JP2005244434A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】 リセットのための大きな電圧を必要としないと共に、広いダイナミックレンジが得られる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 この閾値電圧変調方式MOS型イメージサンサは、電圧発生回路71は、光信号検出用MOSトランジスタ112のゲート14とドレイン16に、それぞれ、所定のゲート電圧VGとドレイン電圧VDを印加する。これにより、フォトダイオード111で発生する光電流IpとP型基板11に排出される排出電流Isubとを釣り合わして、画素101を、光電流Ipが信号蓄積領域であるP型のホールポケット18を介してP型基板11へ定常的に流れる定常動作状態にする。この定常動作状態において、チャネル17のチャネル電位を光信号検出用MOSトランジスタ112のソース15から読み出すことによって、光電流Ipを対数変換した出力信号Voutを得ることができる。
【選択図】 図1

Description

この発明は、固体撮像装置に関し、より詳しくは、閾値電圧変調方式MOS型イメージセンサと呼ばれる固体撮像装置に関する。
最近、各画素毎に増幅機能を持たせ走査回路により読み出す増幅型固体撮像装置が広く用いられている。増幅型固体撮像装置では、画素内に、増幅部、リセット部、画素選択部等を平面的に別々に配置した横型の固体撮像装置と、増幅部、リセット部、画素選択部を深さ方向に重ねて配置した縦型の固体撮像装置とがある。
縦型の固体撮像装置の中で、光信号検出用MOSトランジスタのチャネル領域下にキャリアポケットを設けた、閾値電圧変調方式のMOS型イメージサンサが提案されている(特許文献1(特開平11−195778号公報)等を参照)。
このイメージセンサの1画素分の構造を、図11(A)の平面図および図11(B)の断面図に示す。単位画素は、受光ダイオード611と、受光ダイオード611に隣接する光信号検出用MOSトランジスタ612とから構成される。上記単位画素は、P基板511の表面側に形成されたNウェル512上に形成される。受光ダイオード611と光信号検出用MOSトランジスタ612とは、P型のウェル513によって繋がっている。
光信号検出用MOSトランジスタ612においては、ゲート514がリング状に有り、中央部にN型のソース515が形成され、ゲート514の外周を囲むようにN型のドレイン516が形成されている。ゲート514下の半導体表面部にはN層517が形成され、このN層517はドレイン516、ソース515間のチャネル517を構成している。また、ゲート514の下方、ソース515の近傍のP型ウェル513内にソース515を囲むようにP型のホールポケット518が設けられている。
上記閾値電圧変調方式のMOS型イメージサンサでは、受光ダイオード611が埋め込みフォトダイオード構造であるので、暗電流ノイズを大幅に低減することが可能である。さらに、受光ダイオード611→ホールポケット518→P基板511への電荷転送が完全であれば、リセットノイズが原理的に発生しないという利点を有する。しかしながら、上記電荷転送を完全にするには大きな電圧が必要となる。
図12を参照して、上記閾値電圧変調方式のMOS型イメージサンサの動作を説明する。この図12において、縦軸は、図11(B)におけるY−Y断面でのポテンシャルPo、横軸は深さDeを表す。
まず、信号蓄積動作時には、ゲート514の電位はV0とされ、受光ダイオード611からの信号電荷(ホール)は、ホールポケット領域518に転送され蓄積する。次に、信号読み出し時には、ゲート514の電位はV1とされ、ドレイン516の電位はVDとされることにより、ホールポケット518に存在する信号量に応じて表面部のチャネル(N層)517の電位が変化する。つまり、上記信号量が0では上記電位がφ0となり、上記信号量がQsでは上記電位はφ1になる。このチャネル517の電位変化を、画素の光信号としてソース515から読み出すことができる。
信号読み出し動作が終了すると、ゲート514の電位はV2とされ、ホールポケット518に蓄積した信号電荷はP基板511へ排出されてリセット動作が行われる。リセット動作後、ゲート514の電位は再びV1とされ、ホールポケット518に信号電荷が存在しない状態での画素基準信号をソース515から読み出すことができる。上記画素基準信号を読み出した後は、再び最初の信号蓄積動作に入り、次の撮像動作サイクルを行う。
以上の動作をゲート電圧のタイミングチャートで、図13に示す。すなわち、期間T1でゲート電圧をV1とすることによって、画素の光信号を読み出す動作を行う。次に、期間T2でゲート電圧をV2としてリセット動作を行う。その後、期間T3で再びゲート電圧をV1とすることによって、画素基準信号を読み出す動作を行う。これを撮像動作サイクル毎に繰り返す。
