(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられた受光素子を含む撮像領域と、基板バイアス回路と、その出力を受けるクランプ回路を内蔵し、該基板バイアス回路の出力を該クランプ回路越しに上記半導体基板に印加するようにし、上記半導体基板へパルス乃至信号を印加するための外部端子を設け、外部から外部端子越しに上記半導体基板へ上記クランプ回路の出力電圧よりも絶対値の大きな電圧のパルス乃至信号を印加できるようにした固体撮像装置において、
上記クランプ回路の入力端子を外部に取り出してなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
外部に取り出されたクランプ回路の入力端子にそれに印加される電圧の絶対値を下げる負荷手段を接続してなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
負荷手段がクランプ回路の入力電圧の絶対値を下げる電圧強制印加用電圧源である
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
負荷手段がクランプ回路の入力電圧の絶対値を下げる電流強奪用電流源である
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
バイアス回路としてダイオード又はトランジスタを用い、電圧強制印加用電圧源として上記ダイオード又はトランジスタの温度依存性を相殺するダイオード又はトランジスタを有する電圧源を用いてなる
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
電圧源に、装置電源投入時にバイアス回路の負荷電流としてクランプ回路の外部に引き出した入力端子を通る電流を制限する電流制限抵抗を接続した
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
ｎ型半導体基板の表面部に形成されたｐ型半導体層に形成されたｎ型受光素子を備えた撮像領域と、基板バイアス回路と、その出力を受けるクランプ回路とを内蔵し、該基板バイアス回路の出力を該クランプ回路越しに上記ｎ型半導体基板に印加するようにし、上記ｎ型半導体基板へパルス乃至信号を印加するための外部端子を設け、外部から外部端子越しに上記ｎ型半導体基板へ上記クランプ回路の出力電圧よりも絶対値の大きな電圧のパルス乃至信号を印加できるようにした固体撮像装置でおいて、
上記クランプ回路の入力端子を外部に取り出してなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として基板バイアス回路の出力である基板バイアス電圧を半導体基板に対してクランプ回路を介して印加し、該半導体基板へパルス乃至信号を印加するための外部端子を設け、外部端子を通じて上記半導体基板に例えばシャッターパルス等の信号を印加するようにした固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置、例えばＣＣＤ型固体撮像装置には、オーバーフロードレイン構造を持ったものが多い。その典型例を示すと、ｎ型半導体基板の表面にｐ型半導体層（ウェル）が形成され、該ｐ型半導体層の表面に画素を成す多数のｎ型受光素子、水平転送用ＣＣＤ型レジスタ及び垂直転送用ＣＣＤ型レジスタ等が形成されており、上記ｐ型半導体層は接地され、ｎ型半導体基板には正の基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ  が印加されている。
【０００３】
そして、受光素子、即ち光電変換部は図７に示すような深さ方向のポテンシャルプロフィールを有している。
同図において、ａはｎ型受光素子で、入射した光を光電変換する。ｅは受光素子ａ内に蓄積した電荷である。ｂはｐ型半導体層によるポテンシャルバリア、ｃはｎ型半導体基板である。そして、基板に加える電圧Ｖｓｕｂ  によりポテンシャルバリアが変動し、電圧Ｖｓｕｂ  を高くすると破線に示すようにポテンシャル分布が深い方に移動する。
【０００４】
従って、通常時におけるポテンシャルバリアが適度の高さを有するポテンシャル分布が得られるような値に電圧Ｖｓｕｂ  の値が設定され、その値を有するバイアス電圧を出力するようなバイアス回路が固体撮像装置の外部或いは内部に設けられる。
また、垂直周期における各受光素子による電荷蓄積時間を制御することにより露光時間を制御するタイプの固体撮像装置が増えており、このような固体撮像装置はハイレベルのシャッターパルスを基板に加えることにより強制的に受光素子ａ内の信号電荷を基板側に排出する動作を適宜に行うことにより実質的に電荷蓄積時間を制御するようになっている。図８はそのような固体撮像装置の一例を示すものであり、これは本願出願人会社が特願平６−９８１１０により提案した固体撮像装置の一つである。
