JP2000092392A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、昇圧回路を使用することなくリ
セット時の検出ノードの電位を高め、動作マージンを広
げて電源電圧の低電圧化を達成し得ることを課題とす
る。 【解決手段】この発明は、選択行のセルのリセット時に
非選択行のリセット制御線１２をカップリング容量１５
によりドレイン線７の電位よりも低い電位に設定するよ
うに構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ソースフォロワ
形式で信号を読み出すセルのリセット動作となる注入排
出動作を改善した固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に増幅ＭＯＳ型のセルを備えた固体
撮像装置の構成を示す。図３において、固体撮像装置
は、入射光の光電変化を行うセルが行列状に配置され、
フォトダイオード１、Ｎチャネルの転送トランジスタ
２、Ｎチャネルのリセットトランジスタ３、検出ノード
４、Ｎチャネルの増幅トランジスタ５、Ｎチャネルの選
択トランジスタ６を備えてなるセルは、入射光量に応じ
てフォトダイオード１に蓄積された信号電子を転送トラ
ンジスタ２を介して検出ノード４に読み出し、ゲート端
子が検出ノード３に接続された増幅トランジスタ５なら
びに選択トランジスタ６を介して列方向のセルに共通し
たドレイン線７と垂直信号線８を導通制御することによ
り検出ノード４の電位変化を垂直信号線８に読み出し、
それぞれのセルから垂直信号線８に読み出された信号
は、水平読み出し回路９及び出力アンプ１０を介して外
部に読み出される。

【０００３】このような構成において、フォトダイオー
ド１に蓄積された信号電子が読み出された後でも、フォ
トダイオード１にはまだ少量の信号電子が残存してい
る。このような状態では、次の信号読み出しの際にこの
フォトダイオード１に光が入射しなくとも残存していた
信号電子が読み出されてしまう。特に、強い光が入射し
たセル、すなわち蓄積された信号電子の多いフォトダイ
オード１ほど残存信号電子数が多くなり、撮像結果を画
面に表示した時に、明るい箇所の光が消えてからも残存
信号電子によりうっすらと明るく見え、残像現象が生じ
ることになる。

【０００４】このような残像現象を防止するために、注
入排出と呼ばれるリセット動作が行われている。これ
は、フォトダイオード１から信号電子を読み出した後多
量の電子を一旦フォトダイオード１に注入し、その後フ
ォトダイオード１から電子を排出する方法である。この
ような注入排出動作を行うことにより残像現象が防止さ
れる理由は、フォトダイオード１の前回の信号電子の読
み出しにおける信号量の情報が注入排出によって消去さ
れるためである。すなわち、全てのフォトダイオード１
の読み出し毎に注入排出動作を行うことによって、全て
のフォトダイオード１が毎回同じ残存信号電子にリセッ
トされるので、フォトダイオード１から読み出された信
号から残存信号電子数に対応する一定の信号を差し引く
ことにより残存信号電子の影響のない鮮明な画像を得る
ことができる。

【０００５】次に、図３に示す構成において、上記残像
現象を回避する注入排出の具体的な動作を、図４に示す
動作タイミングを参照して説明する。

【０００６】まず、選択行のフォトダイオード１から信
号電子を読み出した後、図４に示すように、転送トラン
ジスタ２に転送信号を与えて転送トランジスタを導通状
態とし、リセットトランジスタ３に垂直走査回路１１か
らリセット制御線１２を介してリセット信号を与えてリ
セットトランジスタ３を導通状態とし、ドレイン駆動回
路１３によりドレイン線７をハイレベルからロウレベル
に駆動する。これにより、選択行のフォトダイオード１
にロウレベルまで多量の電子が注入される。次に、ドレ
イン線７をロウレベルからハイレベルに駆動する。これ
により、選択行のフォトダイオード１に注入された電子
がドレイン線７に排出される。これらの動作はフォトダ
イオード１から信号電子を読み出す毎に行われる。一
方、非選択行のフォトダイオード１では、そのセルの転
送トランジスタ２ならびにリセットトランジスタ３を非
導通状態にして、信号電子が読み出される前の非選択行
のフォトダイオード１において、注入排出動作による電
子が注入されないようにしなければならない。