上記一連の動作において、リセット動作時に、もしホールポケット518からP基板511にホールに対するポテンシャルバリアΔφRSTが存在すると、一部の電荷ΔQがホールポケット518に残留する。
図12に、ゲート電圧V2とこの電圧V2よりも低いゲート電圧V2’とを比較して示すように、ポテンシャルバリアΔφRSTおよび残留電荷量ΔQはゲート電圧に依存する。つまり、ポテンシャルバリアΔφRSTと残留電荷量ΔQはゲート電圧が大きくなるに従って減少する。この残留電荷量ΔQの増大は、画像において残像の増大をもたらす。
さらに、上記閾値電圧変調方式のMOS型イメージサンサから得られる信号は、光入力に対してリニアな応答であり、強い入射光には飽和するので、ダイナミックレンジをあまり広くできない。
特開平11−195778号公報
そこで、この発明の課題は、リセットのための大きな電圧を必要としないと共に、広いダイナミックレンジが得られる固体撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の固体撮像装置は、受光ダイオードと、この受光ダイオードからの信号電荷を蓄積する信号蓄積領域と、この信号蓄積領域に存在する電荷量に応じて変化するチャネル電位を出力信号として読み出す絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、上記信号蓄積領域に存在する電荷の排出先となる基板とを有する画素と、
上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートとドレインに、それぞれ、所定のゲート電圧とドレイン電圧を印加することによって、少なくとも上記画素の信号読み出し時に、上記受光ダイオードで発生する光電流と上記基板に排出される電流とを釣り合わして、上記画素を、上記光電流が上記信号蓄積領域を介して上記基板へ定常的に流れる定常動作状態にする電圧発生部と、を備えることを特徴としている。
この発明の固体撮像装置では、上記電圧発生部は、上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートとドレインに、それぞれ、所定のゲート電圧とドレイン電圧を印加することによって、上記受光ダイオードで発生する光電流と上記基板に排出される電流とを釣り合わして、上記画素を、上記光電流が上記信号蓄積領域を介して上記基板へ定常的に流れる定常動作状態にする。この定常動作状態において、上記チャネル電位を上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタから読み出すことによって、上記光電流を対数変換した出力信号を得ることができる。すなわち、本発明の固体撮像装置では、上記光電流が上記信号蓄積領域を介して上記基板へ定常的に流れる定常動作状態で、読み出し動作を行う。
本発明では、この定常動作状態での読み出しによって、従来のような大きなゲート電圧を要するリセット動作を行う必要がなくなると共に、読み出し動作が対数変換動作となってダイナミックレンジを広くできる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、2次元配列された複数の上記画素を備え、
上記電圧発生部は、
非読み出し時には、全ての画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートにゲート電圧として第1の電位を与えて、全ての画素を上記定常動作状態にする一方、
読み出し時には、選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートにゲート電圧として第1の電位を与えると共に、非選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートにゲート電圧として第2の電位を与えることによって、上記選択行の画素のみを読み出し可能にするにする。
この実施形態では、上記電圧発生部は、非読み出し時には、全ての画素にゲート電圧として第1の電位を与えて上記定常動作状態にする一方、読み出し時には、選択行の画素にゲート電圧として第1の電位を与えると共に非選択行の画素にゲート電圧として第2の電位を与えることによって、上記選択行の画素のみが読み出し可能になる。
したがって、この実施形態では、複数の画素が2次元配列された固体撮像装置において、上記定常動作状態での読み出しによって、従来のような大きなゲート電圧を要するリセット動作を行う必要がなくなると共に、読み出し動作が対数変換動作となってダイナミックレンジを広くできる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記電圧発生部が上記ゲートに与える第1の電位は上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオンとなる値であり、上記電圧発生部が上記ゲートに与える上記第2の電位は上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオフとなる値である。
