CN109981837B - 固体摄像元件、比较器和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供固体摄像元件、比较器和电子设备，所述固体摄像元件包括将包含光电转换部的多个单位像素矩阵状配置的像素阵列部、以及把从像素阵列部的各单位像素输出的模拟的像素信号转换为数字信号的模拟－数字转换部。而且，模拟－数字转换部具有比较器，所述比较器包扩输入规定的参照信号和模拟的像素信号的差动输入部以及差动输入部的有源负载部，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子，且多个控制端子公共电连接。

Description

固体摄像元件、比较器和电子设备
技术领域
本发明涉及固体摄像元件、比较器和电子设备。
背景技术
作为拍摄图像的固体摄像元件，例如有CCD(Charge Coupled Device)图像传感器和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。近年来，不需要特别的设备投资，能用现有的CMOS工艺制造的CMOS图像传感器受到瞩目，其在内置于手机的照相系统和监视系统中的应用正快速发展。
CMOS图像传感器具有(AD(Analog to Digital)转换)模拟－数字转换部，将进行光电转换的单位像素(以下，有时简称“像素”)输出的、模拟的像素信号(电信号)转换为数字信号。作为CMOS图像传感器的模拟－数字转换部，根据处理速度高速化等的要求，采用列并行型的模拟－数字转换部(以下，有时称为列并行模拟－数字转换部)，其能将排成一行的多个像素的两个以上的像素、例如全部的像素所输出的像素信号并行地进行模拟－数字转换。
列并行模拟－数字转换部例如通过将与像素列的列数相同数量等的多个模拟－数字转换器(AD转换器)在行方向排列配置而构成。而且，各列的模拟－数字转换器，进行对应的像素列的单位像素所输出的、电信号的模拟－数字转换。作为构成列并行模拟－数字转换部的模拟－数字转换器，例如有所谓参照信号比较型的模拟－数字转换器，其具有比较器和计数器，通过将规定的参照信号与单位像素所输出的模拟的像素信号进行比较，进行像素信号的模拟－数字转换。
作为参照信号比较型的模拟－数字转换器，单斜率模拟－数字转换器已被公众所知(例如，参照专利文献1(日本专利发明公报特开2013-90305号))。单斜率模拟－数字转换器中，在例如由场效应晶体管构成的差动输入部和由该差动输入部的有源负载部构成的比较器中，将斜坡(RAMP)信号等、电平以一定的斜率变化的参照信号与单位像素所输出的像素信号进行比较。而且，在计数器中，对直到参照信号和像素信号的电平一致为止的、参照信号的电平的变化所需要的时间进行计数。由此进行单位像素所输出的模拟的像素信号(电信号)的模拟－数字转换。
可是，作为表示CMOS图像传感器的画质好坏的指标，有感知的图像的时间性抖动。所述图像的时间性抖动是源于从各像素检测出的电信号在通过周边电路期间、信号电平时间性地随机波动而引起的。作为上述情况的原因之一，可以列举出构成比较器的差动输入部或有源负载部的随机噪声。若随机噪声较大时，则使感知的图像数据明显波动。
为降低所述图像数据的波动，需要减少成为噪声源的、构成比较器的差动输入部和有源负载部的随机噪声。已知所述随机噪声的噪声功率，和构成比较器的晶体管的控制端子的面积成反比。即，若加大晶体管的控制端子的面积，则能降低随机噪声的噪声功率。可是，当加大晶体管的控制端子的面积时，会带来比较器的电路面积增大。
发明内容
本发明的目的是提供能抑制电路面积增大并能使模拟－数字转换器低噪声化、高性能的固体摄像元件、比较器和具有所述固体摄像元件的电子设备。
为达到上述目的，本发明提供一种固体摄像元件，其包括：像素阵列部，将包含光电转换部的多个单位像素矩阵状配置；以及模拟－数字转换部，把从像素阵列部的各单位像素输出的模拟的像素信号转换为数字信号，模拟－数字转换部具有比较器，所述比较器包括输入规定的参照信号和模拟的像素信号的差动输入部以及差动输入部的有源负载部，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子，多个控制端子公共电连接。
为达到上述目的，本发明提供一种比较器，所述比较器包括输入规定的参照信号和模拟的像素信号的差动输入部以及差动输入部的有源负载部，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子，多个控制端子公共电连接。
为达到上述目的，本发明提供一种电子设备，其具有上述结构的固体摄像元件。
附图说明
图1是表示本发明的CMOS图像传感器的基本结构的示意框图。
图2是表示单位像素的电路结构的一例电路图。
图3是表示列并行模拟－数字转换部的结构的一例的框图。
图4是表示本发明的CMOS图像传感器的平置型的芯片结构的俯视示意图。
图5是表示本发明的CMOS图像传感器的层压型的芯片结构的分解立体示意图。
图6A是表示由场效应晶体管构成的比较器的电路结构的一例的电路图，图6B是表示多指结构的布局俯视图。
图7A是表示实施例1的有源负载部的要部的布局俯视图，图7B是表示参考例的多指结构的布局俯视图。
图8是表示沿图7A的A－A线的箭头方向的断面图。
图9是表示将4个PMOS晶体管通过实施例1的布局和参考例的布局制作时的、针对漏极电流Id的互导gm图。
图10是将构成有源负载部的晶体管自身的随机噪声谱用栅极输入换算噪声SVg表示的图。
图11是针对比较器的随机噪声和输出电压波动的改善效果，将使用实施例1的布局的情况与使用参考例的布局的情况进行比较的图。
图12A是表示实施例2的有源负载部的要部的布局的俯视图，图12B是表示共质心配置的一例布局图。
图13是表示实施例3的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图14是表示实施例4的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图15是表示实施例5的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图16是表示实施例6的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图17是表示实施例7的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图18是表示实施例8的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图19A是实施例9的有源负载部的要部的布局的俯视图，图19B是表示沿图19A的B－B线的箭头方向的断面图。
图20A是表示实施例10的有源负载部的要部的布局的俯视图，图20B是表示实施例11的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图21A是表示实施例12的有源负载部的要部的布局的俯视图，图21B是表示实施例13的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图22是表示由双极型晶体管构成的比较器的电路结构的一例的电路图。
图23是表示实施例14的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图24是表示实施例15的有源负载部的要部的布局的俯视图。
图25是表示实施例16的有源负载部的要部的布局俯视图。
图26A是表示应用例1的模拟开关的电路示例的电路图，图26B是表示所述模拟开关的检测信号和输出信号的波形的波形图。
图27A是表示应用例2的三角波发生电路的电路示例的电路图，图27B是表示所述三角波发生电路的输出波形的波形图。
图28是表示应用例3的数字－模拟转换器的电路示例的电路图。
图29是表示本发明的技术的应用例的图。
图30是表示本发明的电子设备的一例亦即摄像装置的结构的框图。
图31是表示应用本发明的技术得到的移动体控制系统的一例亦即车辆控制系统的示意结构例的框图。
图32是表示摄像部的设置位置的例示图。
附图标记说明
1···CMOS图像传感器，2···单位像素，11···像素阵列部，12···行选择部，13···恒定电流源部，14···模拟－数字转换部，15···水平传输扫描部，16···信号处理部，17···时序控制部，18···水平传输线，19···参照信号生成部，21···光电二极管(光电转换部)，22···传输晶体管，23···复位晶体管，24···放大晶体管，25···选择晶体管，31(311～31m)···像素驱动线，32(321～32n)···垂直信号线，140···单斜率模拟－数字转换器，141(1411、1412)···比较器，1411···差动输入部，1412···恒定电流源，1413···有源负载部
具体实施方式
以下，采用附图具体说明用于实施本发明的技术的方式(以下，称“实施方式”)。本发明的技术不限于实施方式，实施方式中的各种数值和材料等为例示。在以下的说明中，对同一要素或具有同一功能的要素标注同一附图标记，并省略重复说明。另外，说明按以下的顺序进行。
1.有关本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备的全面说明
2.本发明的固体摄像元件
2－1.CMOS图像传感器的结构例
2－2.单位像素的结构例
2－3.模拟－数字转换部的结构例
2－4.芯片结构
2－4－1.平置型的芯片结构(所谓平置结构)
2－4－2.层压型的芯片结构(所谓层压结构)
2－5.关于比较器
2－5－1.比较器的电路结构例
2－5－2.关于MOS型场效应晶体管的随机噪声
2－6.第一实施方式(构成比较器的晶体管由场效应晶体管组成的示例)
2－6－1.实施例1(构成有源负载部的一方的晶体管由场效应晶体管形成的示例)
2－6－2.实施例2(实施例1的变形例：在一个有效区域(avtive area)形成1个场效应晶体管的示例)
2－6－3.实施例3(实施例1的变形例：在一个有效区域形成多个场效应晶体管的示例)
2－6－4.实施例4(实施例1的变形例：2个以上的场效应晶体管的并联与串联的组合示例)
2－6－5.实施例5(实施例1的变形例：2个以上的场效应晶体管的串联与并联的组合示例)
2－6－6.实施例6(实施例1的变形例：配置虚拟的栅极端子的示例)
2－6－7.实施例7(实施例6的变形例：在构成电路的场效应晶体管之间配置虚拟的栅极端子的示例)
2－6－8.实施例8(构成有源负载部的双方的场效应晶体管由场效应晶体管形成的示例)
2－7.第二实施方式(构成比较器的晶体管由鳍式场效应晶体管组成的示例)
2－7－1.实施例9(构成有源负载部的一方的晶体管由1个鳍式场效应晶体管组成的示例)
2－7－2.实施例10(由串联的多个鳍式场效应晶体管组成的示例)
2－7－3.实施例11(由并联的多个鳍式场效应晶体管组成的示例)
2－7－4.实施例12(串联的鳍式场效应晶体管组并联的示例)
2－7－5.实施例13(并联的鳍式场效应晶体管组串联的示例)
2－8.第三实施方式(构成比较器的晶体管由双极型晶体管组成的示例)
2－8－1.实施例14(在一个有效区域双极型晶体管形成1个的示例)
2－8－2.实施例15(在一个有效区域形成多个双极型晶体管的示例)
2－8－3.实施例16(实施例15的变形例：串联的示例)
3.比较器的应用例