【０００７】このような注入排出動作において、ドレイ
ン線７をロウレベルにした時に非選択のセルのリセット
トランジスタ３が完全に非導通状態となるためには、リ
セットトランジスタ３のしきい値を高く設定しておく必
要がある。しかしながら、リセットトランジスタ３のし
きい値を高くした場合に、注入排出動作においてフォト
ダイオード１に注入された電子をドレイン線７に排出し
た後の検出ノード４の電位が低くなってしまう。検出ノ
ード４の電位が低いと、セルから信号を読み出すための
電圧マージンが小さくなる。これにより、電源電圧の低
い、例えば３．３Ｖ程度あるいはそれ以下の増幅ＭＯＳ
型の固体撮像装置を作成することが困難になっていた。

【０００８】このような不具合を回避する１つの対策と
して、リセットトランジスタ３のゲート端子にドレイン
線７にハイレベルとして与えられる高位電源電圧よりも
高い電位を与える方法がある。このためには、高位電源
電圧よりも高い電位を生成するための昇圧回路が必要に
なる。しかしながら、このような昇圧回路を用いると、
チップ面積が増大する、動作が複雑になる、消費電力が
増える、昇圧電位を受けるリセットトランジスタでは高
耐圧のゲート酸化膜が必要になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の増幅ＭＯＳ型の固体撮像装置において、残像現象
を回避するために必要不可欠な注入排出動作を行う際に
非選択行のセルで注入排出の影響を受けないようにする
ために、検出ノードの電位が低くなっていた。このた
め、動作マージンが狭くなり、電源電圧の低電圧化が困
難になっていた。

【００１０】このような不具合を解決するために昇圧回
路を用いる方法があるが、このような方法にあっては、
構成の大型化や消費電力の増大といった不具合を招いて
いた。

【００１１】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、昇圧回路を使
用することなくリセット時の検出ノードの電位を高め、
動作マージンを広げて電源電圧の低電圧化を達成し得る
固体撮像装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、光電変換によりフォトダイ
オードで得られた信号電荷を検出する検出ノードの電位
変化に応じて感知した光を電気信号として読み出すセル
が行列状に配置され、前記検出ノードは、リセット時に
リセットトランジスタを介してリセット電圧を供給する
ドレイン線に接続され、同一行の前記リセットトランジ
スタのゲート端子は共通のリセット制御線に接続されて
なる固体撮像装置において、前記リセットトランジスタ
を導通制御する垂直走査回路と前記リセット制御線を接
続制御し、選択行のセルのリセット時に前記垂直走査回
路から非選択行の前記リセット制御線を切り離すトラン
ジスタと、前記リセット制御線と前記ドレイン線との間
に接続され、選択行の前記セルのリセット時に非選択行
の前記リセット制御線を前記ドレイン線の電位よりも低
い電位に設定するカップリング容量とを有することを特
徴とする。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の固
体撮像装置において、前記カップリング容量と前記リセ
ット制御線との間に分離トランジスタを挿入し、前記垂
直走査回路による選択行の前記リセットトランジスタの
駆動時に前記分離トランジスタにより選択行の前記リセ
ット制御線と前記カップリング容量を分離してなること
を特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いてこの発明の実
施形態を説明する。

【００１５】図１は請求項１記載の発明の一実施形態に
係る固体撮像装置の構成を示す図、図２は図１に示す装
置における注入排出動作のタイミング図である。

【００１６】図１において、この実施形態の特徴とする
ところは、図３に示す従来構成に比べて、リセットトラ
ンジスタ３を導通制御する垂直走査回路１１とリセット
制御線１２を接続制御し、選択行のセルのリセット時に
垂直走査回路１１から非選択行のリセット制御線１２を
切り離すＮチャネルの接続制御トランジスタ１４と、リ
セット制御線１２とドレイン線７との間に接続され、選
択行のセルの注入排出動作時に非選択行のリセット制御
線１２をドレイン線７の電位よりも低い電位に設定する
カップリング容量１５、ならびに垂直走査回路１１が選
択行のリセット制御線１２をハイレベルに駆動する際に
カップリング容量１５をリセット制御線１２から切り離
すＮチャネルの分離トランジスタ１６と、それぞれのト
ランジスタ１４、１６の導通制御信号を生成する制御信
号生成回路１７を加えて構成したことにあり、他の構成
は図３に示す構成と同様であり、同符号は同一機能を有
するものである。

