JP2004023380A

JP2004023380A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2004023380A
Application number: JP2002174436A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Watabe; 渡部　俊久; Masahide Goto; 後藤　正英; Hiroshi Otake; 大竹　浩
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP4025586B2

Abstract

【課題】信号の入出力関係が線形であり、また、固定パターン雑音が低減された固体撮像装置を提供する。
【解決手段】電荷転送回路１０は、転送トランジスタ５ａ、反転型増幅器５ｂ、反転型ラインアンプ１２ａ、負帰還容量Ｃｆおよび容量リセットスイッチ１２ｂにより構成される。反転型ラインアンプ１２ａの開ループゲイン−Ｇｏを大きく設定し、負帰還容量Ｃｆをフォトダイオード１ａの等価容量Ｃｖに比べて十分小さくする。負帰還容量Ｃｆは、ポリシリコン電極間に絶縁膜を挿入した構成とする。反転型ラインアンプ１２ａの動作入力電圧を反転型増幅器５ｂの動作入力電圧よりも高くする。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、一層詳細には、固体撮像装置の信号読み出し回路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は、信号電荷の読み出し方式の違いにより、ＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大別できる。
【０００３】
後者のＣＭＯＳ型固体撮像装置は、前者のＣＣＤ型固体撮像装置に比べて消費電力量が小さい点に優位性がある。近年、ＣＭＯＳ型固体撮像装置が数多く提案されている。
【０００４】
ＣＭＯＳ型固体撮像装置は、ＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｅｎｓｏｒ）と呼ばれる、画素内で信号を増幅するタイプのものが大半を占める。この場合、１画素は複数個のトランジスタで構成されているため、高精細な画像を得るために画素サイズを小さくすると、開口率が低くなって１画素の受光量が低下する。
【０００５】
一方、ＭＯＳ型と呼ばれる、画素をトランジスタ１個で構成するＰＰＳ（Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｅｎｓｏｒ）タイプの固体撮像装置があり、この場合は、上記したＡＰＳタイプのもののような不具合がない。ところが、このＰＰＳタイプのものは、信号電荷を垂直信号線に読み出す方式を採用しており、この場合、垂直信号線には大きな寄生容量が接続しているため、信号電圧が非常に小さくなり、信号対雑音比が悪くなる。
【０００６】
上記ＭＯＳ型固体撮像装置の欠点を補う信号読み出し方法として、固体ＨＡＲＰ用高Ｓ／Ｎ信号読み出し回路の検討結果が報告されている（映像情報メディア学会技術報告：ＩＴＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．５４，Ｐ．Ｐ．８１〜８６，ＩＰＵ２００１−６３）。
【０００７】
上記の回路の全体構成を図１に示し、そのうちの１列分の画素の信号電荷が出力に至るまでの、１垂直信号線分の回路構成を図２に示す。なお、図２では、１列に配列される複数の画素のうち１つの画素のみを示し、他の画素は省略している。
【０００８】
図１に示すように、回路は、画素１が２次元アレイ状に配列され、垂直走査器（垂直走査回路）２および水平走査器（水平走査回路）３からのクロック信号によって駆動、制御される。なお、垂直走査器２および水平走査器３には、コントローラ４より所定の制御信号が送られる。
【０００９】
画素１は、光を受光して電荷を生成するフォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ａをリセットするための画素リセットスイッチ１ｂ、フォトダイオード１ａに蓄積された電荷の垂直信号線への取り出しを制御するための垂直選択スイッチ１ｃとで構成され、垂直選択スイッチ１ｃは垂直信号線６に接続されている。なお、参照符号７は各行ごとにそれぞれ１個配列される電圧制御回路を示す。垂直選択スイッチ１ｃをオンするためにゲート（ゲート電極）に印加するクロックは、垂直走査器２の出力を電圧制御回路７を通すことで生成される。