【０００５】
同図において、１１ａは固体撮像装置、１は列方向（垂直方向）及び行方向（水平方向）にマトリックス状に配列された受光素子、２は該受光素子１の各垂直列に対応して設けられた垂直転送レジスタで、該受光素子１及び垂直転送レジスタ２により撮像領域３が構成されている。
４は水平転送レジスタで、各垂直転送レジスタ２から転送されてきた信号電荷をパラレルに入力し、水平方向に転送する。５は水平転送レジスタ５の出力端に設けられた例えばフローティングディフュージョン構成の電荷検出部、６は出力アンプ、７は映像信号出力端子である。
【０００６】
２４は固体撮像装置１１ａを制御する各パルスφＶ１〜φＶ４、φＨ１、φＨ２及びシャッターパルスＳＰを発生するタイミングゼネレータ、２５は上記基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ  を発生する基板バイアス発生回路で、例えば図９（Ａ）乃至（Ｃ）に示すような回路構成を有している。尚、バイアス回路の更に別の例については本願出願人が既に出願した特願平６−１５４３１０によって紹介済みである。
３６はクランプ回路を成すダイオードで、上記基板バイアス回路２５の出力電圧は該ダイオード３６を介して半導体基板に印加されるようになっている。
【０００７】
３３はダイオード３６のカソード（アノードは基板バイアス回路２５に接続されている。）側を外部に引き出す端子で、シャッターパルス入力端子としての役割を果たし、該入力端子３３には上記タイミング発生回路２４からのシャッターパルスＳＰがコンデンサ３２を介して入力される。３４は該シャッターパルス入力端子３３と接地との間に接続された抵抗である。
このような固体撮像装置によれば、バイアス回路の出力電圧を適宜に設定することにより基板ｃを妥当なポテンシャルプロフィールが得られるようにバイアスすることができる。
【０００８】
そして、シャッターパルスＳＰが入力したときはダイオード３６が逆バイアス状態になり、バイアス回路２５はそのダイオード３６によって半導体基板ｃ側と電気的に分離されてしまい、シャッターパルスＳＰが支障なく半導体基板ｃに伝達された状態になる。従って、全受光素子ａ内の信号が深くなったポテンシャルバリアをオーバフローして基板側に排出される。
従って、通常時のポテンシャルプロフィールはバイアス回路２５により制御し、電子シャッター時におけるポテンシャルプロフィールのシャッターパルスＳＰによる制御は、ダイオード３６によりバイアス回路２５の関与を阻むことにより支障なく行われるのである。
【０００９】
尚、図１０（Ａ）、（Ｂ）はクランプ回路の別の各別の例を示す回路図である。即ち、（Ａ）に示すものはダイオードに代えてバイポーラトランジスタを用いたもの、（Ｂ）に示すものはダイオードに代えてＭＯＳトランジスタを用いたものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の固体撮像装置によれば、ポテンシャルプロフィールをユーザー側で任意に変えることができないという問題があった。
即ち、顧客の一部には、固体撮像装置メーカー側で設定した規格、性能を任意に変更できるようにすることを望む声がある。具体的には、ダイナミックレンジを大きくすることができるようにすることを望む声があるのである。
そして、それにはまだ現在応えていないのが実情である。
【００１１】
ところで、ダイナミックレンジを大きくするには、通常時に基板に与える電圧を強制的に低くすれば良いということになる。具体的には、シャッターパルス入力端子３３越しに低い電圧を与えれば良いということになる。
しかしながら、図８に示すような従来の固体撮像装置によれば、内部にバイアス回路２５を有するので、基板に強制的に低い電圧を与えようとすると、その電圧がバイアス回路２５の出力電圧より低いので、内部のダイオード３６（或いはバイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ）がオンし、ダイオードのＰＮ接合に電流がながれ、その結果、２次電子、２次正孔（ホール）が発生する。２次電子、２次正孔はＰ型ウェルの電位を変動させたり、或いは発光現象を生じ、画像にその現象による光が現れてしまうおそれが生じるので当然のことながら好ましくない。
【００１２】
また、クランプ回路にバイポーラトランジスタを用いた場合、その出力インピーダンスが小さいため、トランジスタがオンしたら大電流が流れるという不都合が生じる。ＭＯＳトランジスタを用いたクランプ回路においても、負荷変動に強くするという観点からクランプ用ＭＯＳトランジスタの出力インピーダンスを低くするのが普通であり、そのため、ダイナミックレンジを広げるべく外部からバイアス回路の出力より低い電圧を加えると大電流が流れてしまう。これも好ましくない。
【００１３】
