JP2002305688A - 能動ピクセル画像センサ - Google Patents
能動ピクセル画像センサInfo
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＣＭＯＳ能動ピクセルセンサ素子における出
力の線形性を向上する。 【解決手段】 ＣＭＯＳ能動ピクセルセンサ素子で、光
検出器、光検出器に電気的に接続されたセンシングノー
ド、光検出器に接続された出力部、センシングノードと
出力間に接続された電圧非依存の静電容量素子５０を備
える。電圧非依存の静電容量素子５０は、センシングノ
ードに対して電圧に依存しない静電容量を提供する。電
圧非依存の静電容量素子５０は、電圧に独立なコンデン
サ、対向電極コンデンサ、または共通ソース増幅器が使
用でき、センシングノードの静電容量よりも大きな静電
容量を持たなくてはならない。電圧非依存の静電容量素
子は、ＡＰＳ全体としての電圧依存静電容量の効果を低
減する。
力の線形性を向上する。 【解決手段】 ＣＭＯＳ能動ピクセルセンサ素子で、光
検出器、光検出器に電気的に接続されたセンシングノー
ド、光検出器に接続された出力部、センシングノードと
出力間に接続された電圧非依存の静電容量素子５０を備
える。電圧非依存の静電容量素子５０は、センシングノ
ードに対して電圧に依存しない静電容量を提供する。電
圧非依存の静電容量素子５０は、電圧に独立なコンデン
サ、対向電極コンデンサ、または共通ソース増幅器が使
用でき、センシングノードの静電容量よりも大きな静電
容量を持たなくてはならない。電圧非依存の静電容量素
子は、ＡＰＳ全体としての電圧依存静電容量の効果を低
減する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般に相補形金
属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）能動ピクセルセンサ（ＡＰ
Ｓ）に関し、特に、改良されたピクセルセンサで、電圧
に依存しない静電容量を付加した結果、線形性が向上し
たものに関する。
属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）能動ピクセルセンサ（ＡＰ
Ｓ）に関し、特に、改良されたピクセルセンサで、電圧
に依存しない静電容量を付加した結果、線形性が向上し
たものに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＣＭＯＳ ＡＰＳは固体撮像素子で、各
ピクセルは光感受手段、リセット手段、電荷変換手段、
選択手段、および増幅器の全体または一部を備えてい
る。ＡＰＳ素子はＣＣＤセンサと比較すると、次の点で
有利である。単一電源作動、低い消費電力、ｘ−ｙのア
ドレス指定能力、画像ウインドウ生成、そしてチップ上
に信号処理回路の集積が可能なことである。
ピクセルは光感受手段、リセット手段、電荷変換手段、
選択手段、および増幅器の全体または一部を備えてい
る。ＡＰＳ素子はＣＣＤセンサと比較すると、次の点で
有利である。単一電源作動、低い消費電力、ｘ−ｙのア
ドレス指定能力、画像ウインドウ生成、そしてチップ上
に信号処理回路の集積が可能なことである。
【０００３】ディジタルカメラ用の高分解能小型ピクセ
ルＡＰＳ素子を製作するためには、サブミクロンＣＭＯ
Ｓプロセスを使用することが必要で、それぞれ内部に能
動素子を割り当てられている各ピクセルの面積を最小に
するためである。良好な信号対雑音特性を達成するため
には、ピクセル内に可能な限り多くの光電子を保持する
ことが重要である。代表的なＡＰＳピクセル構造では、
各ピクセルで集積された光電子は電圧に変換される。こ
の電荷電圧変換領域は多くの場合ダイオードで、ホトダ
イオードまたは孤立した浮動拡散部である。電荷電圧変
換領域に含まれる電子の最大数を決定するのは、その領
域の寄生静電容量である。サブミクロンＣＭＯＳプロセ
スは通常３．３ボルトとそれ以下の低い電源電圧で作動
するので、リセットレベルおよび電荷電圧変換領域に付
随しうる電圧の揺れは、電源電圧により制限される。電
源電圧が低いので、電荷電圧変換領域での信号の揺れ
は、リセットレベルに比べて大きい。電荷電圧変換領域
を形成するダイオードの静電容量は、ダイオード間電圧
の関数なので、また、信号の振れはリセット状態のダイ
オード間電圧に比べて大きいので、ダイオードの静電容
量はリセットレベル（すなわち暗信号）から飽和レベル
（すなわち輝信号）まで大幅に変化する。典型的なＡＰ
Ｓピクセル構造では、リセット状態の静電容量は飽和状
態の静電容量よりも小さい。
ルＡＰＳ素子を製作するためには、サブミクロンＣＭＯ
Ｓプロセスを使用することが必要で、それぞれ内部に能
動素子を割り当てられている各ピクセルの面積を最小に
するためである。良好な信号対雑音特性を達成するため
には、ピクセル内に可能な限り多くの光電子を保持する
ことが重要である。代表的なＡＰＳピクセル構造では、
各ピクセルで集積された光電子は電圧に変換される。こ
の電荷電圧変換領域は多くの場合ダイオードで、ホトダ
イオードまたは孤立した浮動拡散部である。電荷電圧変
換領域に含まれる電子の最大数を決定するのは、その領
域の寄生静電容量である。サブミクロンＣＭＯＳプロセ
