(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、受光手段と、この受光手段に接続されて該受光手段で検出された信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段に接続されてそのセルを選択する選択手段と、上記受光手段に接続されて該受光手段をリセットするリセット手段とを有する単位セルを行列２次元状に配列して成る固体撮像装置に於いて、
上記単位セルは、上記受光手段と上記増幅手段に接続されるもので、上記受光手段で受けた光量に応じた信号を保存する記憶手段を少なくとも２つ有し、
上記半導体基板は第１導電型で構成されるもので、上記少なくとも２つの記憶手段に記憶された信号の差を検出する差分検出手段を有し、
上記受光手段は上記第１の導電型と反対の第２導電型の第１の拡散層領域で構成され、
上記少なくとも２つの記憶手段は第２導電型の第２の拡散層領域で構成され、
上記記憶手段の第１の拡散層領域は上記受光手段の第１の拡散領域の中心に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
上記受光手段はフォトダイオードで構成され、上記増幅手段は増幅トランジスタで構成され、上記リセット手段はリセットトランジスタで構成され、上記少なくとも２つの記憶手段はコンデンサで構成されるもので、
上記フォトダイオードは上記増幅トランジスタのゲートに接続され、上記少なくとも２つのコンデンサはそれぞれの一方の電極が上記増幅トランジスタに接続され、他方の電極が接地されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
上記受光手段はフォトダイオードで構成され、上記増幅手段は増幅トランジスタで構成され、上記リセット手段はリセットトランジスタで構成され、上記少なくとも２つの記憶手段はコンデンサで構成されるもので、
上記フォトダイオードは上記増幅トランジスタのゲートに接続され、上記少なくとも２つのコンデンサはそれぞれの一方の電極が上記増幅トランジスタに接続され、他方の電極がパルス入力手段に接続されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
上記少なくとも２つのコンデンサは容量が上記フォトダイオードの容量よりも小さいことを特徴とする請求項２若しくは３の何れかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は増幅型固体撮像装置に関し、より詳細にはＳ／Ｎ比を改善して感度調整の容易な増幅型固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されているＭＯＳ型イメージセンサは、例えば、本件出願人による先の出願である特願平８−２７５９４９号に記載されているような構成のものが知られている。
【０００３】
図１９は、上記特願平８−２７５９４９号に記載のイメージセンサの主要部分の回路構成を示した図である。
図１９に於いて、このイメージセンサは、フォトダイオード１が転送トランジスタ２を介してリセットトランジスタ３及び増幅トランジスタ７に接続されている。転送トランジスタ２と増幅トランジスタ７の間には、転送トランジスタ５ａとサンプルホールドコンデンサ６ａによる回路、及び転送トランジスタ５ｂとサンプルホールドコンデンサ６ｂの回路が、それぞれ並列に接続されている。
【０００４】
上記増幅トランジスタ７のドレインは、ゲートが水平アドレス線１０に接続されたアドレストランジスタ８のドレインと接続され、ソースが垂直信号線１１に接続される。増幅トランジスタ７は、垂直信号湶１１、図示されない差分回路を介して水平選択トランジスタに接続される。
【０００５】
このような構成に於いて、増幅トランジスタ７のゲートがリセットされた時の重直信号線１１の電位と、信号分がかかっている時の垂直信号線１１の電位との差分を取ることによって、増幅トランジスタの閾値のばらつきを解消することができる。
【０００６】
この図１９の構成のイメージセンサでは、フォトダイオード１から得られる信号電荷を直接取出すようにはなっていない。しかしながら、フォトダイオード１からの信号電荷を保存する容量、すなわちサンプルホールドコンデンサ５ａ、５ｂを設けることで、フォトダイオード１から得られる信号電荷の同時性が得られるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した図１９のイメージセンサに於いては、被写体に対する外光の判別に、図示されない発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用されている。すなわち、太陽光、室内光等のＬＥＤによる発光以外の背景光のみの信号と、該背景光とＬＥＤによる発光が組合わされた光の信号とが、フォトダイオード１で光電変換されてサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂに取り込まれる。そして、これらサンプルホールドサコンデンサ６ａ、６ｂに取り込まれた信号電荷に対して、差分が取られる。ところが、こうしたＬＥＤが使用されることによって、イメージセンサの漏れ込みが起きやすいことが問題となっている。