本発明はこのような問題点を解決すべく為されたものであり、内蔵バイアス回路の出力をクランプ回路越しに特定部分に印加し、クランプ回路の出力端子を外部に引き出し、該端子を通じて外部から上記特定部分に絶対値の大きな電圧のパルス或いは信号をクランプ回路印加するようにした固体撮像装置において、バイアス回路からクランプ回路越しに特定部分に印加される電圧の絶対値をクランプ回路を構成するダイオード或いはトランジスタの電流の発生の増加を伴うことなく低めることができるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の固体撮像装置は、クランプ回路の入力端子を外部に取り出してなることを特徴とする。
従って、請求項１の固体撮像装置によれば、クランプ回路の入力端子にそこの電位の絶対値を低める手段を接続すれば、クランプ回路を構成するダイオードあるいはトランジスタの電流の発生、増加を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができる。
依って、クランプ回路に２次電子、２次正孔が発生したり、大電流が流れたりするおそれを伴うことなく固体撮像装置の半導体基板に与える基板バイアス電圧を個々に調整することができる。
【００１５】
請求項２乃至４の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、クランプ回路の入力の電圧を低下せしめる負荷手段を、クランプ回路の入力端子に接続したことを特徴とする。
従って、請求項２乃至４の固体撮像装置によれば、負荷手段によりクランプ回路の入力側の電圧を低めることができるので、クランプ回路のターンオンを伴うことなく、或いは大電流の発生を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができる。
【００１６】
請求項５の固体撮像装置は、バイアス回路としてダイオード又はトランジスタを用い、電圧強制印加用電圧源として上記ダイオード又はトランジスタの温度依存性を相殺するダイオード又はトランジスタを有する電圧源を用いてなることを特徴とする。
従って、請求項５の固体撮像装置によれば、単に、クランプ回路の流れる電流の発生、増大を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができるにとどまらず、クランプ回路を成すダイオード或いはトランジスタの温度依存性により半導体基板の電位が変動することを防止することができる。
【００１７】
請求項６の固体撮像装置は、請求項５固体撮像装置において、電圧源に、装置電源投入時に外部に取り出されたクランプ回路の入力端子を通る電流を制限する電流制限抵抗を設けたことを特徴とする。
従って、請求項６の固体撮像装置によれば、電流制限抵抗を設けたので、装置電源投入時に装置側の電源電圧が電圧源側の電源電圧よりも速く立ち上がることによって生じるところの過度的にクランプ回路の入力側に大電流が流れるという問題を防止することができる。
請求項７の固体撮像装置は、半導体基板としてｎ型のものを用い、この半導体基板の表面部に形成したｐ型半導体層にｎ型受光素子からなる撮像領域を設けた固体撮像装置において、クランプ回路の入力端子を外部に取り出してなることを特徴とする。
従って、請求項７の固体撮像装置によれば、クランプ回路の入力端子にそこの電位の絶対値を低める手段を接続すれば、クランプ回路を構成するダイオードあるいはトランジスタの電流の発生、増加を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができる。
依って、クランプ回路に２次電子、２次正孔が発生したり、大電流が流れたりするおそれを伴うことなく固体撮像装置のｎ型半導体基板に与える基板バイアス電圧を個々に調整することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示実施の形態に従って詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示すものである。
同図において、１１は本発明の一つの実施の形態に係る固体撮像装置、１は列方向（垂直方向）及び行方向（水平方向）にマトリックス状に配列された受光素子、２は該受光素子１の各垂直列に対応して設けられた垂直転送レジスタで、該受光素子１及び垂直転送レジスタ２により撮像領域が構成されている。
【００１９】
４は水平転送レジスタで、各垂直転送レジスタ２から転送されてきた信号電荷をパラレルに入力し、水平方向に転送する。５は水平転送レジスタ５の出力端に設けられた例えばフローティングディフュージョン構成の電荷検出部、６は出力アンプ、７は映像信号出力端子である。
２４は固体撮像装置１１を制御する各パルスφＶ１〜φＶ４、φＨ１、φＨ２及びシャッターパルスＳＰを発生するタイミングゼネレータ、２５は上記基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ  を発生する基板バイアス発生回路である。
