JP2003134399A - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents
固体撮像装置およびその駆動方法Info
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Abstract
面積を狭くすることなく単位画素周辺の配線本数を減ら
す。 【解決手段】 単位画素部は、フォトダイオードと5つ
のトランジスタTt(読み出し)、Txy(読み出し選
択)、Ta(増幅)、Tr(リセット)、Tx(水平選
択)より構成されている。そして、単位画素部の周辺に
は、垂直選択共用線Vselと水平選択共用線Hsel
が設けられている。垂直選択共用線Vselは、単位画
素を垂直方向に選択するための垂直選択線と、信号電荷
の読み出しを行うための読み出し選択線、FDのリセッ
トを行うためのリセット線を兼用している。水平選択共
用線Hselは、単位画素を水平方向に選択するための
水平選択線と、信号電荷の読み出しを行うための読み出
し線を兼用している。
Description
を構成する複数の光電変換素子を有し、各光電変換素子
に蓄積された光電荷を複数のトランジスタを用いて点順
次で読み出す構造を有する固体撮像装置およびその駆動
方法に関する。
て、各単位画素毎に光電変換用のフォトダイオードと、
このフォトダイオードに蓄積した光電荷の読み出しゲー
ト、読み出し選択ゲート、増幅ゲート、リセットゲー
ト、水平選択ゲートの合計5つのMOSトランジスタを
設け、各単位画素の信号電荷を点順次で読み出すことが
可能なX−Yアドレス型イメージセンサが提案されてい
る(例えば特開2001−24952号、特開2001
−24946号参照)。
トダイオードに蓄積された受光量に応じた信号電荷を読
み出しトランジスタによって読み出し、増幅トランジス
タのゲートに接続されたFD(フローティングデフュー
ジョン)部に転送することにより、この信号電荷を増幅
トランジスタで増幅し、FD電位に対応した電流信号に
変換する。そして、この増幅トランジスタの出力を水平
選択トランジスタによって所定のタイミングで出力し、
撮像領域外に設けられた信号処理回路に送出する。ま
た、読み出し選択トランジスタによって読み出しトラン
ジスタの動作を選択的に制御することにより、光電荷を
読み出す画素を選択する。また、リセットトランジスタ
では、FDの光信号をリセットし、フォトダイオードか
ら増幅ゲートへの信号電荷の蓄積期間を制御する。な
お、このような5つのトランジスタによる画素構造を有
するイメージセンサを点順次読み出し5Tr方式の固体
撮像装置というものとする。
ような従来の点順次読み出し5Tr方式による固体撮像
装置においては、画素を駆動するための配線本数が多く
なり、配線スペースが大きくなるため撮像部の小型化が
困難であるという問題があった。なお、配線本数を減ら
す工夫を行う場合、実際の素子レイアウトにおいて、セ
ンサの感度を低下させないためにフォトダイオードの有
効面積を狭くすることなく実現することが必要である。
たものであり、その目的とするところは、実際の素子レ
イアウトにおいて受光部の有効面積を狭くすることなく
配線本数を減らすことが可能であり、撮像素子の小型化
を実現することが可能な固体撮像装置およびその駆動方
法を提供することにある。
直方向の2次元行列状に配置された複数の単位画素と、
前記単位画素を垂直方向に走査して各単位画素を選択す
る垂直スキャナと、前記単位画素を水平方向に走査して
各単位画素を選択する水平スキャナと、前記単位画素を
走査して各単位画素の電子シャッタ動作を行う電子シャ
ッタスキャナとを有する固体撮像装置において、前記各
単位画素を行単位で垂直方向に選択する垂直選択線と、
信号電荷を読み出す各単位画素を行単位で垂直方向に選
択する読み出し選択線と、各単位画素のリセットを行う
リセット線とを兼用し、垂直方向に隣接する各単位画素
の間で共用する垂直選択共用線と、前記各単位画素を水
平方向に選択する水平選択線と、信号電荷の読み出しを
行う読み出し線とを兼用し、水平方向に隣接する各単位
画素の間で共用する水平選択共用線とを有することを特
徴とする。
元行列状に配置された複数の単位画素と、前記単位画素
を垂直方向に走査して各単位画素を選択する垂直スキャ