【０００８】
外光については、その差分を取ることによってかなり打ち消し合うことができるが、漏れ込む電荷については周辺の光の分布に依存し、面内で一様となってはいない。そのため、信号電荷を保存するサンプルホールドコンデンサに結合しているトランジスタの拡散層領域の配置によって、漏れ込む量が、例えばＬＥＤが発光された１回目の蓄積時とＬＥＤが発光されない２回目の蓄積時とで、それぞれ異なってしまう不具合が生じる。加えて、上記漏れ込む量のばらつきがあるためにＳ／Ｎ比が悪いものとなっていた。
【０００９】
また、上述した特開平８−２７５９４９号に於いては、外光のばらつき等を抑えるために発光時間及び間隔を短くしているので、コストの面からＬＥＤの数を増やせない場合には発光量が少なくなってしまう。そのため、ＬＥＤの発光時間を例えば２倍にすることが考えられるが、合計の発光量はＬＥＤの特性として２倍にならないにもかかわらず、暗電流や漏れ込む量は２倍になることがある。したがって、信号量は多くなるものの、Ｓ／Ｎ比は改善しないことになる。
【００１０】
一方、ＬＥＤの数を多くすると発光されるフォトンの数は多くなる。しかしながら、ＬＥＤの数を多くすると装置を小さくできないばかりか、一度に多量の電流が必要となるため、電源も大きなものが必要となってしまう。そのため、ＬＥＤの数を増やしたり発光時間を長くしたりすることなく、センサの感度を上げることのできる方法が求められている。
【００１１】
更に、上述した特願平８−２７５９４９号の実施の形態に記載された方法では、感度調整をする時に暗電流や強い外光信号分でフォトダイオードが飽和してしまう。フォトダイオードが飽和しない範囲で使用するためには、これらの動作を何サイクルも繰り返さなければならない。しかしながら、コンデンサの特性上、信号蓄積動作回数が著しく制限されてしまうという課題を有している。
【００１２】
したがってこの発明は、ＬＥＤの発光時と非発光時に漏れ込む電荷量のばらつきを抑えると共に、ＬＥＤの個数を増やさずに信号電荷量を増やすことができ、且つ感度調整を行うことが容易な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわちこの発明は、半導体基板上に、受光手段と、この受光手段に接続されて該受光手段で検出された信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段に接続されてそのセルを選択する選択手段と、上記受光手段に接続されて該受光手段をリセットするリセット手段とを有する単位セルを行列２次元状に配列して成る固体撮像装置に於いて、上記単位セルは、上記受光手段と上記増幅手段に接続されるもので、上記受光手段で受けた光量に応じた信号を保存する記憶手段を少なくとも２つ有し、上記半導体基板は第１導電型で構成されるもので、上記少なくとも２つの記憶手段に記憶された信号の差を検出する差分検出手段を有し、上記受光手段は上記第１の導電型と反対の第２導電型の第１の拡散層領域で構成され、上記少なくとも２つの記憶手段は第２導電型の第２の拡散層領域で構成され、上記記憶手段の第１の拡散層領域は上記受光手段の第１の拡散領域の中心に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２（ａ）は、この発明の固体撮像装置の第１の実施の形態の構成を示すもので、図１は単位セルを概略的に示した構成図、図２（ａ）は断面構造を示した図である。尚、図には示されないが、この固体撮像装置は単位セルが行列２次元状に配列されてなるものとする。
【００２０】
ｐ型のシリコン基板２０の一方の主面側にはｐウェル領域２１が形成される。そして、このｐウェル領域２１の表面には、島状に複数のｎ+ 層２２ａ〜２２ｊが形成される。また、シリコン基板２０の表面でｐウェル領域２１の形成されない部分でｎ+ 層２２ｊの近傍には、フォトダイオード２４のｎ拡散層２３が形成される。
【００２１】
上記フォトダイオード２４は、転送トランジスタ２５のソースに接続されている。そして、この転送トランジスタ（Ｔｒ）２５のドレインは、後述するサンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂに電荷を転送するためのサンプルホールドトランジスタ２６ａ、２６ｂのドレインと、リセットトランジスタ２７のドレインと、増幅トランジスタ２８のゲートに接続されている。この増幅トランジスタ２８のドレインには、アドレストランジスタ２９のドレインが接続されている。