【００２０】
３６はクランプ回路を成すダイオードで、上記基板バイアス回路２５の出力電圧は該ダイオード３６を介して半導体基板に印加されるようになっている。
３３はダイオード３６のカソード（アノードは基板バイアス回路２５に接続されている。）を外部に引き出す端子で、シャッターパルス入力端子としての役割を果たし、該入力端子３３には上記タイミング発生回路２４からのシャッターパルスＳＰがコンデンサ３２を介して入力される。３４は該シャッターパルス入力端子３３と接地との間に接続された抵抗である。
【００２１】
３７はクランプ回路を成すダイオード３６のアノード側、即ち、クランプ回路の入力端子を外部に取り出すコントロール端子であり、該コントロール端子３７を有することが本固体撮像装置１１の第１の特徴である。
３８は該外部端子３７と接地との間に接続された抵抗（例えば可変抵抗）であり、該抵抗３８を設けることにより、基板バイアス回路２５の出力電圧を低めることができる。そして、該抵抗３８を変化させることによりクランプ回路３６の入力電圧の低め具合を微妙に変化させることができる。
【００２２】
そして、バイアス回路２５の出力電圧を低めた分ダイオード３６の出力電圧を低めることができ、延いては基板バイアスを本来メーカー側で設定されている値よりも低めることができる。すると、図７に示すポテンシャルプロフィールを浅くし、そのポテンシャルバリアを高めることができる。
従って、各受光素子ａにおいて蓄積できる最大電荷量を多くでき、延いてはダイナミックレンジを広げることが可能である。
【００２３】
尚、シャッターパルスＳＰが入ったときは、当然に、ダイオード３６はそのアノードよりもカソードの方が電位が高くなるので、カットオフする。従って、基板バイアス回路２５と基板ａとの間がダイオード３６により電気的に遮断され、そのシャッターパルスＳＰはバイアス回路２５に余計な干渉を受けることなく基板ａに伝達される。この点は従来の場合と何等変わらない。
【００２４】
図２は本発明の第２の実施の形態の要部を示す回路図である。
本実施の形態は、クランプ回路をバイポーラトランジスタＱにより構成したものである。尚、ＭＯＳトランジスタを用いても良いことはいうまでもない。
そして、クランプ回路をトランジスタにより構成した場合には、そのクランプトランジスタ自身が増幅機能を持つので、その前段の基板バイアス回路２５の出力インピーダンスを比較的大きくすることができ、延いてはコントロール端子３７に接続する負荷に流れる電流を比較的小さくすることができる。つまり、無駄な電流を徒らに多くすることなくダイナミックレンジを大きくすることができる。
【００２５】
図３は本発明の第３の実施の形態の要部を示す回路図である。
本実施の形態はコントロール端子３７に負荷として電流源３９を接続し、基板バイアス回路２５からクランプ回路（例えばバイポーラトランジスタＱ）に流れる電流の一部を電流源３９により強奪することによってクランプ回路の出力側の電圧を低めて、基板のバイアスを浅くし、延いてはダイナミックレンジを広くすることができる。
図４は本発明の第４の実施の形態の要部を示す回路図である。
本実施の形態はコントロール端子３７に負荷として電圧源４０を接続し、クランプ回路の入力側の電位を強制的に低めることによりクランプ回路の出力側の電圧を低めて、基板のバイアスを浅くし、延いてはダイナミックレンジを広くすることができる。
【００２６】
図５は本発明の第４の実施の形態の要部を示す回路図である。
本実施の形態は、クランプ回路３８としてダイオードＤを用い、コントロール端子３７に接続する負荷として電圧源４０を用いると共に、該電圧源４０に上記ダイオードＤの温度依存性を相殺する温度依存性補償用ダイオードＤａを接続してなるものであり、クランプ回路を成すダイオードＤの温度依存性により同じダイオード電流に対するダイオード端子電圧が温度により例えば高くなると、それに応じて温度補償用ダイオードＤａの端子電圧も高くなり、延いてはダイオードＤの入力電圧が低くなるので、結局、温度依存性が相殺されてしまう。従って、温度により固体撮像装置のポテンシャルプロフィールが狂うことを防止することができる。
これは、クランプ回路がバイポーラトランジスタからなる場合にも支障なく適用できる。
【００２７】
図６は本発明の第５の実施の形態の要部を示す回路図である。
本実施の形態は、クランプ回路をバイポーラトランジスタ（ダイオードでも良い。）Ｑで構成し、コントロール端子３７に接続する負荷として電圧源４０を用いると共に、その温度依存性をバイポーラトランジスタ４３により相殺するようにし、更に、そのバイポーラトランジスタ４３のコレクタ側に電流制限用抵抗４４を接続してなるものである。４２はコンデンサである。
この固体撮像装置は、図５の実施の形態の持つ欠点を無くそうとするものである。
【００２８】