3－1.应用例1(应用在模拟开关中的示例)
3－2.应用例2(应用在三角波发生电路中的示例)
3－3.应用例3(应用在数字－模拟转换器中的示例)
4.变形例
5.应用例
6.本发明技术的应用例
6－1.本发明的电子设备(摄像装置的示例)
6－2.应用于移动体的应用例
7.本发明可以采用的结构
(关于本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备的全面说明)
本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备中，构成有源负载部的至少一个晶体管，可以由具有多个控制端子的多个场效应晶体管构成。而且，对于多个场效应晶体管，可以将漏极区域和源极区域交替串联、栅极端子全部共同连接。
包含上述优选结构的本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备中，多个场效应晶体管可以通过有效区域串联。此外，多个场效应晶体管可以分散配置在不同的有效区域中，不同的有效区域间用配线连接。
此外，包含上述优选结构的本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备中，未形成场效应晶体管的有效区域上，可以配置虚拟的栅极端子。
此外，本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备中，构成有源负载部的至少一个晶体管，可以由具有多个控制端子的多个双极型晶体管构成。而且，关于多个双极型晶体管，可以使发射极区域和集电极区域交替串联、基极端子全部共同连接。
包含上述优选结构的本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备中，多个双极型晶体管可以分散配置在不同的有效区域、用配线串联。而且，在不同的有效区域间，多个双极型晶体管可以用配线串联。此外，多个双极型晶体管可以配置在相同有效区域内，多个双极型晶体管间基极端子共同连接。
此外，本发明的固体摄像元件、比较器和电子设备中，构成有源负载部的至少一个晶体管，可以由鳍式场效应晶体管构成。
(本发明的固体摄像元件)
首先，说明本发明的固体摄像元件的基本结构。这里，作为固体摄像元件，举例说明X－Y地址方式的固体摄像元件的一种亦即CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器。CMOS图像传感器是应用或部分使用CMOS工艺制作的图像传感器。
(CMOS图像传感器的结构例)
图1是表示本发明的CMOS图像传感器的基本结构的示意的框图。本发明的CMOS图像传感器1具有像素阵列部11以及所述像素阵列部11的周边电路部，所述像素阵列部11是包含光电转换部的单位像素(以下，有时简称“像素”)2在行方向和列方向即矩阵状二维配置而成的。其中，行方向指像素行的单位像素2的排列方向(所谓水平方向)，列方向指像素列的单位像素2的排列方向(所谓垂直方向)。单位像素2通过进行光电转换，生成与接收的光量对应的光电荷并蓄积。
像素阵列部11的周边电路部例如由行选择部12、恒定电流源部13、模拟－数字转换部14、水平传输扫描部15、信号处理部16和时序控制部17等构成。
在像素阵列部11中，针对矩阵状的像素排列，对每个像素行沿行方向配置像素驱动线311～31m(以下，有时总称“像素驱动线31”)。此外，对每个像素列沿列方向配置垂直信号线321～32n(以下，有时总称“垂直信号线32”)。像素驱动线31传输用于进行从单位像素2读出信号时的驱动的驱动信号。图1中像素驱动线31图示为1条配线，但是不限于1条。像素驱动线31的一端与行选择部12的对应于各行的输出端连接。
以下，说明像素阵列部11的周边电路部的各电路部，即，行选择部12、恒定电流源部13、模拟－数字转换部14、水平传输扫描部15、信号处理部16和时序控制部17。
行选择部12由移位寄存器和地址解码器等构成，在选择像素阵列部11的各像素2时，控制像素行的扫描和像素行的地址。所述行选择部12的具体结构省略图示，但是通常具有读出扫描系统和扫出扫描系统这两个扫描系统。
为了从单位像素2读出像素信号，读出扫描系统对像素阵列部11的单位像素2以行单位依次进行选择扫描。从单位像素2读出的像素信号是模拟信号。扫出扫描系统对于读出扫描系统进行读出扫描的读出行，比所述读出扫描提前快门速度的时间进行扫出扫描。
通过所述扫出扫描系统的扫出扫描，从读出行的单位像素2的光电转换部将无用的电荷扫出，使所述光电转换部复位。而且，通过由所述扫出扫描系统进行无用电荷的扫出(复位)，进行所谓电子快门操作。这里，电子快门操作是指，丢掉光电转换部的光电荷并重新开始曝光(开始光电荷的蓄积)的操作。
恒定电流源部13由分别与每个像素列的垂直信号线321～32n连接的由MOS晶体管构成的电流源I的集合组成(参照图2)，针对由行选择部12选择扫描的像素行的各像素2，通过各垂直信号线321～32n供给偏置电流。
模拟－数字转换部14由和垂直信号线321～32n分别对应设置的多个模拟－数字转换器的集合构成，是将每个像素列输出的模拟像素信号转换为N位数字信号的列并行型的模拟－数字转换部。作为列并行模拟－数字转换部14中的模拟－数字转换器，采用参照信号比较型的模拟－数字转换器的一例即单斜率模拟－数字转换器。
水平传输扫描部15由移位寄存器和地址解码器等构成，在读出像素阵列部11的各像素2的信号时，控制像素列的扫描和像素列的地址。在所述水平传输扫描部15的控制下，由模拟－数字转换部14转换为数字信号的像素信号，以像素列单位被读出到2N位宽度的水平传输线18中。
信号处理部16对通过水平传输线18供给的像素信号，例如进行放大处理和计算处理等各种信号处理，作为本CMOS图像传感器1的输出信号输出。
时序控制部17生成各种时序信号、时钟信号和控制信号等，根据这些生成的信号，进行行选择部12、恒定电流源部13、模拟－数字转换部14、水平传输扫描部15以及信号处理部16等的驱动控制。
(单位像素的电路结构例)
图2是表示单位像素2的电路结构的一例的电路图。作为光电转换部，单位像素2具有例如光电二极管21。单位像素2除了光电二极管21以外，还具有传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24以及选择晶体管25。
另外，这里作为传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24以及选择晶体管25的4个晶体管，例如使用N沟道MOS型场效应晶体管(Field effect transistor：FET)。但是，这里例示的4个晶体管22～25的导电型的组合仅为一例，不限于上述的组合。
对于单位像素2，作为上述的像素驱动线31，针对同一像素行的各像素2共同配置多个像素驱动线。上述多个像素驱动线以像素行单位连接于行选择部12的与各像素行对应的输出端。行选择部12对多个像素驱动线适当输出传输信号TRG、复位信号RST以及选择信号SEL。
光电二极管21的阳极端子连接于低电位侧电源(例如接地)，将接收的光光电转换为与其光量对应的电荷量的光电荷(这里为光电子)并蓄积所述光电荷。光电二极管21的阴极端子，通过传输晶体管22与放大晶体管24的栅极端子电连接。这里，放大晶体管24的栅极端子电连接的区域是浮动传播区(浮游扩散区域/杂质扩散区域)FD。浮动传播区FD是将电荷转换为电压的电荷电压转换部。
从行选择部12向传输晶体管22的栅极端子提供高电平(例如VDD电平)有效的传输信号TRG。传输晶体管22响应传输信号TRG而成为导通状态，在光电二极管21进行光电转换，将所述光电二极管21中蓄积的光电荷向浮动传播区FD传输。
复位晶体管23连接在高电位侧电源VDD的节点和浮动传播区FD之间。从行选择部12向复位晶体管23的栅极端子提供高电平有效的复位信号RST。复位晶体管23响应复位信号RST而成为导通状态，通过将浮动传播区FD的电荷丢到电压VDD的节点上，使浮动传播区FD复位。
放大晶体管24的栅极端子连接于浮动传播区FD，漏极端子连接于高电位侧电源VDD的节点。放大晶体管24成为用于读出在光电二极管21进行光电转换得到的信号的源极跟随器的输入部。即，放大晶体管24的源极端子通过选择晶体管25连接于垂直信号线32。而且，放大晶体管24和连接于垂直信号线32的一端的电流源I，构成将浮动传播区FD的电压转换为垂直信号线32的电位的源极跟随器。
选择晶体管25的例如漏极端子连接于放大晶体管24的源极端子，源极端子连接于垂直信号线32。从行选择部12向选择晶体管25的栅极端子提供高电平有效的选择信号SEL。选择晶体管25响应选择信号SEL而成为导通状态，使单位像素2成为选择状态，将从放大晶体管24输出的信号向垂直信号线32传递。
另外，选择晶体管25也可以采用连接在高电位侧电源VDD的节点和放大晶体管24的漏极端子之间的电路结构。此外，本例中作为单位像素2的像素电路，列举了由传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24以及选择晶体管25构成的，即由4个晶体管(Tr)构成的4Tr结构，但是不限于此。例如，还可以是省略选择晶体管25，使放大晶体管24具有选择晶体管25的功能的3Tr结构，也可以是根据需要增加晶体管的数量的5Tr以上的结构。
(模拟－数字转换部的结构例)
接下来，说明列并行模拟－数字转换部14的结构例。图3是表示列并行模拟－数字转换部14的结构的一例的框图。本发明的CMOS图像传感器1中的模拟－数字转换部14，由分别和垂直信号线321～32n对应设置的多个单斜率模拟－数字转换器的集合构成。这里，举例说明第n列的单斜率模拟－数字转换器140。
单斜率模拟－数字转换器140具有比较器141、计数器电路142以及锁存器电路143。在单斜率模拟－数字转换器140中，采用电压值随着时间的经过而逐渐变化的所谓RAMP波形(斜波)的参照信号。斜坡波形的参照信号由参照信号生成部19生成。参照信号生成部19例如可以使用DAC(数字－模拟转换)电路。
比较器141将从单位像素2读出的像素信号作为比较输入，将在参照信号生成部19生成的参照信号作为基准输入，对两个信号进行比较。而后，比较器141例如在参照信号大于像素信号时输出成为第一状态(例如，高电平)，当参照信号在像素信号以下时输出成为第二状态(例如，低电平)。这样，比较器141的输出信号成为具有和像素信号的电平的大小对应的脉冲宽度的脉冲信号。
在和比较器141的参照信号的供给开始时机相同的时机，从时序控制部17对计数器电路142提供时钟信号CLK。而后，计数器电路142与时钟信号CLK同步进行计数动作，对比较器141的输出脉冲的脉冲宽度的期间即从比较动作开始至比较动作结束为止的期间进行计测。所述计数器电路142的计数结果(计数值)成为将模拟的像素信号数字化的数字值。
锁存器电路143锁存作为计数器电路142的计数结果的数字值。而且，在水平传输扫描部15的驱动下，将锁存的数字值向水平传输线18输出。
如上所述，在由单斜率型模拟－数字转换器140的集合构成的列并行模拟－数字转换部14，根据在参照信号生成部19生成的逐渐变化的模拟值的参照信号与从单位像素2输出的模拟的像素信号的大小关系变化为止的时间信息得到数字值。另外，上述例示了针对像素列、以1对1的关系配置模拟－数字转换器140构成的模拟－数字转换部14，但是也可以将多个像素列作为单位、配置模拟－数字转换器140，从而构成模拟－数字转换部14。