【００１７】次に、上記構成において、注入排出動作を
図２の動作タイミングチャートを参照して説明する。

【００１８】以下の説明において、この実施形態では、
基準電位をロウレベルの０Ｖとし、高位電源電位をハイ
レベルの２．５Ｖとし、リセットトランジスタ３のしき
い値を０．０Ｖ、転送トランジスタのしきい値を０．８
Ｖ、増幅トランジスタ５のしきい値を０．０Ｖ、選択ト
ランジスタ６のしきい値を０．５Ｖとし、カップリング
容量１５の容量値を０．１ｐＦに設定し、リセット制御
線１２の容量を０．４ｐＦ程度とする。

【００１９】注入排出動作が行われる前には、ドレイン
線７はハイレベルの電源電位となり、選択行ならびに非
選択行のセルのリセットトランジスタ３、転送トランジ
スタ２、及び分離トランジスタ１６は非導通状態とな
り、接続制御トランジスタ１４は導通状態となってい
る。

【００２０】このような状態において、分離トランジス
タ１６を導通状態にして、カップリング容量１５のリセ
ット制御線１２に接続された端子電極側をリセット制御
線１２と同じ０Ｖに充電する。続いて、非選択行の接続
制御トランジスタ１４を非導通状態とする。これによ
り、非選択行のリセット制御線１２は垂直走査回路１１
から切り離されて、カップリング容量１５によりドレイ
ン線７と容量結合される。

【００２１】次に、従来と同様にして注入排出動作を行
う。まず、選択行の転送トランジスタ２を導通状態と
し、リセットトランジスタ３を導通状態とし、続いてド
レイン線７を０Ｖにする。これにより、選択行のセルの
フォトダイオード１にドレイン線７からロウレベルまで
電子を注入する。この時に、非選択行のリセット制御線
１２の電位、すなわちリセットトランジスタ３のゲート
電位はカップリング容量１５により負の値となる。具体
的には、ドレイン線７の電位変化が２．５Ｖで、リセッ
ト制御線１２とカップリング容量１５の容量比から非選
択行のリセットトランジスタ３のゲート電位は−０．５
Ｖ程度となる。これにより、リセットトランジスタ３の
しきい値が０Ｖであっても、リセットトランジスタ３の
リーク電流は１ｐＡ程度となり、ドレイン線７から非選
択行の検出ノード４にリークする電流は無視することが
できる。一方、非選択行のリセット制御線１２が従来の
ように０Ｖである場合には、ドレイン線７から非選択行
の検出ノード４にリークする電流は０．１μＡ程度とな
り、とても無視できる値ではなく、前述したような不具
合が生じることになる。

【００２２】次に、ドレイン線７をハイレベルに駆動し
て、選択行のフォトトランジスタ１に注入された電子を
ドレイン線７に排出する。続いて、リセットトランジス
タ３を非導通状態とし、転送トランジスタ２を非導通状
態とする。次に、非選択行の接続制御トランジスタ１４
を導通状態とし、非選択行のリセット制御線１２が垂直
走査回路１１と接続される。続いて、非選択行の分離ト
ランジスタ１６を非導通状態にして、リセット制御線１
２とドレイン線７との容量結合が解除され、選択行の注
入排出動作が終了する。

