(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報電圧信号を周期的に発生する電荷結合装置と、
制御端子及び一端が第１電源に連結される電流通路を有するトランジスター、前記トランジスターの制御端子に連結され、前記情報電圧信号を受ける入力端子、前記トランジスターの電流通路の他端と第２電源との間で電流を通す電流通路を有するとともに定格電流バイアス電圧が印加される制御端子を有して前記定格電流バイアス電圧に比例する定格電流を前記電流路に流す電流源、そして前記トランジスターの電流通路の前記他端に連結され増幅された情報電圧信号を出力する出力端子を有する電圧増幅回路と、
前記増幅された情報電圧信号に基づいて、前記定格電流バイアス電圧を制御することによって、前記電圧増幅回路の電圧利得を可変させる手段とを含み、
前記定格電流バイアス電圧を可変させる手段は、一端が前記第１電源電圧に連結された電流通路を有するアクティブロードトランジスタ、前記アクティブロードトランジスタの電流通路の他端に一端が連結されているとともに他端が前記第２電源電圧に連結された電流通路と前記出力端子に連結された制御端子とを有するスイッチングトランジスタ、そして前記アクティブロードトランジスタの電流通路の他端と前記スイッチングトランジスタの電流通路の一端との連結点に一端が連結されているとともに他端が前記電流源の制御端子に連結されたカップリングキャパシタとを含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電荷結合装置は、
情報電荷を水平的に伝達する電荷伝達回路と、
前記電荷伝達回路から供給された前記情報信号を貯蔵して前記貯蔵された情報電荷に相応する前記情報電圧信号を発生するフローティング拡散領域を有し、リセット制御信号に応じて前記フローティング拡散領域をリセットするリセット回路とを含む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】
前記電圧増幅回路は、ソースフォロア回路を含む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】
前記増幅回路は、抵抗が前記定格電流バイアス電圧によって変わるアクティブロードとして動作する電界効果トランジスタを含む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５】
情報電圧信号を周期的に発生する電荷結合装置と、
ａ）前記情報電圧信号を受ける入力端子、ｂ）定格電流バイアス電圧に比例する定格電流を流す電流通路と、前記定格電流バイアス電圧が印加される制御端子とを有し、前記電流通路の一端が第２電源電圧と連結された電流源、ｃ）第１電源電圧に連結されたドレーン、前記電流源と連結されたソース、そして前記入力端子に連結されたゲートを有するトランジスター、ｄ）前記トランジスターのソースに連結され、増幅された情報電圧信号を出力する出力端子を有するソースフォロア増幅回路と、
前記情報電圧の発生の間に前記電流源の定格電流が変化されるように前記増幅された情報電圧信号を使用して前記定格電流バイアス電圧を可変させる手段とを含み、
前記定格電流バイアス電圧を可変させる手段は、一端が前記第１電源電圧に連結された電流通路を有するアクティブロードトランジスタ、前記アクティブロードトランジスタの電流通路の他端に一端が連結されているとともに他端が前記第２電源電圧に連結された電流通路と前記出力端子に連結された制御端子とを有するスイッチングトランジスタ、そして前記アクティブロードトランジスタの電流通路の他端と前記スイッチングトランジスタの電流通路の一端との連結点に一端が連結されているとともに他端が前記電流源の制御端子に連結されたカップリングキャパシタとを含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
定格電流が前記定格電流バイアス電圧によって制御される少なくとも１つのソースフォロア回路を付加的に含み、前記ソースフォロア回路は、前記入力及び出力端子の間に直列に連結されることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記電荷結合装置は、