(芯片结构)
作为上述结构的本发明CMOS图像传感器1的芯片(半导体集成电路)结构，可以例示平置型的芯片结构和层压型的芯片结构。在平置型的芯片结构和层压型的芯片结构的任意CMOS图像传感器1中，对于单位像素2，当以配置配线层一侧的基板面作为表面(正面)时，可以构成从其相反侧的背面侧取入照射的光的背面照射型的像素结构。以下，说明平置型的芯片结构和层压型的芯片结构。
(平置型的芯片结构)
图4是本发明的CMOS图像传感器1的平置型的芯片结构的俯视示意图。如图4所示，平置型的芯片结构即所谓平置结构，是在与单位像素2矩阵状配置构成的像素阵列部11相同的半导体基板41上，形成像素阵列部11的周边的电路部分的结构。具体在和像素阵列部11相同的半导体基板41上，形成行选择部12、恒定电流源部13、模拟－数字转换部14、水平传输扫描部15、信号处理部16、时序控制部17、参照信号生成部19以及DC供给部20等。
(层压型的芯片结构)
图5是本发明的CMOS图像传感器的层压型的芯片结构的分解立体示意图。如图5所示，层压型的芯片结构即所谓层压结构，是第一半导体基板42和第二半导体基板43至少两个半导体基板层压的结构。在所述层压结构中，像素阵列部11形成在第一层的第一半导体基板42上。此外，行选择部12、恒定电流源部13、模拟－数字转换部14、水平传输扫描部15、信号处理部16、时序控制部17、参照信号生成部19以及DC供给部20等电路部分，形成在第二层的第二半导体基板43上。而且，第一层的第一半导体基板42和第二层的第二半导体基板43，通过过孔(VIA)44电连接。
按照所述层压结构的CMOS图像传感器1，作为第一半导体基板42只要是能形成像素阵列部11的大小(面积)即可，所以能够减小第一层的第一半导体基板42的尺寸(面积)，进而能够减小芯片整体的尺寸。而且，对第一层的第一半导体基板42能应用适合单位像素2的制作的工艺，而对第二层的第二半导体基板43能应用适合电路部分的制作的工艺，所以还具有在制造CMOS图像传感器1时可以实现工艺最佳化的优点。特别是，在制作电路部分时，能应用先进工艺。
另外，这里例示了将第一半导体基板42和第二半导体基板43层压构成的2层结构的层压结构，但是作为层压结构，不限于2层结构，还可以是3层以上的结构。而且，3层以上的层压结构的情况下，行选择部12、恒定电流源部13、模拟－数字转换部14、水平传输扫描部15、信号处理部16、时序控制部17、参照信号生成部19以及DC供给部20等电路部分，可以分散形成在第二层以后的半导体基板上。
(关于比较器)
然而，公知在上述的单斜率型模拟－数字转换器140中，构成比较器141的差动输入部及其有源负载部的随机噪声越大，感知的图像数据抖动越显著。
(比较器的电路结构例)
图6A表示了比较器141的电路结构的一例。比较器141具有差动输入部1411、恒定电流源1412以及有源负载部1413。差动输入部1411由源极端子公共连接的例如N沟道的MOS型场效应晶体管(FET)Tr1、Tr2构成。MOS型场效应晶体管Tr1的栅极端子上，通过电容元件C1输入参照信号，MOS型场效应晶体管Tr2的栅极端子上，通过电容元件C2输入像素信号。
恒定电流源1412连接在MOS型场效应晶体管Tr1、Tr2的源极公共连接节点与基准电位(例如，接地电位)的节点之间。有源负载部1413由连接在MOS型场效应晶体管Tr1、Tr2的各漏极端子与电源电压VDD的节点之间的P沟道的MOS型场效应晶体管Tr3、Tr4构成。
在有源负载部1413中，MOS型场效应晶体管Tr3、Tr4的各栅极端子公共连接。此外，MOS型场效应晶体管Tr3的栅极端子和漏极端子公共连接。即，MOS型场效应晶体管Tr3、Tr4构成电流镜电路。而且，从场效应晶体管Tr2和场效应晶体管Tr4的各漏极公共连接节点，导出输出Vout。
(关于MOS型场效应晶体管的随机噪声)
在上述结构的比较器141中，为降低感知的图像数据的抖动，应减少成为噪声源的MOS型场效应晶体管的随机噪声。MOS型场效应晶体管的随机噪声，大体由闪烁噪声(1/f噪声)和随机电报噪声(RTN)和热噪声决定(例如，参照参考文献1)。
参考文献1：P.Martin-Gonthier,et al.,“RTS noise impact in CMOS imagesensors readout circuit”,ICECS2009,Pages::928-931
已知闪烁噪声和随机电报噪声的噪声功率和MOS型场效应晶体管的栅极端子的面积成反比。在此，在构成比较器141的MOS型场效应晶体管Tr1～Tr4中，成为噪声源的有源负载部1413的场效应晶体管Tr3、Tr4，例如图6B所示，通过多个场效应晶体管并联的多指结构，使场效应晶体管整体的栅极端子的面积加大。这样，能够降低闪烁噪声和随机电报噪声，从而降低感知的图像数据的时间性的波动。
随着CMOS图像传感器在各种领域的应用，不仅要求高功能、高性能，还要求CMOS图像传感器的低噪声化。同时，还强烈要求装载CMOS图像传感器的装置实现小型化。因此，通过加大成为噪声源的有源负载部1413的MOS型场效应晶体管的栅极端子的面积来实现低噪声化的方法，由于如上所述电路面积也增大，所以难以同时实现装置的小型化。
此外，为实现产品的高功能化，用于制造CMOS图像传感器的半导体工艺也需要使用装载高性能MOS型场效应晶体管的精细工艺，然而第28nm代以后的CMOS工艺，取代氮氧化硅(SiON)/多晶硅(PolySi)栅工艺，导入了高介电常数/金属栅(High－K/Metal栅)工艺(例如，参照参考文献2)
参考文献2：S.Morvan,et al.,“Gate-last integration on planar FDSOIMOSFET:Impact of mechanical boosters and channel orientations”,2013IEEEInternational Electron Devices Meeting,Pages:20.3.1-20.3.4
根据所述High－K/金属栅工艺，例如在MOS型场效应晶体管的栅极端子形成区域中埋入金属材料后，使用CMP(化学机械研磨)技术研磨金属材料进行平坦化，形成栅极端子。
可是，在High－K/金属栅工艺的情况下，由于栅极端子形成区域的平面大小越大，研磨的金属材料的量越多，所以栅极端子的面积较大时，金属材料大幅消失，从而成为成品率降低的原因。因此，High－K/金属栅工艺中，难以在半导体基板上制作栅极面积较大的MOS型场效应晶体管。
以上，在按照CMOS图像传感器的高功能化/小型化的趋势推进低噪声化时，不能再使用将成为电路内的噪声源的MOS型场效应晶体管的栅极端子的面积加大的方法，而是要求在不增大电路面积的情况下实现低噪声化的方法。这里，列举了比较器141由MOS型场效应晶体管构成的情况，但由双极型晶体管构成时也同样。
在此，按照本发明的CMOS图像传感器1，在具有包含差动输入部和所述差动输入部的有源负载部的比较器的模拟－数字转换器中，为了抑制电路面积的增大并实现低噪声化，采用以下的结构。即，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子。而且，多个控制端子公共电连接。
这样，通过使构成有源负载部的至少一个晶体管的多个控制端子公共电连接，如后所述，能降低有源负载部的互导，所以能够抑制电路面积的增大并实现低噪声化。构成有源负载部的晶体管，也可以由MOS型场效应晶体管构成，还可以由双极型晶体管构成。控制电流的多个控制端子，在MOS型场效应晶体管的情况下是栅极端子，在双极型晶体管的情况下是基极端子。
以下，说明在具有包含差动输入部和所述差动输入部的有源负载部的比较器的模拟－数字转换器中，能够抑制电路面积的增大并实现低噪声化的具体实施例。
(第一实施方式)
本发明的第一实施方式是构成比较器141的晶体管由场效应晶体管构成的例子。以下，对第一实施方式的具体实施例，以实施例1至实施例8进行说明。
(实施例1)
实施例1是构成有源负载部1413的一方的晶体管Tr4由场效应晶体管构成的例子。图7A表示了实施例1的有源负载部的要部布局，图8表示了沿图7A的A－A线的箭头断面视图。这里，例示了构成图6A所示的比较器141的电路结构中的有源负载部1413的一方的P沟道MOS型场效应晶体管(以下，省略为“PMOS晶体管”)Tr4的结构。
构成实施例1的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为由任意的栅极长度和栅极宽度构成的例如4个PMOS晶体管511、512、513、514，以有效区域共同连接的方式串联的结构。具体4个PMOS晶体管511、512、513、514，形成在P型半导体基板52上的由元件分隔部53包围的N井区域构成的有效区域54内，通过所述有效区域54串联。
即，在实施例1的PMOS晶体管Tr4中，作为控制电流的控制端子，例如具有4个栅极端子(附图中图示为栅极。在以下的各实施例中也相同)551、552、553、554。而且，4个栅极端子551、552、553、554由配线56公共电连接，各个栅极端子551、552、553、554之间不存在接触，成为漏极区域和源极区域交替串联的结构。成为源极区域和漏极区域的有效区域54内的两端部的P+区域，通过层间膜60电连接于源极端子57和漏极端子58。
此外，作为参考例，图7B表示了将与实施例1的有源负载部1413相同的栅极长度和栅极宽度构成的4个PMOS晶体管511、512、513、514，以多指结构设计的情况的布局。
在图7A的实施例1和图7B的参考例的比较中，两者的布局面积不变，但是相对于参考例的布局，实施例1的布局中4个PMOS晶体管511、512、513、514相对于源极、漏极方向串联。因此，沟道电阻加大，所以有源负载部1413的互导gm减小。
例如，图9表示了将栅极长度＝0.5μm、栅极宽度＝2μm的4个PMOS晶体管511、512、513、514以实施例1的布局和参考例的布局制作的情况下的，相对于漏极电流Id的互导gm。从图9明显可知，相比参考例的布局，在实施例1的布局的情况下，漏极电流Id为1μA附近的互导gm减小了1位数。
这样，通过减小有源负载部1413的互导gm，可以实现比较器141自身的噪声的降低(低噪声化)。对此，以下进行具体说明。
在图6A所示的比较器141的电路结构中，构成差动输入部1411的N沟道MOS型场效应晶体管(以下，省略为“NMOS晶体管”)Tr2的随机噪声成分设为Vn_n 2，互导设为gm_n。此外，构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的随机噪声成分设为Vn_p 2，互导设为gm_p。此时，从比较器141输出的全随机噪声Vn 2，由下述公式(1)表示。
Figure BDA0001913714750000181
即，从比较器141输出的全随机噪声Vn 2，表示为差动输入部1411的随机噪声成分Vn_n 2与有源负载部1413的随机噪声成分Vn_p 2的和。有源负载部1413的随机噪声成分Vn_p 2，与构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的互导gm_p成比例地贡献于比较器141的随机噪声Vn 2。
图10用栅极输入换算噪声SVg表示了构成有源负载部1413的晶体管自身的随机噪声谱。从图10明显可知，关于构成有源负载部1413的晶体管自身的随机噪声，由于相对于参考例的布局，实施例1的布局一方较大，所以有源负载部1413的随机噪声成分Vn_p 2自身增加。