【００２３】このように、この実施形態では、リセット
トランジスタ３のしきい値を０．０Ｖにできるので、
２．５Ｖ程度の電源電圧で昇圧回路を使用することなく
装置を動作させることが可能となる。ちなみに、垂直信
号線８に読み出される信号は、電源電圧を５Ｖ以上とし
た場合と同等の７００ｍＶ程度の振幅の飽和信号量を得
ることができる。この結果、上記実施形態においては、
昇圧回路を使用することなく検出ノード４の電位低下が
抑えられ、動作マージンが広がり、低電源電圧動作が可
能となる。

【００２４】なお、上記実施形態において、リセット制
御線１２を例えば−０．５Ｖ程度の負電位に振り込む場
合に、接続制御トランジスタ１４及び分離トランジスタ
１６をＰチャネル型トランジスタで構成すると、リセッ
ト制御線１２からウェル（又は基板）への電子のリーク
によってリセット制御線電位が変動することがなくなる
ため、有利である。なお、この場合、リセット制御線電
圧が電源電圧まで充電できるように、接続制御トランジ
スタ１４及び分離トランジスタ１６の駆動回路として
は、ダイナミック型回路を用いるのが好ましい。

【００２５】また、接続制御トランジスタ１４及び分離
トランジスタ１６をＮチャネル型トランジスタで構成す
る場合は、そこのＰウェルをＮウェル中（又はＮsub
中）に構成し、他と分離して負の電位をかけると有利で
ある。

【００２６】さらに、上記実施形態において、上述した
作用効果を得るために、トランジスタ１６を省いてもよ
い。また、カップリング容量１５はそれぞれのリセット
制御線１２に対応して個別に設けられているが、複数又
は全てのリセット制御線１２に共通に設けるようにして
もよい。さらに、カップリング容量１５に接続されるド
レイン線７はセルのドレイン線７とは別のドレイン線７
を設けているが、別のドレイン線７を設けることなくい
ずれかのセルのドレイン線７を用いるようにしてもよ
い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、選択行のセルのリセット時に非選択行のリセット制
御線をドレイン線の電位よりも低い電位に設定するよう
にしたので、昇圧回路を使用することなく検出ノードの
電位の低下を抑えることが可能となり、動作マージンを
広げて低電源電圧動作を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施形態に係る固体撮
像装置の構成を示す図である。

【図２】図１に示す装置の動作タイミングを示す図であ
る。

【図３】従来の固体撮像装置の構成を示す図である。

【図４】図３に示す装置の動作タイミングを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ フォトダイオード ２ 転送トランジスタ ３ リセットトランジスタ ４ 検出ノード ５ 増幅トランジスタ ６ 選択トランジスタ ７ ドレイン線 ８ 垂直信号線 ９ 水平読み出し回路 １０ 出力アンプ １１ 垂直走査回路 １２ リセット制御線 １３ ドレイン駆動回路 １４ 接続制御トランジスタ １５ カップリング容量 １６ 分離トランジスタ １７ 制御信号生成回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換によりフォトダイオードで得ら
   れた信号電荷を検出する検出ノードの電位変化に応じて
   感知した光を電気信号として読み出すセルが行列状に配
   置され、前記検出ノードは、リセット時にリセットトラ
   ンジスタを介してリセット電圧を供給するドレイン線に
   接続され、同一行の前記リセットトランジスタのゲート
   端子は共通のリセット制御線に接続されてなる固体撮像
   装置において、 前記リセットトランジスタを導通制御する垂直走査回路
   と前記リセット制御線を接続制御し、選択行のセルのリ
   セット時に前記垂直走査回路から非選択行の前記リセッ
   ト制御線を切り離すトランジスタと、 前記リセット制御線と前記ドレイン線との間に接続さ
   れ、選択行の前記セルのリセット時に非選択行の前記リ
   セット制御線を前記ドレイン線の電位よりも低い電位に
   設定するカップリング容量とを有することを特徴とする
   固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記カップリング容量と前記リセット制
   御線との間に分離トランジスタを挿入し、前記垂直走査
   回路による選択行の前記リセットトランジスタの駆動時
   に前記分離トランジスタにより選択行の前記リセット制
   御線と前記カップリング容量を分離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。