情報電荷を水平的に伝達する電荷伝達回路と、
前記電荷伝達回路から供給された前記情報電荷を貯蔵して前記貯蔵された情報に相応する前記情報電圧信号を発生するフローティング拡散領域を有し、リセット制御信号に応じて前記フローティング拡散領域をリセットするリセット回路とを含むことを特徴とする請求項５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】
本発明は、半導体装置に関するものであり、より詳しくは高利得ソースフォロア回路及び高利得ソースフォロア回路を用いた固体撮像装置の出力装置の出力回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（charge coupled device；ＣＣＤ）固体撮像装置（a solid state image pickup device）は、電子銃を用いる撮像装置の割に小型、軽量、低い消費電力等の優秀な特性を有するため仮定用、放送用のビデオカメラ、監視用カメラシステム、ディジタルスチールカメラ等に幅広く使用されている。
【０００３】
半導体製造技術及び設計技術が向上することによってＣＣＤ固体撮像装置の集積度も向上してきた。そのような結果として、撮像素子が形成される面積はだんだん縮小されてきた。このような傾向によって、最近ＣＣＤ固体撮像装置に要求される重要な特性のうちの１つは、撮像素子がそのように縮小された面積に形成されるとき、低い照度（low illuminance）下で可能な感度劣化を防止するため少ない信号電荷（又は情報電荷）を信号電圧に変換する変換能力である。それ故、少ない信号電荷を感知してそれに相応する信号電圧に十分に変換するためのＣＣＤ固体撮像装置で用いられる高利得出力回路が要求されている。即ち、ＣＣＤを用いた固体撮像装置には、水平伝達部（horizontal transfer section：図３及び図４の番号２００参照）で提供される信号電荷に相応する入力電圧の観点で出力電圧の変換利得の高い出力回路がさらに要求されている。高い変換利得を得るための１つの方法は、出力回路に用いられるソースフォロア回路（図示せず）の変換利得を向上させることである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、第一に、入力電圧に関連して出力電圧の利得を向上させることができるソースフォロア回路を提供することであり、第二に、向上した利得を有する固体撮像装置の出力回路を提供することであり、第三に、高感度固体撮像装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述のような目的を達成するための本発明の一特徴によると、情報電圧信号を周期的に発生する電荷結合装置と、制御端子及び一端が第１電源に連結される電流通路を有するトランジスタ、トランジスタの制御端子に連結され、情報電圧信号を受ける入力端子、トランジスタの電流通路の他端と第２電源との間に連結され、定格電流バイアス電圧に比例する定格電流を有する電流源、そしてトランジスタの電流通路の他端に連結され増幅された情報電圧信号を出力する出力端子を有する電圧増幅回路と、増幅された情報電圧信号に基づいて、定格電流バイアス電圧を制御することによって、電圧増幅回路の電圧利得を変化させる手段とを含む。
【０００６】
この態様において、電荷結合装置は、情報電荷を水平的に伝達する電荷伝達回路と、電荷伝達回路から供給された情報電荷を貯蔵して貯蔵された情報電荷に相応する情報電圧信号を発生するフローティング拡散領域を有し、リセット制御信号に応じてフローティング拡散領域をリセットするリセット回路とを含む。
【０００７】
本発明の他の特徴によると、情報電圧信号を周期的に発生する電荷結合装置と、ａ）電圧信号を受ける入力端子、ｂ）定格電流バイアス電圧に比例する定格電流を有する電流源、ｃ）第１電源電圧に連結されたドレーン、電流源と第２電源電圧との間に連結されたソース、そして入力端子に連結されたゲート、ｄ）増幅された情報電圧信号を出力する出力端子を有するソースフォロア増幅回路と、情報電圧の発生の間に電流源の定格電流が変化するように増幅された情報電圧信号を使用して定格電流バイアス電圧を変化させる手段とを含む。