スは通常３．３ボルトとそれ以下の低い電源電圧で作動
するので、リセットレベルおよび電荷電圧変換領域に付
随しうる電圧の揺れは、電源電圧により制限される。電
源電圧が低いので、電荷電圧変換領域での信号の揺れ
は、リセットレベルに比べて大きい。電荷電圧変換領域
を形成するダイオードの静電容量は、ダイオード間電圧
の関数なので、また、信号の振れはリセット状態のダイ
オード間電圧に比べて大きいので、ダイオードの静電容
量はリセットレベル（すなわち暗信号）から飽和レベル
（すなわち輝信号）まで大幅に変化する。典型的なＡＰ
Ｓピクセル構造では、リセット状態の静電容量は飽和状
態の静電容量よりも小さい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これが非線形伝達関数
を生む。カラー画像センサにとって、線形伝達関数を有
することが非常に重要である。センサ応答が非線形であ
ると、画像の色彩忠実度が低下する可能性がある。ＣＣ
Ｄ画像センサに対しては、応答の線形性は最適化してあ
る。ＡＰＳはＣＣＤに比べてずっと線形性が劣る。
を生む。カラー画像センサにとって、線形伝達関数を有
することが非常に重要である。センサ応答が非線形であ
ると、画像の色彩忠実度が低下する可能性がある。ＣＣ
Ｄ画像センサに対しては、応答の線形性は最適化してあ
る。ＡＰＳはＣＣＤに比べてずっと線形性が劣る。
【０００５】貧弱な線形性に加えて、ＡＰＳセンサは低
い電荷容量に苦しむこともあるが、これはサブミクロン
ＣＭＯＳプロセスの供給電圧が低い結果である。同じピ
クセルの大きさに対して、ＣＭＯＳ ＡＰＳセンサはＣ
ＣＤ画像センサに比べて電荷容量が低いが、ＣＣＤ画像
センサでは高い供給電圧、クロック電圧が用いられるこ
とによる。
い電荷容量に苦しむこともあるが、これはサブミクロン
ＣＭＯＳプロセスの供給電圧が低い結果である。同じピ
クセルの大きさに対して、ＣＭＯＳ ＡＰＳセンサはＣ
ＣＤ画像センサに比べて電荷容量が低いが、ＣＣＤ画像
センサでは高い供給電圧、クロック電圧が用いられるこ
とによる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】ＣＣＤの線形性を持ち、
かつ、ＡＰＳ素子の利点を持った画像センサを提供する
一つの方法は、ＡＰＳ素子で電荷電圧変換領域の静電容
量が、電圧に依存する効果を低減することである。この
発明はまさにそうするもので、電荷電圧変換領域のダイ
オード静電容量に並列に、電圧に依存しないコンデンサ
を挿入することで実現する。これはまた、ＡＰＳ素子の
電荷容量の改善にも利用でる。
かつ、ＡＰＳ素子の利点を持った画像センサを提供する
一つの方法は、ＡＰＳ素子で電荷電圧変換領域の静電容
量が、電圧に依存する効果を低減することである。この
発明はまさにそうするもので、電荷電圧変換領域のダイ
オード静電容量に並列に、電圧に依存しないコンデンサ
を挿入することで実現する。これはまた、ＡＰＳ素子の
電荷容量の改善にも利用でる。
【０００７】従ってこの発明の目的は、相補形金属酸化
物半導体の能動ピクセルセンサ素子に対し、構造と方法
を提供することで、このピクセルセンサ素子は光検出
器、電荷電圧変換ノード、電荷電圧変換ノードに接続さ
れた増幅器入力、および電荷電圧変換ノードに並列に接
続された電圧に依存しない静電容量を有する。電圧非依
存静電容量は、電荷電圧変換ノードに付加される電荷の
関数ではない静電容量を提供する。電圧非依存静電容量
は、対向電極コンデンサ、あるいは増幅器入力静電容量
でも可能である。
物半導体の能動ピクセルセンサ素子に対し、構造と方法
を提供することで、このピクセルセンサ素子は光検出
器、電荷電圧変換ノード、電荷電圧変換ノードに接続さ
れた増幅器入力、および電荷電圧変換ノードに並列に接
続された電圧に依存しない静電容量を有する。電圧非依
存静電容量は、電荷電圧変換ノードに付加される電荷の
関数ではない静電容量を提供する。電圧非依存静電容量
は、対向電極コンデンサ、あるいは増幅器入力静電容量
でも可能である。
【０００８】この発明は相補形金属酸化物半導体能動ピ
クセルセンサ素子の製造方法をも含んでおり、能動ピク
セルセンサ素子は、光検出器、電荷電圧変換ノード、電
荷電圧変換ノードに接続された増幅器入力、および電荷
電圧変換ノードに並列に接続された電圧非依存静電容量
を備えている。電圧非依存静電容量は、電荷電圧変換ノ
ードに付加された電荷の関数ではない静電容量を提供す
る。電圧非依存静電容量は対向電極コンデンサ、または
増幅器入力静電容量で可能である。
クセルセンサ素子の製造方法をも含んでおり、能動ピク
セルセンサ素子は、光検出器、電荷電圧変換ノード、電
荷電圧変換ノードに接続された増幅器入力、および電荷
電圧変換ノードに並列に接続された電圧非依存静電容量
を備えている。電圧非依存静電容量は、電荷電圧変換ノ
ードに付加された電荷の関数ではない静電容量を提供す
る。電圧非依存静電容量は対向電極コンデンサ、または
増幅器入力静電容量で可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１はＣＭＯＳ ＡＰＳピクセル
５を示す概略図である。図に示されるように、セル５は