【００２２】
上記増幅トランジスタ２８のソースには垂直信号線３０が、そしてリセットトランジスタ２７のソース及びアドレストランジスタ２９のソースには、配線３１が接続されている。尚、上記増幅トランジスタ２８とアドレストランジスタ２９の接続配置は、逆であっても良い。
【００２３】
上記サンプルホールドトランジスタ２６ａ、２６ｂのソースには、プレートの面積が等しいサンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂが接続されている。これらサンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂは、フォトダイオード２４の拡散層領域であるｎ拡散層２３の中心に対して対称な位置に配置される。望ましくは、サンプルホールドトランジスタ２６ａ、２６ｂの拡散層領域であるｎ+ 層２２ｄ、２２ｆも、フォトダイオード２４のｎ拡散層２３の中心に対して対称な位置に配置される。また、上記サンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂは、信号線３３（３３ａ、３３ｂ）に接続されている。
【００２４】
また、上記サンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂの容量値は、フォトダイオード２４の容量値よりも小さいものとする。
次に、このように構成された固体撮像装置の動作について、図２（ｂ）及び図３を参照してを説明する。
【００２５】
図２（ｂ）は、第１の実施の形態を説明するためのポテンシャル図であり、図３はセルの駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。
先ず、転送トランジスタ２５、リセットトランジスタ２７及びサンプルホールドトランジスタ２６ａがオンされ、配線３１の電位が低くされるとフォトダイオード２４やサンプルホールドコンデンサ３２ａに電荷が注入される。そして、配線３１の電位が元の高電位に戻されると、サンプルホールドコンデンサ３２ａに蓄積された電荷が排出される。
【００２６】
一方、フォトダイオード２４は転送トランジスタ２５のゲートポテンシャルに等しくなり、サンプルホールドコンデンサ３２ａはリセットポテンシャルに等しくなる。その後、光電変換されて、その信号がサンプルホールドコンデンサ３２ａに転送される。
【００２７】
次に、転送トランジスタ２５、リセットトランジスタ２７及びサンプルホールドトランジスタ２６ｂがオンされ、配線３１の電位が低くされるとフォトダイオード２４やサンプルホールドコンデンサ３２ｂに電荷が注入される。そして、配線３１の電位が元の高電位に戻されると、サンプルホールドコンデンサ３２ｂに蓄積された電荷が排出される。
【００２８】
一方、フォトダイオード２４は転送トランジスタ２５のゲートポテンシャルに等しくなり、サンプルホールドコンデンサ３２ｂはリセットポテンシャルに等しくなる。その後、光電変換されて、その信号がサンプルホールドコンデンサ３２ｂに転送される。
【００２９】
こうして、サンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂに信号電荷が転送されると、これらサンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂに蓄積された電荷が読出され、ソースフォロア回路によって垂直信号線３０に出力される動作が２回行われ、図示されない周知の差分回路でその差分が取られる。
【００３０】
尚、以上の動作は、ここではサンプルホールドコンデンサ３２ａ側を先に行ったが、サンプルホールドコンデンサ３２ｂ側を先に行っても良いのは勿論である。
【００３１】
ここで、リセットトランジスタ２７の閾値をＶth（ＲＥＳＥＴ）とし、転送トランジスタ２５の閾値Ｖth（ＴＲＡＮ）とし、サンプルホールドトランジスタ２６ａ（２６ｂ）の閾値をＶth（ＳＡＭＰ）とすると、
Ｖth（ＴＲＡＮ）＞Ｖth（ＲＥＳＥＴ）＞Ｖth（ＳＡＭＰ）  …（１）
となるように、各トランジスタの閾値を設定することによって、図２（ｂ）に示されるようなポテンシャルに設定することができる。また、フォトダイオード２４のポテンシャルをほとんど全てサンプルホールドコンデンサ３２ａ、３２ｂに転送し、更に該コンデンサ３２ａ、３２ｂに蓄積された信号電荷のほとんど全てを増幅トランジスタ２８のゲートに転送することができるようになる。
【００３２】