但是，由于有源负载部1413的互导gm_p降低，所以(gm_p/gm_n)2×Vn_p 2减小。因此，对于差动输入部1411的随机噪声成分Vn_n 2，在实施例1的布局和参考例的布局中没有变化，但是对于比较器141整体的随机噪声Vn 2，相比参考例的布局，实施例1的布局一方减小。
此外，通过应用实施例1的技术，还可以改善比较器141的输出补偿电压离散的标准偏差。这里，输出补偿电压离散是指，因构成比较器141的元件的特性离散产生的比较器141的输出电压的离散程度的量。所述输出补偿电压离散的标准偏差较大时，固定模式噪声增大。构成比较器141的晶体管的阈值电压离散越大，输出补偿电压离散越显著。
在图6A所示的比较器141的电路结构中，构成差动输入部1411的NMOS晶体管Tr2的阈值电压离散的标准偏差设为σVth_n，互导设为gm_n。此外，构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的阈值电压离散的标准偏差设为σVth_p，互导设为gm_p。此时，比较器141的输出补偿电压离散的标准偏差σVout，由下述公式(2)表示。
Figure BDA0001913714750000191
即，比较器141的输出补偿电压离散的标准偏差σVout，由差动输入部1411的NMOS晶体管Tr2的阈值电压离散σVth_n以及有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的阈值电压离散的标准偏差σVth_p的和决定。有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的阈值电压离散的标准偏差σVth_p，与互导gm_p成比例地贡献于输出补偿电压离散的标准偏差σVout。
阈值电压离散通常依赖MOS型场效应晶体管的栅极面积。因此，在实施例1的布局和参考例的布局中，构成有源负载部1413的PMOS晶体管的阈值电压离散是相同的。因此，构成差动输入部1411的NMOS晶体管Tr2的阈值电压离散的标准偏差σVth_n，在实施例1的布局和参考例的布局中不变，所以对于输出补偿电压离散的标准偏差σVout，相比参考例的布局的情况，实施例1的布局一方减小。
图11表示了与使用参考例的布局的情况相比，使用实施例1的布局的情况下的比较器141的随机噪声和输出电压离散的改善效果。这里，构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的沟道长度L与沟道宽度W的比，例如为L/W＝0.5/2μm。而且，设参考例的布局的情况下的有源负载部1413的互导gm_p、差动输入部1411的噪声成分Vn_n、有源负载部1413的噪声成分(gm_p/gm_n)×Vn_p、比较器141的全噪声Vn、输出补偿电压离散的标准偏差σVout为1。
此时，在使用实施例1的布局的情况下的比较器141中，预计有源负载部1413的互导gm_p改善约85％左右，噪声成分(gm_p/gm_n)×Vn_p改善约60％左右。此外，预计比较器141的全噪声Vn改善约15％左右，输出补偿电压离散的标准偏差σVout改善约35％左右。
(实施例2)
实施例2是实施例1的变形例，其有效区域分开，在一个有效区域上各形成1个晶体管，即，是把多个晶体管分散配置在不同的有效区域的示例。图12A表示了实施例2的有源负载部的要部的布局。
构成实施例2的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，在电性分开的例如两个有效区域541、542中，分别形成1个PMOS晶体管。
具体多个(例如2个)有效区域541、542中分别配置栅极端子551、552，形成2个PMOS晶体管511、512。而且，在2个PMOS晶体管511、512中，有效区域541和有效区域542由配线59连接，控制电流的2个栅极端子551、552由配线56公共电连接。
换句话说，实施例2的有源负载部1413，将PMOS晶体管Tr4分割为例如2个PMOS晶体管511、512，并将上述PMOS晶体管511、512串联。
这里，例示了有效区域在电性上被分为2个，通过在各有效区域中分别配置1个栅极端子，合计构成2个PMOS晶体管511、512的情况，但是晶体管的数量不限于2个，也可以是3个以上。此时，在3个以上的PMOS晶体管中，控制电流的3个栅极端子也分别配置在分开的3个以上的有效区域中并由配线56公共电连接。
按照上述实施例2的PMOS晶体管Tr4的结构，在图6A所示的比较器141中，如图12B所示，能成为在PMOS晶体管Tr3和PMOS晶体管Tr4之间使两晶体管的配置重心一致的共质心配置的布局。利用这种布局，能降低PMOS晶体管Tr3和PMOS晶体管Tr4之间的相对特性离散，所以能降低比较器141的输出离散。
关于上述的实施例2的作用、效果，在后述实施例3至实施例5中也相同。PMOS晶体管Tr4的分割方式，兼顾为得到电路设计中要求的特性而所需的沟道宽度W，如实施例2和后述实施例3至实施例5所述，可以采用各种布局。
(实施例3)
实施例3是实施例1的变形例，其有效区域分开，在一个有效区域中各形成多个晶体管。图13表示了实施例3的有源负载部的要部的布局。
构成实施例3的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，在电性分开的例如两个有效区域541、542中，分别形成多个(例如3个)PMOS晶体管。
具体在有效区域541中配置3个栅极端子551、552、553，形成3个PMOS晶体管511、512、513。此外，在有效区域542中配置3个栅极端子554、555、556，形成3个PMOS晶体管514、515、516。
有效区域541中形成的3个PMOS晶体管511、512、513，通过有效区域541彼此串联，有效区域542中形成的3个PMOS晶体管514、515、516，通过有效区域542彼此串联。而且，有效区域541和有效区域542由配线59连接，由此6个PMOS晶体管511～516串联。此外，在6个PMOS晶体管511～516中，控制电流的6个栅极端子551～556由配线56公共电连接。
这里，例示了有效区域在电性上被分为2个，各有效区域分别配置3个栅极端子，合计构成6个PMOS晶体管511～516的情况，但是晶体管的数量不限于6个。例如，还可以在电性分开的两个有效区域中分别配置3个以上的栅极端子，也可以将有效区域在电性上分为3个以上，分别在有效区域中配置2个或3个以上的栅极端子。不论哪种情况，在多个PMOS晶体管中，控制电流的多个栅极端子都由配线56公共电连接。
(实施例4)
实施例4是实施例1的变形例，是2个以上的晶体管的并联及串联的组合示例。图14表示了实施例4的有源负载部的要部的布局。
构成实施例4的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，在电性分开的例如4个有效区域541～544中，分别形成1个PMOS晶体管。
具体在有效区域541内配置栅极端子551、形成PMOS晶体管511，在有效区域542内配置栅极端子552、形成PMOS晶体管512。而且，PMOS晶体管511和PMOS晶体管512的各栅极端子551、552成为共同的端子，通过将源极区域之间和漏极区域之间分别公共电连接，成为并联的结构。
此外，在有效区域543内配置栅极端子553、形成PMOS晶体管513，在有效区域544内配置栅极端子554、形成PMOS晶体管514。而且，PMOS晶体管513和PMOS晶体管514的各栅极端子553、554成为共同的端子，通过将源极区域之间和漏极区域之间分别公共电连接，成为并联的结构。
在上述结构中，并联的PMOS晶体管511和PMOS晶体管512、与并联的PMOS晶体管513和PMOS晶体管514，由配线59串联。即，构成实施例4的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4成为将PMOS晶体管511和PMOS晶体管512并联的组、与PMOS晶体管513和PMOS晶体管514并联的组串联的结构。而且，控制电流的栅极端子551、552和栅极端子553、554由配线56公共电连接。
这里，例示了并联的晶体管的数量为2个的情况，但是不限于2个，还可以并联3个以上。同样，将并联的组串联的数量，也不限于2组，还可以串联3组以上。
(实施例5)
实施例5为实施例1的变形例，是将2个以上的晶体管的串联和并联组合的示例。图15表示了实施例5的有源负载部的要部的布局。
构成实施例5的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，在电性分开的例如两个有效区域541、542中，分别形成多个(例如2个)PMOS晶体管。
具体在有效区域541内配置2个栅极端子551、552、形成2个PMOS晶体管511、512。而且，在上述PMOS晶体管511、512中，各栅极端子551、552之间和源极区域之间分别公共电连接。这样，PMOS晶体管511和PMOS晶体管512彼此串联。
此外，在有效区域542内配置2个栅极端子553、554、形成2个PMOS晶体管513、514。而且，在上述PMOS晶体管513、514中，各栅极端子553、554之间和源极区域之间分别公共电连接。这样，PMOS晶体管513和PMOS晶体管514彼此串联。
在上述结构中，串联的PMOS晶体管511和PMOS晶体管512、与串联的PMOS晶体管513和PMOS晶体管514，由配线59并联。即，构成实施例5的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为将PMOS晶体管511和PMOS晶体管512串联的组、与PMOS晶体管513和PMOS晶体管514串联的组并联的结构。而且，控制电流的栅极端子551、552和栅极端子553、554由配线56公共电连接。
(实施例6)
实施例6为实施例1的变形例，是在有效区域内配置虚拟的栅极端子的示例。图16表示了实施例6的有源负载部的要部的布局。
构成实施例6的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为在有效区域541内配置多个(例如4个)栅极端子551～554并配置多个(例如4个)虚拟的栅极端子611～614的结构。
具体在有效区域541内配置4个栅极端子551～554、形成4个PMOS晶体管511～514。而且，控制电流的4个栅极端子551～554由配线56公共电连接。
此外，在相同的有效区域541内的一方的端部侧配置2个虚拟的栅极端子611、612，在另一方的端部侧配置2个虚拟的栅极端子613、614。上述虚拟的栅极端子611～614通常被给予接地电位。但是，有时也将虚拟的栅极端子611～614设为浮动状态。
按照构成实施例6的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，可以得到下述作用、效果。通过在构成电路的PMOS晶体管511～514的周围配置虚拟的栅极端子611～614，由于配置栅极端子的密度固定，所以能缓和疏密依赖。其结果，由于能够减小加工不均、提高加工精度，所以能降低PMOS晶体管Tr4的特性离散。所述作用、效果在实施例7中也相同。
(实施例7)