次のものを備えている。ホトダイオード（ＰＤ）１０，
転送ゲート（ＴＧ）を持つ転送トランジスタ１１で、そ
のソースはホトダイオード１０に接続され、またそのド
レインは、リセットゲート（ＲＧ）を持つリセットトラ
ンジスタ１３を介して電圧源（ＶＤＤ）１４に接続され
ている。転送トランジスタ１１のドレインおよびリセッ
トトランジスタ１３のソースは、浮動拡散領域（ＦＤ）
１２を形成し、電荷電圧変換ノードとして機能する。浮
動拡散領域１２は、ソースフォロワ増幅器の入力トラン
ジスタ１５のゲートに接続される。入力トランジスタ１
５のソースは、行選択トランジスタ１６のドレインに接
続され、行選択トランジスタ１６のソースは、列バス１
７に接続される。
５を示す概略図である。図に示されるように、セル５は
次のものを備えている。ホトダイオード（ＰＤ）１０，
転送ゲート（ＴＧ）を持つ転送トランジスタ１１で、そ
のソースはホトダイオード１０に接続され、またそのド
レインは、リセットゲート（ＲＧ）を持つリセットトラ
ンジスタ１３を介して電圧源（ＶＤＤ）１４に接続され
ている。転送トランジスタ１１のドレインおよびリセッ
トトランジスタ１３のソースは、浮動拡散領域（ＦＤ）
１２を形成し、電荷電圧変換ノードとして機能する。浮
動拡散領域１２は、ソースフォロワ増幅器の入力トラン
ジスタ１５のゲートに接続される。入力トランジスタ１
５のソースは、行選択トランジスタ１６のドレインに接
続され、行選択トランジスタ１６のソースは、列バス１
７に接続される。
【００１０】能動ピクセルセンサセル１５の作動は、３
ステップで行われる。リセットステップではセル１０が
前の積分サイクルからリセットされる。画像積分ステッ
プでは光エネルギーが収集され電気信号に変換される。
そして信号読み出しステップで信号を読み出す。
ステップで行われる。リセットステップではセル１０が
前の積分サイクルからリセットされる。画像積分ステッ
プでは光エネルギーが収集され電気信号に変換される。
そして信号読み出しステップで信号を読み出す。
【００１１】図１を参照して、リセットステップの間、
リセットトランジスタ１３のゲート、そして転送トラン
ジスタ１１にはリセット電圧（例えば３．３ボルト）で
短時間パルスが供給される。リセット電圧はリセットト
ランジスタ１３と転送トランジスタ１１をオンにし、ホ
トダイオード１０および浮動拡散領域１２の電圧を初期
リセット電圧まで引き上げる。
リセットトランジスタ１３のゲート、そして転送トラン
ジスタ１１にはリセット電圧（例えば３．３ボルト）で
短時間パルスが供給される。リセット電圧はリセットト
ランジスタ１３と転送トランジスタ１１をオンにし、ホ
トダイオード１０および浮動拡散領域１２の電圧を初期
リセット電圧まで引き上げる。
【００１２】さて、積分段階に入ることが可能になる。
積分の間、光のエネルギーは光子としてホトダイオード
１０に衝突し、多数の電子・ホール対を生成する。ホト
ダイオード１０は、新たに生成された多数の電子・ホー
ル対間の再結合を制限するように設計されている。その
結果、光により生成されたホールは、ホトダイオード１
０の接地端子に引かれ、一方光により生成された電子
は、ホトダイオード１０の正極端子に引かれる。正極端
子に付与される各電子は、それぞれホトダイオード１０
の電圧を減少させる。こうして積分ステップ終了時に
は、ホトダイオード１０の電位は、最終積分電圧まで減
少することになり、その減少量は、受け取った光エネル
ギーの強度を表す。
積分の間、光のエネルギーは光子としてホトダイオード
１０に衝突し、多数の電子・ホール対を生成する。ホト
ダイオード１０は、新たに生成された多数の電子・ホー
ル対間の再結合を制限するように設計されている。その
結果、光により生成されたホールは、ホトダイオード１
０の接地端子に引かれ、一方光により生成された電子
は、ホトダイオード１０の正極端子に引かれる。正極端
子に付与される各電子は、それぞれホトダイオード１０
の電圧を減少させる。こうして積分ステップ終了時に
は、ホトダイオード１０の電位は、最終積分電圧まで減
少することになり、その減少量は、受け取った光エネル
ギーの強度を表す。
【００１３】画像積分期間に続いて、読み出し期間が始
まる。第１行選択トランジスタ１６が、選択電圧（例え
ば３．３ボルト）を行選択トランジスタ１６のゲートに
印加されて、オンになる。次にリセットトランジスタ１
３のゲートに、リセット電圧（例えば３．３ボルト）を
短時間パルスとして印加する。リセット電圧はリセット
トランジスタ１３をオンにし、浮動拡散部１２の電圧を
最初のリセット電圧まで引き上げる。リセット電圧は、
典型的には、ＶＤＤからリセットトランジスタ閾値電圧
を差し引いた値より低いか等しい値である。この時点
で、浮動拡散部の空乏領域は最大レベルに達し、その結
果、浮動拡散部の静電容量は最小レベルとなる。ソース
フォロワトランジスタ１５のゲートにかかる浮動拡散部
リセット電圧は、リセット電圧レベルとして読み出され
る。次に、転送トランジスタ１１のゲートにパルスを印
加することによって、積分された光電子が光検出器（光
電変換器すなわちホトダイオード１０）から浮動拡散部
１２に転送される。このため浮動拡散部１２の電圧が減
少する。そして、ソースフォロワトランジスタ１５のゲ