この時、上記（１）式の関係が満たされると、図示されないシフトレジスタの出力するゲート電圧が同じでも、図２（ｂ）に示されるようなポテンシャルに設定することができ、単一電源化が可能となる。
【００３３】
従来の固体撮像装置では、トランジスタをオンした時ソースとドレインの電位が等しくなった場合に電荷の転送が終了する。ソース領域側とドレイン領域側にあるコンデンサをＣS 、ＣD とするとＶ＝Ｑ／（ＣS ＋ＣD ）の信号変化となるが、全ての信号を転送できる。しかし、この第１の実施の形態によれば、上記信号変化は、Ｖ＝Ｑ／ＣD で全ての信号を転送できる。
【００３４】
一般に、単位セルのある画素への入射光が強い場合、その画素から漏れ出た信号電荷は拡散層領域を通じて各サンプルホールドコンデンサに入る。このように画素が強い入射光を受けると、従来のサンプルホールドコンデンサを２つ有した固体撮像装置の場合、２つのサンプルホールドコンデンサへの電荷転送用トランジスタのうち、その画素、すなわち入射光が強い画素に近い位置に存在する拡散層は、遠い方に位置する拡散層より多くの電荷が漏れ込むため、２回の光信号の差をとっても真の値とは異なる。
【００３５】
また、入射光の波長が長い場合のように、基板深くで光電変換されるときにも、信号電荷の漏れ込みがある。
しかしながら、本実施の形態のように２つのサンプルホールドトランジスタをフォトダイオードに対して対称な位置に配置すると、２つのサンプルホールドコンデンサに漏れ込む電荷の量が等しくなる。そのため、２つのサンプルホールドコンデンサの差を取ると真の信号分だけが残り、漏れ込む量のばらつきを抑圧することができる。
【００３６】
このことは、図１のみならず後述する図４、図８、図９に示される実施の形態にも適用される。
次に、図４乃至図７を参照して、この発明の第２の実施の形態を説明する。尚、以下に述べる実施の形態に於いて、上述した第１の実施の形態と同じ部分には同一の参照番号を付して説明は省略する。
【００３７】
図４は、この発明の固体撮像装置の第２の実施の形態を示す回路構成図である。
図４に於いて、この固体撮像装置は、フォトダイオード２４が転送トランジスタ２５を介してリセットトランジスタ２７及び増幅トランジスタ２８に接続されている。転送トランジスタ２５と増幅トランジスタ２８の間には、サンプルホールドトランジスタ２６ａとサンプルホールドコンデンサ３２ａによる回路、及びサンプルホールドトランジスタ２６ｂとサンプルホールドコンデンサ３２ｂの回路が、それぞれ並列に接続されている。
【００３８】
上記増幅トランジスタ２８は、そのドレインがアドレストランジスタ２９のゲートと接続しながら、垂直信号線３０、水平選択トランジスタ３５を介して水平シフトレジスタ（Ｈ系シフトレジスタ）３６に接続される。また、リセットトランジスタ２７はリセット線３７を介して、サンプルホールドトランジスタ２６ａ、２６ｂは該サンプルホールドトランジスタ２６ａ、２６ｂを制御するためのサンプルホールドトランジスタ制御線３８ａ、３８ｂを介して、更にアドレストランジスタ２９は水平アドレス線３９を介して、それぞれ垂直シフトレジスタ（Ｖ系選択回路）４０に接続されている。
【００３９】
この第２の実施の形態の固体撮像装置は、基本的な回路は図１６の従来の固体撮像装置と同じでその断面構造は上述した第１の実施の形態の図２の構造と同じあるが、２つのサンプルホールドコンデンサ２６ａ、２６ｂが接地されずにパルス発生回路４１に接続されている点が異なっている。
【００４０】
次に、第２の実施の形態の動作を説明する。
この固体撮像装置の基本動作は、図１６に示された従来の固体撮像装置と同じである。図５は図４の構成の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートの一例であり、図６はポテンシャル概念図である。
【００４１】
先ず、配線３１が高電位にされた状態でリセットトランジスタ２７とサンプルホールドトランジスタ２６ａがオンされて、図６（ｂ）に示されるようなポテンシャルになるようにリセットされる。次に、リセットトランジスタ２７がオフされてから、転送トランジスタ２５がオンされて信号がサンプルホールドコンデンサ３２ａに転送される。
【００４２】
次いで、配線３１が図６（ｂ）に示される時より低い電位に戻しておく。その後、図６（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、増幅トランジスタ２８がリセットされてから、サンプルホールドトランジスタ２６ａのゲートにリセット時にかけた電位より低い電位がかけられて、信号電荷が増幅トランジスタ２８のゲートに転送される。
【００４３】