ナと、前記単位画素を水平方向に走査して各単位画素を
選択する水平スキャナと、前記単位画素を走査して各単
位画素の電子シャッタ動作を行う電子シャッタスキャナ
とを有する固体撮像装置の駆動方法において、前記各単
位画素を行単位で垂直方向に選択する垂直選択線と、信
号電荷を読み出す各単位画素を行単位で垂直方向に選択
する読み出し選択線と、各単位画素のリセットを行うリ
セット線とを兼用し、垂直方向に隣接する各単位画素の
間で共用する垂直選択共用線と、前記各単位画素を水平
方向に選択する水平選択線と、信号電荷の読み出しを行
う読み出し線とを兼用し、水平方向に隣接する各単位画
素の間で共用する水平選択共用線とを設け、n行目の垂
直選択共用線によってn行目の垂直選択と行単位の読み
出し選択を行うとともに、n−1行目の垂直選択共用線
によってn行目の各単位画素に対するリセット動作を行
い、前記リセット動作に同期して前記水平選択共用線に
よるn行目の各単位画素に対する画素選択と信号電荷の
読み出し動作を順次行うことを特徴とする。
接する各単位画素の間で、垂直選択線と読み出し選択線
とリセット線とを兼用する垂直選択共用線によって共用
し、水平方向に隣接する各単位画素の間で、水平選択線
と読み出し線とを兼用する水平選択共用線で共用するこ
とから、各単位画素を点順次で読み出すための配線の本
数を、実際の素子レイアウトにおいて受光部の有効面積
を狭くすることなく削減でき、撮像素子の小型化を実現
することが可能となる。
は、上述のような垂直選択共用線と水平選択共用線を設
けた構成で、n行目の垂直選択共用線によってn行目の
垂直選択と行単位の読み出し選択を行うとともに、n−
1行目の垂直選択共用線によってn行目の各単位画素に
対するリセット動作を行い、リセット動作に同期して前
記水平選択共用線によるn行目の各単位画素に対する画
素選択と信号電荷の読み出し動作を順次行うことによ
り、各単位画素を点順次で読み出すための配線の本数
を、実際の素子レイアウトにおいて受光部の有効面積を
狭くすることなく削減でき、撮像素子の小型化を実現す
ることが可能となる。
いて図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実
施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好
ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、
以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載が
ない限り、これらの態様に限定されないものとする。本
実施の形態による固体撮像装置は、5Tr方式の採用に
よりCDS回路により増幅トランジスタの閾値電圧Vt
hばらつきを除去する構成において、単位画素部に対す
る配線数を削減でき、レイアウトした際に小型化に有利
な構造を提供するものである。図1は本発明の実施の形
態によるMOS型固体撮像装置の概略構成を示すブロッ
ク図であり、図2は図1に示すMOS型固体撮像装置の
水平垂直同期の動作タイミングを示すタイミングチャー
トである。また、図3(A)は図1に示すMOS型固体
撮像装置の単位画素部の周辺構成を示す回路図であり、
図3(B)は図3(A)に示す単位画素部内の各トラン
ジスタの動作タイミングを示すタイミングチャートであ
る。
と水平方向のマトリクス状に配列された多数の単位画素
部(図では1つだけ示す)と、各単位画素部から点順次
で画素信号を読み出すためのV(垂直)スキャナおよび
H(水平)スキャナと、各単位画素部の電子シャッタ
(ES)選択動作を行うためのESスキャナ等を有して
構成されている。また、各単位画素部は、それぞれ光電
変換手段と電荷蓄積手段を兼ねるフォトダイオードPD
と、このフォトダイオードPDに蓄積した信号電荷をF
D(フローティングデフュージョン)に読み出すための
読み出しトランジスタTt、この読み出しゲートTtを
選択するための読み出し選択トランジスタTxy、信号
電荷を増幅する増幅トランジスタTa、FDをリセット
するためのリセットトランジスタTr、画素列を選択す
る水平選択トランジスタTxの合計5つのMOSトラン
ジスタを設け、各単位画素の信号電荷を点順次で読み出
