寄生容量とで電荷を分配して読出すものに対
し、画素の読出し時に検出された全電荷を水平読出しラ
インに伝達できるため、信号電荷の損失がなく、読出し
信号の信号対雑音比を改善し高品質の光電変換信号が得
られる。また、ある画素の読出し後次の画素の信号を読
出す前に水平読出しラインの寄生容量に残存している電
荷をリセットする必要がなくなるから、高速読出しが可
能となる。すなわち、本発明によれば、電流信号として
読出しを行なうため、比較的簡単な回路構成により、固
定パターン雑音成分が除去され、かつ高品質の信号成分
を高速度で読出すことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の態樣に係わる固体撮像装置の概
略の構成を示す電気回路図である。

【図２】図１の固体撮像装置の動作を説明するためのタ
イミング図である。

【図３】本発明の第２の態樣に係わる固体撮像装置の概
略の構成を示す電気回路図である。

【図４】本発明の第３の態樣に係わる固体撮像装置の概
略の構成を示す電気回路図である。

【図５】本発明の第４の態樣に係わる固体撮像装置の概
略の構成を示す電気回路図である。

【図６】図５の固体撮像装置の動作を説明するためのタ
イミング図である。

【図７】本発明の第５の態樣に係わる固体撮像装置の概
略の構成を示す電気回路図である。

【図８】本発明の第６の態樣に係わる固体撮像装置の概
略の構成を示す電気回路図である。

【図９】図３、図４、図７および図８の固体撮像装置に
使用される蓄積手段の構成例を示す部分断面図（ａ）、
および等価回路を示す電気回路図（ｂ）である。

【符号の説明】

Ｐ１１，…，Ｐ３３ 分離素子型画素 Ｄ１１，…，Ｄ３３ フォトダイオード ＱＴ１１，…，ＱＴ３３ 転送素子 ＳＰ１１，…，ＳＰ３３ プリセット素子 ＱＡ１１，…，ＱＡ３３ 増幅素子 ＱＲＳＴＶ１，ＱＲＳＴＶ２，ＱＲＳＴＶ３ リセット
用スイッチ素子 ＣＳＶ１，ＣＳＶ２，ＣＳＶ３ 第１の定電流源 Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３ 水平読出し回路 ＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３ サンプルスイッチ素子 ＱＨ１，ＱＨ２，ＱＨ３ 反転増幅素子 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ ソース抵抗 ＳＨ１，ＳＨ２，ＳＨ３ 水平読出しスイッチ素子 ＣＳＨ１，ＣＳＨ２，ＣＳＨ３ 第２の定電流源 ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３ 第１の蓄積容量 ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３ 第２の蓄積容量 ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３ 転送スイッチ ＶＳＲ 垂直走査回路 ＨＳＲ 水平走査回路 ＱＳ１１，…，ＱＳ３３ 単一素子型画素 ２ Ｐ＋型半導体領域 ４ Ｎ−型拡散層 ６ 酸化膜 ８ 導電膜