この時、従来の固体撮像装置では、図７（ａ）及び（ｂ）のポテンシャル図に示されるように、サンプルホールドコンデンサから増幅トランジスタへ信号電荷が転送されていた。これに対し、第２の実施の形態では、図７（ｃ）及び（ｄ）のポテンシャル図に示されるように、信号電荷が転送される。
【００４４】
図７（ａ）及び（ｂ）に示される状態のとき、増幅トランジスタのゲートの電圧変化は、ＱPD／（Ｃsamp＋ＣO ）となる。これに対し、図７（ｃ）及び（ｄ）に示される第２の実施の形態による方法では、増幅トランジスタのゲート電圧変化は、ＱPD／ＣO となり、感度が良くなってＳ／Ｎ比が改善される。
【００４５】
図８は、この発明の第３の実施の形態の構成を示す回路図である。
この第３の実施の形態は、上述した第１の実施の形態に於けるサンプルホールドコンデンサを複数個に分割して、それぞれにサンプルホールド回路を設けている。したがって、その動作も第１の実施の形態に準ずるので説明は省略する。
【００４６】
尚、図８では２分割したものを示しているが、３分割以上の場合についても同じである。このとき、増幅トランジスタ２８の電位の変化は、ＱPD／（Ｎ×Ｃsamp＋ＣO ）となる。ここで、Ｎは分割個数である。
【００４７】
このように構成することによって、感度の調節が可能となる。
図９は、この発明の第４の実施の形態の構成を示す回路図である。
図９に於いて、サンプルホールドコンデンサ３２ａは、転送トランジスタ４２ａ及び４３ａのソースに接続されており、同様にサンプルホールドコンデンサ３２ｂは転送トランジスタ４２ｂ及び４３ｂのソースに接続されている。そして、転送トランジスタ４２ａ、４２ｂのドレインにフォトダイオード２４が接続されている。一方、転送トランジスタ４３ａ、４３ｂのドレインにはリセットトランジスタ２７のドレイン及び増幅トランジスタ２８のゲートが接続されている。
【００４８】
上記転送トランジスタ４２ａ、４２ｂ及び４３ａ、４３ｂは、それぞれ転送トランジスタ制御線４５ａ、４５ｂ及び４６ａ、４６ｂを介して垂直シフトレジスタ４０に接続されている。また、増幅トランジスタ２８のソースに接続された垂直信号線３０は、差分回路４７、水平選択トランジスタ３５を介して水平シフトレジスタ３６に接続される。
【００４９】
このような構成の固体撮像装置に於いて、リセットトランジスタ２７の閾値を転送トランジスタ４３ａ、４３ｂの閾値より小さくし、更に転送トランジスタ４２ａ、４２ｂの閾値を転送トランジスタ４３ａ、４３ｂの閾値より小さくすると、図１０に示されるようなポテンシャルになる。
【００５０】
このようにすることによって、サンプルホールドコンデンサに転送された信号電荷は全て増幅トランジスタ２８に転送される。したがって、図７（ｃ）及び（ｄ）に示されるポテンシャルと同様に、電圧変化はＱPD／ＣO となり、感度が良くなる。
【００５１】
更に、図１０に示される回路構成と上述したトランジスタの閾値の関係を保てば、パルスはローレベル（Ｌ）とハイレベル（Ｈ）のみでよく、単一電源化が可能であり、簡単な選択回路を構成するだけで良い。
【００５２】
次に、この発明の第５の実施の形態を説明する。
図１１は、この発明の第５の実施の形態の構成を示す回路図であり、図１２は図１１の回路の動作を説明するタイミングチャートの一例である。
【００５３】
図１１に於いて、この固体撮像装置は、フォトダイオード２４が転送トランジスタ２５を介してリセットトランジスタ２７ａ及びスライストランジスタ４９に接続されている。このスライストランジスタ４９は、ソースがスライスコンデンサ５０を介して垂直シフトレジスタ４０に接続され、ドレインがサンプルホールドトランジスタ２６及び排出トランジスタ５１のドレインに接続される。
【００５４】
上記サンプルホールドトランジスタ２６のソースは、サンプルホールドコンデンサ３２を介してリセットトランジスタ２７ｂのソース及び増幅トランジスタ２８のゲートに接続される。増幅トランジスタ２８は、そのドレインがアドレストランジスタ２９のゲートと接続しながら、他端が負荷トランジスタ５２に接続された垂直信号線３０、差分回路４７、水平選択トランジスタ３５を介して水平シフトレジスタ３６に接続される。
【００５５】
また、転送トランジスタ２５は転送トランジスタ制御線５３を介して、排出トランジスタ５１は排出トランジスタ制御線５４を介して、リセットトランジスタ２７ａ、２７ｂはリセット線３７ａ、３７ｂを介して、サンプルホールドトランジスタ２６はサンプルホールドトランジスタ制御線３８を介して、更にアドレストランジスタ２９は水平アドレス線３９を介して、それぞれ垂直シフトレジスタ４０に接続されている。
【００５６】
このような構成は、信号蓄積差分動作を複数回繰返す固体撮像装置の一例である。このように構成することによって、サンプルホールドコンデンサ３２には真の信号電荷分だけを取り出すことができる。
【００５７】