ートの浮動拡散信号電圧は、信号電圧レベルとして読み
出される。それから、信号とリセットレベルは引き算さ
れ、セル５によって集められた全電荷を表す電圧を与え
る。
まる。第１行選択トランジスタ１６が、選択電圧（例え
ば３．３ボルト）を行選択トランジスタ１６のゲートに
印加されて、オンになる。次にリセットトランジスタ１
３のゲートに、リセット電圧（例えば３．３ボルト）を
短時間パルスとして印加する。リセット電圧はリセット
トランジスタ１３をオンにし、浮動拡散部１２の電圧を
最初のリセット電圧まで引き上げる。リセット電圧は、
典型的には、ＶＤＤからリセットトランジスタ閾値電圧
を差し引いた値より低いか等しい値である。この時点
で、浮動拡散部の空乏領域は最大レベルに達し、その結
果、浮動拡散部の静電容量は最小レベルとなる。ソース
フォロワトランジスタ１５のゲートにかかる浮動拡散部
リセット電圧は、リセット電圧レベルとして読み出され
る。次に、転送トランジスタ１１のゲートにパルスを印
加することによって、積分された光電子が光検出器（光
電変換器すなわちホトダイオード１０）から浮動拡散部
１２に転送される。このため浮動拡散部１２の電圧が減
少する。そして、ソースフォロワトランジスタ１５のゲ
ートの浮動拡散信号電圧は、信号電圧レベルとして読み
出される。それから、信号とリセットレベルは引き算さ
れ、セル５によって集められた全電荷を表す電圧を与え
る。
【００１４】光電子の最大数すなわち最大信号レベル
は、通常、浮動拡散電圧レベルを浮動拡散部のリセット
電圧全体分、または大きな割合で減少させる。その結
果、浮動拡散部空乏領域幅は、リセット後の最初の空乏
領域幅に比べて大幅に変化する。これが可変浮動拡散部
静電容量を生じ、浮動拡散部に転送される光電子数の関
数となる。転送される電子数が増加すると、浮動拡散空
乏領域の幅が減少し、浮動拡散静電容量は増大する。こ
のため、連続的非線形伝達関数が発生する。
は、通常、浮動拡散電圧レベルを浮動拡散部のリセット
電圧全体分、または大きな割合で減少させる。その結
果、浮動拡散部空乏領域幅は、リセット後の最初の空乏
領域幅に比べて大幅に変化する。これが可変浮動拡散部
静電容量を生じ、浮動拡散部に転送される光電子数の関
数となる。転送される電子数が増加すると、浮動拡散空
乏領域の幅が減少し、浮動拡散静電容量は増大する。こ
のため、連続的非線形伝達関数が発生する。
【００１５】電圧依存静電容量によって発生する線形性
の問題は、図３に示される。図３の垂直軸は浮動拡散領
域１２の電圧を表し、水平軸は光のレベルすなわち積分
時間を表す。収集される光電子数対光レベルすなわち積
分時間は線形関係にある。しかし浮動拡散静電容量は収
集電子数の関数として増大するので、浮動拡散領域から
列バス１７に供給される出力信号対光レベルすなわち積
分時間は線形関係ではない。
の問題は、図３に示される。図３の垂直軸は浮動拡散領
域１２の電圧を表し、水平軸は光のレベルすなわち積分
時間を表す。収集される光電子数対光レベルすなわち積
分時間は線形関係にある。しかし浮動拡散静電容量は収
集電子数の関数として増大するので、浮動拡散領域から
列バス１７に供給される出力信号対光レベルすなわち積
分時間は線形関係ではない。
【００１６】この関係は図３の実線Ａに見ることができ
る。より詳細には、線Ａは連続する非線形な伝達関数を
表す。この曲線は２次微分係数が連続して負の値となっ
ている。線形伝達関数から一定率の変位まで許容するこ
ととして、曲線Ａで使用可能な信号範囲３３は、電圧レ
ベルＶsat’までである。これは全体の信号の振れＶs at
よりもずっと小さくなる可能性がある。応答曲線の第２
部分３０に沿って受け取った光のエネルギー量（例えば
光子）は計算できるが、このような計算では、その結果
得られる画像の雑音が大きくなるおそれがある。それ
で、良質な画像を用いる応用では、ＡＰＳピクセルの出
力は、最初の部分３３に沿う電圧部しか使われず、Ｖ
sat’以上の電圧は普通使われない。
る。より詳細には、線Ａは連続する非線形な伝達関数を
表す。この曲線は２次微分係数が連続して負の値となっ
ている。線形伝達関数から一定率の変位まで許容するこ
ととして、曲線Ａで使用可能な信号範囲３３は、電圧レ
ベルＶsat’までである。これは全体の信号の振れＶs at
よりもずっと小さくなる可能性がある。応答曲線の第２
部分３０に沿って受け取った光のエネルギー量（例えば
光子）は計算できるが、このような計算では、その結果
得られる画像の雑音が大きくなるおそれがある。それ
で、良質な画像を用いる応用では、ＡＰＳピクセルの出
力は、最初の部分３３に沿う電圧部しか使われず、Ｖ
sat’以上の電圧は普通使われない。
【００１７】この問題は図２に示されるＡＰＳピクセル
に対してはもっと厳しい。この場合にもホトダイオード
は電荷電圧変換ノードとして機能する。そしてダイオー
ド静電容量は、ソースフォロワ入力トランジスタのゲー
トの電気的ノードに関連する全静電容量のうち、前の場
合よりずっと大きな部分を占める。この場合には、ピク
セル応答伝達曲線の最初の部分３３は、図１に示される
ＡＰＳピクセルの場合よりもずっと小さい。
に対してはもっと厳しい。この場合にもホトダイオード
は電荷電圧変換ノードとして機能する。そしてダイオー