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号を電気信号に変換しかつ増幅する
   機能を有する光電変換手段と、 入力電圧に対応した出力電流を生成する位相反転型の電
   圧・電流変換手段と、 制御信号に応じて前記電圧・電流変換手段の入出力端子
   間を短絡するスイッチ手段と、 前記光電変換手段の出力と前記電圧・電流変換手段の入
   力との間の回路に挿入された電荷蓄積手段と、 を具備し、前記スイッチ手段によって前記電圧・電流変
   換手段の入出力端子間を短絡して前記光電変換手段の読
   出しを行なうことによって前記電荷蓄積手段を充電した
   後、前記スイッチ手段をオフとして再び前記光電変換手
   段の読出しを行ない、前記電荷蓄積手段を介して読出し
   出力を得ることを特徴とする光電変換装置。
2. 【請求項２】 前記光電変換手段は、光電変換素子と、
   増幅素子と、前記光電変換素子で検出および蓄積された
   電荷を前記増幅素子の制御電極へ転送する転送素子と、
   前記増幅素子の制御電極の電荷をリセットするリセット
   スイッチ素子とを具備し、前記スイッチ手段により前記
   電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡した状態で、
   前記光電変換手段のリセットスイッチ素子によって前記
   制御電極の電荷をリセットした直後の前記増幅素子の出
   力を暗出力成分として読出し前記電荷蓄積手段に固定パ
   ターン雑音成分を充電した後に、前記スイッチ手段をオ
   フとしかつ前記光電変換手段の光電変換素子で検出され
   た電荷を前記転送素子を通じて前記増幅素子の制御電極
   へ転送した後の出力を信号および暗出力成分を含む合成
   信号として読出し、前記電荷蓄積手段を介して前記電圧
   ・電流変換手段に伝達することを特徴とする請求項１に
   記載の光電変換装置。
3. 【請求項３】 前記光電変換手段は静電誘導トランジス
   タ（ＳＩＴ）からなり、前記スイッチ手段により前記電
   圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡して前記光電変
   換手段の信号および暗出力成分の合成信号により前記電
   荷蓄積手段を充電し、次に前記スイッチ手段をオフとし
   かつ前記光電変換手段をリセットした後前記電荷蓄積手
   段を介して暗出力の読出しを行なうことにより信号成分
   のみを前記電圧・電流変換手段に伝達することを特徴と
   する請求項１に記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】 光信号を電気信号に変換しかつ増幅する
   機能を有する光電変換手段と、 入力電圧に対応した出力電流を生成する位相反転型の電
   圧・電流変換手段と、 制御信号に応じて前記電圧・電流変換手段の入出力端子
   間を短絡する第１のスイッチ手段と、 前記光電変換手段の出力と前記電圧・電流変換手段の入
   力との間の回路に挿入された第１の電荷蓄積手段と、 転送制御信号に応じてオンとされ、前記光電変換手段の
   出力を前記第１の電荷蓄積手段に接続する第２のスイッ
   チ手段と、 前記第１の電荷蓄積手段の一方の端子と実質的にグラン
   ドとの間に接続された第２の電荷蓄積手段と、 を具備し、前記第１のスイッチ手段によって前記電圧・
   電流変換手段の入出力端子間を短絡しかつ前記第２のス
   イッチ手段をオンとして前記光電変換手段の読出しを行
   なうことによって前記第１の電荷蓄積手段を充電し、次
   に前記第１のスイッチ手段をオフとし前記第２のスイッ
   チ手段をオンとして前記光電変換手段の読出しを行なう
   ことによって前記第２の電荷蓄積手段を充電し、その後
   前記第２のスイッチ手段をオフとして前記第２の電荷蓄
   積手段の蓄積電荷に対応する信号を読出すことを特徴と
   する光電変換装置。
5. 【請求項５】 前記光電変換手段は、光電変換素子と、
   増幅素子と、前記光電変換素子で検出および蓄積された
   電荷を前記増幅素子の制御電極へ転送する転送素子と、
   前記増幅素子の制御電極の電荷をリセットするリセット
   スイッチ素子とを具備し、前記第１のスイッチ手段によ
   り前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡した状
   態で、前記光電変換手段のリセットスイッチ素子によっ
   て前記制御電極の電荷をリセットした直後の前記増幅素
   子の出力を暗出力成分として読出し前記第１の電荷蓄積
   手段に固定パターン雑音成分を充電した後に、前記第１
   のスイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換手段の光電