この実施形態では、上記電圧発生部が上記ゲートに与える第1の電位は上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオンとなる値であり、上記電圧発生部が上記ゲートに与える第2の電位は上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオフとなる値である。したがって、読み出し時の選択行の画素では、オン状態の絶縁ゲート型電界効果トランジスタから、定常動作状態での画素の出力信号を読み出すことができる。一方、読み出し時の非選択行の画素では、絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオフ状態なので、出力信号の読み出しは行われない。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記受光ダイオードは埋め込みフォトダイオードである。
したがって、この実施形態では、受光ダイオードで発生する暗電流を大幅に低減することが可能となり、対数変換型の固体撮像装置における低照度側の撮像限界を拡大できる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記電圧発生部は、非読み出し時に、全ての画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインにドレイン電圧として第3の電位を与える一方、読み出し時には、選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインにドレイン電圧として第4の電位を与えると共に、非選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインにドレイン電圧として上記第3の電位を与える。
この実施形態では、上記電圧発生部は、読み出し時の選択行の画素についてのみ、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインに第4の電位を与えて、選択行の画素を定常動作状態にして、チャネル電位を出力信号として読み出すことができる。したがって、この実施形態では、複数の画素が2次元配列された固体撮像装置において、上記定常動作状態での読み出しによって、従来のような大きなゲート電圧を要するリセット動作を行う必要がなくなると共に、読み出し動作が対数変換動作となってダイナミックレンジを広くできる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記第3の電位は、上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート下のチャネル表面が電荷で埋められてピンニングされる値であり、上記第4の電位は、上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート下のチャネル表面が空乏化される値である。
この実施形態では、複数の画素が2次元配列された固体撮像装置において、電圧発生部は、読み出し時の選択行の画素についてのみ、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインに第4の電位として上記チャネル表面が空乏化される値を与えて、上記チャネル電位が上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタによって読み出される。一方、上記電圧発生部は、非読み出し時の全画素および読み出し時の非選択行の画素については、ドレインに第3の電位として上記チャネル表面が電荷で埋められてピンニングされる値を与えるので、チャネル表面での暗電流発生を大幅に抑制できる。
また、一実施形態の固体撮像装置は、暗時または所定の均一光を上記複数の画素に照射しているときに、上記複数の画素からの各出力信号を記憶して、この各出力信号を各基準信号として出力する記憶部と、
撮像時に上記複数の画素から出力される各出力信号から上記各基準信号を減算して、各画素の各撮像信号として出力する減算部とを備える。
この実施形態では、上記記憶部は、暗時または所定の均一光を上記複数の画素に照射しているときに、各画素の各出力信号を記憶すると共に、各出力信号を各基準信号として出力し、減算部は撮像時に上記複数の画素から出力される各出力信号から上記各基準信号を減算して、各画素の各撮像信号として出力する。したがって、各画素毎の出力オフセットばらつきを除去した撮像信号を得ることが可能となる。