ド静電容量は、ソースフォロワ入力トランジスタのゲー
トの電気的ノードに関連する全静電容量のうち、前の場
合よりずっと大きな部分を占める。この場合には、ピク
セル応答伝達曲線の最初の部分３３は、図１に示される
ＡＰＳピクセルの場合よりもずっと小さい。
【００１８】この発明は、これらの問題を軽減するの
に、電荷電圧変換ノードに関連する全静電容量に比べ
て、電圧に依存する静電容量の割合を減少させる。もっ
と細かく言えば、この発明では電圧依存静電容量の割合
を減少するのに、電荷電圧変換ノードにもっと大きな電
圧に依存しない静電容量を接続し、組み込む。
に、電荷電圧変換ノードに関連する全静電容量に比べ
て、電圧に依存する静電容量の割合を減少させる。もっ
と細かく言えば、この発明では電圧依存静電容量の割合
を減少するのに、電荷電圧変換ノードにもっと大きな電
圧に依存しない静電容量を接続し、組み込む。
【００１９】例えば、一つの実施例では（図４、図５に
示される）、静電容量（Ｃ1）５０を電荷電圧変換ノー
ド１２に接続する。静電容量（Ｃ1）５０は非常に低い
電圧係数を持つように選び、前述の理由で線形性と電荷
容量を提供する。より詳細には、付加的な電圧非依存静
電容量を加えて、線形性および飽和電圧を増大させる。
望ましい実施例では、コンデンサ５０はポリシリコン−
ポリシリコンまたは他の対向電極コンデンサから成る。
このようなコンデンサは非常に低い電圧係数を示し、セ
ンシングノード１２に電圧に依存しない静電容量を供給
する。
示される）、静電容量（Ｃ1）５０を電荷電圧変換ノー
ド１２に接続する。静電容量（Ｃ1）５０は非常に低い
電圧係数を持つように選び、前述の理由で線形性と電荷
容量を提供する。より詳細には、付加的な電圧非依存静
電容量を加えて、線形性および飽和電圧を増大させる。
望ましい実施例では、コンデンサ５０はポリシリコン−
ポリシリコンまたは他の対向電極コンデンサから成る。
このようなコンデンサは非常に低い電圧係数を示し、セ
ンシングノード１２に電圧に依存しない静電容量を供給
する。
【００２０】図３の点線Ｂは、ピクセル応答伝達関数を
図示するが、これは浮動拡散部に並列に電圧非依存の静
電容量を付け加えて、達成されたものである。線形性の
定義レベルからずれない伝達関数の最初の部分（３２の
部分）は、先行技術に比べ増加している。Ｖsatの値は
減少したが、光検出器からの定まった数の最大電子数
は、より大きな静電容量で電圧に変換されるので、使用
可能な線形部信号レベルＶsat’および線形信号伝達関
数３２は増大でき、一方第２の非線形部３１は減少して
いる。
図示するが、これは浮動拡散部に並列に電圧非依存の静
電容量を付け加えて、達成されたものである。線形性の
定義レベルからずれない伝達関数の最初の部分（３２の
部分）は、先行技術に比べ増加している。Ｖsatの値は
減少したが、光検出器からの定まった数の最大電子数
は、より大きな静電容量で電圧に変換されるので、使用
可能な線形部信号レベルＶsat’および線形信号伝達関
数３２は増大でき、一方第２の非線形部３１は減少して
いる。
【００２１】更にこの発明による構造では、センシング
ノードの全体としての電荷容量は増加しており、大きな
ピクセルや大きな光検出器が要求される場合には有用で
ある。
ノードの全体としての電荷容量は増加しており、大きな
ピクセルや大きな光検出器が要求される場合には有用で
ある。
【００２２】こうして上述の議論のように、この発明に
よる構成によってＡＰＳの線形信号応答性（例えば３２
の部分）は劇的に向上したが、これはセルの全体として
の電圧依存静電容量が、電圧非依存の静電容量素子を加
えることで、減少したからである。
よる構成によってＡＰＳの線形信号応答性（例えば３２
の部分）は劇的に向上したが、これはセルの全体として
の電圧依存静電容量が、電圧非依存の静電容量素子を加
えることで、減少したからである。
【００２３】それに加えて、通常の当業者には知られる
ように、素子を組み合わせて用いることは、電圧非依存
静電容量をＡＰＳに加えるのに使用できる。例えば多数
の静電容量５０を静電容量が必要なレベルまで到達する
のに使用できよう。
ように、素子を組み合わせて用いることは、電圧非依存
静電容量をＡＰＳに加えるのに使用できる。例えば多数
の静電容量５０を静電容量が必要なレベルまで到達する
のに使用できよう。
【００２４】他の実施形態では、この発明は共通ソース
増幅器４０をソースフォロワー１５（例えば図６，図７
を参照）としてよりも、読み取り装置として利用する。
共通ソース増幅器４０の負荷は、列バス１７に沿う機器
４１として示される。
増幅器４０をソースフォロワー１５（例えば図６，図７
を参照）としてよりも、読み取り装置として利用する。
共通ソース増幅器４０の負荷は、列バス１７に沿う機器
４１として示される。
【００２５】共通ソース増幅器の入力静電容量は、ソー
スフォロワ増幅器の場合よりも大きくできるが、これは
共通ソース増幅器の電圧利得を１よりも大きく設計すれ
ばよい。共通ソース増幅器４０の入力静電容量は、ソー
スフォロワ増幅器の入力静電容量よりも大きい方が良
く、センスノード接合静電容量がセンスノード全体の静
電容量と比べて小さくなって、線形性を改善する。そし