【０００８】
この態様において、定格電流が定格電流バイアス電圧によって制御される少なくとも１つのソースフォロア回路を付加的に含み、ソースフォロア回路は入力及び出力端子の間に直列に連結される。
【０００９】
このような装置により、ソースフォロアのロードトランジスタを制御する電圧が出力電圧の変化と反対方向に変化するように変化する。その結果として、入力電圧の観点で出力電圧の利得を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による新たなソースフォロア回路１０は、図１を参照すると、ロード制御電圧可変部８を含む。ロード制御電圧可変部８は、ソースフォロア７のロードトランジスタＭ２を通して流れるロード電流を入力電圧、又は出力電圧の変化と反対方向に変化させることによって、入力電圧（又は出力電圧）が増加するとき（又は減少するとき）、ロードトランジスタを通して流れるロード電流が入力／出力電圧に対応するように減少（又は増加）するため出力電圧は増加する（又は減少する）。したがって、本発明によるソースフォロア回路ＡＣ利得を増加させることができる。
【００１１】
（第１実施の形態）
再び、図１を参照すると、本発明の望ましい第１実施の形態による一端で構成されたソースフォロア回路の詳細回路図が図示されている。図１から、ソースフォロア回路１０は、入力端子２、出力端子４、制御端子６、２つのＮＭＯＳトランジスタＭ１及びＭ２、そして出力端子４と制御端子６との間に連結されたロード制御電圧可変部８を含む。ＮＭＯＳトランジスタＭ１は、駆動トランジスタ（又は、スイッチングトランジスタ）として作動し、ＮＭＯＳトランジスタＭ２は、ロードトランジスタとして機能し、定格電流（a current rating）を有する。
【００１２】
ロード制御電圧可変部８は、２つのＮＭＯＳトランジスタＭ３及びＭ４、電圧結合キャパシタ（a voltage coupling capacitor）Ｃ１、そして抵抗Ｒ１で構成される。ＮＭＯＳトランジスタＭ３の電流通路は、電源電圧ＶＤＤとノードＮ１との間に形成され、ＮＭＯＳトランジスタのゲートは、電源電圧ＶＤＤを受ける。ＮＭＯＳトランジスタＭ４のゲートは、出力端子４に連結され、ＮＭＯＳトランジスタＭ４の電流通路は、ノードＮ１と接地電圧との間に形成される。ＮＭＯＳトランジスタＭ３及びＭ４は、１つのインバータとして作用する。抵抗Ｒ１は、制御端子６とロードトランジスタＭ２のゲートとの間に連結され、電圧結合キャパシタＣ１は、抵抗Ｒ１とロードトランジスタＭ２のゲートの接続点Ｎ２とノードＮ１との間に連結される。
【００１３】
電圧結合キャパシタＣ１は、インバータの出力が一定に保持される間にオープンされ、インバータの出力が変化する間に短絡される。その結果、ノードＮ２の電圧レベルは、出力電圧の変化に相応して減少するか、または増加する。それゆえ、ロード制御電圧可変部８は、ロードトランジスタＭ２のゲートに印加される制御電圧（例えば、定格電流に相応する定格電流バイアス電圧）Ｖｇのレベルを出力端子４の電圧Ｖｏｕｔ変化と反対方向に変化させる。例えば出力端子４の電圧Ｖｏｕｔが増加すると（又は減少すると）、ロードトランジスタＭ２のゲートに提供される制御電圧Ｖｇは減少する（又は増加する）。これはロードトランジスタを通して流れるロード電流が減少するように（又は増加するように）する。それ故、入力端子２に提供される入力電圧Ｖｉｎの観点で出力電圧Ｖｏｕｔの利得（ＡＣ利得）を増加させることができる。
【００１４】
（第２実施の形態）
図２は、本発明の望ましい第２実施の形態による３端ソースフォロア回路の詳細回路図である。図２から、前述された第１実施の形態と同一の構成要素は、同一の参照番号に表記され、それについての説明は、省略される。第２実施の形態において、ソースフォロア回路１０は、入力端子２と出力端子４との間に連結される直列に連結された３端ソースフォロア１２、１４、１６で構成される。図２に図示されたように、３端ソースフォロア１２、１４、１６において、以前の端の出力は、次の端の入力に連結される。第２実施の形態によるソースフォロア回路１０も第１実施の形態のそれと同一の効果を得ることができ、本発明の第１、第２実施の形態がソースフォロア回路が用いられる全ての装置に適用されることは自明である。そのような応用分野のうちの一例としてＣＣＤ技術を利用した固体撮像装置の出力装置が図３に図示されている。