   変換素子で検出された電荷を前記転送素子を通じて前記
   増幅素子の制御電極へ転送した後の出力を信号および暗
   出力成分を含む合成信号として読出し、前記第１の電荷
   蓄積手段を介して前記電圧・電流変換手段に伝達するこ
   とを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
6. 【請求項６】 前記光電変換手段は静電誘導トランジス
   タ（ＳＩＴ）からなり、前記第１のスイッチ手段により
   前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡して前記
   光電変換手段の信号および暗出力成分の合成信号により
   前記第１の電荷蓄積手段を充電した後に、前記第１のス
   イッチ手段をオフとしかつ前記光電変換手段をリセット
   した後前記第１の電荷蓄積手段を介して暗出力の読出し
   を行なうことにより信号成分のみを前記電圧・電流変換
   手段に伝達することを特徴とする請求項４に記載の光電
   変換装置。
7. 【請求項７】 前記第１の電荷蓄積手段と前記第２の電
   荷蓄積手段とは互いに積層されて構成されていることを
   特徴とする請求項４から６までのいずれか１項に記載の
   光電変換装置。
8. 【請求項８】 前記第２の電荷蓄積手段は半導体基板上
   に形成されたＰＮ接合の容量であり、前記第１の電荷蓄
   積手段は該ＰＮ接合の一方の半導体領域と、該半導体領
   域の上に絶縁膜を介して形成された電極との間で形成さ
   れる容量であることを特徴とする請求項４から７までの
   いずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 【請求項９】 前記第２の電荷蓄積手段は前記光電変換
   手段から前記電圧・電流変換手段に至る配線の少なくと
   も一部によって形成される寄生容量からなることを特徴
   とする請求項４から６までのいずれか１項に記載の光電
   変換装置。
10. 【請求項１０】 行および列方向に２次元マトリクス状
    に配列され、各々入射光に応じた電荷を蓄積しかつ増幅
    して出力する光電流増幅手段からなる複数の画素と、 前記画素を前記マトリクス配列の各行毎に共通に順次列
    方向に走査して各画素からの電流信号を列毎に取出すた
    めの複数の垂直読出し線と、 前記複数の垂直読出し線からの信号を順次行方向に走査
    して各行毎の時系列的な信号を順次取出すための水平読
    出し線とを備えた固体撮像装置であって、 各々の垂直読出し線に対応して設けられ、入力電圧に対
    応した出力電流を生成する位相反転型の電圧・電流変換
    手段と、 制御信号に応じて前記電圧・電流変換手段の入出力端子
    間を短絡するスイッチ手段と、 各々の垂直読出し線に対応して設けられ、各々の垂直読
    出し線と対応する電圧・電流変換手段との間の回路に挿
    入された電荷蓄積手段と、 各々の垂直読出し線に対応して設けられ、対応する前記
    電圧・電流変換手段の出力電流信号を各垂直読出し線毎
    に順次前記水平読出し線に出力する複数の水平読出しス
    イッチ回路と、 を具備し、各行毎に前記スイッチ手段により前記電圧・
    電流変換手段の入出力端子間を短絡して前記光電変換手
    段の読出しを行なうことによって各列の前記電荷蓄積手
    段を充電した後、前記スイッチ手段をオフとして再び前
    記光電変換手段の読出しを行ない、前記電荷蓄積手段を
    介して読出し出力を得ることを特徴とする固体撮像装
    置。
11. 【請求項１１】 前記光電変換手段は、光電変換素子
    と、増幅素子と、前記光電変換素子で検出および蓄積さ
    れた電荷を前記増幅素子の制御電極へ転送する転送素子
    と、前記増幅素子の制御電極の電荷をリセットするリセ
    ットスイッチ素子とを具備し、前記スイッチ手段により
    前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡した状態
    で、前記光電変換手段のリセットスイッチ素子によって
    前記制御電極の電荷をリセットした直後の前記増幅素子
    の出力を暗出力成分として読出し前記電荷蓄積手段に固
    定パターン雑音成分を充電した後に、前記スイッチ手段
    をオフとしかつ前記光電変換手段の光電変換素子で検出
    された電荷を前記転送素子を通じて前記増幅素子の制御
    電極へ転送した後の出力を信号および暗出力成分を含む
    合成信号として読出し、前記電荷蓄積手段を介して前記
    電圧・電流変換手段に伝達することを特徴とする請求項
    １０に記載の固体撮像装置。
12. 【請求項１２】 前記光電変換手段は静電誘導トランジ
    スタ（ＳＩＴ）からなり、前記スイッチ手段により前記