この発明の固体撮像装置によれば、電圧発生部は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートとドレインに、それぞれ、所定のゲート電圧とドレイン電圧を印加することによって、受光ダイオードで発生する光電流と基板に排出される電流とを釣り合わして、画素を、上記光電流が信号蓄積領域を介して上記基板へ定常的に流れる定常動作状態にする。この定常動作状態において、チャネル電位を上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタから読み出すことによって、上記光電流を対数変換した出力信号を得ることができる。すなわち、本発明の固体撮像装置では、光電流が信号蓄積領域を介して基板へ定常的に流れる定常動作状態で、読み出し動作を行う。本発明では、この定常動作状態での読み出しによって、従来のような大きなゲート電圧を要するリセット動作を行う必要がなくなると共に、読み出し動作が対数変換動作となってダイナミックレンジを広くできる。
すなわち、この発明によれば、閾値電圧変調方式MOS型イメージセンサであることにより低暗電流特性が得られると共に、対数変換特性を得ることが可能である。これにより、低暗電流特性でもって撮像可能範囲を低照度側へ拡大すると共に、対数変換特性でもって撮像可能範囲を高照度側へ拡大する。したがって、格段に広い撮像可能領域が獲得され、ダイナミックレンジが格段に広いイメージセンサを実現できる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1を参照して、この発明の固体撮像装置の第1実施形態である対数変換型の閾値電圧変調方式MOS型イメージサンサの構成を説明する。図1(A)は上記第1実施形態の平面図であり、図1(B)は図1(A)のA−A断面図である。また、図1(C)は図1(B)に示す位置D-C-Bを結ぶ線におけるポテンシャル分布を示す図である。
この第1実施形態は、単位画素である画素101と、図1(D)に示す電圧発生回路71とを備える。この画素101は、受光ダイオードであるフォトダイオード111と、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとしての光信号検出用MOSトランジスタ112とを有する。この光信号検出用MOSトランジスタ112は、フォトダイオード111に隣接している。
上記画素101は、P型基板11の表面側に形成されたNウェル12上に形成される。フォトダイオード111と光信号検出用MOSトランジスタ112とは、P型のウェル13によって繋がっている。
光信号検出用MOSトランジスタ112は、ゲート14が略正八角形状のリング形状であり、中央部にN型のソース15が形成されている。また、上記ゲート14の外周を囲むようにN型のドレイン16が形成されている。ゲート14下の半導体表面部にはN層17が形成され、このN層17はドレイン16とソース15との間のチャネル17を構成している。また、ゲート14の下方、ソース15の近傍のP型ウェル13内にソース15を囲むようにP型のホールポケット18が設けられている。このホールポケット18が電荷蓄積領域をなす。
この第1実施形態では、電圧発生回路71は、まず、ドレイン16に所定のドレイン電圧VDを印加し、環状ゲート14に所定のゲート電圧VGを印加する。この時のポテンシャル分布を図1(C)に示す。図1(C)において、フォトダイオード111のP型のウェル13で発生した光電荷は、ホールポケット18に転送される。その後、ホールポケット18に、上記光電荷のうちの一部の電荷が残留することにより、P型基板11へのバリア電圧がφXとなり、バリア電圧φXを越えてP型基板11への電荷排出が生じる。このP型基板11への排出電流Isubは、バリア電圧φXの関数として近似的に次式(1)で表される。
Isub=Io・exp(−φX・q/kT) … (1)
ここで、Ioは定数、qは素電荷、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。
上記式(1)で表される状態が定常的に保持されれば、光電流Ipと排出電流Isubとが等しくなるから、結局、次式(2)が成り立つ。なお、次式(2)において、Constは定数である。
Log(Ip)=−φX・q/kT+Const … (2)
すなわち、光電流Ipを対数変換した値とバリア電圧φXとが比例関係になる。このバリア電圧φXの値は、環状ゲート14の下のチャネル17のチャネル電位の変化として、ソース15より出力電圧Voutとして読み出される。
したがって、この実施形態では、図2に示す出力電圧特性(i)のように、光入力つまり光電流Ipの対数Log(Ip)と出力電圧Voutとの関係は直線状になる。一方、従来のリニア変換型素子における光入力(つまり光電流の対数)と出力電圧Voutとの関係は、図2に示す出力電圧特性(ii)のように、入射光強度がPmに達すると出力電圧Voutが飽和してしまう。これに対し、対数変換型である本実施形態によれば、出力電圧特性(i)は飽和せず、ダイナミックレンジを大幅に高めることが可能となる。
また、この第1実施形態では、フォトダイオード111は埋め込み型であり、暗電流ノイズを大幅に低減することが可能である。これは、対数変換型の動作においては、低照度側の撮像限界を拡大できることを意味する。