【００１５】
図３を参照すると、本発明の実施の形態による出力回路を有する固体撮像装置の構成断面図（diagrammatic section view）が図示されている。
【００１６】
図３に図示されたＣＣＤを利用した固体撮像装置３００は、絶縁膜２０２で覆われた主表面を有するＰ型半導体基板２０１を含む。絶縁膜２０２上には、複数の伝達ゲート電極２０４が多像クロック（本実施の形態の場合、Φ１、Φ２、Φ３の３相クロック）によって駆動する水平伝達部２００を構成するアレー形態に配列される。伝達ゲート電極２０４のうち、最後の電極に隣接した出力ゲート電極２０６は、絶縁膜２０２上に形成され、Ｎ型不純物領域２０８が出力ゲート電極２０６に隣接した基板２０１の表面領域に形成される。Ｎ型不純物領域２０８は、フローティング拡散領域（floating diffusion region）を構成する。さらに、リセットゲート電極２１２がフローティング拡散領域２０８に隣接した絶縁膜２０２上に形成され、リセットゲート電極２１２がフローティング拡散領域２０８とＮ型不純物領域２１０との間に配列される方法で他のＮ型不純物領域２１０がリセットゲート電極２１２に隣接した基板２０１の表面領域に形成され、その結果フローティング拡散領域２０８とＮ型不純物領域２１０との間のリセットゲート電極２１２下の基板２０１表面領域には、チャンネルが形成される。即ち、フローティング拡散領域２０８、Ｎ型不純物領域２１０及びリセットゲート電極２１２は、電界効果トランジスタ（field effect transistor）、即ちリセットトランジスタ（reset transistor）１２０（図４参照）として機能する。
【００１７】
伝達ゲート電極２０４は、図面に図示されたように、相異なる位相を有する３つのクロックΦ１、Φ２、そしてΦ３が供給される。伝達ゲート電極２０４によって形成される伝達ウェル構造（transfer well structure）が出力ゲート電極２０６方向に移動するように３つのクロックΦ１、Φ２、そしてΦ３は、伝達ゲート電極２０４に、各々周期的に印加される。出力ゲート電極２０６は、出力ゲート電圧ＶＯＧが提供され、リセットゲート電極２１２は、リセットクロックΦＲが提供される。Ｎ型不純物領域２１０は、ドレーン電圧ＶＯＤでバイアスされる。伝達ゲート電極２０４、出力ゲート電極２０６、リセットゲート電極２１２、Ｎ型不純物領域２１０に印加されたクロック及び電圧は、この分野についてよく知る者に自明である。
【００１８】
フローティング拡散領域２０８には、ソースフォロア回路（a source follower circuit）１４０が連結される。回路１４０は、水平伝達部２００から提供される即ち出力ゲート電極２０６が電圧ＶＯＧによってバイアスされるとき、それを通してフローティング拡散領域２０８に伝達される信号電荷（signal charges）（又は、情報電荷（information charges））を信号電圧（signal voltage）に変換し、信号電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。ここで、リセットトランジスタ１２０とソースフォロア回路１４０は、ＣＣＤ技術を利用した固体撮像装置の出力回路（output circuit）を構成する。ソースフォロア回路１４０の動作は、以後詳細に説明される。
【００１９】
固体撮像装置で、信号電荷（又は、情報電荷）がこの分野においてよく知られた方法で３つの他のクロックによって生成する移動、又はシフト電位ウェル構造（moving or shifting potential well structure）を通して伝達され、伝達ゲート電極２０４によって伝達される信号電荷は、フローティング拡散領域２０８に注入される。このとき、Ｎ型不純物領域２１０が電圧ＶＯＤが供給されるため、フローティング拡散領域２０８は、リセットクロックΦＲをリセットゲート電極２１２に印加することによって、電圧ＶＯＤの電位にリセットされ、それからリセットクロックΦＲが低レベルになった後、リセットゲート２１２が遮断された後、伝達ゲート電極２０４によって伝達された信号電荷（又は、情報電荷）はフローティング拡散領域２０８に流れ、その結果フローティング拡散領域２０８の電位は、電圧ＶＯＤの電位から信号電荷（又は情報電荷）の量だけ変わる。フローティング拡散領域２０８の電位変化は、ソースフォロア回路１４０に印加され、その結果対応する信号電圧Ｖｏｕｔがソースフォロア回路１４０から出力される。