て全静電容量が大きくなって、センスノードに対しより
大きな電荷容量をもたらす。
スフォロワ増幅器の場合よりも大きくできるが、これは
共通ソース増幅器の電圧利得を１よりも大きく設計すれ
ばよい。共通ソース増幅器４０の入力静電容量は、ソー
スフォロワ増幅器の入力静電容量よりも大きい方が良
く、センスノード接合静電容量がセンスノード全体の静
電容量と比べて小さくなって、線形性を改善する。そし
て全静電容量が大きくなって、センスノードに対しより
大きな電荷容量をもたらす。
【００２６】ここで開示する分野の当業者には知られる
ように、共通ソース増幅器４０の入力静電容量は、共通
ソース増幅器の電圧利得の設計でより大きくできる（選
択できる）。それは、電圧利得がピクセル入力トランジ
スタのゲートドレイン間静電容量とゲートチャネル静電
容量に対して、希望するミラー効果を提供するような設
計をすることである。
ように、共通ソース増幅器４０の入力静電容量は、共通
ソース増幅器の電圧利得の設計でより大きくできる（選
択できる）。それは、電圧利得がピクセル入力トランジ
スタのゲートドレイン間静電容量とゲートチャネル静電
容量に対して、希望するミラー効果を提供するような設
計をすることである。
【００２７】それに加えて、共通ソース増幅器４０と一
つ以上のコンデンサ５０を組み合わせると、センスノー
ドの電圧に依存する静電容量の割合を減少し、それに対
応して上述の線形信号応答性を向上することを実現する
のに使用できよう。
つ以上のコンデンサ５０を組み合わせると、センスノー
ドの電圧に依存する静電容量の割合を減少し、それに対
応して上述の線形信号応答性を向上することを実現する
のに使用できよう。
【００２８】更に、コンデンサＣ1は接地ではなく、Ｖ
ＤＤのようなノードに対する静電容量を含んでいても良
い。
ＤＤのようなノードに対する静電容量を含んでいても良
い。
【００２９】このようにこの発明は、光のレベルに対し
てより大きい線形信号応答性（例えば３２部分）をつく
り出し、より高い電圧飽和レベルＶsat2を有している
が、それはセルの電圧依存静電容量が、電圧非依存の静
電容量素子（４０，５０）を付加することで、減少した
ためである。
てより大きい線形信号応答性（例えば３２部分）をつく
り出し、より高い電圧飽和レベルＶsat2を有している
が、それはセルの電圧依存静電容量が、電圧非依存の静
電容量素子（４０，５０）を付加することで、減少した
ためである。
【図１】 能動ピクセルセンサピクセルを示す概略図で
ある。
ある。
【図２】 第２の能動ピクセルセンサピクセルを示す概
略図である。
略図である。
【図３】 図１および図２に示される能動ピクセルセン
サピクセルを用いた、出力電圧の線形性を示すグラフで
ある。
サピクセルを用いた、出力電圧の線形性を示すグラフで
ある。
【図４】 電圧非依存静電容量を利用する能動ピクセル
センサを示す概略図である。
センサを示す概略図である。
【図５】 電圧非依存静電容量を利用する能動ピクセル
センサを示す概略図である。
センサを示す概略図である。
【図６】 共通ソース増幅器を利用する能動ピクセルセ
ンサピクセルを示す概略図である。
ンサピクセルを示す概略図である。
【図７】 共通ソース増幅器を利用する能動ピクセルセ
ンサピクセルを示す概略図である。
ンサピクセルを示す概略図である。
５ ＣＭＯＳ能動ピクセルセンサセル、１０ ホトダイ
オード、１１ 転送トランジスタ、１２ 浮動拡散領
域、１３ リセットトランジスタ、１４ 電圧源、１５
入力トランジスタ、１６ 行選択トランジスタ、１７
列バス、４０共通ソース増幅器、５０ コンデンサ。
オード、１１ 転送トランジスタ、１２ 浮動拡散領
域、１３ リセットトランジスタ、１４ 電圧源、１５
入力トランジスタ、１６ 行選択トランジスタ、１７
列バス、４０共通ソース増幅器、５０ コンデンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA14 CA03 DD04 DD09 DD11 DD12 FA06 FA33 5C024 CX11 GX02 GX07 GX18 GY31 5F049 MA01 NA03 NA15 NB05 RA08 UA07
Claims (3)
- 【請求項１】 複数のピクセルから構成される能動ピク
セル画像センサであって、 少なくとも一つの前記ピクセルは、 光検出器と、 トランジスタと、 前記光検出器に結合されると共に、前記トランジスタの
入力に接続されている電荷電圧変換領域と、 前記電荷電圧変換領域と並列であり、また低い電圧係数
を持つように設計されたコンデンサと、 を備えることを特徴とする能動ピクセル画像センサ。 - 【請求項２】 複数のピクセルから構成される能動ピク
セル画像センサであって、 少なくとも一つの前記ピクセルは、 光検出器と、 トランジスタと、 前記光検出器と並列であり、また低い電圧係数を持つよ
うに設計されたコンデンサと、を備え、 前記光検出器は、前記トランジスタの入力に接続された
電荷電圧変換領域としても機能すること、 を特徴とする能動ピクセル画像センサ。 - 【請求項３】 複数のピクセルから構成される能動ピク
セル画像センサであって、 少なくとも一つの前記ピクセルは、 光検出器と、 トランジスタと、 前記光検出器に結合されると共に、前記トランジスタの
