JPH0474908B2

JPH0474908B2 -

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Publication number: JPH0474908B2
Application number: JP58018588A
Authority: JP
Priority date: 1983-02-07
Filing date: 1983-02-07
Publication date: 1992-11-27
Also published as: JPS59144278A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、カラー・テレビカメラ用固体撮像素
子に関し、詳しくはＸ，Ｙのスイツチマトリクス
により光電変換素子を順次走査するMOS形の固
体撮像素子に関するものである。

〔従来技術〕

固体撮像素子は、光電変換と蓄積の機能を有す
る２次元配列の画素群と、各画素に蓄積された信
号電荷を時系列で順次取り出す走査機能を有する
回路とを、一体構造として固体化したものであ
る。このうち、走査方式はＸ，Ｙのスイツチマト
リクスによるXYアドレス走査形（MOS形）と、
自己転送機能を有するCCD，BBD等を用いる電
荷転送形とに分けられる。

第１図は、XYアドレス走査形（MOS形）固
体撮像素子の構成図である。

第１図の回路構成は、すでに提案されている特
願昭52−82965号明細書、あるいは
IEEETransED−29No.4PP745−750（1982，Ｍ・
Aoki etal）に詳述されている。

第１図に示すMOS形固体撮像素子では、垂直
シフトレジスタ１１の出力線によりインターレー
ス・スイツチ１７を制御し、奇数フイールドでは
スイツチ１７が端子１８−１に切換え接続される
ため、水平出力線O_y1，O_yの２本が同時に順次送
出される。これによつて、最初の水平走査期間で
は１，１、１，２、１，３、１，４……と２，
１、２，２、２，３、２，４……の２行のMOS
トランジスタがすべてオン状態になるので、第１
行目の１，１、１，２、１，３、１，４……のフ
オト・ダイオード１３Ｒ，１３Ｇで得られた光信
号がそれぞれ垂直信号線１４ｈ，１４ｇに移さ
れ、第２行目の２，１、２，２、２，３、２，４
……のフオト・ダイオード１３Ｇ，１３Ｂで得ら
れた光信号がそれぞれ垂直信号線１４ｆ，１４ｉ
に移される。

一方、水平走査期間に水平シフトレジスタ１２
から出力線O_x1，O_x2，O_x3……に順次送られる出
力パルスは同時に２つの水平スイツチ・トランジ
スタ１５ｆ，１５ｈおよび１５ｇ，１５ｉを順次
オン状態にし、それぞれに接続された垂直信号線
１４ｆ，１４ｉおよび１４ｈ，１４ｇ上の信号
を、信号出力線１６ｆ，１６ｉおよび１６ｇ，１
６ｈから出力する。すなわち、信号出力線１６
ｇ，１６ｈからは、第１行目のフオト・ダイオー
ド１３Ｒ，１３Ｇの信号が得られ、信号出力線１
６ｆ，１６ｉからは、第２行目のフオト・ダイオ
ード１３Ｇ，１３Ｂの信号が同時に得られる。

また、偶数フイールドでは、スイツチ１７が端
子１８−２に切換え接続されるため、O_y，O_y2の
２本が同時に順次送出される。これにより、垂直
シフトレジスタ１１から加えられたパルスで水平
出力線O_y，O_y2の２本が同時に送出される。これ
により、最初の水平走査期間には、第２行目２，
１、２，２、２，３、２，４……のフオト・ダイ
オード１３Ｇ，１３Ｂの光信号がそれぞれ垂直信
号線１４ｆ，１４ｉに移され、また第３行目３，
１、３，２、３，３、３，４……のフオト・ダイ
オード１３Ｒ，１３Ｇの光信号がそれぞれ垂直信
号線１４ｈ，１４ｇに移される。この結果、水平
走査期間に信号出力線１６ｆ，１６ｉからは第２
行目のフオト・ダイオード１３Ｇ，１３Ｂの光信
号が得られ、信号出力線１６ｇ，１６ｈからは第
３行目のフオト・ダイオード１３Ｒ，１３Ｇの光
信号が得られる。