【００２０】
図４は、図３に図示されたソースフォロア回路の詳細回路図である。図４を参照すると、本発明の望ましい実施の形態による固体撮像装置の出力回路（output circuit）１００は、リセットトランジスタ１２０及びソースフォロア回路（source follower circuit）１４０を含む。リセットトランジスタ１２０は、図３に図示されたようにＮ型不純物領域、即ちソースとして機能するフローティング拡散領域２０８、ドレーンとして機能する他のＮ型不純物領域２１０、そしてリセットゲート電極２１２で構成される。リセットトランジスタ１２０のソースは、水平伝達部２００に連結され、水平伝達部２００から提供される情報電荷（又は信号電荷）を受けて一時的に貯蔵する。
【００２１】
図４に図示された本発明の望ましい実施の形態によるソースフォロア回路１４０は、図２のそれと同一である。図２に図示された出力端子４、制御端子６及び入力端子２は、端子１４１、１４３及び１４５に各々対応する。
【００２２】
再び、図４を参照すると、ロード制御電圧可変部１４８は、ソースフォロア１４２、１４４及び１４６によって変換された水平伝達部２００から提供される信号電荷に相応する信号電圧Ｖｏｕｔを出力する出力端子１４１と各ソースフォロア１４２、１４４及び１４６のＮＭＯＳトランジスタＭ１４、Ｍ１６、及びＭ１８に共通に提供されるロード制御電圧Ｖｇを受ける制御端子１４３の間に連結される。入力端子１４５は、リセットトランジスタ１２０のソースに連結される。ロード制御電圧可変部１４８は、出力端子１４１と電圧Ｖｏｕｔ変化、又は入力端子１４５の電圧Ｖｉｎ変化と反対方向に連結点１４９の電圧を変化させることによって入力端子１４５の電圧（以後、入力電圧と称する）の観点で出力電圧ＶｏｕｔのＡＣ利得を向上させるようにする。結果的に、高感度のＣＣＤ固体撮像装置をそのような出力回路によって具現することができる。
【００２３】
以下、本発明による動作が図３及び図４に基づいて詳細に説明される。固体撮像装置の出力回路１００から、水平伝達部２００から提供される信号電荷がリセットトランジスタ１２０のソース、即ち図１のフローティング拡散領域２０８に一時的に貯蔵される。提供された信号電荷によるソースの電位変化（以後、入力電圧Ｖｉｎと称する）が一番目端のソースフォロア１４２の駆動トランジスタＭ１３のゲートに印加される。電位変化の波形、即ち入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの関係を示す波形が図５に図示されている。図６は、一般的な場合及び本発明の場合を比較するため図５で出力電圧の波形部分を拡大した図面である。図５に図示されたように、入力電圧Ｖｉｎのレベルが増加することによって一番目端１４２の駆動トランジスタＭ１３のソース、即ち出力も入力電圧Ｖｉｎに比例して増加する。二番目及び三番目端１４４及び１４６の駆動トランジスタＭ１５及びＭ１７の各ソース端子の電圧レベルも前述されたようにそれの入力電圧に比例して増加する。それ故、出力電圧Ｖｏｕｔは、図５に図示されたように入力電圧Ｖｉｎに比例して増加する。
【００２４】
しかし、前述の回路配列を有する本発明によるロード制御電圧可変回路１４８を備えていない一般の場合において、入力電圧Ｖｉｎの観点から出力電圧Ｖｏｕｔの利得、即ちＡＣ利得が本発明と比較して相対的に低い。一般のソースフォロア配列を使用する場合、ロードトランジスタが一定に保持されるロード制御電圧Ｖｇによって制御されるため、ロードトランジスタは、入力／出力電圧に関系なしに対応する駆動トランジスタのソース（例えば、出力端子）から接地に一定なロード電流を流す。
【００２５】