したがって、強い外光等が存在する時でも、サンプルホールドコンデンサ３２のポテンシャルが転送トランジスタ２５のゲートポテンシャルを超えるまで差分信号を蓄積できるので、感度が低い時には、信号蓄積回数を増やすことによって真の信号電荷量を増やすことができる。そのため、感度の調節が容易になる上に、１回の発光量を抑えることができるので、ＬＥＤの数を増やしたり容量の大きな電源を設置する必要がなくなる。
【００５８】
また、スライスコンデンサ５０の容量を転送先のサンプルホールドコンデンサ３２の容量より大きくすることにより、ＬＥＤの発光量を増やさずに感度を上げることが可能となる。したがって、電源も小さいのを用いることができ、ＬＥＤの個数も減らすことが可能となる。
【００５９】
図１３は、この発明の第６の実施の形態の構成を示す回路図であり、図１４は図１３の回路の動作を説明するタイミングチャートの一例で蓄積差分動作を複数回するときの例である。
【００６０】
図１３に於いて、フォトダイオード２４はリセットトランジスタ２７ａと転送トランジスタ２５の間に接続されている。この転送トランジスタ２５と増幅トランジスタ２８の間には、クランプコンデンサ５５と、サンプルホールドトランジスタ２６及びサンプルホールドコンデンサ３２が接続されており、クランプコンデンサ５５とサンプルホールドトランジスタ２６の接続点にはトランジスタ５６が接続されている。
【００６１】
この回路は、サンプルホールドコンデンサ３２に真の信号電荷分だけを取り出すことができるので、強い外光等がある時でも、サンプルホールドコンデンサ３２のポテンシャルがトランジスタ２６のゲートポテンシャルを超えるまで差分信号を蓄積することができる。
【００６２】
そのため、上述した図１１の第５の実施の形態の回路と同様に、感度の調節が容易になる上に、１回の発光量を抑えることができるので、ＬＥＤの数を増やしたり容量の大きな電源を設置する必要がなくなる。
【００６３】
図１５は、この発明の第７の実施の形態の構成を示す回路図である。
図１５に於いて、このイメージセンサは、フォトダイオード１が転送トランジスタ２を介して、リセット線９に接続されたリセットトランジスタ３及び垂直信号線１１に接続された増幅トランジスタ７に接続されている。転送トランジスタ２と増幅トランジスタ７の間には、サンプルホールドトランジスタ５ａとサンプルホールドコンデンサ６ａによる回路、及びサンプルホールドトランジスタ５ｂとサンプルホールドコンデンサ６ｂの回路が、それぞれ並列に接続されている。
【００６４】
上記増幅トランジスタ７は、そのドレインがアドレストランジスタ８のゲートと接続しながら、垂直信号線１１、差分回路１７を介して水平信号線１４に接続された水平選択トランジスタ１２に接続される。また、１８及び１９は、サンプルホールドトランジスタ５ａ及び５ｂを制御するための転送トランジスタ制御線である。
【００６５】
次に、図１６のタイミングチャートを参照して、このイメージセンサの駆動方法の一例を説明する。
先ず、転送トランジスタ４、リセットトランジスタ３及びサンプルホールドトランジスタ５ａ、５ｂがオンされ、配線３１の電位が低くされると、フォトダイオード１やサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂに電荷が注入される。そして、配線３１の電位が元の高電位に戻されると、サンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂに注入された電荷が排出される。
【００６６】
フォトダイオード１は転送トランジスタ４のゲートポテンシャルに等しくなり、サンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂはリセットポテンシャルに等しくなる。その後、光電変換されてその信号がサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂに転送される。
【００６７】
こうして、２つのサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂに信号電荷が乾送されると、これらサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂに蓄積された電荷が読出され、ソースフォロア回路によって垂直信号線１１に出力される動作が２回行われ、差分回路１７でその差分が取られる。
【００６８】
例えば、１回目の光信号としてＬＥＤ光やその他の光が手等の撮像対象に当たって反射した光を用い、２回目の光信号として背景光等その他の光が撮像対象に当たって反射した光を用いる。そして、１回目と２回目の光の差をとることによって、背景を含む画面から手等の目的とする撮像対象を容易に抜き出すことが可能になる。
【００６９】