入力に接続されている電荷電圧変換領域と、を備え、 前記トランジスタは、共通ソース増幅器として機能する
ように構成されていること、 を特徴とする能動ピクセル画像センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/750,745 | 2000-12-29 | ||
| US09/750,745 US6730897B2 (en) | 2000-12-29 | 2000-12-29 | Linearity and dynamic range for complementary metal oxide semiconductor active pixel image sensors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002305688A true JP2002305688A (ja) | 2002-10-18 |
| JP4156831B2 JP4156831B2 (ja) | 2008-09-24 |
Family
ID=25019008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001391103A Expired - Lifetime JP4156831B2 (ja) | 2000-12-29 | 2001-12-25 | 能動ピクセル画像センサ |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6730897B2 (ja) |
| EP (1) | EP1223746B1 (ja) |
| JP (1) | JP4156831B2 (ja) |
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| JP2006108467A (ja) * | 2004-10-07 | 2006-04-20 | Sony Corp | 物理量分布検知の半導体装置 |
| WO2006082896A1 (ja) * | 2005-02-07 | 2006-08-10 | Hamamatsu Photonics K.K. | 固体撮像装置 |
| JP2006303019A (ja) * | 2005-04-18 | 2006-11-02 | Pentax Corp | 撮像素子 |
| WO2011145153A1 (ja) * | 2010-05-17 | 2011-11-24 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置 |
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| KR20050077434A (ko) * | 2004-01-28 | 2005-08-02 | 삼성전자주식회사 | 소비 전력을 줄일 수 있는 고체 촬상 장치 |
| US7719583B1 (en) * | 2004-09-07 | 2010-05-18 | Melexis Tessenderlo Nv | Active pixel image sensor with selectable source follower and common source amplifier modes |
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| US7718459B2 (en) * | 2005-04-15 | 2010-05-18 | Aptina Imaging Corporation | Dual conversion gain pixel using Schottky and ohmic contacts to the floating diffusion region and methods of fabrication and operation |
| US7427790B2 (en) * | 2007-01-19 | 2008-09-23 | Eastman Kodak Company | Image sensor with gain control |
| US7674648B2 (en) * | 2007-03-21 | 2010-03-09 | Eastman Kodak Company | Extended dynamic range using variable sensitivity pixels |
| US8159585B2 (en) | 2007-05-01 | 2012-04-17 | Omnivision Technologies, Inc. | Image sensor pixel with gain control |
| US20110074996A1 (en) | 2009-09-29 | 2011-03-31 | Shen Wang | Ccd image sensors with variable output gains in an output circuit |