なお、この実施形態では、図1(A)に示すように、信号蓄積領域としてのホールポケット18を略正八角形にしたが、円形状、楕円形状、四角形状、六角形状、多角形状でもよい。
(第2の実施の形態)
次に、図3に、この発明の固体撮像装置の第2実施形態として、2×3画素の2次元配列された6個の画素110を備えた対数変換型閾値電圧変調方式MOS型イメージサンサの回路構成を示す。各画素110は、前述の第1実施形態の画素101と同じ構成であり、各画素110が有する光信号検出用MOSトランジスタ112とフォトダイオード111も第1実施形態と同様の構成である。
各画素110は、MOSトランジスタ112とフォトダイオード111とで構成されている。各行のMOSトランジスタ112のゲート14はゲート線41a,41b,41cでゲート駆動回路44に接続されている。また、各列のMOSトランジスタ112のソース15はソース線43a,43bで水平読み出し回路47に接続されている。この水平読み出し回路47は、出力回路48に接続され、この出力回路48は出力端子49に接続されている。
また、この第2実施形態は、電圧発生回路51を有している。この電圧発生回路51は、ドレイン電圧端子TVDとゲート駆動回路44とに接続されている。この電圧発生回路51は、各MOSトランジスタ112のゲート14に印加するゲート電圧VGとドレイン16に印加するドレイン電圧VDを発生する回路である。
この第2実施形態での読み出し動作を、図4に示すタイミングチャートを参照して説明する。
図4に示すように、ゲート駆動回路44は、ゲート線41a,41b,41cに、それぞれ、駆動波形41(a),41(b),41(c)で表されるゲート電圧を印加する。1水平走査期間1Hは読み出し期間T1と非読み出し期間T2からなる。
この読み出し期間の内、ゲート線41aが選択される期間Taでは、ゲート線41aに印加される駆動波形41(a)はHレベル(ハイレベル)電圧VHが維持される一方、他のゲート線41b,41cには駆動波形41(b),41(c)で示すようにLレベル(ローレベル)電圧VLが印加される。したがって、期間Taでは、ゲート線41b,41cに接続された行の画素110は非選択となり、ゲート線41aに接続された行の画素110の出力電圧Voutのみがソース15に接続されたソース線43a,43bを経由して水平読み出し回路47によって読み出される。
同様に、期間Tbでは、ゲート線41bにHレベル電圧VHが印加される一方、ゲート線41a,41cにLレベル電圧VLが印加されるので、ゲート線41bに接続された行の画素110だけが選択されて、水平読み出し回路47で出力電圧Voutが読み出される。また、期間Tcでは、ゲート線41cにHレベル電圧VHが印加される一方、ゲート線41a,41bにLレベル電圧VLが印加されるので、ゲート線41cに接続された行の画素110だけが選択されて、水平読み出し回路47で出力電圧Voutが読み出される。
このように、この第2実施形態では、各読み出し期間Ta,Tb,Tcでは、各読み出し期間Ta,Tb,Tcに対応する行の画素110だけが読み出され、読み出しの対象外のすべての画素110のトランジスタ112のゲート14はHレベル電圧VHに保持される。したがって、各画素110は、各画素110のための読み出し期間以外ではトランジスタ112のゲート14にHレベル電圧VHが印加されて、光電流Ipと排出電流Isubとが一致した定常状態が維持され、上述の対数変換型の動作が持続する。この対数変換型の動作で得られた画素信号つまり出力電圧Voutは、ソース線43a,43bを経由して、水平読み出し回路47に伝達され、出力回路48から出力端子49に出力される。
次に、図5を参照して、この第2実施形態における読み出し動作を詳細に説明する。図5(A)にゲート電圧VGと出力電圧Voutとの関係を示し、図5(B)に図1(B)の位置D-C-Bを結ぶ一点鎖線に沿ったポテンシャル分布を示す。ゲート電圧VGがHレベル電圧VHであるときのポテンシャル分布を実線で描かれたポテンシャル分布p1で示し、ゲート電圧VGがLレベル電圧VLであるときのポテンシャル分布を破線で描かれたポテンシャル分布p2で示す。
図5(A)に示すように、ゲート電圧VGがHレベル電圧VHであるときには、光電流Ipと基板への排出電流Isubとが等しい定常状態であり、光強度の増大に応じて、基板11に対するホールポケット18の電位が上昇してバリア電圧φXが対数的に低下する。これにより、図5(A)に示す特性L3、L2、L1のように、出力電圧Voutが増大する。
図5(A)に示すように、出力電圧Voutはゲート電圧VGに依存して変化する。また、各VG-Voutカーブは、光強度の増大に応じて、順に、対数特性L3、L2、L1へとシフトする。このシフト量は、光強度の対数に比例する。
ゲート電圧VGの値が上昇すると、上記バリア電圧φXは低下するから、ホールポケット18は過剰となった電荷を基板11へ放出し、ポテンシャル分布は新たな定常状態を維持する方向にシフトする。すなわち、上述の対数変換型の動作が維持される。逆に、ゲート電圧VGの値が下降すると、バリア電圧φXは増大するから、下降前にホールポケット18に蓄積した電荷は保存される。すなわち、リニア特性が維持される。