す点順次読み出し5Tr方式を構成している。
ットトランジスタTrは、フォトダイオードPDと駆動
電圧Vddとの間に直列に接続されており、リセットト
ランジスタTrのソースと読み出しトランジスタTtの
ドレインの間に信号電荷を転送するためのFDが設けら
れ、このFDが増幅トランジスタTaのゲートに接続さ
れている。また、読み出しトランジスタTtのゲートに
は読み出し選択トランジスタTxyのソースが接続され
ている。また、増幅トランジスタTaと水平選択トラン
ジスタTxはVddと水平信号線Lhの間に直列に接続
されている。
図中左右方向に沿って配線された垂直選択共用線Vse
lと、図中上下方向に沿って配線された水平選択共用線
Hselが設けられている。このうち垂直選択共用線V
selは、単位画素を垂直方向に選択するための垂直選
択線と、信号電荷の読み出しを行うための読み出し選択
線、FDのリセットを行うためのリセット線を兼用した
ものであり、これらを図中上下方向に配列された各単位
画素の間で共用するものである。各垂直選択共用線Vs
elは、図中下段の単位画素の読み出し選択トランジス
タTxyのゲートと、図中上段の単位画素のリセットト
ランジスタTrのゲートに接続されている。
素を水平方向に選択するための水平選択線と、信号電荷
の読み出しを行うための読み出し線を兼用したものであ
り、これらを図中左右方向に配列された各単位画素の間
で共用するものである。各水平選択共用線Hselは、
図中右側の単位画素の水平選択トランジスタTxのゲー
トと、図中左側の単位画素の読み出し選択トランジスタ
Txyのドレインに接続されている。また、水平信号線
Lhには、水平選択トランジスタTxのソースが接続さ
れ、左右の垂直選択ゲートTyの制御によって各単位画
素の出力信号が撮像領域外の信号処理回路やドレイン部
に送出される。
Vシフトレジスタ201、202と、ESシフトレジス
タ401と、論理回路203、204と、ドライバ(図
示せず)等から構成されており、水平信号線Lhを選択
する垂直選択ゲートTyには、Vシフトレジスタ20
1、202からのパルスが印加される。また、垂直選択
共用線Vselには、読み出し行選択時およびシャッタ
行選択時には、1H(1水平同期)期間Hiとなるパル
スが印加される。また、垂直選択共用線Vselには、
読み出し行選択およびシャッタ行選択の1H後に1H期
間画素リセットパルスが印加される。一方、Hスキャナ
は、Hシフトレジスタ301と、論理回路302、30
3と、ドライバ(図示せず)等から構成されている。そ
して、水平選択時、画素列を選択する水平選択トランジ
スタTxには水平選択共用線Hselを通してHシフト
レジスタ301のパルスが印加される。また、水平選択
の1画素前には、読み出し選択パルスが水平選択共用線
Hselを通じて1画素前の読み出し選択トランジスタ
Txyに印加される。
構成として、各回路を駆動するためのパルスを発生する
タイミング発生器(TG)と、センサ駆動用のドライバ
回路と、出力信号を増幅するための出力アンプと、ノイ
ズ除去用のCDS回路(相関2重サンプリング回路)と
を有し、さらにオートゲインコントローラ(AGC)、
プログラマブルゲインコントローラ(PGA)、アナロ
グデジタルコンバータ(ADC)、デジタルシグナルプ
ロセッサ(DSP)等の回路を有する場合もある。
法について説明する。全体的な動作は、図2に示すよう
に、リセットパルス(XRST)および読み出しパルス
(PRD)が一定周期で入力され、クロックqによって
水平ライン(Hm)、垂直ライン(Vn)およびシャッ
タ(Sj)の各シフトレジスタが駆動され、選択された
各画素の出力信号(out)が後段の回路に出力され
る。
部における個別の動作タイミングについて説明する。 (1)V同期のタイミング まず、Vブランキング期間中にV同期のスタートパルス
がVシフトレジスタ201、202に印加される。次い
で、Vシフトレジスタ201、202に、Hブランキン
グ期間にクロックが入り、1Hずつパルスがシフトされ
ていく。そして、選択行(ここではn行目)の垂直選択
ゲートTyと垂直選択共用線VselにV選択パルスが
印加される際、その1H後のn+1の行にはリセットパ
ルスが印加される。n行目の画素は、このリセットパル
スにより、1H期間の各bitにおいてその列選択期間