このように、第７の実施の形態によれば、増幅トランジスタ７のゲートがリセットされた時の垂直信号線１１の電位と、信号分がかかっている時の垂直信号線１１の電位との差分を取ることによって、上述した閾値のばらつきを解消することができる。
【００７０】
この図１５の構成のイメージセンサでは、フォトダイオード１から得られる信号電荷を直接取出すようにはなっていない。しかしながら、フォトダイオード１からの信号電荷を保存する容量、すなわちサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂを設けることで、フォトダイオード１から得られる信号電荷の同時性が得られるようになっている。
【００７１】
このように、第７の実施の形態は、フォトダイオードをリセットした後、転送トランジスタをオフして信号を蓄積し、蓄積が終わってから転送トランジスタとサンプルホールドトランジスタをオンして信号電荷をサンプルホールドコンデンサに転送していた。
【００７２】
次に、この発明の第８の実施の形態について説明する。
図１７は、第８の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャートの一例である。尚、イメージセンサの構成は、上述した第７の実施の形態と同様であり、図１５の回路が用いられる。
【００７３】
上述した第７の実施の形態は、信号蓄積時に転送トランジスタ４とサンプルホールドトランジスタ５ａ、５ｂをオフしていた。これに対し、この第８の実施の形態では、信号蓄積期間中に転送トランジスタ４とサンプルホールドトランジスタ５ａ、５ｂをオンしている。そのため、蓄積容量がサンプルホールドコンデンサ６ａ、６ｂの容量分増加するので、フォトダイオード１の飽和耐性が強化され、ブルーミングに強くなる。
【００７４】
また、最大信号電位はフォトダイオード１内での信号電位と同じになるため、飽和出力の最大が大きくなり、上述した第７の実施の形態よりもダイナミックレンジが広くなる。
【００７５】
更に、ＬＥＤ光による反射光以外の光で飽和しないようにすることは、蓄積時間を短くすることによってＬＥＤ光による反射光以外の光による信号量を減少させることによって可能となる。逆に、ＬＥＤ光による反射光以外の光が弱い時には、Ｓ／Ｎ比を上げるために信号量を増やすために、蓄積時間を長くすることが望ましい。
【００７６】
このように、周りの環境に応じて信号蓄積時間を変化させるために、信号蓄積期間のタイミングを外部のタイミング回路を設けて生成し、内部のタイミング回路で読出し用のタイミングを生成し、その両者を合成して実現することが可能となる。このとき、信号蓄積期間のタイミングは全画素共通にすることが可能であるため、外部から入力するタイミングパルスの数も数本で済むので、あまり負担にならない。
【００７７】
図１８は、この発明の固体撮像装置の第９の実施の形態の構成を示す回路図である。
図１８に於いて、このイメージセンサは、フォトダイオード１から、転送トランジスタ２ａを介してサンプルホールドコンデンサ６ａが、更に転送トランジスタ２ｂを介してサンプルホールドコンデンサ６ｂが接続されている。このサンプルホールドコンデンサ６ｂには、更に転送トランジスタ２ｃを介して、増幅トランジスタ７及びアドレストランジスタ８が接続されている。また、上記フォトダイオード１には、リセットトランジスタ３が接続されている。
【００７８】
これらセル部以外の回路構成は、上述した図１５の回路と同様であるので説明を省略する。
このような構成に於いて、例えば１回目の光信号としてＬＥＤ光やその他の光が手等の撮像対象に当たって反射した光がフォトダイオード１に取り込まれたとする。ここで取り込まれた光はフォトダイオード１にて光電変換され、転送トランジスタ２ａのオンにより、先ずサンプルホールドコンデンサ６ａに電荷が注入される。次いで、転送トランジスタ２ａがオフされると共に転送送受信２ｂがオンされて、ＬＥＤ光を含む信号電荷がサンプルホールドコンデンサ６ａからサンプルホールドコンデンサ６ｂに転送される。
【００７９】
この後、２回目の光信号として背景光等その他の光が撮像対象に当たって反射された光がフォトダイオード１に取り込まれて光電変換される。ここで光電変換された信号電荷は、再びオンされた転送トランジスタ２ａを介してサンプルホールドコンデンサ６ａに注入される。
【００８０】
一方、サンプルホールドコンデンサ６ｂに注入された信号電荷は、転送トランジスタ２ｃのオンにより、増幅トランジスタ７を介して垂直信号線１１に排出され、差分回路１７に供給される。同様にして、２回目の光信号の電荷もサンプルホールドコンデンサ６ｂに注入された後、差分回路１７に供給される。そして、差分回路１７にて、１回目と２回目の光の差をとることによって、背景を含む画面から手等の目的とする撮像対象を容易に抜き出すことが可能になる。