したがって、図5(A)において、ゲート電圧VGがHレベル電圧VHからLレベル電圧VLになって、状態Pから状態Qに下降する場合には、ホールポケット18に蓄積した電荷は保存され、電荷の蓄積動作が開始する(破線で示すリニア特性L4,L5)。しかし、その後、ゲート電圧VGが短時間でHレベルVHへ戻ると、状態Pから状態Qへ変化した状態で蓄積した電荷は全て基板11に放出され、再び元の定常状態Pへ戻ることができる。
したがって、図4に示すように、各読み出し期間Ta,Tb,Tcに短時間だけゲート電圧VGがLレベル電圧VLになっただけでは、ゲート電圧VGがHレベル電圧VHに戻ることで定常状態が維持され、対数変換動作を維持できる。
ところで、読み出し対象の画素110のゲート14をHレベル電圧VHとし、非読み出し対象の画素110のゲート14をLレベル電圧VLとした場合、この読み出し対象の画素110の出力電圧Voutと非読み出し対象の画素110の出力電圧Voutとは、図5(A)に示す読み出しマージンMGだけの差がつく。これにより、読み出し対象の画素110の出力信号Voutのみを読み出すことが可能となる。
なお、この第2実施形態の動作においては、受光ダイオードであるフォトダイオード111は埋め込み型であり、フォトダイオード111で発生する暗電流を低く抑えることができる。
(第3の実施の形態)
次に、図8に、この発明の固体撮像装置の第3実施形態を示す。この第3実施形態は、ドレイン駆動回路45を備えた点が前述の第2実施形態と異なる。この第3実施形態では、各行の画素110のMOSトランジスタ112のドレイン16は、それぞれ、信号線42a,42b,42cでもって、ドレイン駆動回路45に接続されている。
図9のタイミングチャートを参照して、この第3実施形態の動作を説明する。図9の上半分は、ゲート駆動回路44がゲート線41a〜41cに印加するゲート電圧の駆動波形41(a)〜41(c)を示し、前述の第2実施形態と同様である。図9の下半分は、ドレイン駆動回路45が信号線42a、42b、42cに印加するドレイン電圧の波形42(a)、42(b)、42(c)を示す。
すなわち、ドレイン駆動回路45は、各読み出し期間Ta、Tb、Tcにおいて、読み出し対象となる行の信号線42a、42b、42cに対してだけ、Hレベルの電圧VD1を印加する。したがって、ドレイン駆動回路45は、非読み出し期間には、各信号線42a〜42cにLレベルの電圧VD2を印加し、読み出し期間Ta〜Tcであっても、読み出し対象以外の行の信号線にはLレベルの電圧VD2を印加する。
ここで、図6(B)に、図1(B)におけるE-C-D断面に相当するゲート電極14の下のポテンシャル分布pVH,pVLを破線で示し、図1(B)におけるB-C-D断面に相当するポテンシャル分布を実線で示す。pVHはゲート電圧VGがHレベル電圧VHであるときのポテンシャル分布であり、pVLはゲート電圧VGがLレベル電圧VLであるときのポテンシャル分布である。
図6(B)は、ドレイン電圧がHレベルの電圧VD1である場合のポテンシャル分布を示している。また、図6(A)は、上記ドレイン電圧がHレベルの電圧VD1である場合のゲート電圧VGと出力電圧Voutとの関係を示す。図6(A)において、実線は対数変換特性を示し、破線はリニア変換特性を示す。
また、図7(B)では、ドレイン電圧がLレベル電圧VD2である場合の、図1(B)におけるE-C-D断面に相当するゲート電極14の下のポテンシャル分布を破線で示し、図1(B)におけるB-C-D断面に相当するポテンシャル分布を実線で示す。pVHはゲート電圧VGがHレベル電圧VHであるときのポテンシャル分布であり、pVLはゲート電圧VGがLレベル電圧VLであるときのポテンシャル分布である。また、図7(A)は、上記ドレイン電圧がLレベルの電圧VD2である場合のゲート電圧VGと出力電圧Voutとの関係を示す。
図6(B)に示すように、ドレイン電圧がHレベルの電圧VD1であり、ゲート電圧VGがHレベルの電圧VHであるときには、チャネル電位はPである。次に、ドレイン電圧を上記Pより小さいLレベルの電圧VD2にすると、チャネル17は電圧VD2まで電荷で埋められて、図7(B)に示すように、チャネル電位はP´になる。すなわち、チャネル表面がピンニングされる。これにより、チャネル表面での暗電流の発生を抑制できる。