このようにして、信号出力線１６ｆ〜１６ｉか
ら得られる信号を加算した信号は、空間的な位置
の重みがフイールドごとにフオト・ダイオードの
１行分だけ上下に移動するので、インターレース
動作が実現される。そして、このインターレース
動作によれば、すべての行のフオト・ダイオード
で得られる光信号が、各フイールドごとに信号出
力端子から出力されるので、被写体が動いたと
き、フオト・ダイオードに残る残像の長さは１フ
イールド期間（1/60秒）に動いた距離に対応した
量となり、視覚上目ざわりな残像を防止できる。
さらに、光ダイオードに配置されたマトリクス色
フイルタとの組み合わせによつて、カラー信号再
生に適した全く独立した２種の色信号を常時同時
に引き出すことができるため、単板カラー撮像素
子としてきわめて利点が大きい。

しかし、従来の固体撮像素子では、画面の一部
に強い光が入射した場合、再生画面上で光点の上
下に明るい線を生ずるブルーミングおよびスメア
という偽信号が生ずる。

第２図は、第１図における基本画素の断面構造
図である。第２図により、ブルーミングとスメア
の現象を説明する。１はフオト・ダイオードの
n⁺拡散層、２はＰ形Si基板、３はn⁺拡散層、４
は垂直信号線、５はゲート、６，７は光電子、８
は入射光である。

フオト・ダイオードを形成するn⁺拡散層１は、
入射光８によつて生成された光電子６を集める
が、入射光８が強すぎる場合には当然光電子６が
溢れる。この溢れた光電子６は、近接した垂直信
号線４につながるn⁺拡散層３すなわちドレイン
に流入し、垂直信号線４を共有する他の画素、つ
まり垂直に並んだ画素の信号に混入して偽信号を
発生する。これがブルーミング（Blooming）現
象である。これに対し、スメア（Smear）は、Si
基板２の内部で光電子７が熱拡散し、n⁺拡散層
３に流入、あるいは散乱光によりn⁺拡散層３が
感光することによつて、ゲート５の選択の有無に
よらず、垂直信号線４に光偽信号を生成するもの
である。

ドレインで発生した光電子は、MOSトランジ
スタのオン・オフにかかわらず垂直信号線４に移
されるが、垂直信号線には上下に並んだ数100の
MOSトランジスタのすべてのドレインが接続さ
れているので、各MOSトランジスタ上に投影さ
れたこの種光情報は垂直信号線４に混合加算され
て蓄積される。つまり、各垂直信号線４には、投
影された被写体像の垂直方向の積分光量に対応し
た信号電流が蓄積されることになる。この信号
は、画面上に各水平走査期ごとに通常の信号に重
畳して出てくるので、一部に明るい部分の存在す
る被写体像を撮像した場合、再生画面上では、上
下方向に尾引き状の偽信号が発生する。これは、
固体撮像素子に特有の垂直スメアと呼ばれる。

これらの現象を抑止するため、第３図に示すよ
うな画素構造が提案されている（特公昭57−
30350号公報および前記引用文献参照）。

第３図では、画素構造を、n⁺拡散層１と薄い
Ｐ形ウエル２２と、ｎ形Si基板２４の３層構造と
し、寄生バイポーラ・トランジスタ２５により余
剰光電子をｎ形基板２４に吸い出してブルーミン
グをほぼ完全に抑止し、スメア電荷も拡散成分は
Ｐ形ウエル２２とｎ形基板２４の間の障壁のため
大幅に低下する。なおp⁺領域２３は、信号容量
を増加するための補助手段である。

しかしながら、入射光量には際限がなく、実用
的にはさらに１桁以上のスメア抑圧が必要であ
り、前記引用文献（M.Aoki etal）の素子におい
ても、実用化に際しては、外部補助回路によりさ
らに１桁のスメア抑圧が行われている。

また、従来の固体撮像素子は、感度つまり信号
対雑音比の面で問題がある。

先ず、信号の方は、第１図に示すように画素配
列１列当り２本の垂直信号線を配置しているが、
垂直信号線１４は最も高速な信号を扱うため、ア
ルミニウム（Al）等の金属を用いることが不可
欠であり、この信号線を２本設けることが画素の
光入射用開口を制限し、光感度を損つている。