【００８１】
この第９の実施の形態に於いては、ＬＥＤの反射光を含む信号と外光のみの信号の２種類の信号が、必ず同じサンプルホールドコンデンサを経由して差分回路に取り込まれるので、サンプルホールドコンデンサの製造ばらつき等の影響を受けることがない。したがって、ノイズの影響を受けにくくなる。
【００８２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ＬＥＤの発光時と非発光時に漏れ込む電荷量のばらつきを抑えると共に、ＬＥＤの個数を増やさずに信号電荷量を増やすことができ、且つ感度調整を行うことが容易な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の固体撮像装置の第１の実施の形態の構成を示すもので、単位セルを概略的に示した構成図である。
【図２】この発明の固体撮像装置の第１の実施の形態の構成を示すもので、（ａ）は断面構造を示した図、（ｂ）は第１の実施の形態を説明するためのポテンシャル図である。
【図３】セルの駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】この発明の固体撮像装置の第２の実施の形態を示す回路構成図である。
【図５】図４の構成の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートの一例である。
【図６】図４の構成の固体撮像装置の動作を説明するためのポテンシャル概念図である。
【図７】固体撮像装置の動作を説明するためのポテンシャル概念図である。
【図８】この発明の固体撮像装置の第３の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図９】この発明の固体撮像装置の第４の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１０】図９の構成の固体撮像装置の動作を説明するためのポテンシャル概念図である。
【図１１】この発明の固体撮像装置の第５の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１２】図１１の回路の動作を説明するタイミングチャートの一例である。
【図１３】この発明の固体撮像装置の第６の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１４】図１３の回路の動作を説明するタイミングチャートの一例で蓄積差分動作を複数回するときの例である。
【図１５】この発明の固体撮像装置の第７の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１６】図１５の構成のイメージセンサの駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図１７】第８の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャートの一例である。
【図１８】この発明の固体撮像装置の第９の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１９】従来のＭＯＳ型イメージセンサの構成例を示した回路図である。
【符号の説明】
１  フォトダイオード、
２、２ａ、２ｂ、２ｃ  転送トランジスタ、
３  リセットトランジスタ、
５ａ、５ｂ  サンプルホールドトランジスタ、
６ａ、６ｂ、６ｃ  サンプルホールドコンデンサ、
７  増幅トランジスタ、
８  アドレストランジスタ、
１１  垂直信号線、
１２  水平選択トランジスタ、
１７  差分回路、
２０  シリコン基板、
２１  ｐウェル領域、
２２ａ〜２２ｊ  ｎ+ 層、
２３  ｎ拡散層、
２４  フォトダイオード、
２５  転送トランジスタ、
２６、２６ａ、２６ｂ  サンプルホールドトランジスタ、
２７  リセットトランジスタ、
２８  増幅トランジスタ、
２９  アドレストランジスタ、
３０  垂直信号線、
３１  配線、
３２、３２ａ、３２ｂ  サンプルホールドコンデンサ、
３３、３３ａ、３３ｂ  信号線、
３５  水平選択トランジスタ、
３６  水平シフトレジスタ（Ｈ系シフトレジスタ）、
３７  リセット線、
３８ａ、３８ｂ  サンプルホールドトランジスタ制御線、
３９  水平アドレス線、
４０  垂直シフトレジスタ（Ｖ系選択回路）、
４１  パルス発生回路、
４７  差分回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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