实施例7为实施例6的变形例，是在有效区域内配置虚拟的栅极端子时，在构成电路的晶体管之间配置虚拟的栅极端子的示例。图17表示了实施例7的有源负载部的要部的布局。
在实施例6中，相对于构成电路的晶体管的周边部，具体相对于在有效区域541内的中央部形成的4个PMOS晶体管511～514，在其两侧配置虚拟的栅极端子611～614。
对此，在实施例7中，在PMOS晶体管511、512与PMOS晶体管513、514之间配置例如2个虚拟的栅极端子612、613，在有效区域541内的两端部侧配置虚拟的栅极端子611、614。
而且，控制电流的栅极端子551、552和栅极端子553、554由配线56公共电连接。此外，虚拟的栅极端子611～614上，例如被给予接地电位。
构成实施例7的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的情况下，也可以得到与构成实施例6的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4同样的作用、效果。即，由于能缓和疏密依赖，所以能提高加工精度。
(实施例8)
实施例1至实施例7是构成图6A所示的比较器141的电路结构中的有源负载部1413的一方的PMOS晶体管Tr4，由场效应晶体管构成的示例。对此，实施例8为构成有源负载部1413的双方的PMOS晶体管Tr3、Tr4，由场效应晶体管构成的示例。
图18表示了实施例8的有源负载部的要部的布局。实施例8的有源负载部1413的双方的PMOS晶体管Tr3、Tr4分别由多个(例如3个)PMOS晶体管组成，成为在相同的有效区域541内形成的结构。
具体在有效区域541内配置3个栅极端子5531～5533，形成PMOS晶体管Tr3的3个PMOS晶体管5131～5133。在相同的有效区域541内与PMOS晶体管Tr3邻接配置3个栅极端子5541～5543，形成PMOS晶体管Tr4的3个PMOS晶体管5141～5143。此外，在有效区域541的两端部侧，配置虚拟的栅极端子611、612。上述虚拟的栅极端子611、612例如被给予接地电位。
如上所述，实施例8的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr3、Tr4分别由串联的多个(本例中3个)PMOS晶体管组成，并且两个PMOS晶体管Tr3、Tr4的有效区域共同连接。而且，从有效区域541的两端部侧引出漏极端子581、582，而源极端子57在两个PMOS晶体管Tr3、Tr4之间成为共同连接的端子。
按照实施例8的有源负载部1413，由于在构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr3和PMOS晶体管Tr4之间将源极区域共同连接，引出源极端子57作为共同连接的端子，所以能降低有源负载部1413的整体的电路面积。
(第二实施方式)
本发明的第二实施方式是构成比较器141的晶体管由Fin－FET(鳍式场效应晶体管)形成的示例。Fin－FET可以通过高介电常数/金属栅(High－K/Metal栅)工艺形成。Fin－FET是扩充平面型晶体管成为立体性结构，以提高高速动作性能和节电性能的晶体管结构。此时，也可以应用本发明的技术，即，使构成有源负载部1413的晶体管成为具有多个控制端子(栅极端子)的结构，并将上述多个控制端子公共电连接。以下，对第二实施方式的具体实施例以实施例9至实施例13进行说明。
(实施例9)
实施例9是构成有源负载部1413的一方的晶体管Tr4，由1个Fin－FET构成的示例。图19A表示了实施例9的有源负载部的要部的布局，图19B表示了沿图19A的B－B线的箭头断面视图。
构成实施例9的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，在半导体基板71上形成绝缘膜72，并在所述绝缘膜72上设置鳍(Fin)73。而且，通过在鳍73的凹部中配置多个(例如2个)栅极端子551、552，形成2个PMOS晶体管511、512。而且，成为源极区域和漏极区域的鳍73的两端部，与源极端子57和漏极端子58电连接。此外，控制电流的2个栅极端子551、552由配线56公共电连接。
如上所述，构成实施例9的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，由配置有2个以上的栅极端子的1个Fin－FET构成，控制电流的全部栅极端子公共电连接(共同连接)。
(实施例10)
实施例10为实施例9的变形例，是构成有源负载部1413的一方的晶体管Tr4由串联的多个Fin－FET组成的示例。图20A表示了实施例10的有源负载部的要部的布局。
实施例9例示了PMOS晶体管Tr4由1个Fin－FET构成的情况。对此，构成实施例10的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为多个(例如2个)Fin－FET串联的结构。具体2个鳍731、732由配线59串联，上述鳍731、732上配置的栅极端子551、552由配线56公共电连接。
如上所述，构成实施例10的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4的结构是，2个以上的Fin－FET由配线串联，控制电流的全部的栅极端子由配线公共电连接。
(实施例11)
实施例11为实施例9的变形例，是构成有源负载部1413的一方的晶体管Tr4由并联的多个Fin－FET构成的示例。图20B表示了实施例11的有源负载部的要部的布局。
构成实施例11的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4成为将构成实施例9的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4并联多个(例如4个)的结构。具体4个鳍731～734并列设置，各源极区域由源极配线57公共连接，并且各漏极区域由漏极配线58公共连接。此外，栅极端子551、552分别在4个鳍731～734之间成为共同连接端子，两栅极端子551、552由配线56公共电连接。
如上所述，构成实施例11的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为2个以上Fin－FET并联、控制电流的全部的栅极端子公共电连接的结构。
(实施例12)
实施例12为实施例10的变形例，是构成有源负载部1413的一方的晶体管Tr4由将多组串联的Fin－FET组并联构成的示例。图21A表示了实施例12的有源负载部的要部的布局。
构成实施例12的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为将多个(例如2个)构成实施例10的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4并联的结构。具体2个鳍731、732由配线591串联，同样，2个鳍733、734由配线592串联。而且，横跨鳍731和鳍733配置栅极端子551，横跨鳍732和鳍734配置栅极端子552，栅极端子551、552由配线56公共电连接。
如上所述，构成实施例12的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为将串联的Fin－FET并联2个以上、控制电流的全部的栅极端子公共电连接的结构。
(实施例13)
实施例13为实施例9的变形例，构成有源负载部1413的一方的晶体管Tr4，由将多组并联的Fin－FET组串联构成的示例。图21B表示了实施例13的有源负载部的要部的布局。
构成实施例13的有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为将实施例9的构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4并联多个(例如2个)，并将所述并联的组串联多个(例如2组)的结构。具体4个鳍731～734并列设置，各自的一方的端部由配线59公共连接。而且，鳍731和鳍732成为一组、由漏极配线58并联，鳍733和鳍734成为一组、由源极配线57并联。此外，栅极端子551、552分别在4个鳍731～734间成为共同连接端子，两栅极端子551、552由配线56公共电连接。
如上所述，实施例13的构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为2个以上的Fin－FET并联、2组以上的所述并联的Fin－FET组串联、控制电流的全部的栅极端子公共电连接的结构。
如上所述，实施例12的构成有源负载部1413的PMOS晶体管Tr4，成为将串联的Fin－FET并联2以上、控制电流的全部的栅极端子公共电连接的结构。
以上说明的，构成比较器141的晶体管由Fin－FET组成的第二实施方式的情况下，也和上述的实施例2至实施例5的情况同样，可以形成共质心配置的布局。利用共质心配置的布局，可以得到与实施例2至实施例5的情况同样的作用、效果。
此外，Fin－FET的鳍73的宽度，虽然从加工方面考虑是不能自由改变的固定值，但是通过实施例11(图20B)至实施例13(图21B)，可以将合计的沟道长度W加长，所以能够进一步低噪声化和降低晶体管特性的离散。
此外，用高介电常数/金属栅工艺形成的Fin－FET，由于晶体管的栅极长度的最大值被限制，所以难以对现有的平面结构加大漏极电阻Rds(＝1/gds)。然而加大漏极电阻Rds，在保证采用MOS型场效应晶体管的模拟电路的动作稳定性方面是重要的特性。因此通过将多个晶体管串联来加大合计的栅极长度，在低噪声化以外，可以得到和上一代同样的漏极电阻Rds。所述布局兼顾为得到电路设计中要求的特性而所需的沟道宽度W，如实施例9至实施例13所示，可以采用各种布局。
(第三实施方式)
本发明的第三实施方式，是构成比较器141的晶体管由双极型晶体管组成的示例。图22表示由双极型晶体管构成的比较器141的电路结构的一例。
在本例的比较器141中，差动输入部1411由发射极端子连接在一起的、例如NPN双极型晶体管Tr11、Tr12构成。双极型晶体管Tr11的基极端子上借助电容元件C1输入参照信号，双极型晶体管Tr12的基极端子上借助电容元件C2输入像素信号。恒定电流源1412连接在双极型晶体管Tr11、Tr12的发射极共同连接节点与基准电位(例如接地电位)的节点之间。
有源负载部1413由连接在双极型晶体管Tr11、Tr12的各集电极端子与电源电压VCC的节点之间的PNP双极型晶体管Tr13、Tr14构成。双极型晶体管Tr13、Tr14的各基极端子连接在一起。此外，双极型晶体管Tr13的基极端子和集电极端子连接在一起。即，双极型晶体管Tr13、Tr14构成电流镜电路。而且，从双极型晶体管Tr12和双极型晶体管Tr14的各集电极共同连接节点，导出输出Vout。
以下，通过实施例14至实施例16，对在具有上述结构的比较器141的模拟－数字转换器140中、在抑制电路面积增加的同时能实现低噪声化的第三实施方式的具体实施例进行说明。
(实施例14)
实施例14是有效区域分开且一个有效区域中各形成1个双极型晶体管的示例。图23表示实施例14的有源负载部的要部的布局。
构成实施例14的有源负载部1413的双极型晶体管Tr14，由多个(例如2个)PNP双极型晶体管组成，并成为发射极端子和集电极端子交替串联、控制电流的全部的基极端子共同连接的结构。