の最初のタイミングでFDをリセットしていく(信号電
荷をVddに捨てる)。また、このV選択に先立ち電子
シャッタを切る場合は、そのシャッタ時間前のn行にお
いて、上記垂直選択時と同様の動作を行うが、垂直選択
ゲートTyには、ESシフトレジスタ401のパルスが
印加されていないので閉じたままである。
がHシフトレジスタ301に印加される。次いで、Hシ
フトレジスタ301は、クロックにより各画素期間毎に
1bitずつパルスがシフトされていく。垂直選択共用
線VselにV選択パルスが印加されている行におい
て、m列目の水平選択共用線Hmに水平選択パルスが印
加されると、m列目の水平選択トランジスタTxがオン
となり、該当画素のFD電位に応じた信号が増幅トラン
ジスタTaで増幅されて水平信号線Lhに読み出され
る。この水平選択期間中にm+1列目の水平選択共用線
Hm+1に読み出し選択パルスが印加される。
Hiとなりn行目の水平信号線Lhにつながる垂直選択
ゲートTyと読み出し選択トランジスタTxyがオンと
なる。m列目の水平選択共用線Hmから水平選択パルス
がm列目の水平選択トランジスタTxに印加され、n行
m列の単位画素が選択状態になる。同時にn−1行目の
垂直選択共用線Vn−1からリセットパルスがn行m列
画素のリセットトランジスタTrに印加され、FDが駆
動電圧Vddにリセットされる。これにより、このリセ
ットされたFD電位に応じた出力電流が増幅トランジス
タTaで増幅され、水平選択トランジスタTxを通じ水
平信号線Lhに読み出される。
パルスがオンの状態の読み出し選択トランジスタTxy
を通じて読み出しトランジスタTtのゲートに印加され
る。光電変換により発生し、フォトダイオードPDに蓄
積されていた信号電荷が、FDに読み出される。この
際、フォトダイオードPDがHAD構造ならば、完全読
み出しが可能でフォトダイオードPDから電荷が完全に
読み出される。読み出し選択トランジスタTxyがオフ
となり、信号電荷が読み出された変動したFDの電位に
応じた出力電流が増幅トランジスタTaで増幅され、水
平選択トランジスタTxを通じ、水平信号線Lhに読み
出される。この後、前に読まれたリセットレベルとこの
信号レベルを後段のCDS回路により相関2重サンプリ
ングすることにより、FDのリセットノイズ、増幅トラ
ンジスタTaの閾値電圧Vthばらつきが除去でき、ノ
イズが抑圧された良好な画像を得ることができる。
て具体的に説明する。まず、図3(B)のタイミングt
1において、図3(A)に示すn行目の垂直選択共用線
Vnに垂直選択パルスφVnが印加され、特定ライン
(行)としてn行目のラインが選択され、読み出し選択
トランジスタTxy、水平選択トランジスタTxがオン
される。また、タイミングt2において、m画素目の水
平選択共用線Hsel(m)でで水平選択パルスがオン
しており、m−1画素目の水平選択共用線Hsel(m
−1)で読み出しパルスPrdがオンすることで、n−
1行m列目の画素を読み出す。
目の垂直選択共用線Vn−1にリセットパルスPrsが
印加され、n行目のFDをリセットする(なお、水平選
択トランジスタTxがオフ状態でFDをリセットする
と、水平選択トランジスタTxがオンしたときに増幅ト
ランジスタTaのソース電位の変動により、FD電位が
マイナス側にシフトする)。ここで、FDをリセットし
たレベル(増幅トランジスタTaのゲート電圧)に対応
した電流が駆動電圧Vddから水平選択トランジスタT
x、垂直選択ゲートTyを通してI/V変換回路、CD
S回路に出力される。また、本例では、図示のように、
水平選択共用線Hselに印加する水平選択パルスを前
後の画素(m画素とm+1画素)で重ねることにより、
リセットパルスPrsを立てた状態で画素選択をオフす
る。
素目の水平選択共用線Hsel(m+1)で読み出しパ
ルスがオンし、読み出しトランジスタTtがオンとな
り、フォトダイオードPDからFDへの読み出しが行わ
れる。その結果、光電変換された電子により、電位が変
動したFDのレベル(増幅トランジスタTaのゲート電
圧)に対応した電流が駆動電圧Vddから水平選択トラ
ンジスタTx、垂直選択ゲートTyを通してI/V変換
回路、CDS回路に出力される。次に、タイミングt5
において、m画素目の水平選択共用線Hsel(m)の