【００１０】
電荷転送回路５は、垂直信号線６へ取り出した電荷の転送を制御するための転送トランジスタ５ａと、転送トランジスタ５ａに負帰還をかける反転型増幅器５ｂと、転送トランジスタ５ａを飽和領域で動作させる電圧に設定するための容量リセットスイッチ５ｃとで構成される。転送トランジスタ５ａは、垂直信号線６上に設けられている。反転型増幅器５ｂは、入力に転送トランジスタ５ａのソースが接続され、出力が転送トランジスタ５ａのゲートに接続されている。容量リセットスイッチ５ｃは、転送トランジスタ５ａのドレインに接続されている。
【００１１】
さらに、転送トランジスタ５ａの後段にはバッファ回路８ａが設けられている。
【００１２】
ここで、図２中、記号Ｃｖは、垂直選択スイッチの拡散容量の１列の画素数分と垂直信号線６の配線容量の和である垂直信号線の浮遊容量を示し、記号Ｃｐはバッファ回路８ａの入力部寄生容量を示す。
【００１３】
さらに、バッファ回路８ａの後段には雑音低減化回路８ｂが設けられている。なお、参照符号３ａは、水平走査器（水平走査回路）３で駆動される水平選択スイッチを示し、参照符号３ｂは、電荷を読み出す水平信号線を示す。
【００１４】
上記のように構成された１垂直信号線分の回路の電荷読み出し動作について、さらに図３に示す電位分布図を参照して、以下説明する。
【００１５】
図３（ａ）は、フォトダイオード１ａに蓄積した信号電荷が垂直選択スイッチ１ｃをオンすることで垂直信号線６に読み出される様子を示す。
【００１６】
信号電荷をフォトダイオード１ａに蓄積するに先立ち、画素リセットスイッチ１ｂにより、フォトダイオード１ａは、リセット電圧（電位）Ｖ_ｒ１に設定されている。これにより、前フレーム分の信号電荷が仮に残留していてもリセットされるため、画面の残像の生成が抑制されている。
【００１７】
フォトダイオード１ａに信号電荷が蓄積した状態で、電圧制御回路７を通して、垂直選択スイッチ１ｃのゲートにフォトダイオード１ａのリセット電圧Ｖ_ｒ１よりも閾値分高く設定した振幅のクロックを印加し垂直選択スイッチ１ｃをオンすることで、信号電荷のみを読み出すことができる。
【００１８】
ここで、信号電荷を電荷転送回路５に読み出すためには、信号電荷転送前の垂直信号線６の電圧（電位）がフォトダイオード１ａのリセット電圧Ｖ_ｒ１よりも高くなければならない。この垂直信号線６の電圧は、反転型増幅器５ｂの動作入力電圧（電位）がリセット電圧Ｖ_ｒ１よりも高くなるように設定されることで実現される。
【００１９】
図３（ｂ）は、垂直信号線６上を信号電荷が転送され、さらに、転送トランジスタ５ａにより入力部寄生容量Ｃｐに読み出される様子を示す。
【００２０】
ここで、信号電荷を垂直信号線６から入力部寄生容量Ｃｐに読み出すためには、バッファ回路８ａの入力のリセット電圧（電位）Ｖ_ｒ２が信号電荷転送直前の垂直信号線６の電圧よりも高くなければならない。そのためには、反転型増幅器５ｂの動作入力電圧をリセット電圧Ｖ_ｒ２よりも低くなるように設定する必要がある。
【００２１】
信号電荷が読み出されることにより反転型増幅器５ｂの動作入力電圧が低下すると、その電圧変化分が増幅されて反転型増幅器５ｂから出力され、しかもその出力電圧（電位）が上昇するため、転送トランジスタ５ａのゲート電圧が大きくなる。したがって、転送トランジスタ５ａには大きな電流が流れ、垂直信号線６上の信号電荷の転送が高速で行われる。電荷転送過程が、このように高速で行われる動的過程であるため、実際には、垂直信号線６の電圧は殆ど変化しない。
【００２２】
図３（ｃ）は、入力部寄生容量Ｃｐに信号電荷が全て転送された状態を示す。
【００２３】
図３（ｂ）の状態で信号電荷が転送される過程において、信号電荷が転送されるに従い垂直信号線６の電圧が徐々に上昇すると、今度は転送トランジスタ５ａのゲート電圧が小さくなる。そして、図３（ｃ）に示すように、入力部寄生容量Ｃｐに信号電荷が全て転送されると、図３（ａ）の状態に戻る。
【００２４】
このようにして、垂直信号線６の浮遊容量Ｃｖの影響を受けずにフォトダイオード１ａからバッファ回路８ａの入力部寄生容量Ｃｐへ信号電荷が転送される。
【００２５】