具体地说，有效区域分为2个，一方的有效区域811中形成具有基极端子821、发射极端子831、集电极端子841的双极型晶体管851。此外，在另一方的有效区域812中，形成具有基极端子822、发射极端子832、集电极端子842的双极型晶体管852。即，双极型晶体管851和双极型晶体管852，在不同的有效区域811和有效区域812分散配置。
而且，在不同的有效区域811、812之间，双极型晶体管851的发射极端子831和双极型晶体管852的集电极端子842由配线86连接，控制电流的基极端子821、822由配线87公共电连接后共同连接。此外，双极型晶体管851的集电极端子841上连接集电极配线88，双极型晶体管852的发射极端子832上连接发射极配线89。
(实施例15)
实施例15是在一个有效区域形成多个双极型晶体管的示例。图24表示实施例15的有源负载部的要部的布局。
构成实施例15的有源负载部1413的双极型晶体管Tr14，为在一个有效区域内配置基极端子共同连接的2个双极型晶体管、且2个双极型晶体管的发射极端子和集电极端子串联的结构。具体地说，在一个有效区域81内配置2个双极型晶体管851、852，上述双极型晶体管851、852的基极端子成为共同连接的基极端子82。而且，双极型晶体管851的发射极端子831和双极型晶体管852的集电极端子842由配线86连接。
按照构成实施例15的有源负载部1413的场效应晶体管Tr14，由于在场效应晶体管851、852间将基极端子82共同连接，所以如实施例14所示，比单纯的串联更能降低整体的晶体管面积。
(实施例16)
实施例16是实施例15的变形例。图25表示实施例16的有源负载部的要部的布局。
构成实施例16的有源负载部1413的双极型晶体管Tr14，将构成实施例15的有源负载部1413的、多个(例如2个)双极型晶体管Tr14串联，成为全部的基极端子共同连接的结构。具体地说，例如两个有效区域811、812中分别形成2个双极型晶体管851、852，双方共同连接的基极端子821、822由配线87连接在一起。
而且，在两个有效区域811、812中，双极型晶体管851的发射极端子831和双极型晶体管852的集电极端子842分别由配线861、862连接。此外，在有效区域811、812之间，有效区域811侧的双极型晶体管852的发射极端子832、与有效区域812侧的双极型晶体管851的集电极端子841由配线863连接。
按照构成实施例16的有源负载部1413的双极型晶体管Tr14，和上述的实施例2至实施例5的情况同样，可以形成共质心配置的布局。利用共质心配置的布局，可以得到和实施例2至实施例5同样的作用、效果。
(比较器的应用例)
以上，例示了将包含上述各实施例的有源负载部1413的比较器141在CMOS图像传感器1中、作为构成单斜率模拟－数字转换器140的比较器使用的情况，即，应用于固体摄像元件的情况，但是不限于上述应用例。以下，说明本发明的比较器的其他应用例。以下，将比较器141标记化图示。
(应用例1)
作为其他应用例，例如能够例举在光、温度、气味等各种传感器电路中采用的模拟开关。应用例1是例如应用于光检测器上采用的模拟开关的示例。图26A表示应用例1的模拟开关的电路示例，图26B表示所述模拟开关的检测信号和输出信号的波形。
光检测器将使用光电二极管(未图示)检测的检测信号与基准电压Vref进行比较，通过输出信号Vout响应所述比较结果，来判断有没有检测到光。在光检测器等的各种传感器电路中，因检测信号微弱，对于要求高SN比的比较器141，可以应用本发明的技术。
(应用例2)
应用例2是在以PWM(Pulse Width Modulation)方式控制电机等时应用于必要的三角波发生电路的示例。图27A表示应用例2的三角波发生电路的电路示例，图27B表示所述三角波发生电路的输出波形。
应用例2的三角波发生电路，是由2个比较器1411、1412和8个电阻元件R1～R8以及2个电容元件C1、C2构成的公知的电路结构。针对构成所述三角波发生电路的比较器1411、1412，可以应用本发明的技术。
(应用例3)
应用例3是应用于数字－模拟转换器的示例。图28表示应用例3的数字－模拟转换器的电路示例。
应用例3的数字－模拟转换器，被称为权电阻型DA转换器。具体地说，应用例3的数字－模拟转换器，为如下公知的电路结构：即，使用由比较器141和电阻元件组成的加法电路，以电阻元件的电阻值的比例，与数字信号的各个位成比例地生成输出电压的权重，并转换为模拟信号。对于构成所述数字－模拟转换器的比较器141，可以应用本发明的技术。
这里例示的各应用例仅为一个例子。此外，目前市面流通的各种计测器、AV设备、家电产品等各种电子设备中都使用有比较器，本领域技术人员可以容易地判断在这些比较器中能应用本发明的技术。
(变形例)
上述的实施方式中，举例说明了应用于单位像素2矩阵状配置构成的CMOS图像传感器中的情况，但是本发明的技术不限于应用在CMOS图像传感器中。即，本发明的技术能全面应用于单位像素2矩阵状二维配置构成的、X－Y地址方式的固体摄像元件。
此外，本发明的技术不限于应用在检测可见光的入射光量的分布、并拍摄为图像的固体摄像元件中，可以全面应用在将红外线和X线、或者粒子等的入射量的分布拍摄为图像的固体摄像元件中。
(应用例)
以上说明的本实施方式的CMOS图像传感器1，例如图29所示，可以在感知可见光、红外光、紫外光、X线等光的各种装置上使用。以下列举各种装置的具体示例。
■数码相机和带相机功能的便携设备等、拍摄供观赏用的图像的装置
■为自动停止等安全驾驶和识别驾驶人的状态等、拍摄汽车的前方和后方、周围、车内等的车载用传感器，监视行驶车辆或道路的监视仪，进行车辆间等的测距的测距传感器等供交通用的装置
■为拍摄用户的手势、并基于该手势进行设备操作，用于TV和冰箱、空调等家电的装置
■内视镜和利用红外光的接收进行血管造影的装置等、医疗和保健用的装置
■防范用的监视仪和人体认证用的相机等安保用的装置
■拍摄皮肤的皮肤测定器和拍摄头皮的显微镜等美容用的装置
■面向体育用等的动作相机和可穿戴相机等、供体育用的装置
■用于监视农田和作物的状态的相机等、供农业用的装置
(本发明技术的应用例)
本发明的技术可以应用于各种产品。以下，说明更具体的应用例。
(本发明的电子设备)
这里，说明在数码相机和摄像机等摄像装置、手机等具有摄像功能的便携装置以及图像读取部中使用固体摄像元件的复印机等电子设备中应用的情况。
(摄像装置)
图30是表示本发明的电子设备的一例亦即摄像装置的结构的框图。如图30所示，本例的摄像装置100具有包含透镜组等的摄像光学系统101、摄像部102、DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107以及电源系统108等。而且，DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107以及电源系统108通过总线109相互连接。
摄像光学系统101取入来自拍摄对象的入射光(图像光)并在摄像部102的摄像面上成像。摄像部102利用光学系统101将在摄像面上成像的、入射光的光量以像素单位转换为电信号，并作为像素信号输出。DSP电路103进行通常的相机信号处理，例如白色平衡处理、马赛克处理、γ修正处理等。
在DSP电路103的信号处理过程中，采用帧存储器104存储适当数据。显示装置105由液晶显示装置或有机EL(electro luminescence)显示装置等面板型显示装置组成，显示摄像部102拍摄的动画或静止画面。记录装置106将摄像部102拍摄的动画或静止画面记录在便携式的半导体存储器、光盘、HDD(Hard Disk Drive)等记录介质中。
操作系统107在用户的操作下，对本摄像装置100所带有的各种功能发出操作指令。电源系统108将DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106以及成为操作系统107的工作电源的、各种电源作为供给对象适当供电。
在上述结构的摄像装置100中，作为摄像部102，可以使用应用上述本发明技术的CMOS图像传感器1。按照所述CMOS图像传感器1，由于可以实现低噪声化，所以能够得到噪声小的高画质的摄影图像。
(在移动体上的应用例)
本发明的技术可以应用于各种产品。例如，本发明的技术，可以实现作为汽车、电动汽车、混合动力电动汽车、自动摩托车、自行车、个性汽车、飞机、无人机、船舶、机器人、建筑机械、农业机械(拖拉机)等任意种类的移动体上搭载的固体摄像元件。
图31是表示应用本发明的技术得到的移动体控制系统的一例亦即车辆控制系统7000的示意结构的框图。车辆控制系统7000具备借助通信网络7010连接的多个电子控制单元。图31的示例中，车辆控制系统7000具备驱动系统控制单元7100、车身系统控制单元7200、电池控制单元7300、车外信息检测单元7400、车内信息检测单元7500和综合控制单元7600。连接上述多个控制单元的通信网络7010，例如是CAN(Controller Area Network)、LIN(Local Interconnect Network)、LAN(Local Area Network)或FlexRay(注册商标)等、基于任意标准的车载通信网络。
各控制单元具备：微机，按照各种程序进行计算处理；存储部，用于存储由微机执行的程序或各种计算所采用的参数等；以及驱动各种控制对象的装置的驱动电路。各控制单元在具备用于借助通信网络7010与其他控制单元之间进行通信的网络I/F的同时，在车内外的装置或传感器等之间，还具备利用有线通信或无线通信的通信I/F。作为综合控制单元7600的功能构成，图31图示了微机7610、通用通信I/F7620、专用通信I/F7630、位置测量部7640、指向波接收部7650、车内设备I/F7660、声音图像输出部7670、车载网络I/F7680和存储部7690。其他控制单元也同样，具备微机、通信I/F和存储部等。
驱动系统控制单元7100按照各种程序、控制与车辆的驱动系统关联的装置的动作。例如，驱动系统控制单元7100作为内燃机或驱动用电机等用于产生车辆的驱动力的驱动力产生装置、用于将驱动力向车轮传递的驱动力传递机构、调节车辆的方向的转向机构以及用于产生车辆的制动力的制动装置等的控制装置发挥功能。驱动系统控制单元7100可以具有作为ABS(Antilock Brake System)或ESC(Electronic Stability Control)等控制装置的功能。
驱动系统控制单元7100上连接有车辆状态检测部7110。车辆状态检测部7110包括例如用于检测车体的轴旋转运动的角速度的陀螺传感器、检测车辆的加速度的加速度传感器，或者包括检测油门踏板的操作量、刹车踏板的操作量、方向盘的操舵角、发动机转数或车轮的旋转速度等的传感器中的至少一个。驱动系统控制单元7100利用从车辆状态检测部7110输入的信号进行计算处理，从而控制内燃机、驱动用电机、电动助力转向装置或刹车装置等。
车身系统控制单元7200按照各种程序控制车体上装备的各种装置的动作。例如，车身系统控制单元7200作为无钥匙启动系统、智能钥匙系统、电动窗装置，或者大灯、尾灯、刹车灯、方向指示灯或雾灯等各种灯的控制装置发挥功能。此时，代替按键、从便携机发送出的电波或各种开关的信号输入车身系统控制单元7200。车身系统控制单元7200接收上述电波或信号的输入，控制车辆的门锁装置、电动窗装置、灯等。