したがって、図9の下半分に示すように、ドレイン駆動回路45が各読み出し期間Ta、Tb、Tcにおいて、読み出し対象となる行の信号線42a、42b、42cに対してだけHレベルの電圧VD1を印加するようにすれば、各画素110において、大部分の期間でドレイン電圧がLレベルの電圧VD2になって、チャネル17がピンニング状態となる。したがって、選択された画素110の読み出し期間のみにドレイン電圧をHレベルの電圧VD1とすれば、ドレイン電圧のLレベル電圧VD2からHレベル電圧VD1への変化に対して、ホールポケット18から基板11までのポテンシャル分布状態はほとんど変化しない。したがって、ドレイン電圧がHレベル電圧VD1である時に、光電流が信号蓄積領域としてのホールポケット18から基板11に定常的に流れる状態として、チャネル電位Pを出力電圧Voutとして読み出すことができる。すなわち、上記光電流を対数変換した出力信号としての出力電圧Voutを正しく読み出すことができる。
このように、この第3実施形態によれば、リング状のゲート電極14の下の通常空乏化しているチャネル17の表面での暗電流を抑制することができる。
(第4の実施の形態)
次に、図10に、この発明の固体撮像装置の第4実施形態を示す。この第4実施形態は、前述の第2実施形態または第3実施形態からなるイメージセンサ31と、AD変換器33と、記憶部としてのフレームメモリ34と、減算部としての差分回路37を備える固体撮像回路30からなる。
この固体撮像回路30では、イメージセンサ31が出力信号を出力する出力線32がAD変換器33に接続され、このAD変換器33の出力側は差分回路37とフレームメモリ34に接続されている。また、このフレームメモリ34の出力側は差分回路37に接続されている。
イメージセンサ31が出力する出力信号は、AD変換器33でデジタル信号に変換されて、差分回路37とフレームメモリ34に入力される。
このフレームメモリ34には、各画素に対して均一な所定の強度で光が照射された条件下で、イメージセンサ31から対数変換された光電変換信号が出力信号として出力されたときに、この出力信号をAD変換器33でデジタル信号に変換した信号を各画素毎に記憶している。すなわち、フレームメモリ34には、画素毎のオフセットばらつきΔVijが記録されている。
したがって、差分回路37には、イメージセンサ31から任意のフレームで読み出される出力信号をAD変換器33で変換したデジタル信号が入力されると共に、画素毎のオフセットばらつきΔVijがフレームメモリ34から入力される。この差分回路37は、各画素毎に対応づけて、上記出力信号から画素毎のオフセットばらつきΔVijを減算し、この減算後の信号を出力線38に出力する。これにより、全てのフレーム信号(すなわち対数変換された光電変換信号)に対して、オフセットばらつきΔVijがキャンセルされ、固定パターンノイズのない画像信号を出力線38から得ることができる。
このように、この第4実施形態によれば、リセット動作を行わない対数変換動作を行うイメージセンサ31を有する場合において、画素毎のオフセットばらつきに起因する固定パターンノイズの発生を防止できる。
図1(A)はこの発明の固体撮像装置の第1実施形態である対数変換型イメージセンサの画素構成を示す図であり、図1(B)は図1(A)のA-A断面図であり、図1(C)は図1(B)に示す位置D-C-Bを結ぶ線におけるポテンシャル分布図であり、図1(D)は上記イメージセンサが備える電圧発生回路71を示す図である。 図1に示す画素の光応答特性を示す図である。 この発明の固体撮像装置の第2実施形態としての2次元配列のイメージセンサの構成を示す図である。 上記第2実施形態の2次元イメージセンサの動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図5(A)は上記第2実施形態における読み出し動作を説明するためのゲート電圧VGと出力電圧Voutとの関係を示す特性図であり、図5(B)はポテンシャル分布図である。 図6(A)は、この発明の第3実施形態におけるドレイン電圧がHレベルの電圧VD1である場合のゲート電圧VGと出力電圧Voutとの関係を示す図であり、図6(B)は、上記第3実施形態におけるドレイン電圧がHレベルの電圧VD1である場合のポテンシャル分布図である。 図7(A)は、第3実施形態におけるドレイン電圧がLレベルの電圧VD2である場合のゲート電圧VGと出力電圧Voutとの関係を示す図であり、図7(B)は、上記第3実施形態におけるドレイン電圧がLレベルの電圧VD1である場合のポテンシャル分布図である。 この発明の固体撮像装置の第3実施形態の構成を示す図である。 上記第3実施形態の動作を説明するタイミングチャートである。 この発明の第4実施形態の構成を示す図である。 図11(A)は従来例の閾値変調方式MOS型イメージセンサにおける画素を示す平面図であり、図11(B)は上記従来例の画素の断面図である。 上記従来例のポテンシャル分布図である。 上記従来例の動作タイミング図である。
符号の説明
11 P型基板
12 Nウェル
13 P型ウェル
14 ゲート
15 ソース
16 ドレイン
17 チャネル
18 ホールポケット
30 固体撮像回路
31 イメージセンサ
33 AD変換器
34 フレームメモリ
37 差分回路
38 出力線
44 ゲート駆動回路
45 ドレイン駆動回路
47 水平読み出し回路
48 出力回路
49 出力端子
51、71 電圧発生回路
101、110 画素