入力部寄生容量Ｃｐはフォトダイオード１ａの等価容量Ｃｖに比べて十分小さくすることが可能なため、図３（ｃ）に示すように信号電圧を増幅することができる。
【００２６】
バッファ回路８ａの出力電圧とフォトダイオード１ａの信号電圧との関係、すなわち電圧増幅率は、上記の電荷転送過程より、下記式（１）で表される。
【００２７】
Ｖｏ／Ｖｓｉｇ＝α×（Ｃｖ／Ｃｐ）　　　　　　　（１）
上記式（１）中、Ｖｏはバッファ回路８ａの出力電圧を、Ｖｓｉｇはフォトダイオード１ａの信号電圧を、αはバッファ回路８ａの増倍率を、それぞれ示す。
【００２８】
上記式（１）より、前記したＡＰＳタイプのものと同様に、信号レベルを大きくすることで高い信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎと表記する。）を得ることができる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の信号読み出し方法は、以下の不具合がある。
【００３０】
転送先の入力部寄生容量Ｃｐは、具体的には、転送トランジスタ５ａのドレイン容量と容量リセットスイッチ５ｃのソース容量またはドレイン容量の総和からなる拡散容量であるが、この拡散容量は電圧依存性をもつため、転送される電荷量により値が異なる。すなわち、フォトダイオード１ａに入射する光量により上記式（１）で示される電圧増幅率（Ｖｏ／Ｖｓｉｇ）が異なることになり、信号の入出力関係が非線形になってしまう。
【００３１】
また、信号電圧の増幅率は、各列に設けられたバッファ回路８ａの増幅率αにも依存するため、バッファ回路８ａの特性ばらつきが画面上に固定パターン雑音として現われてしまう。
【００３２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、信号の入出力関係が線形であり、また、固定パターン雑音が低減された固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、入射した光を電荷に変換するフォトダイオードと、該フォトダイオードで発生した該電荷を読み出す垂直選択スイッチと、該フォトダイオードをリセットする画素リセットスイッチとを備え、画素が２次元アレイ状に配列され、各列の画素の電荷が垂直信号線を通して並列に読み出され、各列に配列された電荷転送回路およびバッファ回路を通して出力として取り出される固体撮像装置において、該電荷転送回路が、▲１▼転送トランジスタと、▲２▼該転送トランジスタのゲート−ソース間に挿入された反転型増幅器と、▲３▼入出力間に負帰還容量および該負帰還容量をリセットする容量リセットスイッチを挿入した反転型ラインアンプを備え、該各列の画素の電荷が、該負帰還容量に転送されることを特徴とする。
【００３４】
ここで、画素リセットスイッチは、各画素に設けられるものと各垂直信号線に１個設けられるものの双方を含む。
【００３５】
この場合、反転型ラインアンプの開ループゲインを−Ｇｏ、入力部寄生容量をＣｐ、負帰還容量をＣｆとすると、下記式（２）を満たすとき、電荷の転送先の容量は反転型ラインアンプの負帰還容量をＣｆとなる。
【００３６】
Ｃｆ≫Ｃｐ／（Ｇｏ＋１）　　　　　　　　　　（２）
上記式（２）は、Ｇｏを十分大きくとれば、容易に満足される。
【００３７】
このとき、前記式（１）は下記式（３）となる。
【００３８】
Ｖｏ／Ｖｓｉｇ＝Ｃｖ／Ｃｆ　　　　　　　　（３）
したがって、負帰還容量Ｃｆをフォトダイオードの等価容量Ｃｖに比べて十分小さくすれば、信号レベルを大きくすることで、高いＳ／Ｎを得ることができる。
【００３９】
この場合、負帰還容量Ｃｆは、例えば、ポリシリコン電極間に絶縁膜を挿入した構成にすれば、その容量値は絶縁膜厚と電極面積のみで決定されるため、電極に印加される電圧によらず常に所定値（一定値）をとリ、信号の入出力関係は線形となる。
【００４０】
また、上記式（３）には開ループゲイン−Ｇｏは含まれていないので、反転型ラインアンプの特性ばらつきは出力に影響を与えず、固定パターン雑音を抑えることができる。
【００４１】