また、雑音の方は、やはり前記引用文献（M.
Aoki etal）に詳述されているように、大きく分
ければ、水平走査において大きな寄生容量（第１
図の１９）を有する垂直信号線１４をサンプリン
グすることにより発生する内部雑音I² _N1、および
水平信号線１６の寄生容量、パツケージのピン容
量を含めた容量Coとプリアンプ入力容量Ciの和
とプリアンプ入力部の等価抵抗Reで定まるプリ
アンプ雑音I² _N2がある。

ちなみに、上記各雑音I² _N1，I² _N2は次式で表わさ
れる。

I² _N1＝2kTC_vf_sＢ ……(1) I² _N2＝ 16／３π²（Co＋Ci）²kTR_eB³ ……(2) ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、
fsは水平走査周波数、Ｂは信号帯域である。これ
らが固体撮像素子の感度を制限しているわけであ
るが、内部雑音I² _N1は素子固有の成分であつて、
どのように優れたプリアンプを用いても改良され
ず、また雑音の周波数スペクトラムが平坦であ
り、低周波の成分は同じ雑音エネルギでも再生画
像で目立ち易い性質があるため、感度を制限する
支配的要素となつている。

第４図は、従来の改良形固体撮像素子の回路構
成図である。

例えば、テレビジヨン学会誌Vol.26、No.1PP33
〜46（1972安藤他）等の文献に、第４図の構成に
ついて報告されている。これは、画素に、垂直、
水平の２つのMOSトランジスタ・スイツチ３１，
３２を配設したもので、信号は垂直走査線３３で
選択された水平信号線３６、垂直走査線３４を介
して引き出される。第４図から明らかなように、
この素子では、映像期間内に大きな寄生容量を有
する信号線のサンプリングは行われないため、上
記の内部雑音I^2/N1は発生しない。また、ブルーミ
ングおよびスメアについては、偽信号が水平信号
線３６に流入した場合に限られるわけであるが、
連続した画素の読み取りの度に偽信号がクリアさ
れる形になり、その時間が最も短い水平走査１画
素分の読み取り時間に限られるため、例えば標準
の垂直500画素、水平400画素の素子の場合、単純
には第１図に示す素子に比べて1/400程度に低下
する。

しかし、第４図の素子においては、光ダイオー
ド１３に接続されたMOSトランジスタ３１は、
その画素が選択されていない間いたずらにスイツ
チ動作を続けるわけであるが、この場合、MOS
トランジスタ共通の現象として、フオト・ダイオ
ード１３から電子を引き出し基板に叩き込むチヤ
ージ・ポンプ現象が生ずる。この量が各画素ごと
にばらつくために、画素ごとに固有の固定雑音を
生じ、画面上では場所によつて固定した大きなば
らつきとなり、一様性が悪くなるため、結局は感
度が高くならない。

さらに、水平信号線３６は、非選択期間、つま
り（１フイールド期間）マイナス（１水平走査期
間）の長い間、ブルーミング電荷およびスメア電
荷を１水平ライン分だけ貯え続けるわけである
が、この量は第１図の素子に比べて250倍にも及
び、これが各水平走査の第１画素読み出し時に読
み出されることになるため、光量が大きくなると
短時間では読み出しきれず、画面が不安定になつ
てしまう。

さらに垂直MOSトランジスタ・スイツチ３２
は水平信号線３６に接続されているが、MOSト
ランジスタはオン状態においてゲートとドレイン
の結合容量が非常に大きく、この接続では信号読
み出し時に１行のMOSトランジスタが全てこの
状態になり、垂直走査線３３と水平信号線３６の
間に大きな寄生容量を生じ、この結果プリアンプ
雑音が大きくなり、感度低下をきたす。

さらに、第４図のままの構成では、複数の色信
号を常時読み出すことができないので、カラー素
子に適さず、またインターレース方式にも合わせ
ることができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の問題を改善
するため、感度を高めるとともに、ブルーミン
グ、スメアを大幅に低下させることができる固体
撮像素子を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の固体撮像素子は、光電変換素子および
スイツチ素子からなる画素のアレーと、これら画
素のアレーを順次選択走査する水平および垂直走
査回路を有する固体撮像素子において、上記画素
内では、上記光電変換素子と、垂直走査回路で駆
動されるスイツチ素子と、水平信号出力線に接続
され、かつ水平走査回路で駆動されるスイツチ素
子とが、この接続順序で直列に接続され、さらに
上記水平信号出力線が上記垂直走査回路によつて
駆動されるスイツチ素子を介して垂直信号線に接
続されることに特徴がある。