电池控制单元7300按照各种程序控制驱动用电机的电力供给源亦即二次电池7310。例如，电池控制单元7300从具备二次电池7310的电池装置，输入电池温度、电池输出电压或电池的残存容量等信息。电池控制单元7300使用上述信号进行计算处理，从而进行二次电池7310的温度调节控制或电池装置所具备的冷却装置等的控制。
车外信息检测单元7400检测搭载车辆控制系统7000的、车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元7400连接摄像部7410和车外信息检测部7420中的至少一方。摄像部7410中包括ToF(Time Of Flight)相机、立体照相机、单反相机、红外相机及其他相机中的至少一个。车外信息检测部7420例如包括用于检测当前的天气或气象的环境传感器，或者用于检测搭载车辆控制系统7000的车辆周围的其他车辆、障碍物或步行者等的、周围信息检测传感器中的至少一个。
环境传感器例如是检测雨天的雨滴传感器、检测雾的雾传感器、检测日照程度的日照传感器，以及检测降雪的雪传感器中的至少一个。周围信息检测传感器可以是超声波传感器、雷达装置和LIDAR(Light Detection and Ranging，Laser Imaging Detectionand Ranging)装置中的至少一个。上述的摄像部7410和车外信息检测部7420，可以分别作为独立的传感器或装置，也可以由多个传感器或装置形成综合性装置。
图32是表示摄像部7410和车外信息检测部7420的设置位置的例子。摄像部7910、7912、7914、7916、7918，例如设置在车辆7900的前保险杠、侧视镜、后保险杠、后门和驾驶室内的前挡风玻璃的上部中的至少一个位置上。前保险杠上设置的摄像部7910和驾驶室内的前挡风玻璃的上部设置的摄像部7918，主要取得车辆7900的前方的图像。侧视镜上设置的摄像部7912、7914，主要取得车辆7900的侧方的图像。后保险杠或后门上设置的摄像部7916，主要取得车辆7900的后方的图像。驾驶室内的前挡风玻璃的上部设置的摄像部7918，主要用于检测前方车辆或步行者、障碍物、信号灯、交通标识或车线等。
另外，图32表示了各个摄像部7910、7912、7914、7916的摄影范围的一例。摄像范围a表示前保险杠上设置的摄像部7910的摄像范围，摄像范围b、c分别表示侧视镜上设置的摄像部7912、7914的摄像范围，摄像范围d表示后保险杠或后门上设置的摄像部7916的摄像范围。例如，通过使摄像部7910、7912、7914、7916拍摄的图像数据重合，得到从上方观察车辆7900的俯瞰图像。
设置在车辆7900的前部、后部、侧部、角部和驾驶室内的前挡风玻璃的上部的车外信息检测部7920、7922、7924、7926、7928、7930，例如可以是超声波传感器或雷达装置。设置在车辆7900的前保险杠、后保险杠、后门和驾驶室内的前挡风玻璃的上部的车外信息检测部7920、7926、7930，例如可以是LIDAR装置。上述的车外信息检测部7920～7930，主要用于检测前方车辆、步行者或障碍物等。
返回图31继续说明。车外信息检测单元7400在使摄像部7410拍摄车外的图像的同时，接收拍摄的图像数据。此外，车外信息检测单元7400从连接的车外信息检测部7420接收检测信息。当车外信息检测部7420为超声波传感器、雷达装置或LIDAR装置时，车外信息检测单元7400发送出超声波或电磁波等的同时，接收得到的反射波的信息。车外信息检测单元7400根据接收到的信息，进行人、车、障碍物、标识或路面上的文字等的物体检测处理或距离检测处理。车外信息检测单元7400根据接收到的信息，进行环境识别处理，用于识别降雨、雾或路面状况等。车外信息检测单元7400根据接收到的信息，计算至车外的物体的距离。
此外，车外信息检测单元7400根据接收到的图像数据，进行用于识别人、车、障碍物、标识或路面上的文字等的图像识别处理或距离检测处理。车外信息检测单元7400对接收到的图像数据进行变形修正或位置对齐等处理，并且把由不同的摄像部7410拍摄的图像数据进行合成，生成俯瞰图像或全景图。车外信息检测单元7400使用由不同的摄像部7410拍摄的图像数据，进行视点转换处理。
车内信息检测单元7500检测车内的信息。车内信息检测单元7500连接例如用于检测驾驶人的状态的驾驶人状态检测部7510。驾驶人状态检测部7510包括拍摄驾驶人的相机、检测驾驶人的人体信息的人体传感器或收集车厢内的声音的麦克风等。人体传感器例如设置在座椅表面或方向盘等上，检测坐在座席上的乘客或握住方向盘的驾驶人的人体信息。车内信息检测单元7500根据从驾驶人状态检测部7510输入的检测信息，计算驾驶人的疲劳程度或集中程度，判断驾驶人是否在打瞌睡。车内信息检测单元7500，对收集的声音信号进行噪声消除处理等处理。
综合控制单元7600按照各种程序、总体控制车辆控制系统7000内的动作。综合控制单元7600与输入部7800连接。输入部7800例如通过触摸面板、按钮、麦克风、开关或手柄等、能由乘客输入操作的装置实现。综合控制单元7600中输入通过对麦克风输入的声音进行声音识别得到的数据。输入部7800例如可以是利用红外线或其他电波的远程控制装置，也可以是对应车辆控制系统7000的操作的手机或PDA(Personal Digital Assistant)等外部连接设备。输入部7800例如可以是相机，这种情况下乘客可以通过手势输入信息。或者，输入通过检测乘客穿戴的可穿戴装置的动作得到的数据。而且，输入部7800例如包括输入控制电路等，所述输入控制电路等根据由乘客等使用上述的输入部7800输入的信息生成输入信号，并向综合控制单元7600输出。乘客等通过操作所述输入部7800，对车辆控制系统7000输入各种数据或指示进行处理动作。
存储部7690包括存储由微机执行的各种程序的ROM(Read Only Memory)、和存储各种参数、计算结果或传感器值等的RAM(Random Access Memory)。此外，存储部7690可以由HDD(Hard Disc Drive)等磁存储设备、半导体存储设备、光存储设备或光磁存储设备等实现。
通用通信I/F7620是对外部环境7750中存在的各种设备之间的通信进行中转的通用性通信I/F。通用通信I/F7620可以安装GSM(注册商标)(Global System of Mobilecommunications)、WiMAX、LTE(Long Term Evolution)或者LTE－A(LTE－Advanced)等蜂窝通信协议，或无线LAN(也称Wi－Fi(注册商标))、Bluetooth(注册商标)等其他无线通信协议。通用通信I/F7620例如借助基站或入口点，与外部网络(例如互联网、云网络或厂家固有的网络)上存在的设备(例如应用服务器或控制服务器)连接。此外，通用通信I/F7620例如使用P2P(Peer To Peer)技术，和车辆附近存在的终端(例如驾驶人、步行者或者店铺的终端、或MTC(Machine Type Communication)终端)连接。
专用通信I/F7630是支持以车辆中的使用为目的、制定的通信协议的通信I/F。专用通信I/F7630例如安装底层的IEEE802.11p和上层的IEEE1609的组合亦即WAVE(WirelessAccess in Vehicle Environment)、DSRC(Dedicated Short Range Communications)、或蜂窝通信协议等标准协议。专用通信I/F7630支持V2X通信，典型地包含车车间(Vehicle toVehicle)通信、路车间(Vehicle to Infrastructure)通信、车辆和家之间(Vehicle toHome)的通信以及步车间(Vehicle to Pedestrian)通信中的1个以上的概念。
位置测量部7640例如接收来自GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星的GNSS信号(例如来自GPS(Global Positioning System)卫星的GPS信号)进行位置测量，生成包含车辆的纬度、经度和高度的位置信息。另外，位置测量部7640可以通过与无线入口点的信号交换、确定当前位置，或从具有位置测量功能的手机、PHS或者智能手机等终端取得位置信息。
指向波接收部7650例如接收从道路上设置的无线局等发送的电波或者电磁波，取得当前位置、拥堵、禁行或需要时间等信息。另外，指向波接收部7650的功能，也可以包含在上述的专用通信I/F7630中。
车内设备I/F7660是对微机7610与车内存在的各种车内设备7760之间的连接进行中转的通信接口。车内设备I/F7660使用无线LAN、Bluetooth(注册商标)、NFC(Near FieldCommunication)或WUSB(Wireless USB)等无线通信协议建立无线连接。此外，车内设备I/F7660借助未图示的连接端子(以及必要时的电缆)，建立USB(Universal Serial Bus)、HDMI(注册商标)(High-Definition Multimedia Interface)或MHL(Mobile High-definition Link)等有线连接。车内设备7760包括例如乘客所具有的移动设备或可穿戴设备，或者放到或安装在车辆上的信息设备中的至少1个。此外，车内设备7760可以包括导航装置，探测至任意的目的地的路径。车内设备I/F7660在上述的车内设备7760之间交换控制信号或数据信号。
车载网络I/F7680是对微机7610和通信网络7010之间的通信进行中转的接口。车载网络I/F7680按照由通信网络7010支持的规定的协议，接收发送信号等。
综合控制单元7600的微机7610，根据借助通用通信I/F7620、专用通信I/F7630、位置测量部7640、指向波接收部7650、车内设备I/F7660和车载网络I/F7680中的至少一个取得的信息，按照各种程序、控制车辆控制系统7000。例如，微机7610根据取得的车内外的信息，计算驱动力产生装置、转向机构或制动装置的控制目标值，对驱动系控制单元7100输出控制指令。例如，微机7610进行以实现ADAS(Advanced Driver Assistance System)的功能为目的的协调控制，包括避免车辆冲撞或者缓和冲击，基于车间距离的跟车、保持车速行驶、车辆冲撞警告或车辆跨线警告等。此外，微机7610根据取得的车辆周围的信息、控制驱动力产生装置、转向机构或制动装置等，由此，进行以自动驾驶等为目的的协调控制，脱离驾驶人的操作、自律性行驶。
微机7610根据借助通用通信I/F7620、专用通信I/F7630、位置测量部7640、指向波接收部7650、车内设备I/F7660和车载网络I/F7680中的至少一个取得的信息，生成车辆与周边的结构物、人物等物体之间的三维距离信息，生成包含车辆当前位置的周边信息的本地地图信息。此外，微机7610根据取得的信息，预测车辆冲撞、步行者等接近或进入禁止通行的道路等危险，并生成警告用信号。警告用信号例如是用于发出警告音、或使警示灯亮灯的信号。