水平選択パルスがオフすることにより、水平選択トラン
ジスタTxがオフとなる。この際、水平選択トランジス
タTxのドレイン電位が上がり、カップリングによりF
Dの電位も上がる。ここで再度リセットパルスPrsに
よりFDをVddに戻す。
ングとなるが、水平選択トランジスタTxがオンとなら
ないため、信号電流は垂直信号線Lvに読み出されず、
フォトダイオードPDにそれまでに蓄積された電荷は、
FDを通じてVddに捨てられることになる。
置では、垂直方向に隣接する各単位画素の間で、垂直選
択線と読み出し選択線とリセット線とを兼用する垂直選
択共用線によって共用し、水平方向に隣接する各単位画
素の間で、水平選択線と読み出し線とを兼用する水平選
択共用線で共用することから、各単位画素を点順次で読
み出すための配線の本数を、実際の素子レイアウトにお
いて受光部の有効面積を狭くすることなく削減でき、撮
像素子の小型化を実現することが可能となる。特に各単
位画素内にフォトダイオード等の光電変換素子と、読み
出しゲート、読み出し選択ゲート、リセットゲート、増
幅ゲート、選択ゲートの5つのトランジスタを設け、信
号出力をCDS回路によって信号処理することにより、
増幅ゲートの閾値電圧Vthのばらつきを除去するよう
にした5Tr方式を採用した構成において、単位画素に
対する配線数を削減でき、レイアウトした際に小型化に
有利な構造を提供することが可能となる。
は、上述のような垂直選択共用線と水平選択共用線を設
けた構成で、n行目の垂直選択共用線によってn行目の
垂直選択と行単位の読み出し選択を行うとともに、n−
1行目の垂直選択共用線によってn行目の各単位画素に
対するリセット動作を行い、リセット動作に同期して前
記水平選択共用線によるn行目の各単位画素に対する画
素選択と信号電荷の読み出し動作を順次行うことによ
り、各単位画素を点順次で読み出すための配線の本数
を、実際の素子レイアウトにおいて受光部の有効面積を
狭くすることなく削減でき、撮像素子の小型化を実現す
ることが可能となる。
置の概略構成を示すブロック図である。
期の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
位画素部の周辺構成を示す回路図であり、(B)は
(A)に示す単位画素部内の各トランジスタの動作タイ
ミングを示すタイミングチャートである。
スタ、Txy……読み出し選択トランジスタ、Ta……
増幅トランジスタ、Tr……リセットトランジスタ、T
x……水平選択トランジスタ、Vsel……垂直選択共
用線、Hsel……水平選択共用線、201、202…
…Vシフトレジスタ、203、204、302、303
……論理回路、301……Hシフトレジスタ、401…
…ESシフトレジスタ。
Claims (9)
- 【請求項1】 水平方向と垂直方向の2次元行列状に配
置された複数の単位画素と、前記単位画素を垂直方向に
走査して各単位画素を選択する垂直スキャナと、前記単
位画素を水平方向に走査して各単位画素を選択する水平
スキャナと、前記単位画素を走査して各単位画素の電子
シャッタ動作を行う電子シャッタスキャナとを有する固
体撮像装置において、 信号電荷を読み出す各単位画素を行単位で垂直方向に選
択する読み出し選択線と、各単位画素のリセットを行う
リセット線とを兼用し、垂直方向に隣接する各単位画素
の間で共用する垂直選択共用線と、 前記各単位画素を水平方向に選択する水平選択線と、信
号電荷の読み出しを行う読み出し線とを兼用し、水平方
向に隣接する各単位画素の間で共用する水平選択共用線
と、 を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記単位画素は、それぞれ光電変換と電
荷蓄積を行う光電変換部手段と、前記光電変換部手段の
信号電荷を読み出すゲート回路とを設けた複数の単位画
素とを有し、 前記ゲート回路は、 前記光電変換手段によって蓄積された光電荷をフローテ
ィングディフュージョン部に転送する読み出しトランジ
スタと、 前記フローティングディフュージョン部の光電荷による
電位変動を取り出す増幅トランジスタと、 前記フローティングディフュージョン部に印加された光
電荷をリセットするリセットトランジスタと、 読み出しトランジスタを選択する読み出し選択トランジ