〔発明の実施例〕

第５図は、本発明の実施例を示す固体撮像素子
の回路構成図である。

第５図に示す本発明の構成は、第４図、第１図
の従来の構成に比較して、次の点で異なつてお
り、それによる利点も下記のとおりである。

先ず（）画素に２個のMOSトランジスタ・
スイツチ３１，３２を直列接続するが、その接続
順序を第４図の場合と逆にして、フオト・トラン
ジスタ１３からMOSトランジスタ３２，３１の
順序で接続し、水平信号線３６に光信号を送出し
ている。これにより、水平走査においてチヤー
ジ・ポンプ現象がフオト・ダイオード１３に影響
を及ぼさないようにしている。（）リセツト・
ライン４７を設けて、スメア信号、チヤージ・ポ
ンプ電流を排除し、かつフイールドごとに全画素
の信号を読み出すようにして、残像をなくしてい
る。（）スイツチ１７を設けてインターレース
方式を可能にしている。（）複数本の信号出力
線４９，５０を設け、単板カラー撮像に適した水
平２行の同時走査を可能にしている。

これらの動作について、さらに詳しく説明す
る。

すなわち、画素においては、フオト・ダイオー
ド１３に垂直MOSトランジスタ・スイツチ３２
を接続し、このトランジスタ３２と水平信号線３
６の間に水平MOSトランジスタ・スイツチ３１
を接続する。これによつて、非選択時のチヤージ
ポンプは水平信号線３６に対して生ずるのみであ
り、フオト・ダイオード１３の信号に影響を及ぼ
さない。周知のように、水平走査の周期、つまり
水平シフト・レジスタ１２からの出力の周期は非
常に短時間であり、高速走査が行われるのに対し
て、垂直走査の周期、つまり垂直シフト・レジス
タ１１からの出力の周期は非常に長く、画面１枚
に１回、すなわち光信号の読み取り時に１回出力
されるのみである。したがつて、第５図では、フ
オト・ダイオード１３から電荷を引き出して基板
に叩き込むチヤージ・ポンプ現象が垂直走査時に
だけ（１フイールドに１回のみ）起るため、水平
走査時ごとに起る第４図の場合より固定雑音が著
しく少なくなり、画面上での一様性は良好となつ
て、感度が高くなる。

次に、走査については、第１図の素子の場合と
同じく、インターレース・スイツチ１７により２
行同時に行う。すなわち、インターレース・スイ
ツチ１７が上方に切換え接続されると、垂直シフ
トレジスタ１１の出力により、最初の水平走査期
間には２行の垂直MOSトランジスタ３２がすべ
てオン状態になり、さらに短かい周期で水平走査
期間に移つて、水平シフト・レジスタ１２からの
出力により２行の水平MOSトランジスタ３１が
次々にオン状態となる。これにより、フオト・ダ
イオード１３Ｒ，１３Ｇの光信号が水平信号線３
６に移され、垂直シフト・レジスタ１１の出力に
よつて垂直スイツチMOSトランジスタ３７がオ
ン状態となるので、２行分の水平信号線３６に送
出された光信号は、それぞれ別個の垂直信号線４
１，４２に移される。これによつて、水平２行の
光信号を独立した信号出力線４９，５０に同時に
出力することができる。

インターレース方式が実現できるので、各フイ
ールドごとに全画素の信号を読み出すことがで
き、視覚上目ざわりな等価残像は生じない。ま
た、カラー現像では、複数の色信号を同時に出力
しなければならないが、第５図では、垂直信号線
を複数本設けているため、カラー化が可能であ
り、特に単板カラー化に適したものとなる。な
お、モノクロ素子として用いる場合には、垂直信
号線４１，４２を１本にまとめてもよい。