また、電荷の転送先の容量、すなわち負帰還容量Ｃｆのリセット電圧（従来例における電圧Ｖ_ｒ２に相当）は、容量リセットスイッチをオンしたとき、すなわち反転型ラインアンプの入力と出力を接続したときの入力電圧となる。このため、反転型ラインアンプの動作入力電圧を反転型増幅器の動作入力電圧よりも高くなるように設定することで、フォトダイオードから電荷転送回路へ電荷を転送することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固体撮像装置の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。なお、本実施の形態例において、図１、２で示した従来例と同一の構成要素については同一の参照符号を付すとともに重複する説明を省略する。
【００４３】
本実施の形態例に係る固体撮像装置の１列分の画素の信号電荷が出力に至るまでの、１垂直信号線分の回路構成を図４に示す。なお、図４では、１列に配列される複数の画素のうち１つの画素のみを示し、他の画素は省略している。
【００４４】
本実施の形態例に係る固体撮像装置の信号読み出し回路は、電荷転送回路が、前記した従来例と相違する。
【００４５】
すなわち各画素１の垂直選択スイッチ１ｃが接続した垂直信号線６に、ゲート−ソース間に反転型増幅器５ｂが挿入された転送トランジスタ５ａのソースが接続され、転送トランジスタ５ａのドレインは反転型ラインアンプ１２ａの入力端子に接続される。反転型ラインアンプ１２ａの入出力間には、負帰還容量Ｃｆと、負帰還容量Ｃｆをリセットする容量リセットスイッチ１２ｂが挿入されている。転送トランジスタ５ａ、反転型増幅器５ｂ、反転型ラインアンプ１２ａ、負帰還容量Ｃｆおよび容量リセットスイッチ１２ｂにより電荷転送回路１０が構成されている。
【００４６】
反転型ラインアンプ１２ａの開ループゲイン−Ｇｏを大きく設定し、反転型ラインアンプ１２ａの入力部寄生容量Ｃｐと負帰還容量Ｃｆとの関係が前記式（２）を満たすようにすると、転送トランジスタ５ａを介して転送される信号電荷は、負帰還容量Ｃｆに転送されることになる。したがって、負帰還容量Ｃｆをフォトダイオード１ａの等価容量Ｃｖに比べて十分小さくすることにより、信号レベルが増幅され、高いＳ／Ｎを得ることができる。
【００４７】
このとき、負帰還容量Ｃｆは、例えば、ポリシリコン電極間に絶縁膜を挿入した構成にすれば、その容量値は絶縁膜厚と電極面積のみで決定されるため、電極に印加される電圧によらず常に所定値（一定値）をとリ、信号の入出力関係は線形となる。
【００４８】
また、反転型ラインアンプ１２ａの特性ばらつきは出力に影響を与えず、固定パターン雑音を抑えることができる。
【００４９】
また、フォトダイオード１ａから電荷転送回路１０へ電荷転送を行うためには、信号電荷が転送される前の反転型ラインアンプ１２ａの動作入力電圧を反転型増幅器５ｂの動作入力電圧よりも高くなければならない。信号電荷が転送される前の反転型ラインアンプ１２ａの動作入力電圧（電位）は、容量リセットスイッチ１２ｂをオンして反転型ラインアンプ１２ａの入力と出力を接続することで決定され、また、垂直信号線６の電圧（電位）は反転型増幅器５ｂによって決定される。したがって、反転型ラインアンプ１２ａの動作入力電圧を反転型増幅器５ｂの動作入力電圧よりも高くなるように設定する。
【００５０】
つぎに、上記電荷転送回路１０を本実施の形態例に係る固体撮像装置とは異なる画素構成をもつ固体撮像装置に適用した変形例について、図５を参照して説明する。なお、図５は、１列分の画素の信号電荷が出力に至るまでの、１垂直信号線分の回路構成を示し、さらに、１列に配列される複数の画素のうち１つの画素のみを示し、他の画素は省略している。
【００５１】
変形例の固体撮像装置は、画素リセットスイッチ１４が、画素１の外に出され、垂直信号線６に１個接続された形態となっている点が本実施の形態例に係る固体撮像装置と相違する。なお、画素リセットスイッチ１４を除く他の構成要素については本実施の形態例に係る固体撮像装置と同一であるため、同一の参照符号を付すとともに重複する説明を省略する。
【００５２】
変形例の固体撮像装置においても、本実施の形態例に係る固体撮像装置と同様の作用効果を得ることができる。
【００５３】
また、変形例の固体撮像装置は、画素リセットスイッチ１４を各垂直信号線６にそれぞれ１個のみ接続しているため、開口率を大きくとることができる。
【００５４】