    電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡して前記光電
    変換手段の信号および暗出力成分の合成信号により前記
    電荷蓄積手段を充電した後に、前記スイッチ手段をオフ
    としかつ前記光電変換手段をリセットした後前記電荷蓄
    積手段を介して暗出力の読出しを行なうことにより信号
    成分のみを前記電圧・電流変換手段に伝達することを特
    徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
13. 【請求項１３】 行および列方向に２次元マトリクス状
    に配列され、各々入射光に応じた電荷を蓄積し増幅して
    出力する光電流増幅手段からなる複数の画素と、 前記画素を前記マトリクス配列の各行毎に共通に順次列
    方向に走査して各画素からの電流信号を列毎に取出すた
    めの複数の垂直読出し線と、 前記複数の垂直読出し線からの信号を順次行方向に走査
    して各行毎の時系列的な信号を順次取出すための水平読
    出し線とを備えた固体撮像装置であって、 各々の垂直読出し線毎に設けられ、入力電圧に対応した
    出力電流を生成する位相反転型の電圧・電流変換手段
    と、 各々の垂直読出し線毎に設けられ、制御信号に応じて前
    記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡する第１の
    スイッチ手段と、 各々の垂直読出し線と該垂直読出し線に対応する電圧・
    電流変換手段の入力との間の回路に挿入された第１の電
    荷蓄積手段と、 各々の垂直読出し線毎に設けられ、転送制御信号に応じ
    てオンとなり、各々の垂直読出し線を前記第１の電荷蓄
    積手段に接続する第２のスイッチ手段と、 各々の垂直読出し線毎に設けられ、前記第１の電荷蓄積
    手段の一方の端子と実質的にグランド間に接続された第
    ２の電荷蓄積手段と、 各々の垂直読出し線に対応して設けられ、前記電圧・電
    流変換手段の出力電流信号を各垂直読出し線毎に順次前
    記水平読出し線に出力する複数の水平読出しスイッチ回
    路と、 を具備し、各行毎に、前記第１のスイッチ手段によって
    前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡しかつ前
    記第２のスイッチ手段をオンとして前記画素の読出しを
    行なうことによって前記第１の電荷蓄積手段を充電した
    後、かつ前記第１のスイッチ手段をオフかつ前記第２の
    スイッチ手段をオンとして画素の読出しを行ない前記第
    ２の電荷蓄積手段を充電し、その後前記第２のスイッチ
    手段をオフとして各垂直読出し線の前記第２の電荷蓄積
    手段に蓄積された電荷を各垂直読出し線毎に順次前記水
    平読出し線に読出すことを特徴とする固体撮像装置。
14. 【請求項１４】 前記光電変換手段は、光電変換素子
    と、増幅素子と、前記光電変換素子で検出および蓄積さ
    れた電荷を前記増幅素子の制御電極へ転送する転送素子
    と、前記増幅素子の制御電極の電荷をリセットするリセ
    ットスイッチ素子とを具備し、前記第１のスイッチ手段
    により前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡し
    た状態で、前記光電変換手段のリセットスイッチ素子に
    よって前記第１の制御電極の電荷をリセットした直後の
    前記増幅素子の出力を暗出力成分として読出し前記電荷
    蓄積手段に固定パターン雑音成分を充電した後に、前記
    第１のスイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換手段の
    光電変換素子で検出された電荷を前記転送素子を通じて
    前記増幅素子の制御電極へ転送した後の出力を信号およ
    び暗出力成分を含む合成信号として読出し、前記第１の
    電荷蓄積手段を介して前記電圧・電流変換手段に伝達す
    ることを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 【請求項１５】 前記光電変換手段は静電誘導トランジ
    スタ（ＳＩＴ）からなり、前記第１のスイッチ手段によ
    り前記電圧・電流変換手段の入出力端子間を短絡して前
    記光電変換手段の信号および暗出力成分の合成信号によ
    り前記第１の電荷蓄積手段を充電した後に、前記第１の
    スイッチ手段をオフとしかつ前記光電変換手段をリセッ
    トした後前記第１の電荷蓄積手段を介して暗出力の読出
    しを行なうことにより信号成分のみを前記電圧・電流変
    換手段に伝達することを特徴とする請求項１３に記載の
    光電変換装置。