次に、リセツト用MOSトランジスタ４８には、
各水平走査のブランキング期間ごとにリセツト・
ライン４７を介して正のパルスが印加され、全水
平信号線３６をビデオ電源４０の電圧にリセツト
する。この手段により、水平信号線３６の受け取
るブルーミング電荷、スメア電荷、およびチヤー
ジ・ポンプ電荷は、水平走査期間ごとに排出さ
れ、全く問題とならなくなる。すなわち、水平信
号線３６には大きな寄生容量が存在し、ここにブ
ルーミング電荷およびスメア電荷が１水平走査期
間の長い間蓄積されるが、リセツト用MOSトラ
ンジスタ４８によりこれらをすべて放電させるの
で、スメアは第４図の場合の1/400に低下する。
また、このリセツト用MOSトランジスタ４８は、
水平信号線３６に接続しているために、放電過程
で発生するサンプリング雑音は垂直スイツチ
MOSトランジスタ３７の起動により、信号読み
出し前に一掃されてしまい、信号に混入すること
はない。これは、例えば第１図に示す従来例にお
いて、垂直信号線１４を上記と同じように放電す
るような場合と比べ、ランダム雑音（サンプリン
グ雑音）の発生量を著しく低減できることを意味
し、低雑音化にも極めて効果が大きい。なお、水
平走査線３６はアルミニウム（AL）等の金属を
用い、垂直走査線３３は多結晶シリコン（Si）等
のゲート配線材料を用いるが、殆んどの部分を重
畳して形成することができる。この結果として、
フオト・ダイオード１３の開口を増加させること
ができ、しかも前述のように内部雑音がなくなる
ので、感度が大幅に向上する。

なお、第５図における画素構造に対して、フオ
ト・ダイオードをフオト・トランジスタに変更し
たり、あるいは第３図に示す改良された画素構造
を適用することができ、これによつてさらに高性
能の素子を実現することができる。また、水平走
査線３６の各水平ブランキング期間におけるリセ
ツト方法、出力方法等は、最も簡単な方法を実施
例で説明したが、リセツト動作および複数信号の
独立な出力動作という基本概念が同一であれば、
これに限定されることなく、他の方法も適用可能
である。さらに、実施例では、ｎチヤネル素子で
説明したが、ｐチヤネル素子に対しても極性を逆
に接続することにより、全く同じように適用する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光電変
換素子と水平信号線の間に、垂直走査回路により
駆動されるスイツチ素子、および水平走査回路に
より駆動されるスイツチ素子の直列接続を、光電
変換素子よりこの接続順序で挿入したので、ブル
ーミングやスメア等の光偽信号が発生することな
く、かつ高感度の固体撮像素子を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のMOS形固体撮像素子の構成図、
第２図は第１図における基本画素の断面構造図、
第３図は従来の改良形基本画素の断面構造図、第
４図は従来の改良形固体撮像素子の回路構成図、
第５図は本発明の実施例を示す固体撮像素子の回
路構成図である。１，３……n⁺拡散層、２……Ｐ形Si基板、４…
…垂直信号線、５……ゲート、１１……垂直走査
回路（シフト・レジスタ）、１２……水平走査回
路（シフト・レジスタ）、１３……フオト・ダイ
オード、１７……インターレース・スイツチ、３
３……垂直走査線、３６……水平信号線、３４，
４１，４２……垂直信号線、３１……水平MOS
トランジスタ・スイツチ、３２……垂直MOSト
ランジスタ・スイツチ、３７……垂直スイツチ
MOSトランジスタ、４８……リセツト・トラン
ジスタ、３８，４５，４６……プリアンプ。

Claims

【特許請求の範囲】１光電変換素子およびスイツチ素子からなる画
素のアレーと、該画素のアレーを順次選択走査す
る水平および垂直走査回路を有する固体撮像素子
において、上記画素内では、上記光電変換素子
と、垂直走査回路で駆動されるスイツチ素子と、
水平信号出力線に接続され、かつ水平走査回路で
駆動されるスイツチ素子とが、この接続順序で直
列に接続され、さらに上記水平信号出力線は上記
垂直走査回路で駆動される別のスイツチ素子を介
して垂直信号出力線に接続されることを特徴とす
る固体撮像素子。２前記水平信号出力線に対し、水平走査のブラ
ンキング期間ごとに所定の電圧にリセツトする機
構を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の固体撮像素子。３前記水平信号出力線は、フイールドごとに組
合わせの変わる水平２行が同時に選択走査され、
光信号が送出されることを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の固体撮像素子。４前記水平信号出力線は、それぞれ独立した垂
直信号出力線に接続されることを特徴とする特許
請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の固
体撮像素子。