スタと、 前記単位画素を水平方向に選択する水平選択トランジス
タと、 を有す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】 前記垂直スキャナおよび水平スキャナの
走査によって各単位画素から点順次で読み出された信号
の相関2重サンプリング処理を行うCDS回路を有する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項4】 前記電子シャッタスキャナは、単位画素
を垂直方向に走査して各単位画素の電子シャッタ動作を
行単位で行うことを特徴とする請求項1記載の固体撮像
装置。 - 【請求項5】 水平方向と垂直方向の2次元行列状に配
置された複数の単位画素と、前記単位画素を垂直方向に
走査して各単位画素を選択する垂直スキャナと、前記単
位画素を水平方向に走査して各単位画素を選択する水平
スキャナと、前記単位画素を走査して各単位画素の電子
シャッタ動作を行う電子シャッタスキャナとを有する固
体撮像装置の駆動方法において、 信号電荷を読み出す各単位画素を行単位で垂直方向に選
択する読み出し選択線と、各単位画素のリセットを行う
リセット線とを兼用し、垂直方向に隣接する各単位画素
の間で共用する垂直選択共用線と、 前記各単位画素を水平方向に選択する水平選択線と、信
号電荷の読み出しを行う読み出し線とを兼用し、水平方
向に隣接する各単位画素の間で共用する水平選択共用線
とを設け、 n行目の垂直選択共用線によってn行目の垂直選択と行
単位の読み出し選択を行うとともに、n−1行目の垂直
選択共用線によってn行目の各単位画素に対するリセッ
ト動作を行い、 前記リセット動作に同期して前記水平選択共用線による
n行目の各単位画素に対する画素選択と信号電荷の読み
出し動作を順次行う、 ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項6】 前記リセット動作は、読み出し選択行に
対し1水平同期有効期間中にリセットパルスを印加し続
けることにより行うことを特徴とする請求項5記載の固
体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項7】 n行目の垂直選択共用線によるn行目の
垂直選択の1水平同期期間後にリセットパルスをn+1
行目の垂直選択共用線に印加することを特徴とする請求
項6記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項8】 m列目の水平選択共用線によるm画素目
の水平選択期間内に、m+1列目の水平選択共用線にm
画素目の読み出しパルスを印加することを特徴とする請
求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項9】 前記水平選択共用線に印加する水平選択
パルスを前後の画素で重ねることにより、リセットパル
スを立てた状態で画素選択をオフすることを特徴とする
請求項8記載の固体撮像装置の駆動方法。
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JP2001331876A JP3985262B2 (ja) | 2001-10-30 | 2001-10-30 | 固体撮像装置およびその駆動方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2003134399A true JP2003134399A (ja) | 2003-05-09 |
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JP2001331876A Expired - Lifetime JP3985262B2 (ja) | 2001-10-30 | 2001-10-30 | 固体撮像装置およびその駆動方法 |
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2001
- 2001-10-30 JP JP2001331876A patent/JP3985262B2/ja not_active Expired - Lifetime
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