その欠点というのは、図５の実施の形態においては、電圧源４０よりも固体撮像装置１１の方が電源電圧の立ち上がりが早い場合には、固体撮像装置１１の電源が投入されたときに過度的にクランプダイオード（或いはトランジスタ）に大きな電流が流れるという不都合が生じるおそれがある。それを避けるには電源電圧の投入時において電圧源の方を固体撮像装置よりも先にオンするようにすれば良いが、それにはかなり面倒な特別な措置を講じる必要があり、実用的ではない。
そこで、図６の実施の形態においては、トランジスタ４３のコレクタ側に電流制限用抵抗４４を接続し、仮に電圧源４０が固体撮像装置１１よりも後に電源電圧が立ち上がったとしてもトランジスタ４３に流れる電流が抵抗４４により制約されるようにしている。従って、バイアス回路２５の負荷側に大きな電流が流れることを回避することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の固体撮像装置によれば、クランプ回路の入力端子にそこの電位の絶対値を低める手段を接続すれば、クランプ回路を構成するダイオードあるいはトランジスタの電流の発生、増加を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができる。依って、クランプ回路に２次電子、２次正孔が発生したり、大電流が流れたりするおそれを伴うことなく固体撮像装置の半導体基板に与える電圧を個々に調整することができる。
【００３０】
請求項２乃至４の固体撮像装置によれば、負荷手段によりクランプ回路の入力側の電圧を低めることができるので、クランプ回路のターンオンを伴うことなく、或いは大電流の発生を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができる。
【００３１】
請求項５の固体撮像装置によれば、単に、クランプ回路の流れる電流の発生、増大を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができるにとどまらず、クランプ回路を成すダイオード或いはトランジスタの温度依存性により特定部分の電位が変動することを防止することができる。
請求項６の固体撮像装置によれば、電流制限抵抗を設けたので、装置電源投入時に過度的にクランプ回路の入力側に大電流が流れることを防止することができる。
請求項７の固体撮像装置によれば、クランプ回路の入力端子にそこの電位の絶対値を低める手段を接続すれば、クランプ回路を構成するダイオードあるいはトランジスタの電流の発生、増加を伴うことなくクランプ回路の出力電圧の絶対値を低くすることができる。
依って、クランプ回路に２次電子、２次正孔が発生したり、大電流が流れたりするおそれを伴うことなく固体撮像装置のｎ型半導体基板に与える基板バイアス電圧を個々に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の要部を示す回路図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の要部を示す回路図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の要部を示す回路図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の要部を示す回路図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態の要部を示す回路図である。
【図７】固体撮像装置の深さ方向におけるポテンシャルプロフィールである。
【図８】固体撮像装置の従来例を示す回路図である。
【図９】（Ａ）乃至（Ｃ）はバイアス回路の各別の例を示す回路図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）はクランプ回路の各別の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１  半導体装置（固体撮像装置）
２５  バイアス回路
３６  クランプ回路
３７  外部端子（コントロール端子）
３８  負荷抵抗
３９  電流強奪用電流源
４０  電圧源
４３  温度依存性相殺用トランジスタ
Ｄａ  温度依存性相殺用ダイオード
Ｑ  クランプ回路
Ｄ  クランプ回路
【図１】
0003579993.tif 000002
【図２】
0003579993.tif 000003
【図３】
0003579993.tif 000004
【図４】
0003579993.tif 000005
【図５】
0003579993.tif 000006
【図６】
0003579993.tif 000007
【図７】
0003579993.tif 000008
【図８】
0003579993.tif 000009
【図９】
0003579993.tif 000010
【図１０】
0003579993.tif 000011