111 フォトダイオード
112 光信号検出用MOSトランジスタ
φX バリア電圧
Isub 排出電流
Ta,Tb,Tc 読み出し期間
Vout 出力電圧

Claims (7)

  1. 受光ダイオードと、この受光ダイオードからの信号電荷を蓄積する信号蓄積領域と、この信号蓄積領域に存在する電荷量に応じて変化するチャネル電位を出力信号として読み出す絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、上記信号蓄積領域に存在する電荷の排出先となる基板とを有する画素と、
    上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートとドレインに、それぞれ、所定のゲート電圧とドレイン電圧を印加することによって、少なくとも上記画素の信号読み出し時に、上記受光ダイオードで発生する光電流と上記基板に排出される電流とを釣り合わして、上記画素を、上記光電流が上記信号蓄積領域を介して上記基板へ定常的に流れる定常動作状態にする電圧発生部と、
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 請求項1に記載の固体撮像装置において、
    2次元配列された複数の上記画素を備え、
    上記電圧発生部は、
    非読み出し時には、全ての画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートにゲート電圧として第1の電位を与えて、全ての画素を上記定常動作状態にする一方、
    読み出し時には、選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートにゲート電圧として第1の電位を与えると共に、非選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートにゲート電圧として第2の電位を与えることによって、上記選択行の画素のみを読み出し可能にすることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 請求項2に記載の固体撮像装置において、
    上記電圧発生部が上記ゲートに与える第1の電位は上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオンとなる値であり、上記電圧発生部が上記ゲートに与える上記第2の電位は上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオフとなる値であることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 請求項1に記載の固体撮像装置において、
    上記受光ダイオードは埋め込みフォトダイオードであることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項2に記載の固体撮像装置において、
    上記電圧発生部は、
    非読み出し時に、全ての画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインにドレイン電圧として第3の電位を与える一方、読み出し時には、選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインにドレイン電圧として第4の電位を与えると共に、非選択行の画素の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレインにドレイン電圧として上記第3の電位を与えることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項5に記載の固体撮像装置において、
    上記第3の電位は、上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート下のチャネル表面が電荷で埋められてピンニングされる値であり、
    上記第4の電位は、上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート下のチャネル表面が空乏化される値であることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項2に記載の固体撮像装置において、
    暗時または所定の均一光を上記複数の画素に照射しているときに、上記複数の画素からの各出力信号を記憶して、この各出力信号を各基準信号として出力する記憶部と、
    撮像時に上記複数の画素から出力される各出力信号から上記各基準信号を減算して、各画素の各撮像信号として出力する減算部とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
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