| US9526468B2 (en) | 2014-09-09 | 2016-12-27 | General Electric Company | Multiple frame acquisition for exposure control in X-ray medical imagers |
| US10277848B2 (en) * | 2015-01-13 | 2019-04-30 | Sony Corporation | Solid-state imaging device, method of driving the same, and electronic apparatus |
| DE102016212765A1 (de) * | 2016-07-13 | 2018-01-18 | Robert Bosch Gmbh | Pixeleinheit für einen Bildsensor, Bildsensor, Verfahren zum Sensieren eines Lichtsignals, Verfahren zum Ansteuern einer Pixeleinheit und Verfahren zum Generieren eines Bildes unter Verwendung einer Pixeleinheit |
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| JP2965777B2 (ja) * | 1992-01-29 | 1999-10-18 | オリンパス光学工業株式会社 | 固体撮像装置 |
| FR2737072B1 (fr) * | 1995-07-20 | 1997-08-22 | Commissariat Energie Atomique | Circuit de lecture de detecteurs de rayonnements electromagnetiques avec remise a zero du circuit de lecture par les detecteurs |
| US5614744A (en) * | 1995-08-04 | 1997-03-25 | National Semiconductor Corporation | CMOS-based, low leakage active pixel array with anti-blooming isolation |
| US6344877B1 (en) * | 1997-06-12 | 2002-02-05 | International Business Machines Corporation | Image sensor with dummy pixel or dummy pixel array |
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| WO2002027763A2 (en) * | 2000-09-25 | 2002-04-04 | Foveon, Inc. | Active pixel sensor with noise cancellation |
-
2000
- 2000-12-29 US US09/750,745 patent/US6730897B2/en not_active Expired - Lifetime
-
2001
- 2001-12-17 EP EP01204939A patent/EP1223746B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-12-17 DE DE60120099T patent/DE60120099T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2001-12-25 JP JP2001391103A patent/JP4156831B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| US8018515B2 (en) | 2005-02-07 | 2011-09-13 | Hamamatsu Photonics K.K. | Solid-state image pickup device |
| TWI413241B (zh) * | 2005-02-07 | 2013-10-21 | Hamamatsu Photonics Kk | Solid-state imaging device |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE60120099D1 (de) | 2006-07-06 |
| EP1223746B1 (en) | 2006-05-31 |
| EP1223746A2 (en) | 2002-07-17 |
| JP4156831B2 (ja) | 2008-09-24 |
| US6730897B2 (en) | 2004-05-04 |
| DE60120099T2 (de) | 2006-12-14 |
| EP1223746A3 (en) | 2004-09-22 |
| US20020121589A1 (en) | 2002-09-05 |
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