これに対して、本発明による出力回路の場合において、前述のように、出力電圧Ｖｏｕｔは、入力電圧Ｖｉｎが増加（又は減少）（即ち、ＡＣ成分）するとき、それに比例して増加する（又は減少する）。このとき、出力端子１４１に連結された本発明のロード制御電圧可変回路１４８が動作する。
【００２６】
出力端子１４１の電圧レベルが一定に（ＤＣ成分）保持されるとき、ＮＭＯＳトランジスタＭ２０は、ターンオンされる。その結果ダイオード結線されたＮＭＯＳトランジスタＭ１９を通して出力端子１４７の電圧が大略電源電圧ＶＤＤのレベルで一定に保持される。このとき、電圧カップリングキャパシタＣ２は、出力端子１４７の電圧レベルが一定に（ＤＣ成分）保持されるため、オープン状態（open state）で保持される。以後、入力電圧Ｖｉｎが図５に図示されたように、増加（又は減少）することによって前述の一連の動作（３−端ソースフォロア）によって出力端子１４１の電圧レベルも増加する（減少する）。
【００２７】
それから、ＮＭＯＳトランジスタＭ１９及びＭ２０で構成されるインバータの出力端子１４７は、大略電源電圧ＶＤＤで変化する出力端子１４１の電圧Ｖｏｕｔレベルによって低くなる。このとき、電圧カップリングキャパシタＣ２は、変化する出力端子１４７の電圧レベルによって短絡状態（short state）になる。抵抗Ｒ２を通して３端ソースフォロア１４２、１４４、１４６のロードトランジスタＭ１４、Ｍ１６、Ｍ１８のゲートに印加されるロード制御電圧Ｖｇは、電圧カップリングキャパシタ及びＣ２及びＮＭＯＳトランジスタＭ２０を通して流れる電流の量だけ低くなりロードトランジスタＭ１４、Ｍ１６及びＭ１８を通して流れる電流の量が減少するようにする。それ故、出力回路３００の出力端子１４１の電圧レベルは、図５に図示されたように、一般の場合と比較して相対的に高くなる。即ち、ソースフォロア回路１４０の利得（又は、ＡＣ利得）が一般に使用されるソースフォロア回路（図４で１４８を除外した余りのソースフォロア回路）と比較して相対的に向上する。それ故、高感度固体撮像装置を具現することができる。
【００２８】
【発明の効果】
ソースフォロアのロードトランジスタに印加される電圧が入力／出力電圧の変化と反対方向に変化するようにロード制御電圧可変部がソースフォロア回路に提供される。その結果、入力電圧の観点で出力電圧の利得が改善される。そのようなソースフォロア回路を固体撮像装置の出力回路に適用すると、高集積化による撮像素子の減少にもかかわらず、高感度固体撮像装置が具現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の望ましい第１実施の形態によるソースフォロア回路の詳細回路図である。
【図２】  本発明の望ましい第２実施の形態による３端ソースフォロア回路の詳細回路図である。
【図３】  本発明によるソースフォロア回路を利用して構成された出力回路を有する固体撮像装置の構成断面図である。
【図４】  図３に図示された出力回路の詳細回路図である。
【図５】  入力電圧と出力電圧の関係を示す波形図である。
【図６】  一般の場合及び本発明の場合を比較するため図５で出力電圧の波形部分を拡大した図面である。
【符号の説明】
２  入力端子
４  出力端子
６  制御端子
７  ソースフォロア
８  ロード制御電圧可変部
１０  ソースフォロア回路
１２，１４，１６  ソースフォロア
１００  出力回路
１２０  リセットトランジスタ
１４０  ソースフォロア回路
１４１，１４３，１４５、１４７  端子
１４２，１４４，１４６  ソースフォロア
１４８  ロード制御電圧可変部
１４９  連結点
２００  水平伝達部
２０１  基板
２０２  絶縁膜
２０４  伝達ゲート電極
２０６  出力ゲート電極
２０８  フローティング拡散領域
２１０  Ｎ型不純物領域
２１２  リセットゲート電極
３００  固体撮像装置
【図１】
0004195150.tif 000002
【図２】
0004195150.tif 000003
【図３】
0004195150.tif 000004
【図４】
0004195150.tif 000005
【図５】
0004195150.tif 000006
【図６】
0004195150.tif 000007