また、変形例の固体撮像装置は、フォトダイオード１ａのリセット電位が画素リセットスイッチ１４で設定される電位とは関係がなくなるため、画素リセットスイッチ１４を１画素ごとに設けた場合に起こり得る画素リセットスイッチ１４の特性バラツキの影響を受けることがないため、固定パターン雑音を軽減することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る固体撮像装置によれば、入射した光を電荷に変換するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した電荷を読み出す垂直選択スイッチと、フォトダイオードをリセットする画素リセットスイッチとを備え、画素が２次元アレイ状に配列され、各列の画素の電荷が垂直信号線を通して並列に読み出され、各列に配列された電荷転送回路およびバッファ回路を通して出力として取り出される固体撮像装置において、電荷転送回路が、転送トランジスタと、転送トランジスタのゲート−ソース間に挿入された反転型増幅器と、入出力間に負帰還容量および負帰還容量をリセットする容量リセットスイッチを挿入した反転型ラインアンプを備え、各列の画素の電荷が、負帰還容量に転送され、反転型ラインアンプは、各垂直信号線に１個配置され、負帰還容量は、フォトダイオードの等価容量よりも小さく、反転型ラインアンプは、転送トランジスタのドレインから見た入力容量が開ループゲインと負帰還容量の積にほぼ等しくなるように、開ループゲインが大きく設定され、反転型ラインアンプは、動作入力電圧が反転型増幅器の動作入力電圧よりも高くなるように設定され、負帰還容量は、印加される電圧値によらず所定の容量値を保つように構成されているため、高いＳ／Ｎを得ることができ、また、信号の入出力関係は線形であり、また、固定パターン雑音が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＭＯＳ型固体撮像装置の信号読み出し回路の構成を示す図である。
【図２】図１のＭＯＳ型固体撮像装置の１垂直信号線分の回路構成を示す図である。
【図３】図１のＭＯＳ型固体撮像装置の信号電荷読み出し方法を説明するための電位分布図である。
【図４】本実施の形態例に係る固体撮像装置の１垂直信号線分の回路構成を示す図である。
【図５】変形例の固体撮像装置の１垂直信号線分の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１　画素
１ａ　フォトダイオード
１ｂ、１４　画素リセットスイッチ
１ｃ　垂直選択スイッチ
２　垂直走査器
３　水平走査器
３ａ　水平選択スイッチ
３ｂ　水平信号線
４　コントローラ
５、１０　電荷転送回路
５ａ　転送トランジスタ
５ｂ　反転型増幅器
６　垂直信号線
８ａ　バッファ回路
８ｂ　雑音低減化回路
１２ａ　反転型ラインアンプ
１２ｂ　容量リセットスイッチ
Ｃｆ　負帰還容量
Ｃｐ　バッファ回路の入力部寄生容量
Ｃｖ　垂直信号線の浮遊容量

Claims

入射した光を電荷に変換するフォトダイオードと、該フォトダイオードで発生した該電荷を読み出す垂直選択スイッチと、該フォトダイオードをリセットする画素リセットスイッチとを備え、画素が２次元アレイ状に配列され、各列の画素の電荷が垂直信号線を通して並列に読み出され、各列に配列された電荷転送回路およびバッファ回路を通して出力として取り出される固体撮像装置において、
該電荷転送回路が、転送トランジスタと、該転送トランジスタのゲート−ソース間に挿入された反転型増幅器と、入出力間に負帰還容量および該負帰還容量をリセットする容量リセットスイッチを挿入した反転型ラインアンプを備え、
該各列の画素の電荷が、該負帰還容量に転送されることを特徴とする固体撮像装置。
前記反転型ラインアンプは、各垂直信号線に１個配置され、前記負帰還容量は、前記フォトダイオードの等価容量よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記反転型ラインアンプは、前記転送トランジスタのドレインから見た入力容量が開ループゲインと前記負帰還容量の積にほぼ等しくなるように、該開ループゲインが大きく設定されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記反転型ラインアンプは、動作入力電圧が前記反転型増幅器の動作入力電圧よりも高くなるように設定されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記負帰還容量は、印加される電圧値によらず所定の容量値を保つように構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。