声音图像输出部7670针对车辆的乘客或车外，向能视觉性或听觉性通知信息的输出装置发送声音和图像中的至少一方的输出信号。图31的示例中，作为输出装置例示了扬声器7710、显示部7720和仪表板7730。显示部7720包括例如机载显示器和平视显示器中的至少一个。显示部7720可以具有AR(Augmented Reality)显示功能。输出装置也可以是上述的装置以外的、头戴听筒、乘客戴的眼镜型显示器等可穿戴设备、投影仪或灯等其他装置。当输出装置为显示装置时，显示装置将通过微机7610进行的各种处理得到的结果或从其他控制单元接收的信息，以文本、图像、表、曲线图等各种形式视觉性显示。此外，当输出装置为声音输出装置时，声音输出装置把再生的声音数据或音响数据等构成的音频信号转换为模拟信号听觉性输出。
另外，在图31的示例中，借助通信网络7010连接的至少两个控制单元可以一体化为一个控制单元。或者，各个控制单元由多个控制单元构成。而且，车辆控制系统7000可以具备未图示的其他控制单元。此外，在上述的说明中，任意控制单元担负的一部分或全部功能可以由其他控制单元承担。即，只要借助通信网络7010能进行信息的接收发送，就可以由任意的控制单元进行规定的计算处理。同样，任意的控制单元上连接的传感器或装置可以和其他控制单元连接，并且多个控制单元可以借助通信网络7010相互接收发送检测信息。
以上，说明了应用本发明的技术得到的车辆控制系统的一例。本发明的技术可以应用于以上说明的结构中，例如摄像部7910、7912、7914、7916、7918、车外信息检测部7920、7922、7924、7926、7928、7930。而且，通过在摄像部7910、7912、7914、7916、7918、车外信息检测部7920、7922、7924、7926、7928、7930中应用本发明的技术，因固体摄像元件的低噪声化可以得到噪声小的高画质的摄影图像，所以可以构筑例如能高精度检测拍摄对象的车辆控制系统。
(本发明可以采用的结构)
本发明也可以采用以下的结构。
(A.固体摄像元件)
(A－1)一种固体摄像元件，包括：像素阵列部，将包含光电转换部的多个单位像素矩阵状配置；以及模拟－数字转换部，把从像素阵列部的各单位像素输出的模拟的像素信号转换为数字信号，模拟－数字转换部具有比较器，所述比较器包括输入规定的参照信号和模拟的像素信号的差动输入部和差动输入部的有源负载部，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子，多个控制端子公共电连接。
(A－2)上述(A－1)所述的固体摄像元件中，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个场效应晶体管组成。
(A－3)上述(A－2)所述的固体摄像元件中，多个场效应晶体管的漏极区域和源极区域交替串联连接，栅极端子全部共同连接。
(A－4)上述(A－3)所述的固体摄像元件中，多个场效应晶体管配置在同一有效区域内。
(A－5)上述(A－4)所述的固体摄像元件中，多个场效应晶体管通过有效区域串联连接。
(A－6)上述(A－3)所述的固体摄像元件中，多个场效应晶体管分散配置在不同的有效区域，不同的有效区域间由配线连接。
(A－7)上述(A－3)至上述(A－5)中任意一项所述的固体摄像元件中，未形成场效应晶体管的有效区域中，配置有虚拟的栅极端子。
(A－8)上述(A－1)所述的固体摄像元件中，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个双极型晶体管组成。
(A－9)上述(A－8)所述的固体摄像元件中，多个双极型晶体管的发射极区域和集电极区域交替串联，基极端子全部共同连接。
(A－10)上述(A－9)所述的固体摄像元件中，多个双极型晶体管分散配置在不同的有效区域，由配线串联连接。
(A－11)上述(A－10)所述的固体摄像元件中，在不同的有效区域间，多个双极型晶体管由配线串联连接。
(A－12)上述(A－9)所述的固体摄像元件中，多个双极型晶体管配置在同一有效区域内，在多个双极型晶体管间，基极端子共同连接。
(A－13)上述(A－1)所述的固体摄像元件中，构成有源负载部的至少一个晶体管由鳍式场效应晶体管组成。
(B.比较器)
(B－1)一种比较器，包括输入规定的参照信号和模拟的像素信号的差动输入部和差动输入部的有源负载部，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子，多个控制端子公共电连接。
(B－2)上述(B－1)所述的比较器中，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个场效应晶体管组成。
(B－3)上述(B－2)所述的比较器中，多个场效应晶体管的漏极区域和源极区域交替串联连接，栅极端子全部共同连接。
(B－4)上述(B－3)所述的比较器中，多个场效应晶体管配置在同一有效区域内。
(B－5)上述(B－4)所述的比较器中，多个场效应晶体管通过有效区域串联连接。
(B－6)上述(B－3)所述的比较器中，多个场效应晶体管分散配置在不同的有效区域，不同的有效区域间由配线连接。
(B－7)上述(B－3)至上述(B－5)中任意一项所述的比较器中，未形成场效应晶体管的有效区域中，配置有虚拟的栅极端子。
(B－8)上述(B－1)所述的比较器，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个双极型晶体管组成。
(B－9)上述(B－8)所述的比较器中，多个双极型晶体管的发射极端子和集电极端子交替串联连接，基极端子全部共同连接。
(B－10)上述(B－9)所述的比较器中，多个双极型晶体管分散配置在不同的有效区域，由配线串联连接。
(B－11)上述(B－10)所述的比较器中，在不同的有效区域间，多个双极型晶体管由配线串联连接。
(B－12)上述(B－9)所述的比较器中，多个双极型晶体管配置在同一有效区域内，在多个双极型晶体管间，基极端子共同连接。
(B－13)上述(B－1)所述的比较器中，构成有源负载部的至少一个晶体管由鳍式场效应晶体管组成。
(C.电子设备)
(C－1)一种具有固体摄像元件的电子设备，所述固体摄像元件包括：像素阵列部，将包含光电转换部的多个单位像素矩阵状配置；以及模拟－数字转换部，把从像素阵列部的各单位像素输出的模拟的像素信号转换为数字信号，模拟－数字转换部具有比较器，所述比较器包括输入规定的参照信号和模拟的像素信号的差动输入部和差动输入部的有源负载部，构成有源负载部的至少一个晶体管，具有控制电流的多个控制端子，多个控制端子公共电连接。
(C－2)上述(C－1)所述的电子设备中，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个场效应晶体管组成。
(C－3)上述(C－2)所述的电子设备中，多个场效应晶体管的漏极区域和源极区域交替串联连接，栅极端子全部共同连接。
(C－4)上述(C－3)所述的电子设备中，多个场效应晶体管配置在同一有效区域内。
(C－5)上述(C－4)所述的电子设备中，多个场效应晶体管通过有效区域串联连接。
(C－6)上述(C－3)所述的电子设备中，多个场效应晶体管分散配置在不同的有效区域，不同的有效区域间由配线连接。
(C－7)上述(C－3)至上述(C－5)中任意一项所述的电子设备中，未形成场效应晶体管的有效区域中，配置有虚拟的栅极端子。
(C－8)上述(C－1)所述的电子设备中，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个双极型晶体管组成。
(C－9)上述(C－8)所述的电子设备中，多个双极型晶体管的发射极区域和集电极区域交替串联连接，基极端子全部共同连接。
(C－10)上述(C－9)所述的电子设备中，多个双极型晶体管分散配置在不同的有效区域，由配线串联连接。
(C－11)上述(C－10)所述的电子设备中，在不同的有效区域间，多个双极型晶体管由配线串联连接。
(C－12)上述(C－9)所述的电子设备中，多个双极型晶体管配置在同一有效区域内，在多个双极型晶体管间，基极端子共同连接。
(C－13)上述(C－1)所述的电子设备中，构成有源负载部的至少一个晶体管由鳍式场效应晶体管组成。

Claims (15)

1.一种固体摄像元件，其特征在于，包括：
像素阵列部，将包含光电转换部的多个单位像素矩阵状配置；以及
模拟－数字转换部，把从像素阵列部的各单位像素输出的模拟的像素信号转换为数字信号，
模拟－数字转换部具有比较器，所述比较器包括将规定的参照信号和模拟的像素信号作为输入的差动输入部以及差动输入部的有源负载部，
构成有源负载部的至少一个晶体管，具有对电流进行控制的多个控制端子，
多个控制端子公共电连接。
2.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个场效应晶体管组成。
3.根据权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，多个场效应晶体管的漏极区域和源极区域交替地串联连接，栅极端子全部共同连接。
4.根据权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，多个场效应晶体管配置在同一有效区域内。
5.根据权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，多个场效应晶体管通过有效区域串联连接。
6.根据权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，多个场效应晶体管分散配置在不同的有效区域，不同的有效区域间由配线连接。
7.根据权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，未形成场效应晶体管的有效区域中，配置有虚拟的栅极端子。
8.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，构成有源负载部的至少一个晶体管，由具有多个控制端子的多个双极型晶体管组成。
9.根据权利要求8所述的固体摄像元件，其特征在于，多个双极型晶体管的发射极区域和集电极区域交替地串联连接，基极端子全部共同连接。
10.根据权利要求9所述的固体摄像元件，其特征在于，多个双极型晶体管分散配置在不同的有效区域，由配线串联连接。
11.根据权利要求10所述的固体摄像元件，其特征在于，在不同的有效区域间，多个双极型晶体管由配线串联连接。
12.根据权利要求9所述的固体摄像元件，其特征在于，多个双极型晶体管配置在同一有效区域内，在多个双极型晶体管间，基极端子共同连接。
13.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，构成有源负载部的至少一个晶体管，由鳍式场效应晶体管组成。
14.一种比较器，其特征在于，
所述比较器包括将规定的参照信号和模拟的像素信号作为输入的差动输入部以及差动输入部的有源负载部，
构成有源负载部的至少一个晶体管，具有对电流进行控制的多个控制端子，
多个控制端子公共电连接。
15.一种具有固体摄像元件的电子设备，其特征在于，
所述固体摄像元件包括：
像素阵列部，将包含光电转换部的多个单位像素矩阵状配置；以及
模拟－数字转换部，把从像素阵列部的各单位像素输出的模拟的像素信号转换为数字信号，
模拟－数字转换部具有比较器，所述比较器包括将规定的参照信号和模拟的像素信号作为输入的差动输入部以及差动输入部的有源负载部，
构成有源负载部的至少一个晶体管，具有对电流进行控制的多个控制端子，
多个控制端子公共电连接。
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